Masa Higgs nu este naturală, dar poate că nu ar trebui să fie

A doua din două părți (citește partea 1)

E ceva în neregulă cu bosonul Higgs.

Este ca un șarpe cu două capete. Pisicile care se joacă cu câinii. Iepuri fără pui de iepurași. Nasul lui Voldemort.

Nu este firesc.

În acest caz, „natural” nu înseamnă opusul artificial, cum ar fi îndulcitorii sau pomii de Crăciun. „Naturalitatea” este de fapt un termen tehnic în fizică, deși există o oarecare confuzie cu privire la modul exact de a-l defini.

În orice caz, descoperirea de către Large Hadron Collider a bosonului Higgs cu masa pe care o avea (aproximativ de 125 de ori masa unui proton) i-a uimit pe unii fizicieni, deoarece nu pot articula o explicație „naturală” pentru acesta.

Pentru a deveni un pic mai tehnic, problema implică ceea ce fizicienii numesc problema „ierarhiei”. Are de-a face cu masele de particule. (Amintiți-vă, particula Higgs este urmașul unui câmp care dă particulelor masa lor.) În mod naiv, ar fi natural să ne așteptăm ca particulele să aibă mase aproximativ la scara unității cuantice fundamentale de masă, cunoscută sub numele de masă Planck. Se calculează combinând corect constanta gravitațională a lui Newton, constanta lui Planck și viteza luminii într-o formulă care produce un număr cu unitățile de masă. Și se dovedește a fi aproximativ 10 milioane de miliarde de trilioane de electroni volți, sau 20 de milioane de grame. După standardele de fizică a particulelor, este enorm de greu – fizicienii îl compară în mod diferit cu masa unui păr de sprâncene, sau a unui ou de purice sau a milioane de bacterii.

Evident, particulele subatomice nu sunt atât de grele – sunt mai ușoare cu un factor care depășește 10 milioane de miliarde.

Există modalități „naturale” de a explica particulele de lumină, dar acele moduri nu par să funcționeze cu Higgs. Masa lui pur și simplu nu este naturală. Fizica cuantică oferă formule pentru calcularea a ceea ce ar trebui să fie masa Higgs, iar Higgs ar trebui să fie foarte, foarte greu, cu excepția cazului în care unii dintre factorii care intră în calcule se anulează reciproc. Și trebuie să se anuleze reciproc la un grad extraordinar de înalt de precizie – termenul tehnic pentru asta este „ajustare fină”. Pentru fizicieni, naturalitatea înseamnă nici un (sau foarte puțin) reglaj fin.

O ilustrare istorică frumoasă a acestui concept vine de la Jonathan Feng, de la Universitatea din California, Irvine, într-un articol recent din Revizuirea anuală a științei nucleare și a particulelor. Se dovedește că Isaac Newton însuși a articulat sensul naturalității ca răspuns la o întrebare despre modul în care universul ar putea fi static. (În acele vremuri, nimeni nu știa că universul se extinde.) Dacă toate masele s-ar fi atras, de ce nu s-ar apropia totul din univers? Newton a răspuns că era într-adevăr o stare de lucruri foarte nefirească. O masă ar trebui să fie plasată exact în centrul tuturor celorlalte mase, atrasă în mod egal în toate direcțiile, pentru a rămâne nemișcată. Atingerea unei astfel de stări, a spus Newton, ar fi „pe deplin la fel de dificilă ca să faci ca cel mai ascuțit ac să stea drept pe vârful său pe oglindă”.

Soluția lui Newton a fost să presupunem că o putere divină a stabilit condițiile inițiale exact adecvate (și bine reglate) pentru a susține un univers infinit static. Dar asta a fost o explicație supranaturală, nu una naturală.

În cazul Higgs, un candidat principal pentru o explicație naturală a fost supersimetria, alias SUSY. SUSY adaugă un nou set de particule subatomice în amestec, un superpartener pentru fiecare particulă cunoscută anterior. Când prezența superparticulelor este inclusă în ecuații, masa Higgs iese exact – SUSY a cerut să fie mai mică de 130 de miliarde de electroni volți, iar Higgs a cântărit la 125. Dar acest succes s-a acru deoarece LHC nu a găsiți particulele SUSY care ar fi trebuit să fie acolo pentru a menține masa Higgs atât de scăzută. Fără particulele SUSY, masa Higgs nu este deloc naturală.

„Aceasta este fie o provocare pentru naturalețe, fie o provocare la adresa capacității noastre de a construi teorii naturale”, scrie Nathaniel Craig de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, NJ. Dar asta nu înseamnă, așa cum s-a sugerat destul de larg, că teoria SUSY. este neapărat greșit.

„Nu vreau să spun asta pentru a spune că nu există supersimetrie în natură”, scrie Craig. „Mai degrabă, vreau să spun că marșul rezultatelor nule sugerează că ne-am înșelat în mare parte în ceea ce privește exact cum ar apărea supersimetria la LHC.”

De fapt, naturalețea este doar unul dintre cele două principii care au condus la credința că LHC va găsi SUSY. Există și parcimonie, noțiunea bătrânului Occam de a explica mai mult cu mai puțin. Dacă vrei să explici de ce, să zicem, cinci numere sunt ceea ce sunt, teoria ta nu ar trebui să necesite șase numere noi. Dacă mai multe numere sunt reglate fin – dacă trebuie doar să ridici mâinile și să spui că nu știi de ce sunt ceea ce sunt – atunci nu știi prea multe. Dar dacă unul sau două numere pot explica de ce toate celelalte numere sunt exact ceea ce sunt, atunci ai parcimonie.

„Ne-am construit așteptările pentru supersimetrie la LHC pe pilonii gemeni ai parcimoniei și naturaleței”, scrie Craig. „Rezultatele nule de la LHC sugerează că acești doi piloni probabil nu au fost bazele potrivite.”

Este adevărat, spune el, că cea mai simplă versiune a SUSY are probleme în a explica incapacitatea LHC-ului de a găsi particule SUSY. Dar există multe variații ale SUSY aflate sub investigație activă, care nu au fost excluse de datele LHC (a se vedea lucrarea lui Feng pentru exemple). Aceste forme mai complicate de SUSY pur și simplu nu arată atât de clar când sunt privite prin lentila parcimoniei. Pe de altă parte, dacă nu îți pasă atât de mult de naturalețe, poți avea totuși SUSY-ul relativ simplu.

„Cu excepția subtilităților lipsă, LHC a falsificat în mare măsură modelele supersimetrice guvernate de pilonii gemeni ai parcimoniei și naturaleței”, declară Craig. „Cu toate acestea, eliminarea oricărui principiu deschide o panoplie de posibilități interesante în concordanță cu datele.”

O explicație „nefirească” (și pentru mulți, neplacută) pentru masa Higgs invocă raționamentul „antropic”. Poate că masa Higgs (și alte proprietăți ale universului) nu sunt fixate precis de nicio teorie, dar poate presupune o gamă largă de valori în diferite regiuni ale universului (sau în diferite universuri paralele). Măsurăm masa Higgs pe care o facem pentru că aceasta este masa din univers care are proprietăți primitoare vieții. Reglarea fină nu mai este o problemă, atunci; nu trebuie să explici de ce masa Higgs este scăzută dacă nu ar exista nicio viață care să te întrebi despre ea într-un univers în care masa Higgs este mare.

Desigur, mulți oameni de știință au predispoziții filozofice puternice împotriva argumentelor antropice, la fel cum au avut predispoziții filozofice puternice care favorizează naturalețea și parcimonia. Dar predispozițiile filosofice s-ar putea să nu fie cele mai bune ghiduri pentru a decide dacă să renunți la o teorie sau nu.

„Dacă combinația dintre filozofie și teorie este incompatibilă cu observația”, scrie Craig, „ar trebui să luăm în considerare consecințele schimbării filozofiilor înainte de a renunța complet la teoria în sine.”

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried

Tom Siegfried

Despre Tom Siegfried

Tom Siegfried este corespondent contribuabil. A fost redactor-șef al Știri Științe din 2007 până în 2012 și redactor director din 2014 până în 2017.