Umbrele a două căutări eșuate planează asupra fizicii

Oamenii de știință, ca și sportivii, sunt obsedați să experimenteze fiorul victoriei. Așa cum le este frică de agonia înfrângerii. Și în lumea largă a științei, senzațiile tari sunt mult mai des știri decât agonia. Câștigătorii primesc publicitate, învinșii nu pot fi publicati.

Dar uneori înfrângerile merită să fie și ele știri, mai ales când experimentele foarte mediatizate eșuează în căutarea lor. Datele raportate în 2016 i-au forțat pe fizicieni să înfrunte perspectiva unui astfel de eșec – nu o dată, ci de două ori. Materia întunecată, se presupune că cea mai abundentă formă de masă din cosmos, refuză să apară în dispozitivele concepute pentru a o detecta. Și refuză să apară în experimentele construite pentru a o face.

Timp de zeci de ani, fizicienii specializați în particule subatomice s-au așteptat să găsească o specie complet nouă de materie, un tip nemaivăzut pe Pământ, care roiește în vastitatea spațiului. Galaxiile se rotesc prea repede și se adună prea strâns dacă singura sursă de forță gravitațională este materia care strălucește în lumina vizibilă. Altceva trebuie să fie acolo – o sursă invizibilă, neidentificată de gravitație, care nu strălucește ca stelele sau gazul. De fapt, cea mai mare parte (aproximativ 85 la sută) a materiei din cosmos, astronomii știu de mult, trebuie să fie întunecată.

Miliarde de aceste particule de materie întunecată ar trebui să treacă prin corpul tău în fiecare secundă. Corpul tău nu ar observa, dar detectoarele mari și sofisticate ar trebui să înregistreze o vibrație sau fulger de lumină atunci când o particulă de materie întunecată se ciocnește cu un nucleu atomic din materialul de detectare.

Experimentul LUX, situat în centrul de cercetare subteran Sanford, nu a raportat niciun semn de particule de materie întunecată în acest an. CH Faham

Și totuși, astfel de experimente apar în mod repetat goale. În august și septembrie, de exemplu, trei echipe de căutare au raportat lipsă de succes în detectarea particulelor de materie întunecată (

SN: 11/12/16, str. 14

). Acestea au fost doar cele mai recente rapoarte dezamăgitoare din căutări similare din ultimele două decenii. (O căutare, de la un detector din Italia numit DAMA/Libra, susține detectarea materiei întunecate, dar nimeni nu o poate confirma și aproape nimeni nu o crede.)

Cu toate acestea, fizicienii continuă căutarea, în mare parte pentru că au o a doua motivație pentru a crede că materia întunecată este formată dintr-un nou tip de particule – un concept teoretic cunoscut sub numele de supersimetrie.

Supersimetria îi atrage pe fizicieni, deoarece sugerează modalități de a rezolva probleme nerezolvate, cum ar fi încorporarea gravitației în teoria care explică alte forțe. Ea își are originea în eforturile fizicienilor de a înțelege simetriile care leagă forța și materia, așa cum Einstein a exploatat simetriile spațiului și timpului pentru a-și dezvolta teoria relativității. Ecuațiile supersimetriei implică existența unor particule „superpartenere” mai grele decât particulele cunoscute acum: un partener de particule de forță pentru fiecare particulă de materie cunoscută și un partener de particule de materie pentru fiecare particulă de forță cunoscută. Un superpartener masiv ar trebui să aibă exact proprietățile necesare pentru a explica materia întunecată din spațiu; ar interacționa doar slab cu materia obișnuită, inspirând porecla de WIMP (particulă masivă care interacționează slab).

Pentru mulți fizicieni, această confluență de motivații părea o justificare suficientă pentru a invoca regula lui Gibbs nr. 39 (pentru cei care urmăresc NCIS la TV): Nu există o coincidență. A fost numit „miracolul WIMP”. Independent de orice prognoză teoretică, astronomii observaseră semne clare ale unei surse misterioase de gravitație, cel mai probabil particule necunoscute pe Pământ. Independent de anomaliile gravitaționale din spațiu, teoreticienii au prognozat noi particule masive exotice care pătrund în cosmos. Unul l-a întărit pe celălalt, la fel cum cu secole în urmă legea gravitației a lui Isaac Newton a câștigat credibilitate deoarece explica atât orbitele planetelor în spațiu, cât și merele care cădeau pe Pământ.

Mulți fizicieni se așteptau pe deplin ca cel mai puternic ciocnitor de particule din lume – Large Hadron Collider din afara Genevei – să producă WIMP. Dar la fel cum experimentele de detectare directă a materiei întunecate nu au reușit să le detecteze, LHC nu a raportat niciun semn că le-a creat (SN: 10/1/16, str. 12).

Povestea continuă după grafică

Această coliziune din experimentul ATLAS de la Large Hadron Collider a fost selectată ca candidat în căutarea particulelor supersimetrice. Dar oamenii de știință nu au găsit nicio dovadă a particulelor. COLABORARE ATLAS

Mai există speranță. Experimentele LHC ar putea încă să creeze superparteneri; Detectoarele de materie întunecată ar putea încă să smulgă un WIMP din cer. Este ca un meci de fotbal la sfârșitul celui de-al patrulea trimestru, spune cosmologul Rocky Kolb de la Universitatea din Chicago. „Jocul nu s-a încheiat încă”, spune el. „Ceasul ticăie, dar mai au câțiva ani de explorare înainte.”

Cu toate acestea, această convergență a eșecurilor sugerează o dublă criză în încercarea de a înțelege cosmosul. Dacă WIMP-urile nu există, persistă două lacune uriașe în această înțelegere. Altceva trebuie să se încurce cu mișcarea galaxiilor. Și va fi nevoie de altceva decât de supersimetrie pentru a-i ajuta pe fizicieni să încorporeze gravitația și să rezolve alte probleme cu modelul lor standard de particule și forțe.

La un nivel mai profund, dublu eșec pune sub semnul întrebării însăși strategiile de succes pe care le-a stabilit fizica secolului al XX-lea. Poate că puterea principiilor de simetrie de a dezvălui secretele naturii a fost epuizată, iar o nouă perspectivă asupra modului de a scoate secretele naturii așteaptă descoperirea. Iar încrederea oferită de motivațiile convergente s-ar putea dovedi a fi mai mult ca o dorință iluzie decât un raționament riguros. Susținătorii unei multiplicități de universuri, de exemplu, citează două argumente independente: Unul, că cea mai bună teorie pentru explicarea universului observat implică existența altora; al doilea, că formulările matematice (încorporate în teoria superstringurilor) descriu un număr mare de stări de vid potențiale diferite. Acele multe stări pot fi interpretate ca descrieri ale universurilor multiple. Dar eșecurile duble ale materiei întunecate ar sugera că motivațiile convergente nu sunt o garanție a corectitudinii. Raționamentul bazat pe Regula 39 ar putea să nu fie atât de solid.

Deci poate ceva extraordinar de revoluționar se ascunde în spatele eșecurilor de astăzi. Sau poate nu. Sursa întunecată a gravitației care distorsionează mișcarea galaxiilor ar putea fi pur și simplu alte particule decât WIMP-uri – poate o particulă ipotetică foarte ușoară și firave numită axion. Sau ar putea consta din găuri negre presărate în și în jurul galaxiilor.

În orice caz, eșecul de a găsi sau de a produce particule de materie întunecată evită o snafu de care Kolb și-a făcut griji.

„Acum cinci ani, eram îngrijorat că vom avea indicii de fizică nouă de la LHC și semnale diferite din experimentele de detectare directă și am fi într-o perioadă de confuzie încercând să reconciliăm semnalele”, spune el. „Ei bine, nu avem această problemă.”


Acest articol apare în numărul din 24 decembrie 2016/7 ianuarie 2017 cu titlul „Dublu întuneric: umbrele a două căutări eșuate planează asupra fizicii”.