Σάββατο, 10 Σεπτεμβρίου 2016

Η απουσία της υπερσυμμετρίας στον LHC προβληματίζει τους φυσικούς. Supersymmetry’s absence at LHC puzzles physicists

Η φύση κρατά ακόμη κρυμμένα τα «μυστικά» της από τον επιταχυντή στο CERN. Scientists watched from the CERN control room as the LHC particle accelerator first began running at higher energies in June 2015. New data from the LHC has revealed no hints of new particles, despite physicists’ high hopes. M. BRICE/CERN

Από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη, αυτό το άγνωστης φύσης υλικό που κατακλύζει το σύμπαν, αντιστοιχώντας περίπου στο 27% της ύλης-ενέργειάς του; Μήπως οι 3 από τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις, η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής πυρηνική, αποτελούν διαφορετικές εκφάνσεις της ίδιας αλληλεπίδρασης;

Αν και τέτοια ερωτήματα παραμένουν άλυτα στο πλαίσιο της καθιερωμένης θεωρίας της φυσικής, δηλαδή το Καθιερωμένο Πρότυπο, πίσω στο 2000 είκοσι επιστήμονες υποστήριζαν πως δεν θα χρειάζονταν περισσότερο από μια δεκαετία λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN για να ανοίξει ο δρόμος για να απαντηθούν, με τις πρώτες πειραματικές αποδείξεις της υπερσυμμετρίας.

Μάλιστα ήταν τόσο σίγουροι, που καθένας τους στοιχημάτισε κι από ένα μπουκάλι ακριβού κονιάκ, με τιμή όχι μικρότερη από 100 δολάρια, για την πρόβλεψη πως σε 10 χρόνια θα προέκυπταν από τον επιταχυντή οι πρώτες χειροπιαστές αποδείξεις για την υπερσυμμετρία. Στην πορεία, η διορία του στοιχήματος μετατέθηκε για το καλοκαίρι του 2016, αφού ο LHC χρειάστηκε λόγω βλάβης να παραμείνει εκτός λειτουργίας για περίπου 1,5 χρόνο.

Ακόμη κι έτσι όμως, η διορία έληξε στις 16 Ιουνίου, χωρίς να έχει παρουσιασθεί καμία ανακάλυψη που να επιβεβαιώνει την υπερσυμμετρία. Έτσι, λίγες εβδομάδες αργότερα, και πιο συγκεκριμένα στις 22 Αυγούστου, σε μία εκδήλωση στην Κοπεγχάγη παρέδωσαν τα μπουκάλια κονιάκ στους φυσικούς που είχαν ποντάρει εναντίον της υπερσυμμετρίας.

Η υπερσυμμετρία προβλέπει ότι για κάθε γνωστό στοιχειώδες σωματίδιο (επάνω) υπάρχει ο αντίστοιχος υπερσυμμετρικός συντρόφός του (κάτω). Για παράδειγμα ο υπερσυμμετρικός σύντροφος του ηλεκτρονίου είναι το s-ηλεκτρόνιο, ενώ του σωματιδίου Χιγκς το Χιγκσίνο. Τα υπερσυμμετρικά σωματίδια έχουν μεγαλύτερες μάζες από τα αντίστοιχα γνωστά μας σωματίδια (όπως υποδεικνύεται από το μέγεθος των σφαιρών).

Ωστόσο, τουλάχιστον στις απλούστερες εκδοχές της, η υπερσυμμετρία προβλέπει πως τουλάχιστον το πιο ελαφρύ υπερσυμμετρικό σωματίδιο θα έπρεπε να έχει ήδη ανιχνευθεί στις ενέργειες που πετυχαίνει ο LHC – εξ ου και το στοίχημα. Έτσι, πέρα από τα… μπουκάλια κονιάκ, το «κόστος» από το ότι αυτό δεν συνέβη είναι πως «ξεθώριασε» ο ενθουσιασμός για την υπερσυμμετρία, με συνέπεια να ενισχυθούν οι αμφιβολίες μήπως τελικά δεν αποτελεί το «κλειδί» για να εξηγηθούν ορισμένα από τα άλυτα έως σήμερα «μυστήρια» της φύσης.

«Η υπερσυμμετρία ήταν η κυρίαρχη θεωρία εδώ και 30 χρόνια, επειδή είναι πολύ όμορφη, σχεδόν τέλεια», λέει στο σάιτ ScienceNews o Ναθάνιελ Γκρεγκ, θεωρητικός φυσικός από το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Ωστόσο, όσο δεν εμφανίζονται ίχνη υπερσυμμετρικών σωματιδίων, τόσο λιγότερο πειστική μοιάζει.

Βέβαια, τίποτε δεν προεξοφλεί πως δεν θα προκύψουν τέτοια ίχνη τα επόμενα χρόνια, κάτι που σημαίνει πως η θεωρία σε καμία περίπτωση δεν έχει καταρριφθεί. Επομένως, αυτή τη στιγμή το μόνο που μπορεί να ειπωθεί με βεβαιότητα είναι πως τα υπερσυμμετρικά σωματίδια, αν υπάρχουν, πρέπει να είναι βαρύτερα από όσο αναμενόταν.

Βέβαια, τίποτε δεν προεξοφλεί πως δεν θα προκύψουν τέτοια ίχνη τα επόμενα χρόνια, κάτι που σημαίνει πως η θεωρία σε καμία περίπτωση δεν έχει καταρριφθεί. Επομένως, αυτή τη στιγμή το μόνο που μπορεί να ειπωθεί με βεβαιότητα είναι πως τα υπερσυμμετρικά σωματίδια, αν υπάρχουν, πρέπει να είναι βαρύτερα από όσο αναμενόταν.

«Αυτή τη στιγμή, το μόνο που μας “λέει” η φύση είναι πως, αν η υπερσυμμετρία είναι η σωστή θεωρία, τότε δεν έχει τη μορφή που νομίζαμε», επισημαίνει στο ScienceNews ο Γιόνιτ Χόκμπεργκ, θεωρητικός φυσικός από το Κορνέλ.

Ωστόσο, καθώς το «κατώφλι» μετατοπίζεται σε μεγαλύτερες μάζες, κερδίζουν έδαφος οι πιο περίπλοκες εκδοχές της υπερσυμμετρίας. Επομένως, η θεωρία χάνει ένα μέρος από την αρχική της γοητεία, που έπεισε πριν από δεκαετίες αρκετούς φυσικούς να την υιοθετήσουν.

«Αν τελικά ισχύει η υπερσυμμετρία, δεν είναι πλέον δυνατόν να επαληθευτεί η πιο ελκυστική εκδοχή της», σημειώνει στο ScienceNews ο θεωρητικός φυσικός Μάθιου Μπάκλεϊ από το πανεπιστήμιο Ρούτγκερς στο Νιου Τζέρσεϊ.

To find supersymmetric particles, LHC scientists search for particular signatures in their data. This collision, recorded by the ATLAS experiment at the LHC, was selected as a candidate in the search for supersymmetric particles. In this visualization, rectangles indicate components of the detector, and the five cones indicate “jets” or sprays of particles produced in the collision. The scientists ultimately didn’t find any evidence of the new particles. ATLAS COLLABORATION

Βέβαια, ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν πως είναι νωρίς για απαισιοδοξία, αφού επισημαίνουν πως τα δεδομένα από τον LHC είναι μόλις το 1% των μετρήσεων που θα εξασφαλίσει σε όλη τη διάρκεια «ζωής» τους. Παρ’ όλα αυτά, άλλοι φυσικοί υποστηρίζουν πως η έως τώρα έλλειψη νέων ανακαλύψεων αποτελεί αρνητική έκπληξη για την πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας.

Σε τελική ανάλυση, η μεγαλύτερη ανησυχία των επιστημόνων δεν είναι τόσο αν θα επιβεβαιωθεί ή όχι η υπερσυμμετρία, αλλά μήπως η φύση παραμείνει πεισματικά «σιωπηλή» σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας του επιταχυντή. Σε μία τέτοια περίπτωση, μπορεί ο επιταχυντής να έχει γράψει ιστορία ανιχνεύοντας το «σωματίδιο του Θεού» και επαληθεύοντας με αυτό τον τρόπο το Καθιερωμένο Πρότυπο, ωστόσο δεν θα έχει «φωτίσει» καθόλου τις ρωγμές που οι φυσικοί γνωρίζουν πως υπάρχουν στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

Αυτό θα σημαίνει πως πλέον οι θεωρητικοί φυσικοί θα έχουν ελάχιστες ενδείξεις για το πού θα πρέπει να προσανατολισθούν, διατυπώνοντας νέες φυσικές θεωρίες. Και πάλι, υπογραμμίζει ο Χόκμπεργκ, «σε αυτή την περίπτωση θα έχουμε μάθει κάτι θεμελιώδες για τη φύση».

Όταν η επιστημονική φαντασία γίνεται πραγματικότητα. Sometimes, Science Fiction Leads Science

Καλλιτεχνική απεικόνιση της επιφάνειας του εξωπλανήτη Proxima b. Ένα μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας που δημοσιεύθηκε το 2013 προβλέπει τα βασικά χαρακτηριστικά του πλησιέστερου στη Γη εξωπλανήτη. A science fiction novel published in 2013 pegged some of the most salient details for our nearest neighboring exoplanet. This artist's impression shows a view of the surface of the planet Proxima b orbiting the red dwarf star Proxima Centauri, the closest star to the solar system. The double star Alpha Centauri AB also appears in the image. Credit: ESO, M. KORNMESSER

Είναι πολύ εντυπωσιακό όταν ένας συγγραφέας με την φαντασία του προσεγγίζει την πραγματικότητα. Για παράδειγμα, η φαντασία του Ιουλίου Βερν που περιέγραψε στα μυθιστορήματά του «Από τη Γη στη Σελήνη» (1865) και «Γύρω από τη Σελήνη» (1870) όχι μόνο έγινε πραγματικότητα, αλλά σ’ αυτά τα μυθιστορήματα προέβλεψε:
1. ότι η πρώτη εκτόξευση ανθρώπων προς τη Σελήνη θα γίνει στη Φλόριντα των ΗΠΑ,
2. τον ακριβή αριθμό αστροναυτών στη σεληνάκατο (τρεις)
3. με μεγάλη προσέγγιση τις διαστάσεις και το βάρος της σεληνακάτου,
4. την επιστροφή με προσθαλάσσωση στον Ειρηνικό Ωκεανό – στην περίπτωση του «Απόλλων 8» με σφάλμα 4 μόλις χιλιομέτρων!

Simulated comparison of a sunset on Earth and Proxima b. Credit: PHL @ UPR Arecibo

Το πιο πρόσφατο παράδειγμα σύμπτωσης της πραγματικότητας με την επιστημονική φαντασία είναι η ανακάλυψη του Proxima b, ενός εξωπλανήτη παρόμοιου με τη Γη, στον Εγγύτατο του Κενταύρου.

A view of the skies over the European Southern Observatory's La Silla Observatory in Chile. The bottom right image shows Proxima Centauri — the closest star to the solar system, orbited by the planet Proxima b — while the bottom left image shows the pairs of stars called Alpha Centauri A and B. Credit: Y. Beletsky (LCO)/ESO/ESA/NASA/M. Zamani

Ο Εγγύτατος του Κενταύρου (Proxima Centauri) είναι το πλησιέστερο άστρο έξω από το ηλιακό μας σύστημα – σε απόσταση μόλις 4,24 έτη φωτός από τη Γη. Οι αστρονόμοι υπολογίζουν ότι η ελάχιστη μάζα του εξωπλανήτη είναι 1,3 φορές η μάζα της Γης και απέχει περίπου επτά εκατομμύρια χιλιόμετρα από τον Εγγύτατο Κενταύρου, σε μια απόσταση που πιθανόν θα επέτρεπε την ύπαρξη νερού σε υγρή μορφή, άρα και την ανάπτυξη ζωής.

Όμως, ενδέχεται ο εξωπλανήτης Proxima b να είναι παλιρροιακά κλειδωμένος, να έχει δηλαδή την μία πλευρά του συνεχώς στραμμένη προς το άστρο του. Αυτό σημαίνει ότι στο ένα ημισφαίριο μάλλον επικρατούν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και θα βρίσκεται στο απόλυτο σκοτάδι, ενώ στο άλλο θα επικρατούν συνθήκες κόλασης.

Αν και στο παρελθόν οι επιστήμονες πίστευαν ότι το «παλιρροιακό κλείδωμα»” είναι ανασταλτικός παράγοντας για την ανάπτυξη ζωής, πιο σύγχρονα κλιματικά μοντέλα δείχνουν ότι σε ένα τέτοιον πλανήτη θα μπορούσε γίνει μεταφορά θερμότητας και να υπάρξει ζωή.

Στο μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας του Stephen Baxter που κυκλοφόρησε το 2013, περιγράφεται η ανθρώπινη εξερεύνηση και αποίκιση ενός παρόμοιου εξωπλανήτη γύρω από τον Εγγύτατο του Κενταύρου σε μερικούς αιώνες από τώρα. Ο Baxter ονομάζει τον πλανήτη του μυθιστορήματός του με το ποιητικό όνομα «Per Ardua», αντί για Proxima b (από το λατινικό «per ardua ad astra» που σημαίνει «μέσω δυσχερειών προς τα άστρα»).

Ο φανταστικός πλανήτης Per Ardua, βρίσκεται όπως ο Proxima b στην κατοικίσιμη ζώνη του Εγγύτατου του Κενταύρου, είναι παλιρροιακά κλειδωμένος, απέχει 6 εκατομμύρια χιλιόμετρα από το άστρο του και η μάζα του είναι 8% μικρότερη από τη μάζα της Γης (κι όχι 30% μεγαλύτερη). Ο αστρονόμος Guillem Anglada-Escude, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας που ανακάλυψε τον Proxima b (όπου συμμετείχε και ο δρ Γιάννης Τσάπρας), εντυπωσιασμένος αποκάλεσε την ομοιότητα «μυστηριώδη».

Πηγές: Μπορείτε να διαβάσετε ένα απόσπασμα του βιβλίου επιστημονικής φαντασίας «Proxima», του Stephen Baxter, εδώ: The Book That Predicted Proxima b [Excerpt]
Διαβάστε επίσης το σχετικό άρθρο του συγγραφέα Stephen Baxter για την Washington Post με τίτλο: «Sometimes, Science Fiction Leads Science»