Αναζητώντας την υπερσυμμετρία. The status of supersymmetry

Μήπως είδατε την SUSY; Once the most popular framework for physics beyond the Standard Model, supersymmetry is facing a reckoning—but many researchers are not giving up on it yet. Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Steve Shanabruch

H θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις και την συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων, το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, είναι μεν πολύ επιτυχημένο αλλά και εμφανώς ατελές.

A Higgs boson decays in this collision recorded by the ATLAS detector on May 18, 2012. (Image: © ATLAS)

Οι προβλέψεις του έχουν συνδέσει μεταξύ τους πολλά από τα γνωστά χαρακτηριστικά του σύμπαντος και καθοδήγησαν τους φυσικούς σε νέες ανακαλύψεις, όπως το σωματίδιο Higgs. Όμως, δεν μπορεί να μπορεί να εξηγήσει την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης – την μυστηριώδη ουσία που αποτελεί το 85% της ύλης του σύμπαντος – ή να εξηγήσει την μάζα του σωματιδίου Higgs.

Πως μπορούν οι φυσικοί να συμπληρώσουν τα κενά του; Εδώ και δεκαετίες, ένα σύνολο θεωριών που ήταν γνωστά ως υπερσυμμετρία φάνηκε να δίνει μια κομψή λύση.

Table of the Standard Model (left) particles and their hypothetical supersymmetric particles.

Η υπερσυμμετρία υπερδιπλασιάζει τον αριθμό των σωματιδίων στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Τα σωματίδια που γνωρίζουμε μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες: τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Στις υπερσυμμετρικές θεωρίες κάθε σωματίδιο έχει έναν ακόμα ‘υπερ-σύντροφο’ με πολλές παρόμοιες ιδιότητες – που όμως δεν έχουν ανακαλυφθεί. Τα φερμιόνια συνδυάζονται με τα μποζόνια και αντιστρόφως.

Η υπερσυμμετρία προβλέπει ότι για κάθε γνωστό στοιχειώδες σωματίδιο (επάνω) υπάρχει ο αντίστοιχος υπερσυμμετρικός συντρόφός του (κάτω). Τα υπερσυμμετρικά σωματίδια έχουν μεγαλύτερες μάζες από τα αντίστοιχα γνωστά μας σωματίδια (όπως υποδεικνύεται από το μέγεθος των σφαιρών). Supersymmetry it predicts a partner particle for each particle in the Standard Model. If the theory is correct, supersymmetric particles should appear in collisions at the LHC.

Η ιδέα μιας συμμετρίας μεταξύ φερμιονίων και μποζονίων ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 για να επιλυθεί ένα μαθηματικό ζήτημα στην θεωρία των χορδών.  Το 1974, οι Julius Wess και Bruno Zumino ανακάλυψαν ότι μια ευρεία τάξη κβαντικών θεωριών πεδίων που θα μπορούσε να γίνει υπερσυμμετρική μέσω μιας γενίκευσης των συμμετριών της σχετικότητας. Σύντομα οι ερευνητές επινόησαν θεωρίες στις οποίες ένα σωματίδιο και ο σύντροφός του θα μπορούσαν να έχουν διαφορετικές μάζες.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν ότι το ίδιο το Καθιερωμένο Πρότυπο θα μπορούσε να γίνει υπερσυμμετρικό και ότι αυτή η επέκταση θα επιλύσει ορισμένα ενοχλητικά θεωρητικά προβλήματα. Για παράδειγμα, η μικρή μάζα του μποζονίου Higgs είναι εξαιρετικά δύσκολο να εξηγηθεί – ο υπολογισμός του απαιτεί αφαίρεση δυο πολύ μεγάλων αριθμών που είναι ελαφρώς διαφορετικοί μεταξύ τους. Αλλά σύμφωνα με την Elodie Resseguie, postdoc στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, «αν προστεθεί η υπερσυμμετρία, τότε τακτοποιούνται όλες αυτές οι ακυρώσεις έτσι ώστε να πάρουμε μια μικρή μάζα για το Higgs».

Εκτός όμως από μια ερμηνεία για την μάζα του Higgs, η υπερσυμμετρία προσέφερε κι άλλα θεωρητικά πλεονεκτήματα. Το ελαφρότερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο θα ήταν ένας από τους καλύτερους υποψήφιους για την σκοτεινή ύλη. Και οι ισχείς (ή μήπως οι ισχύες;) της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρούς αλληλεπίδρασης γίνονται ίσες σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, υποδεικνύοντας ότι οι θεμελιώδεις δυνάμεις που παρατηρούμε σήμερα, στο αρχέγονο σύμπαν ήταν ενοποιημένες.

Particle collisions event simulation at 13,000 GeV in the CMS, a general-purpose detector at the Large Hadron Collider. Media credits: CERN

Οι απλούστερες υπερσυμμετρικές θεωρίες – αυτές που εξηγούν καλύτερα το μποζόνιο Higgs – προβλέπουν έναν ζωολογικό κήπο νέων σωματιδίων με μάζες συγκρίσιμες με αυτές των μποζονίων W και Ζ. Όταν το 2009 ενεργοποιήθηκε ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN, πολλοί φυσικοί σωματιδίων πίστευαν ότι η ανακάλυψη των υπερ-συντρόφων ήταν θέμα χρόνου. Όμως, μετά την θριαμβευτική ανακάλυψη του μποζονίου Higgs … δεν εμφανίστηκε κανένα άλλο σωματίδιο. Σοκαρίστηκα με την μη ανακάλυψη υπερσυμμετρικών σωματιδίων στις πρώτες μέρες του LHC, λέει ο Michael Peskin, ένας θεωρητικός φυσικός από το SLAC.

Όμως δεν εξεπλάγησαν όλοι οι θεωρητικοί. «Υπήρχαν πολλοί φυσικοί που έλεγαν δυνατά ότι υπήρχε κάτι λάθος με τη βασική εικόνα της υπερσυμμετρίας πολύ πριν από την λειτουργία του LHC», λέει ο Nima Arkani-Hamed, θεωρητικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϋ. Αν όλα αυτά τα σωματίδια με τις προβλεπόμενες μάζες βρίσκονταν γύρω μας θα είχαν μια κάποια έμμεση επίδραση στις φυσικές διαδικασίες χαμηλών ενεργειών.

Σύμφωνα με τον Arkani-Hamed, τα πειράματα στον Large Electron-Positron Collider (LEP), που πραγματοποιήθηκαν από το 1989 έως το 2000, είχαν ήδη δημιουργήσει αμφιβολίες για τα πιο απλά υπερσυμμετρικά μοντέλα.

Sylvester James Gates Jr., a Perimeter Institute Distinguished Visiting Research Chair, Professor at the University of Maryland, and a member of the US President's scientific advisory council, explains his early work in supersymmetry, and some of the surprising discoveries it has enabled. Credit: Perimeter Institute for Theoretical Physics

Ο Jim Gates, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Μπράουν και εκλεγμένος πρόεδρος της Ένωσης Αμερικανών Φυσικών, λέει ότι δεν περίμενε να εμφανιστεί ποτέ υπερσυμμετρία στον LHC. Εδώ και δεκαετίες, οι πιο εύλογες υπερσυμμετρικές θεωρίες προβλέπουν ότι οι υπερσυμμετρικοί σύντροφοι έχουν πολύ μεγάλες μάζες για να ανακαλυφθούν με τους τρέχοντες επιταχυντές.

Gluino vs. Squark mass possibilities plotted out for natural SUSY. 2015.04.29

Καθώς τα δεδομένα από τον LHC συνεχίζουν να συσσωρεύονται, αποκλείστηκαν σε μεγάλο βαθμό τα μοντέλα της υπερσυμμετρίας που προτιμήθηκαν αρχικά από την επιστημονική κοινότητα. Για παράδειγμα, οι υπερσυμμετρικοί σύντροφοι των γλοιονίων, τα gluinos (γλοιίνια;), έχουν αποκλειστεί για μάζες έως 2 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (2GeV)- μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από ότι περίμεναν πολλοί θεωρητικοί. Φαίνεται μάλλον απίθανο ότι η υπερσυμμετρία θα μπορούσε να περιλαμβάνει και τα τρία χαρακτηριστικά που θεωρούσαν τα μοντέλα πριν τον LHC – μια εξήγηση για την μάζα του σωματιδίου Higgs, ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης και ενοποίηση δυνάμεων.

Η έλλειψη πειραματικών αποδεικτικών στοιχείων για την υπερσυμμετρία στον LHC δεν σημαίνει και τον θάνατο αυτής της ιδέας. «Τώρα οι φυσικοί στρέφονται σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις», λέει ο Peskin. «Είμαστε όλοι πολύ μπερδεμένοι αυτή τη στιγμή.»

Επαναξιολόγηση υποθέσεων

To identify collision events in which long-lived particles could be decaying far away from the LHC collision point, the ATLAS collaboration focused on signals from the experiment’s calorimeter and muon spectrometer (both pictured here). (Image: S. Goldfarb/ATLAS collaboration)

Εάν η υπερσυμμετρία ισχύει, υπάρχουν δύο κύριες δυνατότητες: Είτε όλα τα υπερσυμμετρικά σωματίδια είναι πολύ βαριά για να παραχθούν στις ενέργειες που επιτυγχάνουν οι σημερινοί επιταχυντές σωματιδίων, όπως υποπτεύεται ο Gates – ή τα υπερσυμμετρικά σωματίδια δημιουργούνται σε συγκρούσεις στον LHC, αλλά για κάποιο λόγο δεν καταγράφονται από τους ανιχνευτές.

Στη δεύτερη περίπτωση, «οι φυσικοί ψάχνουν για νέα μοντέλα που παράγουν εξωτικές υπογραφές που δεν έχουμε ψάξει στο παρελθόν, ή ψάχνουν για μοντέλα των οποίων οι υπογραφές είναι δύσκολο να εντοπιστούν πειραματικά», λέει ο Resseguie, μέλος της συνεργασίας ATLAS.

Για παράδειγμα, οι περισσότερες αναζητήσεις για νέα σωματίδια στον LHC υποθέτουν πως διασπώνται σχεδόν αμέσως μετά τη δημιουργία τους, ώστε να μην προλαβαίνουν να απομακρυνθούν από το σημείο αλληλεπίδρασης. Ωστόσο, πολλές μη συμβατικές υπερσυμμετρικές θεωρίες προβλέπουν σωματίδια με μεγάλο χρόνο ζωής. Αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να διανύσουν από μερικά μικρόμετρα μέχρι εκατοντάδες χιλιόμετρα πριν διασπαστούν. Έρευνες που πραγματοποιούνται τόσο στα πειράματα ATLAS όσο και στο CMS επιδιώκουν να εντοπίσουν τα ίχνη τέτοιων υπερσυμμετρικών σωματιδίων με μεγάλο χρόνο ζωής.

The CMS experiment is looking for exotic long-lived particles that could get trapped in its detector layers (Image: Michael Hoch, Maximilien Brice/CERN)

Οι ερευνητές του ATLAS και του CMS αναζητούν επίσης υπερσυμμετρικά σωματίδια που όταν διασπώνται δίνουν τα γνωστά σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου χαμηλής ενέργειας. «Είναι μια πολύ δύσκολη αναζήτηση, επειδή δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις κλασικές τεχνικές που χρησιμοποιούμε για τις περισσότερες από τις άλλες υπερσυμμετρικές αναζητήσεις», λέει ο Christian Herwig, postdoc στο Fermi National Accelerator Laboratory που εργάζεται στο πείραμα CMS.

Ακόμα και χωρίς υπερσυμμετρία, τα σωματίδια χαμηλής ενέργειας είναι άφθονα στους ανιχνευτές, οπότε οι ερευνητές πρέπει να επινοήσουν έξυπνους τρόπους διαχωρισμού αυτού του άσχετου υποβάθρου από τις αλληλεπιδράσεις που αποδεικνύουν την υπερσυμμετρία.

Ο καθηγητής του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ Σάββας Δημόπουλος μιλά στις «Ανιχνεύσεις web tv» για τη Φυσική του 21ου αίώνα, το κβαντικό πεδίο, τη θεωρία χορδών, τη σκοτεινή ύλη και ενέργεια και τα μικρά πειράματα της φυσικής τα οποία μπορεί να κάνει και η Ελλάδα.

Ένα πλαίσιο που καθοδηγεί τις τρέχουσες αναζητήσεις υπερ-συντρόφων είναι η split (διαχωρισμένη;)  υπερσυμμετρία , την οποία πρότειναν ο Σάβας Δημόπουλος με τον Nima Arkani-Hamed το 2004. Η υπερσυμμετρία split αντιστοιχεί ελαφρούς υπερ-συντρόφους στα μισά από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου και βαρείς υπερ-συντρόφους στα υπόλοιπα.

Η split υπερσυμμετρία φαίνεται ως η πιο ελπιδοφόρα θεωρία παίρνοντας υπόψιν τα μέχρι στιγμής δεδομένα. Σύμφωνα με τον Arkan-Hamed, «οι θεωρητικοί δεν είναι παντρεμένοι με τις θεωρίες τους. Προσπαθούμε να ανακαλύψουμε την αλήθεια. Έτσι συλλέγουμε ιδέες και τις εξερευνούμε για να δούμε τι συνεπάγονται και αφήνουμε το πείραμα να αποφασίσει.»

Παρόλο που η split υπερσυμμετρία προσφέρει έναν υποψήφιο σκοτεινής ύλης και ενοποιεί τις θεμελιώδεις δυνάμεις σε υψηλές ενέργειες, δεν αντιμετωπίζει την σταθερότητα του μποζονίου Higgs, αφήνοντας ορισμένους θεωρητικούς με αμφιβολίες. «Η πρώτη μου προτεραιότητα είναι η επίλυση του προβλήματος του Higgs και δεν βλέπω την split υπερσυμμετρία να λύνει το πρόβλημα», λέει ο Peskin. Αντιμέτωπος με την έλλειψη πειραματικών στοιχείων για την υπερσυμμετρία, διερευνά τώρα εναλλακτικές ερμηνείες για τις ιδιότητες του μποζονιού Higgs. Ακριβώς όπως τα πρωτόνια αποτελούνται από κουάρκ και γλουόνια, ο Peskin υποψιάζεται ότι το μποζόνιο Higgs μπορεί να έχει μια κρυφή υπο-δομή.

Το έπος της υπερσυμμετρίας «πρέπει να ληφθεί ως προειδοποίηση», λέει ο Gates. «Δυστυχώς, αυτό είναι ένα παράδειγμα όπου η κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής ξεπέρασε τα όριά της. Πρέπει να είμαστε πάντα εξαιρετικά προσεκτικοί και να αντλούμε τα στοιχεία μας από την φύση.»

 Η αναζήτηση συνεχίζεται

New studies from the ATLAS collaboration search for hypothetical “supersymmetric” particles around uncharted corners. The ATLAS detector (Image: CERN)

Καθώς αρκετοί σωματιδιακοί φυσικοί έχουν απομακρυνθεί από την υπερσυμμετρία, πολλοί πειραματιστές παραμένουν αισιόδοξοι. «Τώρα κάνουμε έρευνες με τον ανιχνευτή μας που ποτέ δεν είχαμε σκεφτεί ότι θα ήταν δυνατές όταν τον κατασκευάζαμε», λέει ο Herwig. «Κάνοντας αυτά τα πράγματα ανοίγονται εντελώς νέες δυνατότητες και στρατηγικές ανάλυσης που προσπαθούμε να εφαρμόσουμε για τα επόμενα χρόνια της συλλογής δεδομένων».

Η αναβάθμιση που έγινε στον LHC, γνωστή ως High Luminosity LHC, θα επιτρέψει στους πειραματικούς να εξερευνήσουν περιοχές του υπερσυμμετρικού τοπίου που δεν έχουν απορριφθεί. Σε μελλοντικούς επιταχυντές που θα επιτυγχάνουν ακόμη υψηλότερες ενέργειες θα μπορούσαν να εμφανιστούν και τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Αλλά αντί να εμπνέονται από την αναζήτηση υπερσυμμετρίας, «ένας λόγος για την κατασκευή των επόμενων επιταχυντών είναι η μελέτη του μποζονίου Higgs μέχρι θανάτου», λέει ο Arkani-Hamed.

Ο Peskin συμφωνεί ότι το ‘ξεψάχνισμα’ του Higgs είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της φυσικής πέρα από το καθιερωμένο Πρότυπο. «Σχεδόν κάθε θεωρία του μποζονίου Higgs είναι συνεπής με τα τρέχοντα δεδομένα», και έτσι κανένα από αυτά δεν μπορεί να αποκλειστεί. Στην πραγματικότητα δεν γνωρίζουμε τίποτα γι ‘αυτό.»

Σύμφωνα με τον Gates, θα μπορούσαν να περάσουν δεκαετίες μέχρι οι φυσικοί να μάθουν την αλήθεια για την υπερσυμμετρία. Εάν υπάρχουν υπερσυμμετρικά σωματίδια, ο Gates λέει ότι θα μπορούσε να περάσει ένας αιώνα πριν από την ανακάλυψή τους. Αλλά «ξέρουμε πώς να είμαστε υπομονετικοί ως κοινότητα», λέει ο Herwig.

Για τα νετρίνα, η πορεία από τη θεωρητική πρόβλεψη μέχρι την πειραματική τους ανίχνευση χρειάστηκαν 25 χρόνια. Για το μποζόνιο Higgs χρειάστηκε μισός αιώνας. Και για τα βαρυτικά κύματα, χρειάστηκαν 100 ολόκληρα χρόνια.

Η υπερσυμμετρία παρότι δεν λύνει όλα τα προβλήματα που ήλπιζαν οι φυσικοί, ίσως μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα την φύση. Είτε η υπερσυμμετρία είναι η απάντηση είτε όχι, ο μόνος τρόπος για να το ανακαλύψουμε είναι να συνεχίσουμε την πειραματική κυρίως διερεύνηση.

Πηγές: https://www.symmetrymagazine.org/article/the-status-of-supersymmetry - https://home.cern/tags/supersymmetry - https://physicsgg.me/2021/01/17/