Lý thuyết chủ đạo của vật lý hạt giải thích mọi thứ về thế giới hạ nguyên tử, ngoại trừ những phần mà nó không có. Và thật không may, không có nhiều tính từ tâng bốc có thể được áp dụng cho cái gọi là Mô hình Chuẩn. Được xây dựng từng chút một trong suốt nhiều thập kỷ, lý thuyết vật lý cơ bản này được mô tả tốt nhất là vô duyên, hodgepodge và MacGyver-ed cùng với các chuỗi dây và kẹo cao su.
Tuy nhiên, đây là một mô hình cực kỳ mạnh mẽ dự đoán chính xác một loạt các tương tác và quy trình to lớn.
Nhưng nó có một số khuyết điểm rõ ràng: Nó không kết hợp trọng lực; nó không thể giải thích khối lượng của các hạt khác nhau, một số trong đó ban cho lực lượng; nó không có lời giải thích cho hành vi neutrino nhất định; và nó ngay thẳng không có câu trả lời cho sự tồn tại của vật chất tối.
Vì vậy, chúng ta phải tìm ra một cái gì đó. Chúng ta cần phải vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn để hiểu rõ hơn về vũ trụ của chúng ta.
Thật không may, nhiều ứng cử viên hàng đầu để giải thích về vấn đề tuyệt vời này - được gọi là lý thuyết siêu đối xứng - đã bị loại trừ hoặc bị hạn chế nghiêm trọng trong những năm gần đây. Tuy nhiên, vẫn còn một khái niệm Hail Mary có thể giải thích các phần bí ẩn của vũ trụ không được bao phủ bởi Mô hình Chuẩn, tuy nhiên: Các hạt siêu đối xứng tồn tại lâu dài, đôi khi được gọi là các hạt ngắn. Nhưng thật đáng buồn, một cuộc tìm kiếm gần đây cho các hạt lẻ này đã trở về tay không.
Không đối xứng siêu
Cho đến nay, các lý thuyết hợp thời nhất đã vượt qua giới hạn của Mô hình Chuẩn hiện tại được nhóm lại thành một lớp các ý tưởng được gọi là siêu đối xứng. Trong các mô hình này, hai nhóm hạt lớn trong tự nhiên ("boson", chẳng hạn như các photon quen thuộc và "fermion" - như electron, quark và neutrino) thực sự có mối quan hệ anh em kỳ lạ. Mỗi boson đều có một đối tác trong thế giới fermion, và tương tự, mỗi fermion đều có một người bạn boson để gọi riêng.
Không ai trong số những đối tác này (hoặc thích hợp hơn trong thuật ngữ khó hiểu của vật lý hạt - "siêu đối tác") là một trong những họ bình thường của các hạt đã biết. Thay vào đó, chúng thường rất nhiều, nặng hơn, lạ hơn và nhìn chung trông lạ hơn.
Sự khác biệt về khối lượng giữa các hạt đã biết và siêu đối tượng của chúng là kết quả của một thứ gọi là phá vỡ đối xứng. Điều này có nghĩa là ở những năng lượng cao (như bên trong máy gia tốc hạt), các mối quan hệ toán học giữa các hạt và các đối tác của chúng nằm trên một mức độ thậm chí, dẫn đến khối lượng bằng nhau. Tuy nhiên, ở mức năng lượng thấp (như mức năng lượng bạn trải nghiệm trong cuộc sống hàng ngày, bình thường), sự đối xứng này bị phá vỡ, khiến khối lượng hạt đối tác tăng vọt. Cơ chế này rất quan trọng, bởi vì nó cũng có khả năng giải thích tại sao, ví dụ, lực hấp dẫn yếu hơn rất nhiều so với các lực khác. Toán học chỉ là một chút phức tạp nhỏ, nhưng phiên bản ngắn là thế này: Một thứ gì đó đã phá vỡ trong vũ trụ, khiến các hạt bình thường trở nên nhỏ hơn đáng kể so với các siêu anh hùng của chúng. Hành động phá vỡ tương tự đó có thể đã trừng phạt trọng lực, làm giảm sức mạnh của nó so với các lực lượng khác. Tiện lợi
Sống lâu và thịnh vượng
Để săn lùng siêu đối xứng, một nhóm các nhà vật lý đã sứt mẻ và chế tạo máy nghiền nguyên tử có tên Large Hadron Collider, sau nhiều năm tìm kiếm gian khổ đã đưa ra kết luận đáng ngạc nhiên nhưng đáng thất vọng rằng hầu hết tất cả các mô hình siêu đối xứng đều sai.
Rất tiếc.
Nói một cách đơn giản, chúng ta không thể tìm thấy bất kỳ hạt đối tác nào. Số không. Zilch. Nada. Không có gợi ý nào về siêu đối xứng xuất hiện trong máy va chạm mạnh nhất thế giới, nơi các hạt được nén xung quanh một vật thể tròn với tốc độ gần ánh sáng trước khi va chạm với nhau, đôi khi dẫn đến việc tạo ra các hạt mới kỳ lạ. Điều đó không nhất thiết có nghĩa là siêu đối xứng là sai, nhưng tất cả các mô hình đơn giản nhất hiện đã bị loại trừ. Đã đến lúc từ bỏ siêu đối xứng? Có thể, nhưng có thể có một Kinh Kính Mừng: các hạt tồn tại lâu dài.
Thông thường, ở vùng đất của vật lý hạt, bạn càng lớn, bạn càng không ổn định và bạn sẽ phân hủy nhanh hơn thành các hạt đơn giản hơn, nhẹ hơn. Đó chỉ là cách mọi thứ. Vì các hạt đối tác dự kiến sẽ nặng (nếu không, chúng ta sẽ thấy chúng bây giờ), chúng tôi hy vọng chúng sẽ phân rã nhanh chóng thành những thứ khác mà chúng ta có thể nhận ra, và sau đó chúng ta sẽ chế tạo máy dò hạt phù hợp.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu các hạt đối tác tồn tại lâu dài? Điều gì sẽ xảy ra nếu, thông qua một số trò chơi vật lý kỳ lạ (cho các nhà lý thuyết một vài giờ để suy nghĩ về nó, và họ sẽ nghĩ ra quá nhiều điều kỳ quặc để làm cho nó xảy ra), những hạt này xoay sở để thoát khỏi giới hạn của các máy dò của chúng ta trước khi phân rã một cách nghiêm trọng vào một cái gì đó ít lạ? Trong kịch bản này, các tìm kiếm của chúng tôi sẽ hoàn toàn trống rỗng, đơn giản là vì chúng tôi không nhìn đủ xa. Ngoài ra, các máy dò của chúng tôi không được thiết kế để có thể tìm kiếm trực tiếp các hạt tồn tại lâu này.
ATLAS để giải cứu
Trong một bài báo gần đây được xuất bản trực tuyến vào ngày 8 tháng 2 trên máy chủ in sẵn arXiv, các thành viên của ATLAS (viết tắt có phần lúng túng cho A Toroidal LHC ApparatuS) tại Large Hadron Collider đã báo cáo một cuộc điều tra về các hạt tồn tại lâu như vậy. Với thiết lập thử nghiệm hiện tại, họ không thể tìm kiếm mọi hạt có thể tồn tại lâu dài, nhưng họ có thể tìm kiếm các hạt trung tính có khối lượng từ 5 đến 400 lần so với proton.
Nhóm ATLAS đã tìm kiếm các hạt tồn tại lâu không nằm ở trung tâm của máy dò, nhưng ở các cạnh của nó, điều này sẽ cho phép các hạt di chuyển đến bất cứ nơi nào từ vài cm đến vài mét. Điều đó có vẻ không xa lắm về tiêu chuẩn của con người, nhưng đối với các hạt cơ bản, to lớn, nó cũng có thể là cạnh của vũ trụ được biết đến.
Tất nhiên, đây không phải là tìm kiếm đầu tiên cho các hạt tồn tại lâu dài, nhưng nó là toàn diện nhất, sử dụng gần như toàn bộ trọng lượng của các bản ghi thử nghiệm tại Máy Va chạm Hadron Lớn.
Và kết quả lớn: Không có gì. Số không. Zilch. Nada.
Không phải là một dấu hiệu của bất kỳ hạt sống lâu.
Điều này có nghĩa là ý tưởng đó cũng đã chết? Không hẳn - những dụng cụ này thực sự không được thiết kế để đi săn những loại thú hoang này và chúng tôi chỉ tìm kiếm những gì chúng tôi có. Nó có thể mất một thế hệ thí nghiệm khác được thiết kế đặc biệt để bẫy các hạt tồn tại lâu trước khi chúng ta thực sự bắt được một hạt.
Hoặc, đáng buồn hơn, chúng không tồn tại. Và điều đó có nghĩa là những sinh vật này - cùng với các đối tác siêu đối xứng của chúng - thực sự chỉ là những bóng ma được các nhà vật lý gây sốt mơ ước, và điều chúng ta thực sự cần là một khuôn khổ hoàn toàn mới để giải quyết một số vấn đề nổi bật của vật lý hiện đại.
