Joseph Norman
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La teoria dominante della fisica delle particelle spiega tutto sul mondo subatomico ... tranne le parti che non lo fa. E sfortunatamente, non ci sono molti aggettivi lusinghieri che possono essere applicati al cosiddetto Modello Standard. Sviluppata a poco a poco nel corso di decenni, questa teoria della fisica fondamentale è meglio descritta come sgraziata, miscuglio e MacGyver-ed insieme a pezzi di spago e gomma da masticare.
Tuttavia, è un modello incredibilmente potente che prevede con precisione un'enorme varietà di interazioni e processi.
Ma presenta alcuni evidenti difetti: non incorpora la gravità; non può spiegare le masse di varie particelle, alcune delle quali conferiscono forza; non ha una spiegazione per certi comportamenti dei neutrini; e chiaramente non ha una risposta per l'esistenza della materia oscura.
Quindi, dobbiamo capire qualcosa. Dobbiamo andare oltre il modello standard per comprendere meglio il nostro universo.
Sfortunatamente, molti dei principali contendenti per spiegare questo grande oltre - chiamate teorie supersimmetriche - sono stati esclusi o severamente limitati negli ultimi anni. C'è ancora un concetto di Ave Maria che potrebbe spiegare le parti misteriose dell'universo non coperte dal Modello Standard, tuttavia: particelle supersimmetriche a vita lunga, a volte chiamate sparticelle in breve. Ma tristemente, una recente ricerca di queste particelle strane è tornata a mani vuote. [Le 11 grandi domande senza risposta sulla materia oscura]
Non così super simmetria
La serie di teorie di gran lunga più trendy che oltrepassa i limiti dell'attuale Modello Standard è raggruppata in una classe di idee nota come supersimmetria. In questi modelli, i due principali campi di particelle in natura ("bosoni", come i fotoni familiari; e "fermioni" - come elettroni, quark e neutrini) hanno in realtà uno strano tipo di relazione tra fratelli. Ogni singolo bosone ha un partner nel mondo dei fermioni e, allo stesso modo, ogni fermione ha un amico bosone da chiamare proprio.
Nessuno di questi partner (o più appropriatamente nel gergo confuso della fisica delle particelle - "superpartner") fa parte della normale famiglia di particelle conosciute. Invece, sono tipicamente molto, molto più pesanti, più strani e generalmente più strani.
Questa differenza di massa tra le particelle conosciute ei loro superpartner è il risultato di qualcosa chiamato rottura della simmetria. Ciò significa che ad alte energie (come l'interno degli acceleratori di particelle), le relazioni matematiche tra le particelle e i loro partner sono su una chiglia uniforme, portando a masse uguali. A basse energie (come i livelli di energia che si verificano nella normale vita di tutti i giorni), tuttavia, questa simmetria viene interrotta, mandando alle stelle le masse di particelle del partner. Questo meccanismo è importante, perché capita anche di spiegare potenzialmente perché, ad esempio, la gravità è molto più debole delle altre forze. La matematica è solo un po 'complicata, ma la versione breve è questa: qualcosa si è rotto nell'universo, facendo sì che le particelle normali diventassero drasticamente meno massicce dei loro superpartner. Quella stessa azione di rottura può aver punito la gravità, diminuendone la forza rispetto alle altre forze. Nifty. [6 fatti strani sulla gravità]
Vivi a lungo ed in prosperità
Per cacciare la supersimmetria, un gruppo di fisici ha integrato e costruito il frantumatore di atomi chiamato Large Hadron Collider, che dopo anni di ardue ricerche è giunto alla conclusione sorprendente ma deludente che quasi tutti i modelli di supersimmetria erano sbagliati.
Ops.
In poche parole, non riusciamo a trovare particelle partner. Zero. Zilch. Nada. Nessun accenno di supersimmetria è apparso nel collisore più potente del mondo, dove le particelle vengono fatte scorrere attorno a un congegno circolare quasi alla velocità della luce prima di scontrarsi tra loro, il che a volte si traduce nella produzione di nuove particelle esotiche. Non significa necessariamente che la supersimmetria sia sbagliata, di per sé, ma ora tutti i modelli più semplici sono stati esclusi. È ora di abbandonare la supersimmetria? Forse, ma potrebbe esserci un'Ave Maria: particelle longeve.
Di solito, nella terra della fisica delle particelle, più sei massiccio, più sei instabile e più velocemente decadrà in particelle più semplici e leggere. È solo come stanno le cose. Dal momento che ci si aspetta che le particelle partner siano tutte pesanti (altrimenti, le avremmo già viste), ci aspettavamo che si sarebbero decadute rapidamente in una pioggia di altre cose che potremmo riconoscere, e quindi avremmo costruito i nostri rilevatori di conseguenza.
Ma cosa succederebbe se le particelle partner fossero di lunga durata? E se, attraverso qualche stranezza della fisica esotica (dai ai teorici alcune ore per pensarci, e troveranno stranezze più che sufficienti per farlo accadere), queste particelle riuscissero a sfuggire ai confini dei nostri rivelatori prima di decadere diligentemente in qualcosa di meno strano? In questo scenario, le nostre ricerche sarebbero risultate completamente vuote, semplicemente perché non stavamo guardando abbastanza lontano. Inoltre, i nostri rilevatori non sono progettati per essere in grado di cercare direttamente queste particelle a lunga vita.
ATLAS in soccorso
In un recente documento pubblicato online l'8 febbraio sul server di preprint arXiv, i membri della collaborazione ATLAS (abbreviazione un po 'imbarazzante per A Toroidal LHC ApparatuS) al Large Hadron Collider hanno riferito di un'indagine su particelle così longeve. Con l'attuale configurazione sperimentale, non sono stati in grado di cercare ogni possibile particella longeva, ma sono stati in grado di cercare particelle neutre con masse comprese tra 5 e 400 volte quella del protone.
Il team ATLAS ha cercato le particelle a lunga vita non al centro del rivelatore, ma ai suoi bordi, il che avrebbe permesso alle particelle di viaggiare ovunque da pochi centimetri fino a pochi metri. Potrebbe non sembrare molto lontano in termini di standard umani, ma per particelle massicce e fondamentali, potrebbe anche essere il confine dell'universo conosciuto.
Ovviamente, questa non è la prima ricerca di particelle a lunga vita, ma è la più completa, utilizzando quasi l'intero peso di carichi di record sperimentali al Large Hadron Collider.
E il grande risultato: niente. Zero. Zilch. Nada.
Nessun segno di particelle longeve.
Questo significa che anche quell'idea è morta? Non proprio: questi strumenti non sono stati progettati per andare a caccia di questo tipo di bestie selvagge, e stiamo solo raschiando con quello che abbiamo. Potrebbe essere necessaria un'altra generazione di esperimenti specificamente progettati per intrappolare particelle a vita lunga prima di catturarne una.
O, cosa più deprimente, non esistono. E ciò significherebbe che queste creature - insieme ai loro partner supersimmetrici - sono in realtà solo fantasmi inventati da fisici febbrili, e ciò di cui abbiamo effettivamente bisogno è una struttura completamente nuova per risolvere alcuni dei problemi più importanti della fisica moderna..
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Paul M. Sutter è un astrofisico presso La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Radio spaziale, e autore di Il tuo posto nell'universo.