Mes egzistuojame dėl įdomaus visatos nevienodumo. Kiek siekia mūsų žinios, visata prasidėjo nuo vienodų ar beveik vienodų materijos ir antimaterijos kiekių. Taip pat žinoma ir tai, kad susilietusios šios dalelės anihiliuoja, t. y. išnyksta, išspinduliuodamos jų masę atitinkančią energiją, tad jau senų senovėje turėjo sunaikinti viena kitą, palikdamos labai mažai (arba visai nepalikdamos) medžiagos formuotis žvaigždėms, planetoms ir žmonėms. Tačiau akivaizdu, jog taip nenutiko. Kodėl?
Mes egzistuojame dėl įdomaus visatos nevienodumo. Kiek siekia mūsų žinios, visata prasidėjo nuo vienodų ar beveik vienodų materijos ir antimaterijos kiekių. Taip pat žinoma ir tai, kad susilietusios šios dalelės anihiliuoja, t. y. išnyksta, išspinduliuodamos jų masę atitinkančią energiją, tad jau senų senovėje turėjo sunaikinti viena kitą, palikdamos labai mažai (arba visai nepalikdamos) medžiagos formuotis žvaigždėms, planetoms ir žmonėms. Tačiau akivaizdu, jog taip nenutiko. Kodėl?
Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (LHC) atskleidė medžiagos ir antimedžiagos dalelių skilimo skirtumus, kurių dabartinis standartinis modelis nesugeba paaiškinti
Kokia priežastis šį procesą pakeitė visatos materijos naudai? Apie tai jau ilgą laiką mąsto geriausi fizikų protai. Pagaliau tokios pakrypusios fizikos ženklai pasirodė CERN'o LHC greitintuve prie Ženevos, Šveicarijoje. Tai pirmasis naujos fizikos ženklas, galintis suteikti postūmį supersimetrijos teorijai, kuri prie jau pažįstamų subatominių dalelių būrio galėtų pridurti visą naujų dalelių zoologijos sodą.
„Jaudinamės“, – trumpai ir aiškiai apibūdina situaciją Juvalis Grosmanas (Yuval Grossman) iš Kornelio universiteto Itakėje, Niujorke.
Įdomu tai, jog šie atradimai padaryti ne viename iš dviejų LHC pagrindinių detektorių, ATLAS ir CMS, su kuriais darbuojasi 5000 tyrėjų, o palyginti mažoje 600 mokslininkų grupėje, dirbančioje su kitu prietaisu, vadinamu LHCb. „Tai LHCb suteikia teisę girtis“, – šypsosi Ikaros Bigi iš Notrdamo universiteto Indianoje.
Dabartinė geriausia teorija, vadinama standartiniu modeliu ir aiškinanti dalelių ir jėgų sąveiką, leidžia tik labai mažus skirtumus tarp medžiagos ir antimedžiagos. Pavyzdžiui, nestabili materijos dalelė į dukterines daleles turėtų skilti beveik tokiu pačiu greičiu, kaip ir jos pusseserė antimaterija.
O LHCb atskleidė stebinančiai didelius šių skilimų greičio skirtumus. Detektoriuje buvo matuojama trumpaamžių dalelių – mezonų (kurios yra kvarkų poros) – skilimas. Konkrečiai buvo tiriamas mezonų, vadinamų D0 ir jų antimaterinių atitikmenų anti-D0 skilimas.
Kiekvienas iš jų gali suskilti į porą lengvesnių mezonų, sudarydamas pioną ir antipioną arba kaoną ir antikaoną. Jei standartinis modelis teisus, neturėtų būti jokio skirtumo, ar pradinė dalelė yra D0 ar anti-D0. Tikimybė gauti piono ir antipiono porą praktiškai turėtų būti tokia pati abiem atvejais, kaip ir tikimybė gauti kaono ir antikaono porą.
Norėdami pažiūrėti ar dalelė ir antidalelė elgiasi taip pat, eksperimentatoriai iš D0 skylimo metu gautų pionų ir antipionų porų skaičiaus atėmė dalelių skaičių, gautą skylant anti-D0 dalelėms. Panašiai pasielgta ir su kaonų ir antkaonų poromis. Tada, norėdami eliminuoti eksperimento galimas paklaidas, atėmė kiekvieną rezultatą iš kito. Jei skilimo greičiai vienodi, skirtumas būtų didelis storas nulis.
Taip neatsitiko. LHCb komanda išsiaiškino, kad skirtumas siekia 0,8 procento – apie tai pranešė Metas Čarlzas iš Oksfordo universiteto praėjusį mėnesį Hadronų greitintuvo fizikos susitikime Paryžiuje, Prancūzijoje.
Šis neatitikimas yra aštuonis kartus didesnis, nei leidžia standartinis modelis, remiantis 2007 metais Grosmano komandos atliktais skaičiavimais (Physical Review D, DOI: 10.1103/PhysRevD.75.036008).
„Tai tikrai didelė staigmena“, – sako LHCb komandos narys Tomašas Skvarnickis (Tomasz Skwarnicki) iš Sirakūzų universiteto Niujorke.
Maždaug pusės LHCb duomenų, gautų 2011 metais analizės rezultatų statistinis reikšmingumas yra 3,5 sigma – tai reiškia tik 1 galimybę iš 2000, kad tai atsitiktinumas, o ne dėsningumas. „Tai labai įdomus, bet dar ne galutinis rezultatas“, – pastebi Grosmanas. LHCb tyrėjai dabar iš naujo atlieka analizę, įtraukdami likusius 2011 metų duomenis, paaiškina Skvarnickis.
Tai galėtų dar labiau padidinti dėsningumo tikimybę. Detali duomenų analizė yra būtina, mat kol kas tie patys LHCb rezultatai yra prieštaringi – dar vasarą čia dirbusi mokslininkų komanda tvirtino jokių nuokrypių nepastebėjusi. O norint eksperimento rezultatus paskelbti kaip naują atradimą, reikia pasiekti rezultatą su 5 sigma – 1 galimybė iš 1,7 milijono, jog tai tik atsitiktinumas.
Jei reiškinys yra tikras, jis galėtų paaiškinti supersimetrijos (SUSY) teoriją, praplečiančią Standartinį modelį ir prie kiekvienos žinomos dalelės pridėdama po sunkią superpartnerę
Daugumos šių papildomų dalelių atradimui reikėtų milžiniškos energijos, tad jos nepastebimos kasdieniniame gyvenime. Bet kvantinės mechanikos neapibrėžtumo principas leidžia joms trumpai egzistuoti kaip virtualioms dalelėms, tai pasirodančioms, tai išnykstančioms erdvėje.
Kai kurios iš šių virtualių dalelių gali trukdyti įprastų dalelių skilimui, taip sukurdamos materijos ir antimaterijos asimetriją. 2007-ųjų Grosmano tyrime komanda nustatė, kad SUSY dalelės, pavyzdžiui gliuinai – sunkiosios gliuonų, perduodančių stipriąją sąveiką, versijos – galėtų sukelti iki 1 procento asimetriją, pakankamą LHCb matavimų patvirtinimui.
Supersimetrijos įrodymai išspręstų kai kurias opias problemas. Supersimetrija suteikia būtent tokią, kokios reikia, masę Higso bozonui, hipotetinei dalelei, suteikiančiai masę visoms kitoms dalelėms. Tai vienas iš opiausių klausimų ir Standartiniam modeliui – be dabar įsivaizduojamo Higso bozono jis tiesiog subyrėtų.
SUSY taip pat pateikia idealų kandidatą paslaptingajai tamsiajai materijai, laikančiai galaktikas drauge ir sudarančiai apie 80 % visos materijos masės.
Tačiau Skvarnickis sako, kad ir Standartinis modelis gali sugebėti paaiškinti LHCb rezultatus, nes Grosmano komandos skaičiavimuose buvo padarytos aproksimacijos, numatančios, kad standartinio modelio asimetrija yra mažesnė, nei 0,1 %. „Tikiuosi, daug teoretikų bandys išsiaiškinti ar tokia didelė reikšmė tikrai negali būti paaiškinama Standartiniu modeliu“, – priduria jis.
Ir net jeigu Standartinis modelis nebus pakankamai lankstus, kad galėtų paaiškinti rezultatus, yra ir kitų teorijų, be supersimetrijos, galinčių tai padaryti. „Spėju, per ateinančias keletą savaičių ar mėnesių, išvysime daug darbų, tyrinėjančių skirtingus [galinčius tai paaiškinti] modelius“, – mano Grosmanas.
Jei tolesni tyrimai parodys didelę šios asimetrijos įtaką ankstyvojoje visatoje, pasidarytų šiek tiek aiškiau, kodėl po Didžiojo sprogimo liko daugiau medžiagos, nei antimedžiagos. Skirtumas didelis, o Standartinio modelio reakcijose užfiksuota nedidelė asimetrija buvo per maža medžiagos pertekliaus paaiškinimui 10 000 000 000 kartų.
Šis naujos fizikos ženklas gali būti tik pirmas iš daugelio, svarsto Skvarnickis: „Tikiuosi, rasime daug daugiau.“
