Iš karto po Didžiojo Sprogimo tebuvo viena jėga. Visatai auštant, ši jėga išsiskyrė į dvi, paskui – tris ir galiausiai į keturias dabartinę visatą valdančias žinomas sąveikas. Fizikai seniai ieško didžiosios vieningosios teorijos, kuri visas jėgas, išskyrus gravitaciją, apjungtų į vieną jėgą. Nauja idėja yra būtent tokia, bet nepateikia prognozių, kurios sužlugdė ankstesnius bandymus.
Iš karto po Didžiojo Sprogimo (DS) tebuvo viena jėga. Visatai auštant, ši jėga išsiskyrė į dvi, paskui – tris ir galiausiai į keturias dabartinę visatą valdančias žinomas sąveikas. Fizikai seniai ieško didžiosios vieningosios teorijos, kuri visas jėgas, išskyrus gravitaciją, apjungtų į vieną jėgą. Nauja idėja yra būtent tokia, bet nepateikia prognozių, kurios sužlugdė ankstesnius bandymus.
Dalelių greitintuvuose atlikti eksperimentai parodė, kad iš keturių fundamentaliųjų sąveikų – gravitacijos, elektromegnetizmo, bei stipriosios ir silpnosios branduolinės sąveikos – elektromagnetizmas ir silpnoji branduolinė sąveika tampa viena „elektrosilpnąją“, kai dalelių energija pasiekia ~100 gigaelektronvoltų (GeV). Tokios sąlygos buvo, praėjus maždaug vienai trilijonajai sekundės daliai po DS.
„Bet tebėra neaišku, kas nutiko, praėjus vienai trilijonajai trilijonosios trilijonosios sekundės dalies po Didžiojo Sprogimo?“ – sako Bartosz Fornal iš Kalifornijos universiteto San Diege. Iš principo, tada elektrosilpnoji ir stiprioji branduolinė sąveika turėjo būti viena jėga.
Kaip fundamentaliosios sąveikos buvo apjungtos iškart po Didžiojo Sprogimo?
© Detlev Van Ravenswaay/„Science Photo Library“
Fornalas ir Benjamín Grinstein, irgi iš UCSD, sukūrė didžiąją vieningąją teoriją, remdamiesi ankstesne, SU(5) idėja, bet svarbiausia, joje nereikia protonų skilimo.
Simetrijos laužymas
SU(5) teoriją 1974 metais pasiūlė Howard Georgi ir Sheldon Glashow. SU(5) teorijoje, esant didelei didžiojo suvienijimo energijai, visos dalelės aprašomos matematinėmis struktūromis, kurias galima laikyti penkiakampiais ir dešimtkampiais.
Panagrinėkime penkiakampį. Kiekviena penkiakampio kraštinė rodo kvarką arba leptoną, kurie yra fundamentaliosios dalelės. Bet matematiškai, penkiakampio kraštinės identiškos – tad šiuo modeliu negalima atskirti kvarko nuo leptono. Ši simetrija suyra tik tada, kai visata atvėsta, ir šis metaforinis penkiakampis subyra į gabalėlius, kuris dabar yra kvarkas arba leptonas.
Vienas iš SU(5) pašalinių produktų – papildomos sąveikos tarp kvarkų ir leptonų prognozavimas. Dėl to, pavyzdžiui, pagal šią teoriją turėtų būti įmanomas protonų skilimas, kai vienas iš trijų (dviejų aukštyn (u) ir vieno žemyn (d)) protoną sudarančių kvarkų spontaniškai virsta leptonu.
Bet tokie eksperimentai, kaip Super-Kamiokande neutrinų observatorija Japonijoje, kuriais ieškoma skylančių protonų sukeliamos radiacijos, nieko neaptiko. Remiantis jais, protono gyvavimo trukmė didesnė nei 1034 metų – ne viena skaičiaus dydžio eile daugiau, nei numato SU(5).
Yra ir ilgesnę protonų gyvavimo trukmę numatančių teorijų, bet jos gerokai sudėtingesnės. Pavyzdžiui, didžiojo suvienijimo teorijose gali būti ir supersimetrija, padvigubinanti žinomų dalelių skaičių. Taip galima pratęsti protonų gyvavimą. Bet eksperimentai CERN LHC irgi neaptiko jokių supersimetrijos žymių.
Pridėkime tamsiąją materiją
Naujajame Didžiojo suvienijimo modelyje Fornalas ir Grinsteinas SU(5) papildė dviem struktūromis, viena turi 40 kraštinių, kita – 50. Šios struktūros atstovauja sunkiuosius laukus, kurie abu padeda suvienyti elektrosilpnąją ir stipriąją branduolinę sąveiką, o taip pat apsaugo protoną nuo skilimo.
„Tai koncepcijos, kad tokia teorija gali būti sukurta, įrodymas“, – sako Fornalas. Ir šie mokslininkai atliko tai, nepasitelkdami supersimetrijos. „Didžiuojamės sukūrę nesupersimetrinę teoriją“, – sako Fornalas.
Ilja Doršner, Splito universitete, Kroatijoje, tyrinėjantis didžiojo suvienijimo teorijas, vadina teoriją įspūdinga. Jis teigia, kad tai „darsyk demonstruoja šios rimtos temos turtingumą ir grožį“. Bet, koncepcijos įrodymas gali būti atmestas, jei bus užfiksuotas protono skilimas, pažymi jis.
Kitas žingsnis – patikrinimas, ar ši teorija gali paaiškinti, kodėl atrastojo Higgso bozono masė yra mažesnė, nei tikėtasi. Galbūt pavyktų tai išspręsti, papildžius teoriją papildomais laukais.
Kartais tokių triukų tenka griebtis, kad stebima visata matematiškai atitiktų teoriją. Higgso laukas buvo pridėtas, sprendžiant būtent tokią problemą – visų dalelių masės kilmę – ir pasirodė, kad tai buvo teisinga.
Komanda taip pat nori pažiūrėti, ar teoriją galima būtų modifikuoti taip, kad joje atsirastų vietos ir tamsiosios materijos dalelės kandidatūrai – tam reikėtų bendresnės suvienytos tamsiosios materijos grupės, kurioje atsirastų vietos ir visoms žinomoms jėgoms bei dalelėms. Jei šiuo atveju simetrija pažeidžiama, tamsiosios materijos dalelės kandidatūra atkristų.
