Mokslo ir technologijų pasaulis

Manėme, kad elektronas ir du paslaptingieji jo giminaičiai yra fundamentaliosios dalelės. Dabar randasi užuominų, kad norint suprasti materiją, reikia dar didesnio vaizdo

Vienas iš trijų šiuos žodžius skaitančių žmonių daro tai su įrenginiu, kuriam energiją tiekia elektronai. Kad tai vyktų, reikia gerokai pasistengti: gaminti elektronus tolimose elektrinėse, tiesti laidus ir kabelius, kad jie rastų kelią iki mūsų namų ir sumontuoti rozetes kiekviename kambaryje. Trumpiau tariant, mes nuo jų priklausome – todėl reikėtų kiek nurausti, kad dar iki galo jų neperpratome.

Ne tik todėl, kad geriausios mūsų teorijos piešia keistus jų prigimties paveikslus, nors tai irgi tiesa. Tegalime pasakyti, kad elektronai yra nulinio dydžio dalelės, paklūstančios keistoms kvantinio pasaulio taisyklėms. Jos gali veikti viena kitą keistuoju susietumu. Elektronai taip pat sugeba tuneliuoti iš vienos vietos į kitą, neegzistuodami tarpinėje būsenoje.

Bet keisčiausia elektrono savybė yra ta, kad jis turi du sunkesnius giminaičius. Visata kuo puikiausiai apsieitų ir be jų, juolab, jie šiaip ar taip ilgai negyvuoja. Tad, kodėl jie egzistuoja? Ir kodėl yra trys giminaičiai, o ne keturi ar 104?

Mokslininkai daug dešimtmečių į šiuos klausimus neturėjo atsakymo, bet galiausiai, panašu, artinamės prie jų supratimo. Jei tikėsime dalelių greitintuvų visame pasaulyje anomalijomis, po elektronų paviršiumi gali bruzdėti visas pasalptingas pasaulis – priversiantis mus permąstyti viską, ką manome žiną apie statybinius materijos blokus.

Elektronas buvo pirmoji subatominė dalelė, atrasta 1897 metais, kai J. J. Thompsonas stebėjo spindulius, kuriuose nukreipė elektrinis laukas. Paaiškėjo, kad tie spindulai – elektronai.

Iki praėjusio amžiaus ketvirtojo dešimtmečio vidurio jau žinojome, kad atome yra ir kitų dalelių (žr. „Sugalvok, sudaužyk“). Bet vos tik reikalai pradėjo atrodyti aiškūs ir tvarkingai sudėlioti į lentynėles, vėl ištiko sumaištis. 1936 m. pora fizikų, Kalifornijoje tyrinėjusių iš kosmoso tolių sklindančią radiaciją, pastebėjo nepanašią į jokią jų anksčiau matytą dalelę. Jos krūvis buvo neigiamas, kaip ir elektronų, bet elektriniame lauke jos trajektorija kito ne taip staigiai, kas rodė, jog ji masyvesnė. Ji buvo pavadinta miuonu, dalele, panašia į elektroną visu kuo, tik 207 kartus didesnės masės.

Fizikai keturis dešimtmečius kasėsi pakaušius, o tada situacija tapo dar sudėtingesnė. 1974 metais Kalifornijoje, Stanfordo tiesinio greitintuvo centre (Stanford Linear Accelerator Center – SLAC) pradėti eksperimentai atrado dar vieną elektrono giminaitį, šį kartą 3400 kartų masyvesnį ir pavadintą tau (τ) dalele.

„Atrodo, lyg kas būtų paguldęs elektroną ant kopijuoklio ir paspaudęs kopijų skaičių 3“

Dabar fizikai elektroną, miuoną ir tau – vadinamus krūvį turinčiais leptonais – laiko skirtingais tos pačios dalelės „skoniais“. „Atrodo, lyg kas būtų paguldęs elektroną ant kopijuoklio ir paspaudęs kopijų skaičių 3,“ sako John Ellis, dalelių fizikas iš Londono karališkojo koledžo (KCL).

Tiesą sakant, paslaptingasis kopijuoklis atrodo pasidarbavo su visu standartiniu modeliu – geriausia turima daleles ir sąveikas aprašančia teorija. Visos fundamentaliosios materijos dalelės turi tris vis sunkesnes kartas (žr. diagramą).

Fizikai sutaria dėl šio paveikslo, bet tai nereiškia, kad jis juos tenkina. „Tai visiška paslaptis,“ sako Martin Bauer, fizikos teoretikas iš Heidelbergo universiteto Vokietijoje. „Visi galai sueitų ir su vos viena karta; kodėl yra ir kitos, visiškai neaišku.“

Tai gali būti tiesiog atsitiktinumas, bet yra ženklų, kad ne (žr. „Keistieji skoniai“). Kaip bebūtų, dalelių fizikai desperatiškai dairosi bent menkiausio plyšelio standartiniame modelyje. Galų gale, juk žinome kad jis neužbaigtas, nes, be visa kita, jis nieko nesako apie gravitacijos veikimą. Skonių fizika gali padėti pažvelgti giliau.

Vienas būdas tai panagrinėti būtų vadinamojo leptonų universalumo principo, skelbiančio, kad visi leptonai elgiasi taip pat, patikrinimas. Pagal šį principą, pavyzdžiui, skylant didesnei dalelei, bet kokie jos skilimo produktuose susidarę leptonai, atsižvelgus į masę, turėtų būti kuriami lygiomis proporcijomis.

Dalelių šrapnelis

2014 metais LHCb eksperimentą vykdantys mokslininkai tyrė B mezonų skilimą. Šios dalelės yra sudarytos iš dviejų kvarkų ir gali labai įvairiai skilti, todėl fizikams jie puikiai tinka bandymams. Ir šį kartą dienos šviesą išvydo keistenybė: susidarė 25 procentais mažiau miuonų, nei elektronų, o tai – akis badantis leptonų universalumo principo pažeidimas.

Toks skirtumas atrodo didelis, bet CERN eksperimentuose vyksta tiek dalelių skilimų, kad anomalijų kartkartėmis tikimasi. Pavyzdžiui, pernai kai kas įtarė, kad kalnelis dviejų didžiausių LHC detektorių duomemų grafikuose rodo naujas daleles. Pasirodė, kad tai nuokrypis išnykęs, pažiūrėjus atidžiau.

Stengdamiesi išvengti perdėto jaudinimosi dėl tokių atsitikimų, dalelių fizikai naudoja statistinę 5 sigma ribą, kurią pasiekęs rezultatas gali būti pavadintas atradimu. 5 sigma rezultatas paprastų mirtingųjų kalba reiškia, kad tėra viena galimybė iš 3,5 milijonų, kad gautas rezultatas yra tik atsitiktinumas, o ne naujos fizikos ženklas. 2014 LHCb rezultatas buvo ~2,5σ, tad iš pradžių didelio dėmesio nesusilaukė.

Kitą gegužę, LHCb aptiko kitą keistą signalą. Šįsyk tyrėjai stebėjo kitos dalelės skilimą, kurio metu sukuriamas miuonas arba tau. Vėlgi, tau dalelės buvo kuriamos dažniau nei miuonai. O šių metų balandžio 18 dieną LHCb tyrėjai paskelbė apie trečią atsitikimą: atskirą B mezonų skilimų matavimą, kuris vėlgi parodė ~25% nukrypimą nuo standartinio modelio prognozių. „Šio matavimo reikšmingumas nėra itin didelis, bet jis tapo labai įdomus, kadangi vyksta panašiai, kaip ir kiti matavimai,“ sako LHCb dirbantis Albert Puig iš Ciuricho universtiteo.

O dar įdomiau, kad du jau nebevykdomi eksperimentai, „BaBar“ SLAC ir „Belle“ KEK laboratorijoje Japonijoje, aptiko panašius skilimus. SLAC Heavy Flavour Averaging tyrėjų grupė pridėjo šiuos rezultatus prie gautų LHCb, išvedė vidurkį, ir gavo 4 sigma reikšmingumą. Kankinamai viliojančiai arti, tačiau dar ne atradiams. Kadangi potencialaus atradimo reikšmė „būtų tokia revoliucinė, kad labai svarbu įsitikinti, jog matome būtent tai, ką matome“, pažymi Ellis.

Jei leptonų universalumas yra pažeidžiamas, populiariausias to paaiškinimas – mezonams skylant, trumpam atsiranda dalelė, sąveikaujanti su įvairiomis mezono skeveldromis, taip pastumdama jų susidarymo santykį nuo prognozių. Tokia dalelė atsirastų ir išnyktų akimirksniu – pernelyg greitai, kad būtų galima tiesiogiai užfiksuoti ją pačią.

„Pernelyg drąsu tvirtinti, kad žinome visus fundamentalius gamtos statybinius blokus“

Viena tokios dalelės galimybė atsirado 2009 metais, kai fizikos teoretikas Ben Gripaios iš Kembridžo universiteto nagrinėjo Higgso bozoną, garsųjį dalelėms masę suteikiantį to paties pavadinimo lauko pasireiškimą. Gripaios nagrinėjo idėją, kad Higgsas, kurio egzistavimas patvirtintas buvo tik 2012m., gali būti ne viena fundamentali dalelė, bet iš mažesnių dalelių sudarytas junginys. Tai galėtų padėti išspręsti seną fizikos hierarchijos problemą; paprasčiau tariant, pastebėjimą, kad visos fundamentaliosios dalelės yra lengvesnės, nei numato standartinis modelis. Mąstydamas apie tai, Gripaiosas išsaiškino, kad jeigu Higgsas išties yra kompozitas, tada tikėtina, kad tokia turėtų būti ir hipotetinė dalelė leptokvarkas.

Iš pirmo žvilgsnio, tai atrodo neįdomu. Leptokvarkai ne vieną dešimtmetį buvo teorinės įdomybės, pasirodančios ambicingose, nepatvirtintose teorijose, tris standartinio modelio sąveikas vaizduojančias kaip iš esmės tą patį dalyką. Adam Falkowski iš Teorinės fizikos instituto Varšuvoje, Lenkijoje, pavadino juos dalelių fizikos Nickelback: grupe, apie kurią visi girdėjo, bet kuria niekas smarkiai nesižavi.

Tačiau LHCb atradimai leptokvarkus vėl ištraukia į rampos šviesą. Jų savybės tinka tiltui tarp kvarkų ir leptonų, tad tampa įmanomas virtimas vienų kitais. Jei leptokvarkai dar tvarkytų tokius dalykus, kaip leptonų virtimas kvarkais, tai galėtų paaiškinti nelygias LHCb stebėtas proporcijas. O štai geriausia dalis: pagal 2012 metais atliktus Gripaios skaičiavimus, neatitikimas turėtų būti maždaug 25 procentai.

Tačiau yra ir alternatyvių paaiškinimų, kuriuose dalyvauja dalelės, pernešančios egzotiškas naujas sąveikas. Dar blogiau, amžiaus pradžioje Vokietijoje, HERA greitintuve vykdyta leptokvarkų paieška buvo nevaisinga.

Tai neatmeta jų galimybės visiškai, nes HERA veikė tik tam tikra energija. Bet kai kurie fizikai mano, kad dar neatrastų dalelių sudėties svarstymai nėra rimtas užsiėmimas. „Man tai atrodo spekuliacija apie spekuliaciją,“ sako Ellis.

Kitiems ši spekuliacija atrodo vertinga. „Kompozitiškumas – labai patraukli idėja,“ sako André de Gouvêa, fizikos teoretikas iš Šiaurės Vakarų universiteto Ilinojuje. „Manau, visada pernelyg drąsu teigti, kad nustatėme griežtai fundamentalius statybinius gamtos blokus, net jei tai patvirtina visi surinkti įrodymai.“

De Gouvêa daro aliuziją į galimybę, kad ir leptonai gali būti sudėtinės dalelės. Sudėtiniai leptokvarkai patys savaime nereiškia, kad ir leptonai tokie, bet pradėjus, galima sugalvoti įvairių scenarijų. Pagal vieną, vadinamą dalinio kompozitiškumo, krūvį turintys leptonai – elektronai, miuonai ir tau – yra sudėtiniai. Tai reiškia, kad elektros laidais zvimbiantys elektronai daug sudėtingesni, nei manėme. O jų sudėtinės dalys visai galėtų jungtis ir kitokia tvarka. „Tai gali reikšti, kad visi leptonai, kuriuos matome, turi sunkesnius partnerius, kuriuos irgi turėtų būti įmanoma atrasti,“ sako Gripaios.

Pagal šį scenarijų, aptakus atsakymas į klausimą „kodėl yra trys krūvį turintys leptonai?“ būtų paprastas: jų nėra. Bet toks atsakymas nelabai guodžia. Tačiau Gripaios mano, kad leptokvarkai suteikia naują būdą mąstyti apie skonių fiziką ir gali pateikti naujoviškus būdus spręsti jų mįsles. „Tai atvertų visiškai naują langą, per kurį galėtume tyrinėti tokius klausimus, tiek teoriškai, tiek eksperimentiškai,“ sako jis.

Dabar fundamentaliomis laikomų dalelių kompozitiškumo tiesioginis eksperimentinis patvirtinimas turėtų toli nuvilnijančias pasekmes. Pavyzdžiui, jei elektronas yra sudėtinis, jį turėtų laikyti nepaprastai stipri nežinoma sąveika. Visuose ligšioliniuose eksperimentuose, kad ir kokios didelės energijos, elektronai elgėsi kaip bemačiai taškai. Tad, viltys sudaužyti juos gali būti bergždžios.

Vos lengviau gali būti eksperimentiškai įrodyti kito laikomo fundamentaliu leptono kompozitiškumą: neutrino. Jau yra ženklų, kad šios vaiduokliškos, itin nenoriai su materija reaguojančios dalelės gali būti daugiau nei trijų skonių.

Standartinis modelis prognozuoja, kad neutrinai masės neturi, tačiau žinome, kad taip nėra. Dešimtajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje Super-Kamiokande detektorius Japonijoje stebėtas jų kitimas iš vieno skonio į kitą, o remiantis kvantų mechanika, norint atlikti tokius fokusus, reikia turėti nors pačią mažiausią masę. Populiariausias to paaiškinimas yra vadinasmasis sūpynių mechanizmas, pagal kurį visi trys neutrinai turi po masyvesnį partnerį.

Jų užfiksavimas pridėtų svorio ir Gripaioso idėjoms. Bet nors ir yra pagrindo manyti, kad sunkieji neutrinai gali egzistuoti, juos aptikti vis viena būtų neįtikėtinas iššūkis. Jeigu jie egzistuoja, jų masė turėtų būti bent jau 45 milijardus kartų didesnė už mums pažįstamų neutrinų.

Prieš imantis tokio vargo, veikiausiai vertėtų iš pradžių patikrinti pačius leptokvarkus, pabandžius juos sukurti tiesiogiai. Jeigu jie nėra sudėtiniai, šiuo metu tokios masės sukurti negalėtume, bet tai turėtų būti įgyvendinama didesniame, geresniame ateities dalelių greitintuve. Tačiau prognozuojama kompozitinio leptokvarko masės yra mažesnė nei 1 TeV, tad turėtų būti įmanoma jį sukurti ir LHC, sako Gripaios.

Ir net prieš tai dar turėtume patikrinti, ar tie netiesioginiai užfiksavimai LHCb ekperimente yra tikri. Bent jau to ilgai laukti nereikės. Aptikti jo pėdsakus galėtume antro LHC paleidimo duomenų analizėje, kuri turėtų pasirodyti 2018 metų pavasarį. „Tuomet sužinosime, ar tai tikrai naujos fizikos ženklai,“ sako Baueris.“