Ši viena dalelė galėtų išspręsti penkias fizikos megapaslaptis

911? Skubus atvejis. Dingo svarbiausia visatos dalelė. Florian Goertz žino, kad šiuo klausimu į policiją kreiptis neverta, tačiau vis viena nekantriai laukia atsako. Šis 911 yra ne telefono numeris, o pastatas šiaurinėje didžiausio pasaulyje dalelių greitintuvo dalyje.

27 kilometrų ilgio Didįjį hadronų greitintuvą (LHC) naudojanti CERN labiausiai pagarsėjo, patvirtinusi Higgso bozoną 2012 metų liepą. Tai buvo svarbus įvykis. Bet palyginus su dalele, kurios Goertzas nori čia ieškoti, tai yra šnipštas. Higgsas išsprendė fundamentalių dalelių masės problemą. Goertzo kūdikis galėtų vienu mostu išspręsti penkias svarbias fizikos problemas, nuo nepaaiškinto subatominių dalelių veikimo iki visatos radimosi ir ją dabar valdančios paslaptingosios tamsiosios materijos kilmės paslapties. „Bet kurios iš šių problemų sprendimas būtų proveržis, vertas Nobelio premijos fizikos srityje,“ sako Giulia Zanderighi, dalelių fizikos teoretikė iš Oksfordo universiteto.

Per gerai kad būtų tiesa? Gali būti, bet to siekia ne vien Goertzas. Savo biure Maxo Plancko dalelių ir kosminių dalelių fizikos institute Heidelberge, Vokietijoje, jis bendradarbiavo ir varžėsi su tyrėjais iš viso pasaulio, stengdamasis aprašyti tokios dalelės savybes ir nuspėti, kaip ji galėtų elgtis. Jeigu jie teisūs, skambutis iš 911, kur jų prognozės būtų patikrintos, patvirtintų svarbiausią rastą dalelę visatoje.

Norint suprasti, kodėl tai taip svarbu, neprošal apibrėžti, kas yra dalelė. Dažniausiai dalelę galime įsivaizduoti kaip skraidžiojančius erdvėje ar susijungusius kietame kūne mikroskopinius marmuro kamuoliukus. Tačiau jeigu norime suprasti jų elgseną, tokio požiūrio reikia atsikratyti. Vietoje to geriau įsivaizduoti visatą, pripildytą fluktuojančių laukų, kurių kvantinio mastelio trikdžiai pasireiškia kaip dalelės ar jėgos.

„Higgso bozonas buvo svarbus, bet palyginus – visiška smulkmena”

Spręsdami fundamentalias problemas, teoretikai kuria ir naikina laukus. Bet kadangi visi kuria daleles, jų įrodymus gali suteikti tik dalelių greitintuvai.

Taip buvo ir Higgso lauko ir su juo siejamo Higgso bozono atveju. Jie buvo pasiūlyti 1964 metais, stengiantis paaiškinti silpnosios branduolinės sąveikos trumpą veikimo nuotolį, ir tuo pačiu suteikiant dalelėms masę. Higgso bozono paieškos truko beveik 50 metų. Tuo tarpu radosi vis daugiau teorinių spragų, į kurias – kartais per jėgą – fizikams teko sprausti kitas hipotetines daleles.

Pavyzdžiui, supersimetrijos teorijoje visoms žinomoms dalelėms buvo suteikti masyvesni partneriai, – toks suporavimas turėjo vienu mostu išspręsti tris dalelių fizikos problemas. Bet tikriausiai buvo perlenkta lazda. Šios supersimetrinės dalelės turėjo pasirodyti LHC jau po pirmojo įjungimo 2009 m. ir po atnaujinimo 2015-aisiais. Tačiau jokių superdalelių neaptikta.

Kiti teoretikai žvelgė į tai paprasčiau. 2016 metais Guillermo Ballesteros iš Paris-Saclay universiteto Prancūzijoje pasiūlė SMASH hipotezę, kur penkios mįslės išnarpliojamos, pridedant šešias papildomas daleles.

Goertzui ir jo kolegoms netgi tai atrodo pernelyg švaistūniška. Užuot svajojus apie tuntus naujų dalelių, gal kai kurias hipotetines daleles būtų įmanoma apjungti į vieną? Teoretikams nereikėtų taip nesmagiai jaustis: užuot pripažinę, kad nerado viso būrio dalelių, jie galėtų susitelkti į vienos dalelė paieškas.

Rezultatas – dalelių „šveicariškas peilis“, galintis išspręsti visokiausias keblias problemas. Pirmoji – 1977 m., kai Roberto Peccei ir Helen Quinn iš Stanfordo universiteto sprendė vieną iš labiausiai erzinančių kvantinės chromodinamikos – protonų ir neutronų sąveiką aprašančios teorijos – problemų.

Vadinamoji stiprios CP problema kyla, nes protonų ar neutronų viduje veikianti stiprioji sąveika tam tikrose situacijose turėtų pažeisti CP simetriją. O faktą, kad tokio pažeidimo užfiksuoti nepavyko, reikia paaiškinti (žr. “Simetrijos svarba”). Peccei ir Quinno pasiūlymas tai apeiti buvo ekvivalentiškas naujo, neaptiktam simetrijos pažeidimui besipriešinančio, lauko pasiūlymui..

Stengdamasis patvirtinti tokio lauko egzistavimą, Nobelio premijos laureatas Frankas Wilczekas atrado, kad, kaip ir visi pakankamai įnirtingai banguojantys kvantiniai laukai, naujasis laukas kuria naujos dalelės potencialą. Wilczekas pavadino ją aksionu.

Panašiu laiku kilo antroji dalelių fizikos problema. Colinas Froggattas iš Glazgo universiteto, JK, ir Holgeris Nielsenas iš Kopenhagos universiteto Nielso Bohro instituto piktinosi kvarkais, subatominėmis dalelėmis, sudarančiomis protonus ir neutronus, tad visą materiją. Yra šeši kvarkai, bet jų masės siaubingai skiriasi: viršūninis (top, t) kvarkas yra ~80 000 kartų masyvesnis už kylantįjį (up, u) kvarką. „Tai nesuprantama. Būtų galima tikėtis, kad masės bus daugmaž tokios pačios,“ sako Goertzas. „O jei dalykų prigimtis taip stipriai skiriasi, kyla noras išsiaiškinti tokio didelio neatitikimo priežastis.“

Froggattas ir Nielsenas problemą pasiūlė išspręsti vadinamuoju flavono lauku. Šis laukas sugrąžina skirtingų kvarkų skirtingai griaunamą simetriją. Jis prognozuoja labai skirtingas kvarkų mases, o būtent tai ir eksperimentų rezultatai ir rodo.

O kaip tokios, regis, itin skirtingos dalelės susijungia į vieną? Per pastaruosius porą metų dvi fizikų grupės nepriklausomai atrado kosminį sutapimą: flavono lauko kuriama dalelėje yra komponentas, itin panašus į aksioną. „Pasirodo, kad jei aksionas yra flavono lauko komponentas, jis vis viena išsprendžia stipriosios sąveikos CP problemą,“ pažymi Goertzas. Tuo tarpu flavonas tuo pat metu išsprendžia keistųjų kvarkų masių problemą.

Aksiono ir flavono sąjunga – aksiflavonas arba flaksionas – turi ir daugiau privalumų. Nuo praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio, ieškodami didžiųjų Visatos struktūrų paaiškinimo, fizikai iškėlė itin sparčiai netrukus po Didžiojo sprogimo vykusi plėtimosi (infliacijos) hipotezę. Tokį erdvės ir laiko plėtimąsi galėjo sukelti dalelė inflatonas, kuri, kaip buvo spekuliuojama, galėjo būti aksionas arba flavonas. Negana to, standartiniais būdais neaptikus tamsiosios materijos, dėmesys nukrypo į alternatyvaus tamsiosios medžiagos kandidato, aksiono, paieškas. Abu panaudojimo būdai galimi netgi naujajame aksiflavono amplua.

„Tai jaudina, nors kol kas tik spėlionių karalystėje”

Lyg to nepakaktų, aksiflavonas gali turėti ir daugiau supergalių. „Sprendžiame didesnį suvienijimą: aksiflavono ir Higgso,“ sako Goertzas.

Tai įspūdingas teorinis šuolis, bet jis išspręstų kitą fundamentalią problemą. Kai 2012 metais LHC buvo atrastas Higgso bozonas, jo masė buvo mažesnė, nei tikėjosi daugelis fizikų. Remiantis teorija, jo masė turėtų būti net 10¹⁹ gigaelektronvoltų, bet tesvėrė 125 GeV. Niekas negali paaiškinti 17 skaičiaus dydžio eilių skirtumo. Bet tinkamai sukonfigūruotas aksiflavonas galėtų Higgso masę išlaikyti.

Iš viso aksiflavonas galėtų vienu ypu išspręsti penkias daugiausiai rūpesčių keliančias fizikos problemas: netikėtą stipriosios sąveikos CP simetrijos išlaikymą, skirtingas kvarkų mases, visatos infliaciją, tamsiosios materijos prigimtį ir netikėtai mažą Higgso masę. „Atrodo įspūdinga, kad viena [dalelė] taip paprastai gali išspręsti tiek daug svarbių fizikos problemų „ne standartiniame modelyje“,“ sako Wilczekas.

Tai išties jaudina, nors kol kas prielaida tvirtai įsitaisiusi spėlionių karalystėje. Padėties keitimo raktas guli Pastate 911, čia vykdomas CERNo NA62 eksperimentas. Ne taip gerai žinomas kaip kai kurie kiti, didesni eksperimentai, NA62 siekiama išties svarbaus tikslo: patobulinti mūsų supratimą apie kvarkus, tiriant kvarkų ir antikvarkų porų irimą.

Tikimasi, kad NA62 aptiks ką nors netikėto šių skilimo produktų energijose, fizikos už Standartinio dalelių fizikos modelio ribų užuominas. Tačiau dėl aksiflavono savybių jis gali atsirasti ir kaip papildomas skilimo produktas. Šis eksperimentas „glaudžiai susijęs su aksiflavono paieškų analize“, sako viena iš NA62 eksperimentatorių Babette Dobrich.

To pakanka, kad Goertzas jaustųsi atsargiai sujaudintas. „Nėra neįmanoma aptikti tokios dalelės ir tai nuteikia mane optimistiškai,“ sako jis.

Derlingi laukai

O kada žinosime užtikrintai? Galbūt jau netrukus. Viskas priklauso nuo aksiflavono masės. „Aksiflavono masė nežinoma, tad, jeigu jis egzistuoja, nežinia kur jis pasirodys,“ sako Dobrich. Bet jeigu Goertzui su kolegomis pavyks Higgso dalelę suvynioti į aksiflavoną, masė bus apibrėžta gerokai tiksliau ir eksperimentatoriai tiksliai žinos, kur jo ieškoti.

Garantijų nėra. Bet daugiafunkcinės dalelės vis labiau mėgstamos. Weizmanno Mokslo instituto Rehovote, Izraelyje, tyrėjai pasiūlė savo šveicariško peiliuko dalelę – hierarchioną, kuris kitokiomis priemonėmis gali atlikti daugmaž tokias pat užduotis, kaip ir aksiflavonas.

Žodžiu, panašu, dabar – vaisingas dalelių fizikos momentas ir pagrįsta manyti, kad esame ant proveržio slenksčio. „Atrodo vis labiau tikėtina, kad esama dar neatrastų sričių,“ sako fizikas Davidas Tongas iš Kembridžo universiteto. „Tai tikėtina vien jau iš kuklumo, bet ir tamsioji materija ir infliacija abi primygtinai reikalauja kažko naujo.“

Kol ši teoretikų karta leidžia šėlti vaizduotei, ankstesnių kartų̃ darbai gali pažaboti bet kokius ekscesus. „Nevalia tiesiog įsivaizduoti dalelę ir tarti, kad ji veiks ir išspręs visas problemas,“ pažymi Ballesteros. „Yra teoriniai ir eksperimentiniai apribojimai, į kuriuos būtina atsižvelgti.“

Kai pilna naujų idėjų, paverčiančių daugybę problemų viena, smagu būti dalelių fiziku, sako Goertzas. Ypač, kai toje nedidukėje CERN pašiūrėje gali būti aptikti problemų sprendimo raktai. Tikėkimės, pavadinimas 911 nebus veltui.