Apa Arti Tidak Ada Partikel Baru bagi Fisika

Fisikawan menghadapi "skenario mimpi buruk" mereka. Apa yang ditunjukkan oleh ketiadaan partikel baru tentang cara kerja alam

isikawan di Large Hadron Collider (LHC) di Eropa telah menjelajahi sifat-sifat alam pada energi yang lebih tinggi daripada sebelumnya, dan mereka telah menemukan sesuatu yang mendalam: tidak ada yang baru.

Ini mungkin satu hal yang tidak diprediksi oleh siapa pun 30 tahun yang lalu ketika proyek itu pertama kali disusun.

Terkenal "diphoton benjolan" yang muncul di plot data yang pada bulan Desember telah menghilang, menunjukkan bahwa itu adalah fluktuasi statistik sekilas daripada partikel dasar baru yang revolusioner. Dan pada kenyataannya, tabrakan mesin tersebut sejauh ini tidak memunculkan partikel sama sekali selain yang dikatalogkan dalam “Model Standar” fisika partikel yang telah berlangsung lama tetapi tidak lengkap. Dalam puing-puing tabrakan, fisikawan tidak menemukan partikel yang dapat terdiri dari materi gelap, tidak ada saudara kandung atau sepupu dari boson Higgs, tidak ada tanda dimensi ekstra, tidak ada leptoquark - dan yang terpenting, tidak ada partikel supersimetri yang sangat dicari yang akan melengkapi persamaan dan memuaskan "kealamian", sebuah prinsip yang dalam tentang bagaimana hukum alam seharusnya bekerja.

"Sangat mengejutkan bahwa kami telah memikirkan hal-hal ini selama 30 tahun dan kami tidak membuat satu prediksi yang benar yang telah mereka lihat," kata Nima Arkani-Hamed , seorang profesor fisika di Institute for Advanced Study di Princeton, NJ

Berita tersebut telah muncul di Konferensi Internasional tentang Fisika Energi Tinggi di Chicago selama beberapa hari terakhir dalam presentasi oleh eksperimen ATLAS dan CMS, yang detektornya seperti katedral berada pada pukul 6 dan 12 di cincin LHC sejauh 17 mil. Kedua tim, masing-masing dengan lebih dari 3.000 anggota, telah bekerja dengan tergesa-gesa selama tiga bulan terakhir menganalisis data yang melimpah dari mesin yang akhirnya berjalan dengan kecepatan penuh setelah ditingkatkan menjadi hampir dua kali lipat energi operasi sebelumnya. Sekarang ia bertabrakan dengan proton dengan energi 13 triliun elektron volt (TeV) - lebih dari 13.000 kali massa individu proton - menyediakan bahan mentah yang cukup untuk menghasilkan partikel elementer raksasa, jika ada.

Sejauh ini, belum ada yang terwujud. Terutama yang memilukan bagi banyak orang adalah hilangnya benjolan diphoton, kelebihan pasang foton yang terpotong dalam kumpulan teaser tahun lalu dari data 13-TeV, dan yang asalnya adalah spekulasi sekitar 500 makalah oleh para ahli teori. Desas desus menghilangnya benjolandalam data tahun ini mulai bocor pada bulan Juni, memicu "mabuk diphoton" di seluruh komunitas.

"Ini akan menunjukkan masa depan yang sangat menarik untuk eksperimen partikel," kata Raman Sundrum , fisikawan teoritis di Universitas Maryland. "Ketidakhadirannya membuat kita kembali ke tempat kita dulu."

Kurangnya fisika baru memperdalam krisis yang dimulai pada tahun 2012 selama operasi pertama LHC, ketika menjadi jelas bahwa tabrakan 8-TeV tidak akan menghasilkan fisika baru di luar Model Standar. (Higgs boson, ditemukan tahun itu, adalah potongan puzzle terakhir Model Standar, bukan perpanjangan darinya.) Sebuah partikel ksatria putih masih dapat muncul akhir tahun ini atau tahun depan, atau, seiring bertambahnya statistik dalam waktu yang lebih lama skala, kejutan halus dalam perilaku partikel yang diketahui secara tidak langsung dapat mengisyaratkan fisika baru. Tetapi para ahli teori semakin menguatkan diri mereka sendiri untuk "skenario mimpi buruk" mereka, di mana LHC sama sekali tidak menawarkan jalan menuju teori alam yang lebih lengkap.

Beberapa ahli teori berpendapat bahwa waktunya telah tiba untuk seluruh bidang untuk mulai menghitung dengan pesan hasil nol. Tidak adanya partikel baru hampir pasti berarti bahwa hukum fisika tidak alami seperti yang diasumsikan oleh fisikawan sejak lama. "Kealamian sangat termotivasi," kata Sundrum, "bahwa ketidakhadiran yang sebenarnya adalah penemuan besar."

Potongan Hilang

Alasan utama para fisikawan merasa yakin bahwa Model Standar tidak mungkin menjadi keseluruhan cerita adalah karena pasaknya, Higgs boson, memiliki massa yang tampak sangat tidak wajar. Dalam persamaan Model Standar, Higgs digabungkan dengan banyak partikel lainnya. Kopling ini menganugerahi partikel-partikel itu dengan massa, memungkinkan mereka pada gilirannya untuk mendorong nilai massa Higgs ke sana kemari, seperti pesaing dalam tarik-menarik perang. Beberapa pesaing sangat kuat - partikel hipotetis yang terkait dengan gravitasi mungkin berkontribusi (atau mengurangi) sebanyak 10 juta miliar TeV ke massa Higgs - namun entah bagaimana massanya berakhir menjadi 0,125 TeV, seolah-olah para pesaing di tarik-menarik. -perang dengan dasi yang nyaris sempurna. Ini tampaknya tidak masuk akal - kecuali jika ada penjelasan yang masuk akal mengapa tim yang bertanding begitu seimbang.

Supersimetri, seperti yang disadari oleh para teoris pada awal 1980-an, berhasil. Dikatakan bahwa untuk setiap "fermion" yang ada di alam - partikel materi, seperti elektron atau kuark, yang menambah massa Higgs - ada "boson" supersimetrik, atau partikel pembawa gaya, yang mengurangi dari Massa Higgs. Dengan cara ini, setiap peserta dalam permainan tarik-menarik memiliki saingan dengan kekuatan yang sama, dan Higgs secara alami distabilkan. Para ahli teori menyusun proposal alternatif tentang bagaimana kealamian dapat dicapai, tetapi supersimetri memiliki argumen tambahan yang mendukungnya: Hal itu menyebabkan kekuatan tiga gaya kuantum secara tepat bertemu pada energi tinggi, menunjukkan bahwa mereka telah bersatu pada awal alam semesta. Dan ia menyuplai partikel inert dan stabil dengan massa yang tepat untuk menjadi materi gelap.

“Kami telah menemukan semuanya,” kata Maria Spiropulu , fisikawan partikel di Institut Teknologi California dan anggota CMS. “Jika Anda bertanya kepada orang-orang dari generasi saya, kami hampir diajari bahwa supersimetri ada meskipun kami belum menemukannya. Kami percaya itu. "

Oleh karena itu, kejutan ketika pasangan supersimetrik dari partikel yang diketahui tidak muncul - pertama di Large Electron-Positron Collider pada 1990-an, lalu di Tevatron pada 1990-an dan awal 2000-an, dan sekarang di LHC. Karena colliders telah mencari energi yang semakin tinggi, jarak antara partikel yang diketahui dan superpartner hipotetisnya semakin lebar, yang pasti jauh lebih berat untuk menghindari deteksi. Akhirnya, supersimetri menjadi begitu "rusak" sehingga efek partikel dan superpartnernya pada massa Higgs tidak lagi meniadakan, dan supersimetri gagal sebagai solusi untuk masalah kealamian. Beberapa ahli berpendapat bahwa kita telah melewati titik itu. Yang lainnya, memungkinkan lebih banyak kebebasan dalam mengatur faktor-faktor tertentu, mengatakan hal itu terjadi sekarang, dengan ATLAS dan CMS tidak termasuk stop quark - superpartner hipotetis dari top quark 0,173-TeV - hingga massa 1 TeV. Itu sudah hampir enam kali lipat ketidakseimbangan antara puncak dan pemberhentian dalam tarik-menarik perang Higgs. Bahkan jika ada perhentian yang lebih berat dari 1 TeV, hal itu akan menarik Higgs terlalu keras untuk memecahkan masalah yang ditemukan untuk diatasi.

Lucy Reading-Ikkanda untuk Majalah Quanta

“Saya pikir 1 TeV adalah batas psikologis,” kata Albert de Roeck , ilmuwan peneliti senior di CERN, laboratorium yang menampung LHC, dan seorang profesor di Universitas Antwerp di Belgia.

Beberapa orang akan mengatakan bahwa cukup sudah cukup, tetapi bagi yang lain masih ada celah untuk dipegang. Di antara berbagai ekstensi supersimetrik Model Standar, ada versi yang lebih rumit di mana quark yang lebih berat dari 1 TeV bersekongkol dengan tambahan partikel supersimetris untuk mengimbangi top quark, menyetel massa Higgs. Teori ini memiliki begitu banyak varian, atau "model" individual, sehingga hampir tidak mungkin untuk membunuhnya. Joe Incandela , fisikawan di University of California, Santa Barbara, yang mengumumkan penemuan Higgs boson atas nama kolaborasi CMS pada 2012, dan yang kini memimpin salah satu penelusuran stop-quark, berkata, “Jika Anda melihat sesuatu , Anda dapat membuat pernyataan model-independen bahwa Anda melihat sesuatu. Melihat tidak ada yang sedikit lebih rumit. "

Partikel bisa bersembunyi di celah dan celah. Jika, misalnya, stop quark dan neutralino paling ringan (kandidat supersimetri untuk materi gelap) kebetulan memiliki massa yang hampir sama, mereka mungkin tetap tersembunyi sejauh ini. Alasannya adalah, ketika stop quark tercipta dalam sebuah tabrakan dan peluruhan, menghasilkan netralino, sangat sedikit energi yang akan dibebaskan untuk mengambil bentuk gerakan. “Ketika stop membusuk, ada partikel materi gelap yang duduk di sana,” jelas Kyle Cranmer dari Universitas New York, anggota ATLAS. “Anda tidak melihatnya. Jadi di daerah itu sangat sulit untuk dicari. " Dalam hal ini, stop quark dengan massa serendah 0,6 TeV masih bisa bersembunyi di dalam data.

Para eksperimentalis akan berusaha untuk menutup celah ini di tahun-tahun mendatang, atau untuk menggali partikel yang tersembunyi. Sementara itu, para ahli teori yang siap bergerak menghadapi kenyataan bahwa mereka tidak memiliki petunjuk dari alam tentang ke mana harus pergi. "Ini situasi yang sangat kacau dan tidak pasti," kata Arkani-Hamed.

Harapan baru

Banyak ahli teori partikel sekarang mengakui kemungkinan yang sudah lama membayangi: bahwa massa boson Higgs tidak wajar - nilainya yang kecil dihasilkan dari pembatalan yang tidak disengaja dan disetel dengan baik dalam permainan tarik menarik kosmik - dan kami mengamati hal semacam itu. properti khusus karena hidup kita bergantung padanya. Dalam skenario ini, ada banyak sekali alam semesta, masing-masing dibentuk oleh kombinasi efek kebetulan yang berbeda. Dari semua alam semesta ini, hanya alam semesta dengan boson Higgs ringan yang tidak disengaja akan memungkinkan atom terbentuk dan dengan demikian memunculkan makhluk hidup. Tetapi argumen "antropis" ini secara luas tidak disukai karena tampaknya tidak dapat diuji.

Dalam dua tahun terakhir, beberapa fisikawan teoretis telah mulai merancang penjelasan alami yang sama sekali baru untuk massa Higgs yang menghindari fatalisme penalaran antropik dan tidak bergantung pada partikel baru yang muncul di LHC. Minggu lalu di CERN, ketika rekan eksperimental mereka di tempat lain di gedung itu sibuk mengolah data untuk mencari partikel semacam itu, para ahli teori mengadakan lokakarya untuk membahas ide-ide yang baru lahir seperti hipotesis relaksasi - yang mengandaikan bahwa massa Higgs, daripada dibentuk oleh simetri , dipahat secara dinamis oleh kelahiran kosmos - dan kemungkinan cara untuk menguji gagasan ini. Nathaniel Craig dari University of California, Santa Barbara, yang mengerjakan ide yang disebut "kelaminan netral", berkata dalam panggilan telepon dari bengkel CERN, "Sekarang semua orang telah melewati pengar diphoton mereka, kita kembali ke pertanyaan ini yang benar-benar ditujukan untuk mengatasi kurangnya fisika baru yang tampak di LHC."

Arkani-Hamed, yang, bersama dengan beberapa rekannya, baru-baru ini mengusulkan pendekatan baru lainnya yang disebut “Nnaturalness,” berkata, “Ada banyak ahli teori, termasuk saya sendiri, yang merasa bahwa kita berada dalam waktu yang benar-benar unik, di mana pertanyaan-pertanyaan di atas meja adalah yang sangat besar, struktural, bukan detail dari partikel berikutnya. Kami sangat beruntung bisa hidup dalam periode seperti ini - meskipun mungkin tidak ada kemajuan besar dan terverifikasi dalam masa hidup kami. ”

Saat para ahli teori kembali ke papan tulis mereka, 6.000 eksperimentalis dengan CMS dan ATLAS bersuka ria dalam eksplorasi mereka di dunia yang belum dipetakan sebelumnya. “Nightmare, apa artinya?” kata Spiropulu, merujuk pada kegelisahan para ahli teori tentang skenario mimpi buruk. “Kami menjelajahi alam. Mungkin kami tidak punya waktu untuk memikirkan mimpi buruk seperti itu, karena kami kebanjiran data dan kami sangat bersemangat. ”

Masih ada harapan bahwa fisika baru akan muncul. Tetapi tidak menemukan apa pun, dalam pandangan Spiropulu, adalah penemuan yang sama - terutama ketika hal itu menandai kematian ide-ide yang dihargai. "Eksperimentalis tidak memiliki agama," katanya.

Beberapa ahli teori setuju. Bicara tentang kekecewaan adalah "pembicaraan gila," kata Arkani-Hamed. “Ini sebenarnya alam! Kami sedang mempelajari jawabannya! 6.000 orang ini menggerutu dan Anda mencibir seperti anak kecil karena Anda tidak mendapatkan permen lolipop yang Anda inginkan? ”