تقدم المقالة معلومات عن النتائج الحالية (لعام 2013) للبحث عن التناظر الفائق - واحدة من العديد من الأفكار المضاربة حول ما قد يتجاوز حدود الجسيمات والتفاعلات المعروفة. التناظر الفائق هو أحد الخيارات (الأكثر شيوعًا وربما الأكثر انتقادًا - ولكن ليس الخيار الوحيد) لما يمكن أن يحل ما يسمى بمشكلة "
الطبيعة " ، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ "
مشكلة التسلسل الهرمي للقياس ". لماذا الجاذبية أضعف من التفاعلات الأخرى؟ لماذا تكون كتلة جسيم هيجز صغيرة جدًا مقارنةً بكتلة أصغر ثقب أسود ممكن؟
في منتصف عام 2011 ، عندما كان مصادم الهادرون الكبير (LHC) لا يزال صغيرًا ،
أعلن زميلي جون كونواي
في مدونته أن التناظر الفائق (على وجه التحديد ، التناظر الفائق كحل لمشكلة الطبيعة ، والتي سأطلق عليها "التناظر الفائق الطبيعي" ، الاتحاد الأوروبي)) في الواقع ، تم رفضه من خلال البيانات التي تم الحصول عليها في تجارب ATLAS و CMS على LHC. كانت نظرة سريعة ودقيقتين كافية لفهم أن هذا البيان كان خاطئًا - ويتجلى ذلك في حقيقة أن الأشخاص يواصلون البحث عن إشارات الاتحاد الأوروبي حتى الآن. لماذا من الصعب رفض الاتحاد الأوروبي؟ لأن هذا الموضوع يحتوي على عدد كبير من الخيارات - العديد من الخيارات بشكل لا يصدق للتناظر الفائق الذي يمكن أن يحل لغز الطبيعة. لاستبعادهم جميعًا ، سيلزم الكثير من العمل! أكثر بكثير من البيانات التي تم جمعها في المصادم LHC لعدة أشهر.
وبحلول منتصف عام 2012 ، بعد أن تلقينا بيانات أكثر بخمس مرات وقمت بعمل أكثر بكثير في فرزها ، أدركنا أن الوضع كان معقدًا بعض الشيء. هذه المرة ، استغرق الأمر بعض الوقت ، من عدة ساعات ، لفهم أن النتائج مع ATLAS و CMS لم ترفض الاتحاد الأوروبي. كانت هناك صعوبات. الأول هو نتائج قياس مهم جدًا من تجربة LHCb (على الرغم من أن المجربين تمكنوا من إرباك الجمهور مرتين ، وذكروا خطأ أنهم استبعدوا إمكانية الاتحاد الأوروبي ، أو على الأقل "أرسلوه إلى سرير المستشفى" - وهو واحد من أكثر العبارات التي لا معنى لها في مجال الفيزياء ، والتي سمعت). والثاني هو اكتشاف جسيم 126 GeV Higgs ، وهو خفيف بما يكفي لإرضاء الاتحاد الأوروبي ، ولكنه ثقيل جدًا ليتناسب مع أبسط متغيراته. ومع ذلك ، كان من السابق لأوانه الإدلاء بأي تصريحات محددة حول الاتحاد الأوروبي أو أي شيء آخر.
ماذا يجري معنا اليوم [2013]؟ ما استغرق بضع دقائق في عام 2011 ، وبضع ساعات في عام 2012 ، في عام 2013 استغرق ستة أشهر من العمل الشاق. تبين أن البيانات التي تم جمعها في عام 2012 في ATLAS و CMS أكبر حجمًا بكثير ، وكان على المجربين قضاء المزيد من الوقت في محاولة اختراقها. بعد كل الجهود ، أصبح من الممكن فهم متغيرات التناظر الفائق المستبعدة وأيها غير مستبعدة. أخيرًا ، نحن في وضع يمكننا من البدء في تقديم استنتاجات مهمة ، رغم أنها غير مكتملة ، حول المتغيرات الطبيعية للتناظر الفائق.
كما قلت ، لدى التناظر الفائق كمية مذهلة من الخيارات ، كل منها يصدر تنبؤات مختلفة قليلاً فيما يتعلق بالتجارب على المصادم LHC. من حيث المبدأ ، باستخدام البيانات الموجودة من ATLAS و CMS ، يمكنك الإدلاء ببيانات معينة حول الاتحاد الأوروبي ليست خاصة بأي فئة فرعية معينة من خيارات التناظر الفائق - ولكن هل يمكنك الإدلاء ببيانات تنطبق على جميع (أو على فئة كبيرة جدًا) من نظريات الاتحاد الأوروبي؟ أنا وزملائي نجيب على هذا السؤال في
عملنا العلمي .
لقد أظهرنا أن الإجابة ستكون نعم. هذه "نعم" محدودة بعض الشيء ، لأن هناك العديد من الثغرات المنطقية الصغيرة ، لكني أؤكد - الثغرات الصغيرة. بالمقارنة مع عام 2012 ، يعد هذا تحسنًا كبيرًا ، لأنه من خلال هذه الثغرات كان من الممكن قيادة شاحنة. هنا حججنا:
أولاً ، نفترض أننا نتعامل مع نسخة طبيعية من التناظر الفائق ، حيث يلزم أن يكون
Higgsino (
الشركاء النظريون الجسيمون لجسيمات هيجز - التناظر الفائق يتطلب خمسة أنواع من جسيمات هيجز) لا تزيد كتلته عن 400 GeV / s
2 . وهذا مطلب محافظ إلى حد ما - تتطلب معظم خيارات الاتحاد الأوروبي أن تكون الجسيمات أخف بكثير.
ثانيًا ، نفترض أن جلوينو (gluon superpartners) متاح لنا بالمعنى التالي: لا تتجاوز كتلته 1400 GeV / s
2 ، وهذا صغير بما يكفي حتى نتمكن من الحصول على العديد من هذه الجسيمات أثناء جمع البيانات في 2011-2012 .
ثم نلاحظ ما يلي: إذا ، ومتى ، سيتم الحصول على الغلوينات على المصادم LHC في تصادمات البروتون ، ثم في جميع نماذج الاتحاد الأوروبي تقريبًا مع الغلوينوس المتاح ، ستحدث واحدة أو أكثر من الظواهر التالية:
- الزخم الجانبي مفقود. علامة واضحة على أن الاصطدامات تخلق جزيئات يمكن ملاحظتها وغير ملحوظة ، ومن الواضح أن المواد المرصودة ترتد عن تلك التي لا نستطيع رؤيتها.
- الكواركات العلوية والقطع الأثرية: جزيئات ثقيلة نوعًا ما (كتلة الكوارك العلوي هي 175 GeV / s 2 ) ، غالبًا ما تتحلل إلى إلكترون أو ميون ، نيوترينو (غير ملحوظ) وكوارك سفلي (أو جسيماتها المضادة).
- عدد كبير من الجسيمات الأولية عالية الطاقة: الكواركات أو الآثار القديمة أو الجلوونات أو اللبتون أو الوبائيل أو الفوتونات. العدد النموذجي هو من 3 إلى 10 جسيمات أولية لكل غلوينو ، وبالتالي من 6 إلى 20 جسيمًا في تصادم بروتون بروتون.
أخيرًا ، نشير إلى أن البحث عن جميع هذه الميزات التجريبية تم تنفيذه بكفاءة وبافتراضات قليلة أو معدومة ، على كل من ATLAS و CMS. البحث عن أول علامتين دقيق للغاية لدرجة أنه يكاد يكون من المستحيل تفويت نموذج الاتحاد الأوروبي ، حيث يتحلل الغلوينو في الكوارك العلوي ويظهر زخم عرضي مفقود إذا لم تتجاوز كتلة الغلوينو 1000 GeV / s
2 ، وأحيانًا يمكن أن تصل إلى 1200 GeV / s
2 . إذا ظهرت ، خلال اضمحلال الغلوينو ، العديد من الكواركات العلوية ولا يوجد تقريبًا زخم عرضي مفقود ، ولكن هناك العديد من الكواركات ، والعلامات القديمة ، والغلوونات ، فإن القيود المفروضة على كتلة الغلوينو تصبح أضعف - ربما حوالي 800 GeV / s
2 ، ولكنها عادة ما تزال لا تزال في منطقة 1000 GeV / s
2 . لقد أشرنا أيضًا إلى كيفية تحسين بحثك عن gluino في هذه الفئة الأخيرة.
تستبعد هذه المجموعة من الملاحظات معظم متغيرات الاتحاد الأوروبي التي تكون فيها كتلة الغلوينو في المنطقة التي يمكن الوصول إليها لنا ، حتى أو في منطقة 1000 GeV / s
2 . فقط الخيارات مع غلوينو أثقل ، أو مع انهيار غلوينو ، حيث لم يلاحظ أي من العلامات الثلاثة المذكورة أعلاه ، أو مع هيغسينو الثقيل بشكل غير طبيعي ، لا تقع هنا. تم تلخيص النتيجة في الشكل أدناه. ما هو مهم ، على عكس عمليات البحث عن التناظر الفائق السابقة ، استنادًا إلى ثلاثة افتراضات رئيسية من إصدارات التناظر الفائق التي كانت الأكثر شيوعًا:
- في أي عملية ، لا يمكن تغيير عدد الشركاء المميزين إلا برقم زوجي.
- الشريك الخفيف الأخف (الذي ، على النحو التالي من القسم 1 ، مستقر) هو الشريك الفائق للجسيم الذي نعرفه (وبالتالي ، لتجنب التعارضات مع البيانات المتاحة ، فهو محايد أو sneytrino لا يمكن ملاحظته).
- الشركاء الفائقون ، الذين يخضعون لتفاعلات نووية قوية ، أثقل بكثير من الشركاء الفائقين الآخرين الذين نعرفهم.
تبين أن نتائجنا قابلة للتطبيق حتى لو رفضنا أيًا من هذه الافتراضات أو جميعها. أيضًا ، نحن لا نفترض أن التناظر الفائق هو "الحد الأدنى" - وهذا يعني أننا يجب أن نكتشف فقط الشركاء الفائقين للجسيمات التي نعرفها بالفعل (وجسيمات Higgs الإضافية التي يتطلبها التناظر الفائق).
العمودي هو كتلة هيغسينو ، والأفقي هو جلوينو. الجزء العلوي من الرسم البياني هو نتائج غير طبيعية غير سارة. الجزء السفلي الأيسر يكاد يكون مكتملاً ، ثم من 800 إلى 1000 GeV / s
2 - بعض الفجوات المعروفة ، ثم الفجوات الكبيرة ، ثم من 1400 GeV / s
2 - منطقة مجهولة.
وكيف يمكن للمرء أن يميز البحث عن التناظر الفائق الطبيعي في هذا الصدد؟ يمكنك القول أنها انتهت 3/4. بالنسبة لخيارات الاتحاد الأوروبي بدون gluino ، والتي يمكن الحصول عليها في 2011-12 ، تم إجراء الكثير من عمليات البحث عن جزيئات الشريك الخارق الأخرى - ولكن ، كما
أظهر زملائي جاريد إيفانز ويوجين كاتز ، لا يمكن أن يسمى هذا حاليًا التغطية الكاملة. على سبيل المثال ، كانت هناك العديد من عمليات البحث عن التربيع العلوي ، والشركاء الفائقين للعضلات العلوية ، ولكن كان على كل منهم عمل افتراضات معينة حول كيفية انحلال التربيع العلوي. ولمثل هذا التقسيم ، هناك فرص لا تخضع لطرق البحث الحالية. وينطبق الشيء نفسه على Higgsino والجسيمات الشبيهة الأخرى.
من المستحيل استبعاد الاتحاد الأوروبي مع يقين شبه كامل وثغرات صغيرة جدًا حتى يعمل المصادم LHC لبضع سنوات أخرى مع اصطدام البروتونات في طاقات 13 TeV - وسيبدأ هذا العمل فقط في عام 2015 [من 2015 إلى 2017 ، عمل المصادم LHC مع بهذه السعة المحسوبة ، تتم معالجة النتائج / تقريبًا. ترجم.]. بحلول عام 2017 ، سيتعين علينا الحصول على بيانات تستثني جميع متغيرات الاتحاد الأوروبي تقريبًا بكتلة غلوينو تصل إلى 1600-1800 GeV / s
2 (إذا لم نفتح أي خيار ، بالطبع). وبحلول ذلك الوقت ، ستكون القيود المفروضة على الصرع العلوي و Higgsino أقوى بكثير ، وسيترك هذا مساحة صغيرة جدًا للتناظر الفائق.
أريد أن أذكر بضع ثغرات في منطقنا. أكبرها هو افتراضنا أنه خلال اضمحلال gluino لا تظهر جسيمات جديدة طويلة العمر أو ظواهر غريبة أخرى. تتطلب مثل هذه القدرات مجموعة مختلفة تمامًا من الاستراتيجيات ، ومن الصعب دراستها دون معرفة تفاصيل كيفية قياس أجهزة الكشف للجسيمات طويلة العمر - هذا الموضوع معقد إلى حد ما. بالنسبة لبعض أنواع الجسيمات طويلة العمر ، فإن عمليات البحث الحالية مناسبة تمامًا ، والبعض الآخر لم يتم إجراء أي عمليات بحث على الإطلاق - وبالتالي فإن تغطية هذا الموضوع مجزأة جدًا. بالإضافة إلى ذلك ، افترضنا أن كتل gluino ، Higgsino ، وجميع الجسيمات الأخرى ذات الكتلة الصغيرة الفائقة ليست في فجوة ضيقة للغاية عدة عشرات من GeV / s2 واسعة. بالنسبة لمثل هذه الحالة ، ستكون هناك حاجة إلى تدابير خاصة بخلاف تلك التي اتخذناها - ومع ذلك ، ليس من الواضح حتى الآن ما إذا كان مثل هذا التطور للأحداث داخل الاتحاد الأوروبي ممكنًا. أخيرًا ، من حيث المبدأ ، يمكن للمرء أن يتخيل انهيارًا معقدًا للجلوينو بحيث يخلط بين أي طرق بحث حديثة. ما إذا كان يمكن أن توجد مثل هذه الاضمحلال هو مسألة دراسة نظرية منفصلة. قد تكون هناك ثغرات أخرى ، لكننا نعتبرها صغيرة بما يكفي.
ما هو مهم أيضًا لفهم أولئك الذين ليسوا خبراء هو عندما يقول مجربو ATLAS أو CMS "لقد انتهينا من البحث عن X" ، حيث X هو جسيم من نوع أو ظاهرة أو فكرة ، وهذا لا يعني أن هذا البحث كان بالضرورة عديم الفائدة لـ Y ، حيث Y مختلف تمامًا عن X. يبحث المجربون عن التناظر الفائق ، ليس فقط لأنه يمكن العثور عليه ، ولكن أيضًا لأن الاستراتيجيات التي يستخدمونها يمكن أن تفتح لنا وشيء آخر. والعكس بالعكس ، أحيانًا ما تبحث عمليات البحث عن شيء غير متعلق بالتناظر الفائق لتكون مفيدة لعمليات البحث عن متغيرات معينة من التناظر الفائق.
ببساطة ، حتى إذا كنت تعتقد بصدق أن X غير موجود ، فهذا لا يعني أنك بحاجة إلى افتراض أن البحث عن X هو مضيعة كاملة للوقت. لا حاجة لانتقاد المجربين بسبب فقدانهم "بحثًا عن التناظر الفائق" أو "الأبعاد الإضافية" أو أي شيء آخر. عمليات البحث نفسها مفيدة وضرورية لاكتشاف أو استبعاد العديد من النظريات الأخرى. على سبيل المثال ، أظهرنا في العمل أن البحث المعين عن أبعاد مكانية إضافية (بتعبير أدق ، عمليات البحث عن الثقوب السوداء الميكروسكوبية التي تتبخر على الفور) هو أحد أكثر الطرق المثمرة للقضاء على الغلوينو ، والذي يظهر فيه العديد من الجسيمات الأولية.
في النهاية ، أريد أن أعتقد أن نتائجنا هي خطوة إلى الأمام نحو فهم ما يخبرنا به ATLAS و CMS عن فيزياء الجسيمات ، وكيف سيكون من الضروري إجراء عمليات بحث في المستقبل. أحد الدروس الممكنة هو أنه في العديد من الحالات ، سيكون عدد صغير من عمليات البحث الواسعة والشاملة لظاهرة عامة أكثر فعالية من عدد كبير من عمليات البحث المحسنة للغاية والضيقة جدًا لظاهرة محددة جدًا. في الحالة الأخيرة ، لا يزال هناك الكثير من الثقوب ، وإذا لم يكتشفوا اكتشافًا ، فقد تبين أنهم أقل فائدة من الحالة الأولى من حيث وضع استنتاجات عامة وحازمة حول كيفية عمل العالم.