Sejarah singkat teori fisik penyatuan besar

Lawrence Kraus adalah seorang ahli fisika teoretis, kosmologis, direktur proyek Origins, pendiri School of Earth and Space Research di Arizona State University. Dia adalah penulis buku-buku laris seperti The Universe from Nothing dan The Physics of Star Trek. Terjemahan sebuah kutipan dari bukunya yang akan datang, “Kisah Hebat Yang Diceritakan Sejauh Ini: Mengapa Kita Ada Di Sini?” [Kisah Hebat Yang Pernah Diceritakan - Sejauh Ini: Mengapa Kita Di Sini?].



Sebelum ditemukannya partikel Higgs pada tahun 2012, para ahli fisika partikel memimpikan dua jenis mimpi buruk. Yang pertama adalah bahwa mereka tidak akan menemukan apa pun di Large Hadron Collider (LHC). Dalam hal ini, itu akan menjadi akselerator besar terakhir yang dibangun untuk menyelidiki struktur dasar alam semesta. Yang kedua adalah mereka akan menemukan partikel Higgs yang diprediksi oleh fisikawan teoritis Peter Higgs pada 1964 di LHC ... dan tidak lebih.

Setiap penemuan satu tingkat realitas menunjukkan kepada kita tingkat berikut. Oleh karena itu, setiap penemuan penting dalam sains biasanya membuat kita memiliki lebih banyak pertanyaan daripada jawaban. Tapi kemudian itu biasanya memberi kita setidaknya diagram jalan ke depan, membantu kita mencari jawaban atas pertanyaan baru. Penemuan yang sukses dari partikel Higgs dan konfirmasi keberadaan di ruang dengan latar belakang tak terlihat dari medan Higgs (di dunia kuantum, setiap partikel, seperti partikel Higgs, dikaitkan dengan sebuah bidang), telah menjadi konfirmasi berat dari penemuan-penemuan ilmiah berani abad ke-20.



Tetapi kata - kata Sheldon Lee Glashow tidak kehilangan relevansinya: partikel Higgs mirip dengan selokan. Dia menyembunyikan semua detail tidak rapi yang tidak ingin kita bicarakan. Medan Higgs berinteraksi dengan sebagian besar partikel elementer ketika mereka bergerak di ruang angkasa, dan menciptakan kekuatan perlawanan yang memperlambat gerakan mereka dan memberi mereka penampilan massa. Oleh karena itu, massa partikel elementer yang diukur oleh kita dan memungkinkan dunia yang kita kenal adalah semacam ilusi, sebuah kecelakaan persepsi kita.

Gagasan ini mungkin terlihat elegan, tetapi sebenarnya ini merupakan tambahan khusus untuk Model Standar Fisika - menjelaskan tiga dari empat kekuatan yang diketahui, dan bagaimana mereka berinteraksi dengan materi. Itu ditambahkan ke teori untuk memenuhi persyaratan yang diperlukan untuk deskripsi yang akurat tentang dunia kita. Tetapi teori itu sendiri tidak membutuhkannya. Semesta dapat dengan mudah eksis dengan partikel tak bermassa dan interaksi lemah jarak jauh (satu dari empat interaksi - sisanya akan kuat, gaya elektromagnetik dan gravitasi). Itu sama sekali bukan kita dan pertanyaan kita. Selain itu, fisika yang tepat dari model Higgs tidak didefinisikan hanya di dalam Model Standar. Partikel itu bisa 20 kali lebih berat atau 100 kali lebih ringan.

Jadi mengapa itu ada? Dan mengapa dia memiliki massa seperti itu? (Mengingat bahwa ketika seorang ilmuwan mengajukan pertanyaan "Mengapa?", Dia sebenarnya berarti "Bagaimana?") Jika tidak ada partikel Higgs, tidak akan ada dunia seperti yang kita amati - tetapi ini jelas tidak dapat disebut sebuah penjelasan. Atau mungkinkah? Memahami dasar fisika Higgs berarti memahami bagaimana diri kita sendiri muncul. Ketika kita bertanya, "Mengapa kita ada di sini?", Akibatnya, kita bertanya: "Mengapa para Higgs ada di sini?" Dan Model Standar tidak dapat menjawab pertanyaan ini.

Ada beberapa petunjuk yang datang dari kombinasi teori dan eksperimen. Tak lama setelah menetapkan struktur Model Standar yang jelas, pada tahun 1974, dan jauh sebelum konfirmasi eksperimental rinciannya dalam dekade berikutnya, dua kelompok fisikawan Harvard yang berbeda, tempat Sheldon Lee Glashow dan Stephen Weinberg bekerja, melihat sesuatu yang menarik. Glashow, bersama dengan Howard Georgie , melakukan apa yang paling dikenalnya: mencari pola dalam partikel dan interaksi yang ada, dan kemungkinan baru menggunakan teori kelompok matematika.

Dalam Model Standar, interaksi lemah dan elektromagnetik digabungkan pada energi tinggi menjadi satu kekuatan tunggal, yang oleh fisikawan disebut sebagai "electroweak." Ini berarti bahwa matematika yang sama mengendalikan interaksi lemah dan elektromagnetik, mereka berdua mematuhi simetri yang sama, dan kedua kekuatan ini adalah refleksi yang berbeda dari teori terpadu yang sama. Tetapi simetri "secara spontan rusak" oleh medan Higgs yang berinteraksi dengan partikel yang mentransfer interaksi lemah, tetapi tidak dengan partikel yang membawa elektromagnetik. Sifat alami ini mengarah pada fakta bahwa dua interaksi ini terlihat terpisah dan berbeda pada skala yang tersedia untuk pengukuran kami - sementara interaksi yang lemah bekerja pada jarak pendek, dan interaksi elektromagnetik pada jarak jauh.

Georges dan Glashow mencoba memperluas gagasan ini dan menghubungkan interaksi yang kuat dengan mereka, dan menemukan bahwa semua partikel yang dikenal dan tiga interaksi tanpa gravitasi secara alami masuk ke dalam satu struktur simetris yang fundamental. Mereka beralasan bahwa simetri ini dapat secara spontan terurai pada beberapa skala energi ultra-tinggi (dan pada jarak pendek), yang berada di luar kemampuan eksperimen modern, dan memunculkan dua simetri terpisah - interaksi yang kuat dan elektro-bicara. Akibatnya, pada energi yang lebih rendah dan pada jarak yang jauh, simetri electroweak dihancurkan, membagi interaksi electroweak menjadi lemah, bertindak pada jarak pendek, dan elektromagnetik, bekerja lama.

Mereka secara sederhana menyebut teori semacam itu Teori Penyatuan Besar (TVO).

Sekitar waktu yang sama, Weinberg dan Georgie, bersama dengan Helen Quinn, memperhatikan sesuatu yang menarik, mengembangkan karya Frank Wilchek, David Gross dan David Politzer. Jika pada jarak kecil interaksi yang kuat menjadi lebih lemah, maka elektromagnetik dan yang lemah menjadi lebih kuat.

Tidak perlu menjadi tujuh bilah di dahi untuk tertarik pada apakah kekuatan dari tiga interaksi yang berbeda pada skala kecil bertepatan. Setelah menghitung, mereka menemukan (dengan keakuratan pengukuran interaksi) bahwa penyatuan semacam itu mungkin terjadi, tetapi hanya pada jarak 15 orde besarnya lebih kecil dari ukuran proton.

Jika TVO adalah yang diusulkan oleh Howard Georgie dan Glashow - maka ini adalah berita baik, karena jika semua partikel yang kita amati di alam digabungkan dengan cara ini, maka pasti ada partikel baru ( kalibrasi boson ) yang menyediakan hubungan antara quark (yang proton dan neutron) dan elektron dengan neutrino. Dan ini berarti proton dapat membusuk menjadi partikel yang lebih ringan, yang pada prinsipnya dapat kita amati. Seperti Glashow menulis, "berlian tidak selamanya."

Dan bahkan saat itu diketahui bahwa masa proton sangat panjang. Bukan hanya karena kita masih ada 14 miliar tahun setelah Big Bang, tetapi juga karena kita tidak mati karena kanker di masa kanak-kanak. Jika usia rata-rata proton kurang dari satu miliar miliar tahun, maka di masa kecil cukup proton akan membusuk di tubuh kita sehingga radiasi mereka akan membunuh kita. Dalam mekanika kuantum, semua proses adalah probabilistik. Jika rata-rata proton hidup satu miliar miliar tahun, dan jika Anda memiliki satu miliar miliar proton, maka salah satu dari mereka akan membusuk rata-rata setiap tahun. Dan di tubuh kita lebih dari satu miliar miliar proton.

Namun, dengan skala jarak yang sangat kecil, dan, akibatnya, dengan skala massa yang begitu besar, terkait dengan pemecahan simetri spontan di TVO, bos kalibrasi baru menerima massa yang sangat besar. Dan ini akan mengarah pada fakta bahwa interaksi yang dikendalikan oleh mereka akan terjadi pada jarak yang sangat kecil sehingga mereka akan sangat lemah dari sudut pandang proton dan neutron. Akibatnya, meskipun proton dapat membusuk, dalam kasus kami, sebelum itu, mereka dapat bertahan, mungkin satu juta miliar miliar miliar tahun.

Berkat hasil yang diperoleh oleh Glashow dengan Georgie, serta Georges dengan Quinn dan Weinberg, harapan sintesis besar ada di udara. Setelah keberhasilan teori electroweak, fisikawan partikel berambisi dan percaya pada penyatuan berikutnya.

Bagaimana Anda tahu kalau ide-ide ini benar? Mustahil membangun akselerator yang mampu bekerja dengan energi satu juta miliar kali lebih besar dari massa proton lainnya. Lingkar mesin seperti itu harus dibandingkan dengan orbit bulan. Dan bahkan jika itu mungkin, sebagai akibat dari kegagalan superkonduktor superkonduktor, tidak ada pemerintah akan menyetujui perkiraan seperti itu [collider ini, juga disebut Desertron, akan dibangun di Texas pada tahun 90-an, tetapi karena masalah anggaran proyek telah dibatalkan. Direncanakan bahwa kelilingnya adalah 87,1 km. $ 2 miliar dihabiskan untuk konstruksi, dan biaya akhir diperkirakan $ 12 miliar - sekitar. diterjemahkan.].

Untungnya, ada cara lain - menggunakan probabilitas yang saya jelaskan, membatasi masa proton. Jika TVO memperkirakan masa hidup proton seribu miliar miliar miliar tahun, maka Anda perlu memasukkan seribu miliar miliar miliar proton ke dalam satu detektor, dan kemudian rata-rata salah satu dari mereka akan membusuk setiap tahun.

Dan dari mana mendapatkan begitu banyak proton? Sederhana: dalam 3000 ton air.

Semua yang diperlukan untuk ini adalah untuk menempatkan tangki air dalam gelap, pastikan bahwa tidak ada latar belakang radioaktif di tempat ini, mengelilinginya dengan fotosel sensitif yang mampu mendeteksi kilatan cahaya dalam detektor, dan kemudian menunggu satu tahun untuk flash berkedip ketika proton meluruh. Kedengarannya menakutkan, tetapi bagaimanapun, itu sesuai dengan skema seperti itu sehingga setidaknya dua pabrik eksperimental dibayar dan dibangun - satu jauh di bawah tanah di tambang garam dekat Danau Erie (IMB), yang lain di tambang seng Kamioka di Jepang (Kamiokande). Tambang digunakan untuk memotong sinar kosmik, dengan latar belakang yang tidak mungkin untuk melihat pembusukan proton.


Collider Hadron Besar

Kedua percobaan mulai bekerja pada 1982-1983. Para ilmuwan begitu terbawa oleh TVO sehingga mereka dengan penuh percaya diri menunggu sinyal muncul segera. Dalam hal ini, TVO akan menjadi puncak dari dekade perkembangan luar biasa dan penemuan dalam fisika partikel - belum lagi Nobel berikutnya untuk Glashow , dan mungkin beberapa lagi.

Sayangnya, dalam hal ini, alam tidak begitu baik. Tidak ada satu sinyal pun yang muncul di tahun pertama, atau di tahun kedua, atau di tahun ketiga. Model Glashow dan Georgie yang sederhana dan elegan segera harus ditolak. Tetapi demam TBO telah menangkap para ilmuwan, dan sulit untuk menghilangkannya. Saran lain dibuat mengenai teori penyatuan, karena pembusukan proton akan melampaui ruang lingkup percobaan saat ini.

Pada 23 Februari 1987, peristiwa lain terjadi, sekali lagi menunjukkan aforisme yang hampir universal: setiap jendela baru ke Semesta mengejutkan kita. Pada hari itu, sekelompok astronom di piring foto yang dikumpulkan semalam menemukan bintang meledak terdekat (supernova) dari semua yang telah kita lihat selama 400 tahun terakhir. Bintang ini, yang terletak 160.000 tahun cahaya dari kita, berada di Awan Magellan Besar , sebuah galaksi kecil, sebuah satelit dari Bimasakti, yang dapat dilihat di belahan bumi selatan.

Jika teori kita tentang meledaknya bintang itu benar, sebagian besar energi yang dipancarkannya harus berbentuk neutrino, terlepas dari kenyataan bahwa cahaya ledakan mereka adalah kembang api kosmik yang paling terang (dan mereka meledak sekitar satu bintang di satu galaksi dalam 100 tahun). Perhitungan kasar menunjukkan bahwa detektor air IMB dan Kamiokande harus mendeteksi sekitar 20 tabrakan dengan neutrino. Dan ketika para eksperimen dari detektor ini mempelajari data pada hari itu, IBM menemukan 8 kandidat pada interval 10 detik, dan pada Kamiokand - 11. Untuk fisika neutrino, itu hanya lautan data. Astrofisika Neutrino tiba-tiba matang. Mungkin, 1900 karya ilmiah dari berbagai fisikawan (termasuk saya) didasarkan pada 19 peristiwa ini, yang menyadari bahwa peristiwa ini membuka jendela yang belum pernah terjadi sebelumnya bagi kita ke dalam inti bintang yang meledak, dan ke dalam laboratorium tidak hanya untuk astrofisika, tetapi juga untuk fisika neutrino.

Didorong oleh gagasan bahwa detektor peluruhan proton besar secara simultan dapat menjadi detektor neutrino astrofisika, beberapa kelompok ilmuwan mulai membangun generasi baru detektor tujuan ganda semacam itu. Yang terbesar dibangun kembali di tambang Kamioka dan dijuluki Super Kamiokande - dan untuk alasan yang baik. Waduk air raksasa ini seberat 50.000 ton, dikelilingi oleh 11.800 fotosel, bekerja di tambang yang ada, dan percobaan dilakukan dengan kebersihan laboratorium. Ini penting, karena dengan detektor yang sangat besar itu perlu untuk merawat tidak hanya dari sinar kosmik luar, tetapi juga dari kontaminan radioaktif internal yang akan melampaui semua sinyal yang berguna.

Sementara itu, minat terhadap neutrino astrofisika juga berada pada puncaknya. Matahari memancarkan neutrino sebagai hasil dari reaksi nuklir yang terjadi di intinya, dan selama 20 tahun fisikawan Ray Davis menemukan neutrino matahari, tetapi peristiwa terjadi tiga kali lebih sedikit dari perkiraan model terbaik Matahari. Jenis baru detektor neutrino surya yang disebut Sudbury Neutrino Observatory (SNO) dibangun di tambang Sudbury di Kanada.

Sampai saat ini, Super Kamiokande telah bekerja hampir terus menerus, kadang-kadang mengalami berbagai perbaikan, selama 20 tahun. Tidak ada sinyal dari peluruhan proton dan tidak ada supernova baru yang telah diamati. Namun, pengamatan akurat terhadap neutrino, ditambah dengan pengamatan tambahan pada SNO, secara tegas mengkonfirmasi kenyataan kekurangan neutrino surya yang ditemukan oleh Ray Davis. Ditemukan bahwa defisit tidak ada karena fenomena astrofisika yang terjadi di Matahari, tetapi karena sifat neutrino. Menjadi jelas bahwa setidaknya satu dari tiga jenis neutrino tidak bermassa. Karena neutrino tidak termasuk dalam Model Standar, ini adalah pengamatan pertama yang dikonfirmasi bahwa beberapa fisika baru bekerja di luar Model Standar dan Higgs.

Neutrino berenergi tinggi secara teratur membombardir Bumi setelah proton dari sinar kosmik berenergi tinggi bertabrakan dengan atmosfer dan menghasilkan hujan udara luas dari partikel subatomik sekunder, di mana neutrino ini juga ditemukan. Pengamatan mereka menunjukkan bahwa tipe kedua neutrino juga memiliki massa. Ini sedikit lebih besar dari yang pertama, tetapi jauh lebih kecil dari massa elektron. Untuk pengamatan ini, tim dari SNO dan Kamiokande menerima Hadiah Nobel pada 2015 - seminggu sebelum saya mulai menulis buku ini. Sampai hari ini, kiasan menggoda untuk fisika baru ini belum dijelaskan dengan menggunakan teori kami.

Tidak adanya pembusukan proton merupakan kekecewaan, tetapi tidak mengejutkan. Dari saat TVO pertama kali diusulkan, lanskap fisika telah mengalami perubahan. Pengukuran yang lebih akurat dari nilai-nilai dari tiga interaksi non-gravitasi, bersama dengan perhitungan perubahan yang lebih kompleks dalam besarnya dengan jarak, menunjukkan bahwa jika hanya partikel dari Model Standar yang ada di alam, maka kekuatan dari ketiga interaksi ini tidak akan digabungkan dalam satu skala. Agar Unifikasi Hebat terjadi, fisika baru harus ada, terletak pada skala energi yang melampaui semua yang telah kita amati sejauh ini. Dan kehadiran partikel-partikel baru tidak hanya akan mengubah skala energi untuk menggabungkan tiga interaksi, tetapi juga akan meningkatkan skala untuk TBO, sehingga mengurangi tingkat peluruhan proton - dan meningkatkan masa pakai mereka di luar jutaan miliaran miliar tahun.


Collider Hadron Besar

Sejalan dengan peristiwa-peristiwa ini, para ahli teori secara aktif menggunakan alat matematika baru untuk mempelajari kemungkinan jenis simetri baru, yang mereka sebut supersimetri. Simetri fundamental ini berbeda dari yang diketahui di mana ia mengikat dua jenis partikel yang berbeda - fermion (partikel dengan putaran setengah bilangan bulat) dan boson (partikel dengan putaran penuh). Dan intinya adalah bahwa jika simetri seperti itu diamati di alam, maka untuk setiap partikel yang dikenal dalam Model Standar harus ada setidaknya satu partikel baru. Untuk setiap boson baru, fermion harus ada. Untuk setiap fermion, boson.

Karena kita tidak mengamati partikel-partikel ini, simetri ini tidak dapat memanifestasikan dirinya pada tingkat alam semesta yang dapat diakses oleh kita, dan karena itu harus dihancurkan - yang berarti bahwa partikel-partikel baru harus memiliki massa yang cukup besar untuk belum ditemukan dalam akselerator yang ada.

Apa yang begitu menarik dalam simetri yang tiba-tiba menggandakan jumlah partikel di alam ketika tidak ada bukti keberadaannya? Sebagian besar, dia tergoda oleh Unifikasi Besar. Karena jika TVO ada pada skala massa 15-16 orde besarnya lebih besar massa proton rest, maka itu 13 orde besarnya lebih besar dari skala di mana simetri elektroweak rusak. Pertanyaannya adalah bagaimana dan mengapa dalam hukum-hukum dasar alam ada kesenjangan yang begitu besar dalam skala. Khususnya, jika Higgs benar-benar partikel terakhir dari Model Standar, maka timbul pertanyaan: mengapa skala energi pemecah simetri Higgs lebih kecil daripada skala pemutusan simetri dari beberapa bidang baru yang memecah simetri DUA menjadi interaksi terpisah?

Dan masalahnya bahkan lebih buruk dari yang terlihat.Jika kita mempertimbangkan efek dari partikel virtual (timbul dan menghilang begitu cepat sehingga keberadaannya dapat dikonfirmasi hanya secara tidak langsung), termasuk partikel dari massa besar yang sewenang-wenang (seperti partikel pengukur dari TBT yang seharusnya), menjadi jelas bahwa massa dan skala putusnya simetri Higgs meningkat begitu banyak sehingga mendekati skala besar TVO. Karena itulah yang disebut masalah kealamian . Secara teknis, keberadaan hierarki skala yang besar tidak wajar , dari yang partikel Higgs memecahkan simetri elektroweak, dan yang simetri TVO rusak oleh bidang skalar baru, apa pun itu.

Fisikawan matematika Edwart Whitten menulis dalam karya tengara 1981 bahwa supersimetri memiliki sifat khusus. Ini dapat mengurangi efek partikel virtual massa dan energi besar-besaran yang berubah-ubah terhadap sifat-sifat dunia pada skala yang tersedia untuk pengamatan kami. Karena fermion virtual dan boson virtual dengan massa yang sama mengarah ke koreksi kuantum yang identik, terlepas dari tanda, maka jika masing-masing boson bersesuaian dengan fermion dengan massa yang sama, maka efek kuantum dari partikel-partikel virtual secara bersama-sama dimusnahkan. Dan ini berarti bahwa efek partikel virtual dari massa dan energi besar yang semena-mena pada sifat-sifat dunia pada skala yang tersedia untuk pengamatan kita sepenuhnya menghilang.

Jika supersimetri itu sendiri rusak (sebagaimana mestinya, jika tidak, semua mitra supersimetri dari materi biasa akan memiliki massa yang sama dengan partikel biasa, dan kita akan menemukannya sejak lama), maka koreksi kuantum tidak dihancurkan. Mereka menyebabkan penambahan massa pada skala yang sebanding dengan di mana supersimetri rusak. Jika mereka sebanding dengan skala pelanggaran simetri elektroweak, ini akan menjelaskan skala massa Higgs.

Ini juga berarti bahwa seseorang dapat mengharapkan pengamatan sekelompok partikel baru - mitra supersimetri dari materi biasa - pada skala yang sekarang diselidiki oleh LHC.

Ini akan memecahkan masalah kealamian, karena akan melindungi massa bos Higgs dari koreksi kuantum, yang akan mendorong mereka ke skala energi TVO. Supersimetri dapat memungkinkan adanya hierarki energi dan massa besar yang "alami", membagi skala elektroweak dan skala TVO.

Fakta bahwa supersimetri pada prinsipnya dapat menyelesaikan masalah hierarki telah meningkatkan daya tariknya untuk fisikawan. Para ahli teori mulai mengeksplorasi model-model realistis, termasuk memecahkan supersimetri dan konsekuensi lain dari gagasan ini. Setelah itu, "nilai tukar" supersimetri memecahkan semua rekor. Karena, jika kita memasukkan kemungkinan pemutusan supersimetri spontan dalam perhitungan perubahan dalam tiga interaksi non-gravitasi tergantung pada jarak, ternyata kekuatan ketiga interaksi ini secara alami tiba-tiba menyatu menjadi satu skala jarak kecil. TVO kembali beroperasi!

Model dengan supersimetri yang rusak memiliki satu fitur yang lebih menarik. Jauh sebelum ditemukannya quark atas, ditunjukkan bahwa jika quark atas berat, maka melalui interaksi dengan mitra supersimetri lainnya, itu dapat berkontribusi pada koreksi kuantum pada sifat-sifat partikel Higgs, yang akan menyebabkan perubahan di bidang Higgs. Jika Penyatuan Besar terjadi pada skala energi yang jauh lebih besar, maka medan Higgs harus membentuk latar belakang yang koheren di seluruh ruang pada tingkat energi tempat pengukuran saat ini dilakukan. Singkatnya, skala energi dari pemutusan simetri elektroweak secara alami dapat terjadi dalam teori di mana VO terjadi pada skala yang jauh lebih besar. Dan ketika quark atas ditemukan dan ditetapkan bahwa itu sangat berat,ini menambah daya tarik kemungkinan bahwa pemecahan supersimetri bertanggung jawab atas skala energi yang diamati dari interaksi yang lemah.

Tapi semua ini ada harganya. Agar suatu teori berhasil, harus ada dua bos Higgs, bukan satu. Selain itu, dalam akselerator seperti LHC, akan diperlukan untuk menemukan partikel supersimetrik baru - ia mampu menggali fisika baru di wilayah skala elektroweak. Dan akhirnya, apa yang tampak seperti pembatasan yang terlalu ketat untuk beberapa waktu - yang paling ringan dari Higgs tidak bisa terlalu berat, atau mekanisme ini tidak akan berfungsi sama sekali.

Ketika pencarian untuk Higgs berlanjut tanpa banyak keberhasilan, akselerator secara konsisten mendekati lebih dekat ke batas atas teoritis massa cahaya Higgs dalam teori supersymmetric. Nilai ini sekitar 135 massa proton, dan detailnya sudah tergantung pada model spesifik. Jika Higgs tidak ditemukan pada skala ini, ini berarti bahwa semua hype di sekitar supersimetri masih akan hype.

Tetapi ternyata berbeda. Higgs yang ditemukan di LHC memiliki massa proton 125 kali. Mungkin saja kita akan mencapai sintesis yang hebat.

Sampai saat ini, jawabannya tidak jelas. Tanda-tanda keberadaan partikel supersimetri baru, jika ada, seharusnya terlihat begitu jelas di LHC sehingga beberapa fisikawan berpikir bahwa kemungkinan menemukan supersimetri jauh lebih mungkin untuk menemukan Higgs. Tapi semuanya salah. Setelah tiga tahun beroperasi, tidak ada tanda-tanda supersimetri yang terlihat. Situasi menjadi tidak nyaman. Pembatasan yang lebih rendah yang dikenakan pada massa mitra supersimetrik materi biasa meningkat setiap saat. Jika mereka naik terlalu tinggi, skala putus supersimetri tidak akan lagi dekat dengan skala elektroweak, dan banyak sifat melanggar supersimetri menarik yang memungkinkan pemecahan masalah hierarki hanya akan menguap.

Tapi harapan tetap ada, dan LHC dihidupkan lagi, sudah pada energi yang lebih tinggi. Ada kemungkinan bahwa partikel supersimetrik akan segera terdeteksi.



Deteksi mereka akan mengarah pada hasil penting lainnya. Salah satu misteri kosmologi terbesar adalah sifat materi gelap, yang tampaknya mendominasi semua galaksi yang kita lihat. Ada begitu banyak sehingga tidak dapat terdiri dari partikel yang sama dengan materi normal. Jika terdiri dari partikel normal, maka, misalnya, prediksi tentang kelimpahan unsur cahaya seperti helium yang diperoleh selama Big Bang tidak akan konsisten dengan pengamatan. Oleh karena itu, fisikawan cukup yakin bahwa materi gelap terdiri dari partikel partikel tipe baru. Tapi yang mana?

Mitra supersimetrik paling ringan dari materi biasa di sebagian besar model benar-benar stabil, dan sifat-sifatnya sangat mirip dengan neutrino. Itu akan berinteraksi lemah dan netral secara listrik, sehingga tidak akan menyerap atau memancarkan cahaya. Selain itu, perhitungan 30 tahun yang lalu, yang juga saya lakukan, menunjukkan bahwa kelimpahan residu dari partikel supersimetri teringan yang tersisa setelah Big Bang secara alami berubah menjadi sedemikian rupa sehingga akan sesuai dengan dominasi oleh massa materi gelap di galaksi.

Dalam hal ini, galaksi kita akan memiliki lingkaran partikel materi gelap yang bersiul melalui bagian-bagiannya, termasuk ruangan tempat Anda membacanya. Seperti banyak dari kita telah lama mengerti, ini berarti bahwa Anda dapat mengembangkan detektor bawah tanah yang sensitif, mirip, jika hanya pada dasarnya, dengan detektor neutrino yang ada, dan mendeteksi partikel materi gelap secara langsung. Selusin eksperimen luar biasa di seluruh dunia berusaha melakukan hal itu. Namun sejauh ini belum ada yang menemukan apa pun.

Karena itu, kita sekarang hidup di masa yang lebih baik atau lebih buruk. Ada perlombaan antara LHC dan pendeteksi bawah tanah materi gelap untuk hak untuk menjadi yang pertama menemukan sifatnya. Jika suatu kelompok mengumumkan penemuannya, itu akan mengantar pada penemuan dunia penemuan yang sama sekali baru, yang berpotensi mengarah pada pemahaman tentang TVO itu sendiri. Dan jika tidak ada penemuan di tahun-tahun mendatang, akan memungkinkan untuk mengecualikan pilihan asal supersimetrik materi gelap - dan, secara umum, seluruh gagasan supersimetri sebagai solusi untuk masalah hierarki. Dalam hal ini, Anda harus kembali ke papan, namun, jika tidak ada sinyal dari LHC, kami tidak akan memiliki pemahaman tentang arah mana yang harus kami bergerak untuk mengembangkan model alam yang baru.

Segalanya menjadi jauh lebih menarik ketika LHC menemukan sinyal yang memungkinkan menjanjikan kita partikel baru enam kali lebih berat daripada Higgs. Karakteristik partikel ini tidak sesuai dengan karakteristik yang diharapkan dari salah satu mitra supersimetri dari materi biasa. Biasanya, ketika memproses array data yang besar, petunjuk sinyal yang paling menggoda menghilang, dan enam bulan setelah munculnya sinyal ini dan pemrosesan data, itu menghilang. Kalau tidak, dia bisa mengubah seluruh gagasan kami tentang TVO dan simetri elektroweak, mengisyaratkan adanya interaksi fundamental baru dan serangkaian partikel baru yang terkait dengannya. Tetapi, meskipun itu memunculkan karya ilmiah teoretis yang penuh harapan, alam memutuskan dengan caranya sendiri.

Tetapi satu tim fisikawan tidak peduli tentang tidak adanya deteksi eksperimental yang jelas atau konfirmasi supersimetri untuk waktu yang lama dan masih. Keindahan matematika supersimetri pada tahun 1984 menginspirasi para ilmuwan untuk membangkitkan kembali ide yang telah tertidur sejak tahun 1960-an. Kemudian, Yoichiro Nambu dan rekannya mencoba mencari tahu interaksi yang kuat, menyajikannya sebagai sinyal seperti string yang menghubungkan quark. Dan ketika supersimetri dimasukkan dalam teori string kuantum untuk mendapatkan apa yang kemudian dikenal sebagai teori superstring, hasil matematika yang mengejutkan indah mulai muncul. Di antara mereka adalah kemungkinan menggabungkan tidak hanya tiga interaksi non-gravitasi, tetapi secara umum keempat kekuatan yang dikenal di alam dalam satu teori medan kuantum yang konsisten.

Namun, teori ini membutuhkan keberadaan seluruh tumpukan dimensi tambahan ruang-waktu, yang belum ada yang mengamati. Selain itu, teori ini tidak membuat prediksi yang dapat diverifikasi di tingkat eksperimental saat ini. Selain itu, telah menjadi sangat rumit baru-baru ini sehingga nampaknya string itu sendiri tidak lagi menjadi variabel dinamis pusat dari teori ini.

Tetapi ini tidak mengurangi antusiasme para penganut teori superstring yang paling bersemangat, setia, dan sangat berbakat, yang sekarang dikenal sebagai teori-M, yang selama 30 tahun terus bekerja untuknya. Pernyataan kesuksesan luar biasa muncul secara berkala, tetapi sejauh ini teori-M tidak memiliki elemen kunci yang memastikan kemenangan perusahaan ilmiah seperti Model Standar: kemampuan untuk berhubungan dengan dunia yang dapat kita ukur, memecahkan misteri yang tidak dapat dijelaskan dengan metode lain, dan memberikan dasar penjelasan mengapa dunia kita seperti apa adanya. Ini tidak berarti bahwa teori-M itu keliru, tetapi sejauh ini hanya mewakili penalaran, meskipun ia memiliki motif yang baik.

Jika Anda mengikuti pelajaran sejarah, menjadi jelas bahwa teori fisika paling maju ternyata salah. Kalau tidak, siapa pun bisa terlibat dalam fisika teoretis. Butuh beberapa abad, dan jika kita memperhitungkan ilmu orang-orang Yunani kuno, maka beberapa milenium, metode coba-coba, yang menyebabkan munculnya Model Standar.

Dan inilah kita. Akankah wahyu eksperimental baru menunggu kita segera, yang akan dapat mengkonfirmasi atau membantah argumen terbesar fisika teoretis? Atau apakah kita berada di tepi gurun, dan alam tidak akan memberi kita petunjuk tentang arah pencarian jawaban atas rahasia ruang? Kami akan mencari tahu, dan dalam hal apa pun, kami harus hidup dengan kenyataan baru.