Bo morebitno odkritje novega delca odprlo novo poglavje v fiziki visokih energij?

Ob koncu preteklega leta je v mednarodni znanstveni skupnosti vzbudila veliko pozornost novica, da je veliki hadronski trkalnik (LHC) v Ženevi, ki deluje sedaj s skoraj dvakrat višjo energijo kot leta 2012, ko so odkrili Higgsov bozon, nakazal morebitno odkritje novega osnovnega delca. Med znanstveniki, ki se v Cernu (Evropska organizacija za jedrske raziskave) ukvarjajo s teoretskimi raziskavami fizike osnovnih delcev, je tudi doc. dr. Jernej Fesel Kamenik, s katerim smo se pogovarjali o pomenu tega presenetljivega odkritja.

Doc. dr. Jernej Fesel Kamenik, ki dela v Cernu kot gostujoči raziskovalec, je redno zaposlen na Odseku za teoretično fiziko Instituta Jožef Stefan (IJS), ob tem pa predava tudi na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Raziskovalna skupina za teoretično fiziko jedra, osnovnih delcev in polja, ki jo vodi prof. dr. Svjetlana Fajfer, vodja Odseka za teoretično fiziko na IJS, se uvršča med vodilne raziskovalne skupine v svetu, ki raziskujejo možnosti odkritja fizikalnih pojavov zunaj standardnega modela.

Kaj je eksperiment na velikem hadronskem trkalniku (LHC) pokazal tokrat?

Eksperimenta ATLAS in CMS na velikem hadronskem trkalniku (LHC) v Ženevi, ki sta leta 2012 odkrila Higgsov bozon, sta 15. decembra 2015 predstavila nepričakovan presežek parov žarkov gama pri energijah v okolici 750 milijard elektronskih voltov.

Trenutne meritve še dopuščajo verjetnost nekaj odstotkov, da so ti presežki parov žarkov gama le posledica statističnih nihanj v podatkih. V nasprotnem primeru gre najverjetneje za opažanja novega masivnega osnovnega delca, ki razpada v pare žarkov gama. Trenutne namige bosta oba eksperimenta na LHC lahko dokončno potrdila ali ovrgla z več zajetimi podatki predvidoma že čez nekaj mesecev.

Revija Nature je ob objavi te novice zapisala, da odkritje Higgsovega bozona ob tem povsem zbledi, saj bi veliko težji delec odprl popolnoma novo poglavje v fiziki visokih energij. Tudi vi menite tako?

Zagotovo smo podobnega mnenja mnogi teoretski fiziki visokih energij. Zato tudi tako entuziastičen odziv skupnosti. V manj kot mesecu dni po objavi novih meritev je bilo na odprti znanstveni repozitorij publikacij arXiv.org poslanih že skoraj 200 znanstvenih člankov, ki obravnavajo in interpretirajo opaženo resonanco znotraj različnih razširitev standardne teorije oziroma modelov nove fizike. Kaj podobnega se po mojem vedenju v preteklosti še ni zgodilo.

Kakšen je pomen tega odkritja?

Če bodo trenutni rezultati potrjeni z več podatki, bo to prvo neposredno odkritje novega osnovnega delca, ki ni napovedan znotraj standardne teorije po 40 letih, ko je bil odkrit lepton tau.

Za ilustracijo: če gre dejansko za nov delec, bi bila njegova masa primerljiva masam ogljikovih molekul fulerenov in bi za faktor štiri presegla maso trenutno najmasivnejšega poznanega osnovnega delca – kvarka t.

Kako ste raziskovalci uspeli že v prvem tednu po objavi izsledkov tega pomembnega eksperimenta pripraviti okoli 100 poglobljenih člankov. Ste mogoče znanstveniki v Cernu že vnaprej vedeli za naznanitev tega odkritja?

Kak teden pred objavo eksperimentalnih dognanj so po spletu in po hodnikih na raziskovalnih institutih, ki so vključeni v obe eksperimentalni kolaboraciji ATLAS in CMS, pričele krožiti govorice o morebitnem odkritju. Neformalni pogovori o prvih zamislih in pomenu takšnega odkritja so tako aktivno potekali že nekaj dni prej, vendar brez zanesljivih in točnih podatkov. Prve analize pa so nastajale na podlagi znanih obstoječih meritev pri nižjih energijah trkov na LHC ter njihovih projekcij k višjim energijam.

Kakšne so možne teoretske interpretacije nedavnih opažanj na LHC?

Pri eni izmed prvih teoretskih interpretacij teh nenavadnih opažanj, ki je bila objavljena na arXiv.org (http://arxiv.org/abs/1512.04933) že naslednji dan, sem sodeloval tudi sam. Izsledki te raziskave kažejo, da bi trenutne meritve najlažje pojasnilo kompozitno (vezano) stanje morebitne nove sile, z nekaterimi lastnostmi, sorodnimi Higgsovemu bozonu, čeprav trenutni podatki dopuščajo tudi drugačne razlage.

Kako bi odkritje novega osnovnega delca, ki ni napovedan znotraj standardne teorije, lahko prispevalo k razrešitvi uganke temne snovi in temne energije?

Ena izmed možnosti je, da je novo opaženo stanje nekakšen posrednik med vidno in temno snovjo. V tem primeru, bi lahko preko njegove tvorbe na LHC v prihodnje posredno zaznali tudi prisotnost delcev temne snovi. Znotraj nekaterih modelov z dodatnimi ukrivljenimi dimenzijami prostora, bi lahko to resonanco na podlagi trenutnih podatkov interpretirali tudi kot vzbujeno masivno stanje gravitona – nosilca gravitacijske sile.

Za boljše razumevanje pomena takšnega morebitnega stanja za uganke temne snovi, temne energije ali celo kvantne gravitacije bo vsekakor potrebnih še precej dodatnih meritev.

Kot ste dejali, odkritja novega osnovnega delca standardna teorija ne napoveduje. Kaj menite, je mogoče omenjeno teorijo še nadalje razvijati in jo dopolnjevati, ali pa boste teoretski fiziki predlagali nov, ustreznejši model?

Trenutna standardna teorija osnovnih delcev in sil (t.i. standardni model) skorajda brezhibno opisuje vse do sedaj izvedene eksperimente. V določenih primerih gre za meritve lastnosti snovi na skalah manjših od attometra (10^-18 m). Po drugi strani pa nedavnih opažanj znotraj obstoječe teorije ni mogoče razložiti. Vsaka razlaga omenjenih nenavadnih rezultatov bi zato zahtevala temeljno razširitev standardnega modela, hkrati pa bi morala le-tega vsebovati vsaj kot približni opis pojavov pri energijah dosti nižjih od 750 milijard elektronskih voltov.

Revija Nature v nadaljevanju navaja mnenje teoretskega fizika Michaela Peskina s SLAC Nacionalnega pospeševalniškega laboratorija v Menlo Parku, Kalifornija, da boste fiziki zaradi tega odkritja opustili teorijo supersimetrije. Se z mnenjem dr. Peskina strinjate?

Med predlaganimi interpretacijami opaženega presežka je kar nekaj takšnih, ki so neposredno umeščene znotraj supersimetričnih modelov, mnoge pa so vsaj v principu združljive z obstojem supersimetrije pri višjih energijah. Je pa res, da je to morebitno odkritje preusmerilo nekaj pozornosti fizikov visokih energij stran od tipičnih pričakovanih signalov supersimetrije na LHC.

Boste na osnovi teh opažanj s sodelavci v Cernu oblikovali nove predloge za eksperimentalne programe v bodočih eksperimentih?

Takšni napori že aktivno potekajo, tudi v tesnem sodelovanju z eksperimentalnimi skupinami v Cernu. Pri tem imajo prednost vsekakor meritve, ki jih bo moč izvesti v prihodnjih letih na LHC. Še posebno težo pa bi takšno morebitno odkritje imelo za načrtovanje bodočih visokoenergijskih pospeševalniških eksperimentov, ki naj bi nasledili LHC. V novi luči bo tako potrebno pretehtati predloge za morebitni krožni pospeševalnik CEPC obsega 50 – 70 km na Kitajskem, nekoliko večji FCC obsega 80-100 km v Cernu ali linearni pospeševalnik ILC dolžine približno 30 km, za izgradnjo katerega se zanimajo predvsem na Japonskem.

Dr. Mojca Vizjak Pavšič