Pot pred nami je še resnično dolga

V Cernu, Evropski organizaciji za jedrske raziskave na obrobju Ženeve, je že nekaj časa spet aktiven veliki hadronski trkalnik (LHC), ki po prenovi deluje s skoraj dvakrat višjo energijo kot leta 2012, ko so odkrili Higgsov bozon. Med znanstveniki, ki se v Cernu ukvarjajo s teoretskimi raziskavami fizike osnovnih delcev, je tudi doc. dr. Jernej Fesel Kamenik, s katerim smo se pogovarjali o nekaterih vprašanjih, ki jih je odprlo odkritje Higgsovega bozona in o eksperimentih, ki naj bi jih v Cernu opravili v prihodnjih letih.

Prof. dr. Svjetlana Fajfer, vodja Odseka za teoretično fiziko na Institutu Jožef Stefan je pred kratkim na eni od mednarodnih konferenc dejala, da »smo bili v preteklih letih priče velikanskemu napredku, vendar je pred nami še dolga pot«. Se strinjate?

Preteklih 15 let je zaznamovalo predvsem popolno zmagoslavje tako imenovanega standardnega modela osnovnih delcev in interakcij. Po letu 2000 so rezultati iz tovarn mezonov B dokončno potrdili Kobayashi-Maskawov mehanizem razlikovanja med materijo in antimaterijo. Zdaj torej z veliko gotovostjo lahko trdimo, da izmerjene prehode med različnimi oblikami materije in antimaterije dodobra opisuje standardni model.

V zadnjih dveh letih pa so eksperimenti na LHC tudi že potrdili znaten del napovedi minimalnega Higgsovega mehanizma razlikovanja med elektromagnetno in šibko jedrsko silo, in sicer prek odkritja Higgsovega bozona in meritev nekaterih njegovih ključnih lastnosti in procesov. S tem je zdaj eksperimentalno potrjen tudi celoten spekter osnovnih delcev, kot ga napoveduje standardni model. Tako na primer z gotovostjo lahko trdimo, da mora temeljna teorija narave vsaj v določenem približku vsebovati celoten standardni model.

Seveda pa se raziskovanje fizike visokih energij ne konča?

Tako je. Čeprav je standardni model teoretično konsistentna teorija, ki bi fizikalne procese znanih osnovnih delcev lahko zadovoljivo opisovala vse do energij, ki so 1015-krat višje od teh, ki jih imajo trki protonov znotraj LHC, pa tako s teoretičnega kot tudi s fenomenološkega vidika ne more predstavljati končne slike. Teoretično je pomanjkljiv predvsem opis gravitacijskih interakcij med delci. Hkrati med izmerjenimi osnovnimi parametri standardnega modela obstajajo vzorci in hierarhije, ki nakazujejo obstoj bolj ekonomičnega opisa.

Po drugi strani imamo vse več trdnih pokazateljev, da večino mase znotraj vesolja predstavlja tako imenovana temna snov, ki jo zaznamo le prek njenih gravitacijskih vplivov. Standardni model ne napove obstoja delcev s primernimi lastnostmi. Hkrati je tudi razlika med količino materije in antimaterije v vesolju precej večja, kot bi jo pričakovali znotraj standardnega modela ter ob upoštevanju standardne teorije velikega poka. Razvozlanje teh ugank je glavno vodilo naših trenutnih raziskav.

Povedano bolj slikovito, znotraj vidnega vesolja snov iz znanih osnovnih delcev predstavlja približno pet odstotkov celotne energije. Trenutno ne znamo zadovoljivo razložiti niti kako se je v zgodnjem vesolju tvorilo teh pet odstotkov niti kaj je mikroskopski opis preostalih 95 odstotkov energije. Pot pred nami je še resnično dolga pot.

Pripravljate tudi predloge za nove eksperimente v LHC?

Znaten del mojega dela na IJS in v Cernu dejansko poteka v tesnem sodelovanju s tamkajšnjimi eksperimentalnimi skupinami. Sodelujem tako pri interpretaciji njihovih meritev, izračunih napovedi znotraj standardnega modela in njegovih razširitev kot tudi pri pripravi predlogov novih meritev, strategij in eksperimentov. Nekatere meritve, ki smo jih s sodelavci predlagali v preteklosti in se nanašajo na boljše razumevanje interakcij najtežjega kvarka t (prek močnih in šibkih jedrskih interakcij, interakcij s Higgsovim bozonom in tudi s hipotetičnimi delci temne snovi), se na primer trenutno izvajajo v eksperimentih ATLAS, CMS in LHCb. Sodelujem pa tudi pri pripravi predlogov za eksperimentalne programe v prihodnjih eksperimentih, kot je supertovarna mezonov B Belle II ali pa predlog za prihodnji visokoenergijski krožni trkalnik elektronov in pozitronov FCC-ee.

Na katera vprašanja boste poskušali odgovoriti z eksperimenti v LHC?

Večina mojih sedanjih raziskav se v grobem razvija v dve smeri. Po eni strani poskušam osvetliti tako imenovano uganko okusov: čemu toliko različnih osnovnih delcev snovi, zakaj imajo tako različne mase (raztezajo se prek enajst redov velikosti) in tudi nekatere interakcije. Ta tematika je tesno povezana z vprašanjem, ali je Higgsov mehanizem odgovoren za mase vseh osnovnih delcev. Trenutno imamo neposredne dokaze le za nekaj najtežjih, katerih sklopitve s Higgsovim bozonom so posledično največje. Bolj splošno nas zanima tudi, ali imajo sklopitve Higgsovega bozona s snovjo točno takšno obliko, kot jo zapoveduje standardni model.

Drugi znaten sklop raziskav pa se nanaša na vprašanje, kaj tvori temno snov. Pri tem se ukvarjam predvsem z vprašanjem, kako se temna snov lahko sklaplja z znanimi osnovnimi delci in kako to preveriti v eksperimentih.

Menite, da bi v prihodnjih letih lahko dobili odgovore na vprašanja o lastnostih temne snovi?

Živimo v zelo zanimivem obdobju, ko prihajajo nova spoznanja o lastnostih temne snovi skoraj vsak dan. Veliko teh dognanj je plod meritev s kozmičnimi žarki in kozmičnim prasevanjem s teleskopi in sorodnimi merilnimi instrumenti tako na Zemlji kot tudi na satelitih in celo na mednarodni vesoljski postaji.

Poleg podzemnih eksperimentov, s katerimi poskušamo zaznati neposredne trke temne snovi s težkimi jedri ali atomi, eksperimenti na visokoenergijskih delčnih trkalnikih tu prispevajo svoj pomemben del, saj v principu edini omogočajo neposredno tvorbo in detekcijo temne snovi v nadzorovanem okolju. Žal so do zdaj vsa takšna neposredna iskanja temne snovi dala negativne rezultate. Po drugi strani pa je prav to področje, na katerem v prihodnjih desetih letih pričakujemo zelo velik napredek.

Obstoj nevtrinov je leta 1930 teoretsko napovedal Wolfgang Pauli, Enrico Fermi pa je leta 1932 razvil teorijo razpada beta, ki vključuje nevtrine, toda dolga leta ljudje niso verjeli, da sploh obstajajo. Prvič je nevtrine leta 1956 po večletnih merjenjih detektiral Frederick Reines. Se tudi danes v teoretski fiziki pojavljajo domneve, ki se zdijo neverjetne?

Odnos fizikov visokih energij do še nepreverjenih hipotez o obstoju novih delcev, polj ali celo dimenzij se je po takih dogodkih v zadnjih sto letih precej sprostil. To je vsaj deloma posledica izjemno pozitivnih izkušenj v prejšnjem stoletju, ko so se nekatere takšne hipoteze, ki so pretežno temeljile na matematični elegantnosti in notranji logični konsistentnosti teorije naknadno potrdile tudi v eksperimentih, mnogokrat – kot tudi v primeru Higgsovega bozona – šele več desetletij pozneje.

Še dandanes pa gre pri postavljanju in sprejemanju novih hipotez tudi za vprašanje osebnega okusa. Bolj ko je uganka oziroma problem, ki ga neki model naslavlja, zapleten in pomemben, več nepreverjenih predpostavk mu radi oprostimo in več eksperimentalnega napora je naknadno vloženega v preverjanje teh predpostavk in napovedi. Znana primera takšne vrste sta hipotezi obstoja supersimetrije ter dodatnih prostorskih dimenzij.

Prof. dr. Svjetlana Fajfer je v knjigi Fizika, moj poklic, zapisala, da »kljub zelo dobremu ujemanju z eksperimentalnimi rezultati obstaja nekaj teoretičnih razlogov, zakaj vendarle pričakujemo Novo fiziko«. Katera nova odkritja teoretski fiziki pričakujete?

Za kvalitativni preskok v teoretičnih pristopih k ugankam in problemom standardnega modela bomo zelo verjetno potrebovali nedvoumna eksperimentalna odkritja novih pojavov, ki jih standardni model ne more pojasniti. Ali v obliki pojava novih resonanc v spektru osnovnih delcev na LHC, v obliki odstopanj nekaterih natančnih meritev od napovedi standardnega modela ali pa v obliki neposredne detekcije delcev temne snovi. Katerokoli od teh odkritij bi takoj bolj jasno začrtalo pomembne nove smeri raziskav in nas približalo k rešitvi katere izmed ugank standardnega modela.

Glavni namen raziskav v visokoenergijski fiziki je ugotoviti, koliko in do katerih energij standardni model predstavlja pravilno sliko sveta. Povsem pravilen ne more biti tudi zato, ker ne vsebuje temne snovi in kvantne teorije gravitacije. Kakšen je vaš pogled na ta problem?

Problem kvantne gravitacije je zelo zagoneten s teoretičnega stališča in v njegovo rešitev je bilo v preteklih 50 letih vloženega izjemno veliko napora. Žal pa je s praktičnega stališča brez opazljivih posledic. Nekonsistentnosti opisa gravitacijskih interakcij s splošno relativnostjo ter kvantno teorijo polja znotraj standardnega modela se namreč pojavijo šele pri energijah, ki za 15 redov velikosti presegajo energije trkov protonov v LHC. Problemi nastanejo tudi pri opisu fizike v notranjosti črnih lukenj, ki pa prav tako ni dostopna zunanjim opazovalcem. Tudi zato je napredek tako počasen – večinoma pristopi in modeli kvantne gravitacije ne dajejo enopomenskih praktično preverljivih napovedi.

Problem temne snovi je precej drugačen, saj imamo jasne dokaze o njenem obstoju predvsem iz astronomskih opazovanj. Hkrati je bilo predlaganih že mnogo teoretično bolj ali manj zadovoljivih modelov, ki ta opazovanja razložijo, hkrati pa napovedujejo nove pojave, ki jih načeloma lahko zaznajo eksperimenti na Zemlji. Glavni izziv je izluščiti prave kandidate in predvsem bolje razumeti morebitne povezave med temno snovjo in znanimi delci standardnega modela.

Mnogi fiziki menijo, da bi standardni model lahko razširili s supersimetrijami in tako prišli do teorije, s katero bi poenotili štiri osnovne sile: gravitacijsko, elektromagnetno, močno in šibko. Drugi teoretiki pa so predpostavili novo alternativo: kaj če bi naš svet obstajal na »membrani« treh prostorskih dimenzij, lebdeč v prostoru višjih dimenzij? Potem bi bila lahko resnična moč gravitacije razširjena preko vseh dimenzij, energija poenotenja pa precej nižja, kot so menili doslej ...

Oba pristopa sta dejansko lahko povezana. Oba namreč predstavljata nizkoenergijsko limito tako imenovane teorije strun. Ta pristop k opisu kvantne gravitacije zaradi matematične konsistentnosti predpostavlja tako obstoj supersimetrije kot dodatnih dimenzij. Med znanimi delnimi rešitvami te teorije so takšne, kjer so dodatne dimenzije izredno majhne in pri dovolj nizkih energijah svet deluje 3 + 1 dimenzionalen in supersimetričen. Obstajajo pa tudi rešitve z razsežnimi več dimenzijami, kjer pa so določeni delci ujeti na 3 + 1 dimenzionalne membrane.

Žal v obstoječih eksperimentih do zdaj nismo našli nikakršnih jasnih pokazateljev, da bi kateri od takšnih opisov ustrezal realnosti. Zato zaenkrat ostajajo v domeni hipotez. Velik del eksperimentalnega programa na LHC v prihodnjih 15 letih bo namenjen prav iskanju signalov takšnih teoretičnih predlogov fizike zunaj standardnega modela.

Dr. Mojca Vizjak Pavšič, svobodna novinarka in publicistka