Η αναζήτηση της επόμενης μεγάλης θεωρίας των πάντων θα απαιτήσει την ενημέρωση του σημερινού καλύτερου μοντέλου για όλα τα υπάρχοντα σωματίδια και τις δυνάμεις. Ερευνητές έθεσαν τώρα νέα όρια σε 132 πιθανές εκδοχές αυτής της αναβάθμισης, ανοίγοντας τον δρόμο για νέα πειράματα στα όρια της γνωστής φυσικής.
Στις αρχές του 20ού αιώνα, ο φυσικός Hendrik Lorentz υποστήριξε ότι τα πειράματα που αφορούν ηλεκτρικά φορτία πρέπει να δίνουν το ίδιο αποτέλεσμα σε όλα τα συστήματα αναφοράς. Αυτό σημαίνει πως τέτοια πειράματα σε ένα δωμάτιο θα έπρεπε να έχουν το ίδιο αποτέλεσμα είτε το δωμάτιο είναι ακίνητο, είτε κινείται με σταθερή ταχύτητα, είτε έχει περιστραφεί κατά κάποια γωνία, όπως συμβαίνει με την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της.
Αργότερα, ο Albert Einstein ενσωμάτωσε αυτή την ιδέα στη θεωρία της ειδικής σχετικότητας. Έτσι, η «συμμετρία Lorentz» κατέλαβε κεντρική θέση στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, που είναι σήμερα η καλύτερη εξήγηση που έχουμε για τη συμπεριφορά όλων των γνωστών σωματιδίων και δυνάμεων, με εξαίρεση τη βαρύτητα.
Μπορούμε να αποκλείσουμε κάποια σωματίδια από τη φυσική;
Ωστόσο, σήμερα γνωρίζουμε φαινόμενα που το καθιερωμένο μοντέλο δεν εξηγεί πλήρως, όπως η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια. Αυτό έχει οδηγήσει τους ερευνητές στην αναζήτηση τρόπων για να το αναβαθμίσουν ή να το τροποποιήσουν.
Ένας πιθανός δρόμος προς ένα νέο μοντέλο ξεκινά από την αναζήτηση νέων κβαντικών πεδίων που παραβιάζουν το επιχείρημα του Lorentz. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, ερευνητές κατέγραψαν όλους αυτούς τους θεωρητικούς υποψήφιους στο λεγόμενο standard model extension (SME), εντοπίζοντας τους 132 που θεωρούνταν πιο πιθανό να εμφανιστούν σε πειράματα του άμεσου μέλλοντος. Τώρα, για πρώτη φορά, ο Jay Tasson από το Carleton College στη Μινεσότα και οι συνεργάτες του υπολόγισαν πόσο ακριβώς θα έπρεπε να αναζητηθούν οι 132 αυτοί υποψήφιοι.
Ο Tasson λέει ότι η αναζήτηση για παραβιάσεις της συμμετρίας Lorentz μοιάζει με την προσπάθεια εντοπισμού μιας ιδιαίτερης κατεύθυνσης στο σύμπαν, έτσι ώστε η κίνηση προς αυτή την κατεύθυνση ή η περιστροφή μέσα από αυτήν να αλλάζει το αποτέλεσμα ενός πειράματος. Αυτό θα ήταν σαν να παρατηρούσε κανείς ότι ένα μολύβι, το οποίο συνήθως πέφτει στο έδαφος όταν το ακουμπά στην κατακόρυφη επιφάνεια της παλάμης του, στην πραγματικότητα παραμένει σε επαφή με το χέρι όταν κινείται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, εξαιτίας της επίδρασης κάποιας νέας δύναμης.
Αν ανακαλυφθεί μια τέτοια κατεύθυνση, αυτό θα έδειχνε έντονα ότι τα υποατομικά σωματίδια αλληλεπιδρούν με ένα μέχρι σήμερα άγνωστο κβαντικό πεδίο, μια οντότητα που εκτείνεται σε όλο τον χώρο και αλληλεπιδρά με κοντινά αντικείμενα, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που γεμίζουν τα σπίτια μας.
Μαθηματικά, η αναζήτηση μοιάζει με παζλ: οι ερευνητές πρέπει να εντάξουν ένα υποθετικό πεδίο, ή περισσότερα, στο καθιερωμένο μοντέλο χωρίς να διαταράξουν τα τμήματα του μοντέλου που έχουν ήδη αποδειχθεί ότι λειτουργούν καλά.
«Το SME είναι ένα είδος πλαισίου δοκιμών για την αναζήτηση επιδράσεων που παραβιάζουν τη Lorentz με ολοκληρωμένο τρόπο σε όλη τη φυσική», λέει ο Tasson. «Παίρνεις το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και προσθέτεις αρκετά επιπλέον στοιχεία που μπορείς να αναζητήσεις σε πειράματα».
Αντί να εξετάσουν όλα τα υποατομικά σωματίδια, ο Tasson και η ομάδα του επικεντρώθηκαν σε επιδράσεις που σχετίζονται με πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Πρόκειται για σωματίδια που αποτελούν όλη την ύλη και εμφανίζονται πιο συχνά σε πειράματα υψηλής ακρίβειας.
Η ειδική σχετικότητα μπορεί να παραμορφώσει τους χημικούς δεσμούς – και τώρα το είδαμε να συμβαίνει
Σύμφωνα με αυτό, η ανάλυσή τους βασίστηκε σε πειράματα με περιστρεφόμενα άτομα ηλίου και καλίου, όπου είχαν μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια οι ιδιότητες των πρωτονίων και των νετρονίων τους, καθώς και σε άλλα πειράματα όπου ηλεκτρόνια μελετήθηκαν μέσα σε ένα εκκρεμές που θεωρητικά θα στρεφόταν, ή θα περιστρεφόταν πάνω στο νήμα του, εξαιτίας κάποιας νέας δύναμης.
Λήφθηκε επίσης υπόψη ότι τα πειράματα αυτά πραγματοποιήθηκαν στη Γη, η οποία περιστρέφεται διαρκώς. Καθώς ο πλανήτης γυρίζει γύρω από τον άξονά του, έχει διαφορετικές ταχύτητες σε διαφορετικές ώρες της ημέρας και σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη, οπότε μια παραβίαση της Lorentz θα μπορούσε να εμφανίζεται σαν ιδιότητα ενός σωματιδίου που αλλάζει με αυτούς τους δύο παράγοντες.
Ο Tasson λέει ότι η μαθηματική μοντελοποίηση και των 132 περιπτώσεων δεν απαίτησε απαραίτητα ασυνήθιστες μαθηματικές τεχνικές, αλλά χρειάστηκε μεγάλη υπομονή. «Το πρόβλημα είναι μεγάλο και η καταγραφή είναι μεγάλη και δύσκολη», λέει. «Αυτή η δουλειά βρισκόταν σε εξέλιξη για περίπου επτά χρόνια και, στην αρχή αυτής της περιόδου, δεν ξέραμε ακριβώς πώς θα κατέληγε».
Πειράματα με άτομα υδρογόνου ίσως αποκαλύψουν σύντομα αν σωματίδια που θεωρούνταν για καιρό απαγορευμένα από τη φυσική υπάρχουν πράγματι
Οι υπολογισμοί αυτοί συνιστούν μια εντυπωσιακή πρόοδο, λέει ο Alan Kostelecky από το Indiana University Bloomington, ο αρχικός εμπνευστής του SME. Τις τελευταίες περίπου τρεις δεκαετίες, πειράματα πολλών ερευνητικών ομάδων βρήκαν τρόπους να μελετήσουν 89 από τις 132 επιδράσεις και ουσιαστικά τις απέκλεισαν. «Αυτό όμως άφησε 43 βασικούς τρόπους με τους οποίους η συμπεριφορά της ύλης θα μπορούσε, θεωρητικά, ακόμη να αποκλίνει από τους νόμους της ειδικής σχετικότητας», λέει.
Το έργο του Tasson και των συνεργατών του, όλοι τους προπτυχιακοί φοιτητές, θέτει όρια στο μέγεθος αυτών των 43 επιδράσεων. Και πάλι, τα όρια βρέθηκαν να είναι πολύ μικρά.
Ο Neil Russell από το Northern Michigan University διατηρεί τον πίνακα αναφοράς των παραβιάσεων της Lorentz και λέει ότι οι προηγούμενες εκδόσεις του είχαν σημαντικά κενά — αυτές τις 43 ανεξερεύνητες παραβιάσεις — τα οποία πλέον καλύφθηκαν. «Οι συγγραφείς έφεραν στο φως έναν θησαυρό νέων πληροφοριών. Ξαφνιάστηκα βλέποντας πόσο εκτεταμένη αποδείχθηκε αυτή η ανάλυση», λέει. «Βρίσκω εντυπωσιακές τις συνέπειες».
Καθώς η νέα ανάλυση έδειξε ότι πολλές από τις επιδράσεις που παραβιάζουν τη Lorentz θα ήταν εξαιρετικά μικρές, ο Russell λέει ότι αυτό ίσως δώσει ώθηση σε νέα πειράματα με πιο ευαίσθητα όργανα.
Ο Tasson λέει ότι μέρος του εγχειρήματος ήταν εξαρχής να εμπνεύσει νέα πειράματα και ότι οποιαδήποτε πειραματική ένδειξη παραβίασης της Lorentz θα ήταν πραγματικά εξαιρετική. Θα μπορούσε τελικά να μας διδάξει κάτι για την οικοδόμηση της επόμενης θεωρίας των πάντων, όπως ορισμένες εκδοχές της θεωρίας χορδών, λέει.
Physical Review Letters DOI: 10.1103/ckyj-bbfl
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
