ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の物理学者は、これまで以上に高いエネルギーで自然の特性を調査し、深遠な何かを発見しました。新しいものではありません.
プロジェクトが最初に構想された 30 年前には、おそらく誰も予測しなかったことの 1 つです。
12 月にデータ プロットで発生した悪名高い「ダイフォトン バンプ」は消失しており、これは革命的な新しい基本粒子ではなく、つかの間の統計的変動であったことを示しています。そして実際、マシンの衝突は、これまでのところ、粒子物理学の長い支配的であるが不完全な「標準モデル」にカタログ化されたものを超える粒子をまったく呼び起こしませんでした.物理学者は、衝突破片の中に暗黒物質を構成する可能性のある粒子、ヒッグス粒子の兄弟やいとこ、余分な次元の兆候、レプトクォークを発見していません。そして、自然の法則がどのように機能するべきかについての深い原則である「自然性」を満たします。
ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の物理学教授であるニマ・アルカニ・ハメドは、次のように述べています。 P>
このニュースは、過去数日間シカゴで開催された高エネルギー物理学に関する国際会議で、ATLAS および CMS 実験によるプレゼンテーションで明らかになりました。その大聖堂のような検出器は、LHC の 17 マイル リングの 6 時と 12 時の位置にあります。それぞれ 3,000 人以上のメンバーを擁する両チームは、過去 3 か月間、以前の動作エネルギーのほぼ 2 倍にアップグレードされた後、最終的にフル スロットルで動作するマシンからの大量のデータを分析するために熱心に取り組んできました。現在、陽子を 13 兆電子ボルト (TeV) のエネルギー (陽子の個々の質量の 13,000 倍以上) で衝突させ、存在する場合に巨大な素粒子を生成するのに十分な原材料を提供します。
これまでのところ、実現したものはありません。多くの人にとって特に心を痛めているのは、ダイフォトン バンプの喪失です。これは、昨年の 13 TeV データのティーザー バッチで発生した過剰なフォトン ペアであり、その起源は理論家による約 500 の論文の推測でした。今年のデータでバンプが消失したという噂が 6 月に漏れ始め、コミュニティ全体で「ダイフォトン ハングオーバー」が発生しました。
メリーランド大学の理論物理学者、Raman Sundrum は、次のように述べています。 「その不在は、私たちを元の場所に戻します。」
新しい物理学の欠如は、2012 年に LHC の最初の実行中に始まった危機を深めています。この危機は、その 8 TeV 衝突が標準モデルを超える新しい物理学を生成しないことが明らかになったときです。 （その年に発見されたヒッグス粒子は、標準モデルの最後のパズルのピースであり、その延長ではありませんでした。）白騎士粒子は、今年後半または来年、または統計が長期間にわたって蓄積されるにつれて、まだ現れる可能性があります。スケール、既知の粒子の動作における微妙な驚きは、新しい物理学を間接的に示唆する可能性があります.しかし、理論家たちは、LHC がより完全な自然理論への道をまったく提供しないという「悪夢のシナリオ」にますます備えています。
一部の理論家は、この分野全体がゼロの結果のメッセージを考慮し始める時がすでに来ていると主張しています。新しい粒子が存在しないということは、ほぼ確実に、物理法則が物理学者が長い間想定していたような自然なものではないことを意味します。 「自然性は非常に意欲的であり、実際にそれが存在しないことは大きな発見です」とサンドラムは言いました。
不足しているピース
物理学者が標準模型だけでは話がまとまらないと確信した主な理由は、その要であるヒッグス粒子が非常に不自然に見える質量を持っているためです。標準モデルの方程式では、ヒッグス粒子は他の多くの粒子と結合しています。この結合により、これらの粒子に質量が与えられ、綱引きの競争相手のように、ヒッグス質量の値を前後に動かすことができます。いくつかの競争相手は非常に強力です — 重力に関連する仮説上の粒子は、ヒッグス質量に 1000 万億 TeV も寄与する (または差し引く) かもしれません — それでも、どういうわけか、その質量は最終的に 0.125 TeV になります。 -戦争はほぼ完全な引き分けで終了します。これはばかげているように思えます — 競合するチームがなぜそれほど均等に一致するのかについて合理的な説明がない限り.
超対称性は、1980 年代初頭に理論家が認識したように、うまく機能します。自然界に存在するすべての「フェルミオン」（ヒッグス質量に追加される電子やクォークなどの物質の粒子）に対して、超対称「ボソン」または力を運ぶ粒子が存在し、ヒッグス質量から減算されます。ヒッグス質量。このようにして、綱引きゲームのすべての参加者は同じ強さのライバルを持ち、ヒッグスは自然に安定します。理論家たちは、どのようにして自然性を達成できるかについて別の提案を考案しましたが、超対称性にはそれを支持する追加の議論がありました.3つの量子力の強さが高エネルギーで正確に収束し、それらが宇宙の始まりに統一されていたことを示唆しています.そしてそれは暗黒物質であるのにちょうどいい質量の不活性で安定した粒子を供給した.
カリフォルニア工科大学の素粒子物理学者で CMS のメンバーでもある Maria Spiropulu は、次のように述べています。 「私の世代の人に聞くと、超対称性を発見していなくてもそこにあると教えられるところだった。私たちはそれを信じていました。」
したがって、既知の粒子の超対称パートナーが現れなかったときの驚きは、最初は 1990 年代の大型電子陽電子衝突型加速器で、次に 1990 年代と 2000 年代初頭のテバトロンで、そして現在は LHC です。コライダーがこれまで以上に高いエネルギーを探索するにつれて、既知の粒子とそれらの仮想のスーパーパートナーとの間のギャップが広がりました。検出を回避するには、はるかに重い必要があります。最終的に、超対称性は非常に「壊れて」しまい、ヒッグス質量に対する粒子とそのスーパーパートナーの効果が相殺されなくなり、超対称性は自然性の問題の解決策として機能しなくなります。一部の専門家は、私たちはすでにその点を通過したと主張しています。他の人たちは、特定の要因をどのように配置するかについてより自由を許し、ATLAS と CMS がストップ クォーク (0.173 TeV のトップ クォークの仮想的なスーパーパートナー) を 1 TeV の質量まで除外して、現在それが起こっていると言います。これは、ヒッグス綱引きのトップとストップの間ですでに 6 倍近くの不均衡になっています。たとえ 1 TeV よりも重いストップが存在したとしても、それが発明された問題を解決するには、ヒッグスを強く引っ張っていることになります。
「1 TeV は心理的な限界だと思います」と、LHC を収容する研究所である CERN の上級研究科学者であり、ベルギーのアントワープ大学の教授でもある Albert de Roeck 氏は述べています。
十分だと言う人もいますが、他の人はまだ抜け穴にしがみついています.標準モデルの無数の超対称拡張の中には、1 TeV よりも重いストップ クォークが追加の超対称粒子と共謀してトップ クォークと釣り合い、ヒッグス質量を調整する、より複雑なバージョンがあります。この理論には非常に多くの変種、つまり個々の「モデル」があるため、完全に無効にすることはほとんど不可能です。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者で、2012 年に CMS 共同研究を代表してヒッグス粒子の発見を発表し、現在はストップ クォーク探索の 1 つをリードしている Joe Incandela は、次のように述べています。 、あなたは何かを見ているというモデルに依存しない声明を出すことができます。何も見えないということは、もう少し複雑です。」
粒子は隅々まで隠れる可能性があります。たとえば、ストップ クォークと最も軽いニュートラリーノ (暗黒物質の超対称性の候補) がほぼ同じ質量を持っている場合、それらはこれまで隠れていた可能性があります。この理由は、ストップ クォークが衝突で生成されて崩壊し、ニュートラリーノが生成されるときに、運動の形をとるために解放されるエネルギーがほとんどないためです。 ATLASのメンバーであるニューヨーク大学のカイル・クランマー氏は、「ストップが崩壊すると、暗黒物質の粒子がそこに座っているだけです」と説明しました。 「あなたはそれを見ません。そのため、これらの地域で探すのは非常に困難です。」その場合、質量が 0.6 TeV 程度のストップ クォークがまだデータに隠れている可能性があります。
実験家たちは、今後数年間でこれらの抜け穴をふさぐか、隠れた粒子を掘り出そうと努力するでしょう。一方、先に進む準備ができている理論家は、進むべき道について自然からの道しるべがないという事実に直面しています。 「非常に混乱した不確実な状況です」と Arkani-Hamed は言いました。
新たな希望
多くの素粒子理論家は現在、長く迫り来る可能性を認めています:ヒッグス粒子の質量は単に不自然であり、その小さな値は宇宙の綱引きゲームにおける偶発的で微調整された相殺に起因するものであり、私たちはそのようなことを観察しています。私たちの生活がそれに依存しているため、独特の財産。このシナリオでは、非常に多くの宇宙があり、それぞれがさまざまな偶然の組み合わせの効果によって形作られています。これらすべての宇宙の中で、偶発的に軽量のヒッグス粒子を持つ宇宙だけが原子の形成を可能にし、生物を生み出します。しかし、この「人為的」な議論は、一見検証不可能に見えるため、広く嫌われています。
過去 2 年間で、何人かの理論物理学者が、人間論的推論の宿命論を回避し、LHC に現れる新しい粒子に依存しない、ヒッグス質量のまったく新しい自然な説明を考案し始めました。先週の CERN では、建物の別の場所にいる実験チームがそのような粒子を求めて忙しくデータを処理している間、理論家たちは緩和仮説などの初期のアイデアを議論するワークショップを開催しました。宇宙の誕生によってダイナミックに彫刻されました - そしてこれらのアイデアをテストする可能な方法.カリフォルニア大学サンタバーバラ校のナサニエル・クレイグは、「ニュートラル・ナチュラルネス」と呼ばれるアイデアに取り組んでおり、CERN ワークショップからの電話で次のように述べています。これは、LHC で明らかに新しい物理現象が見られないことに対処することを目的としています。」
Arkani-Hamed は、最近数人の同僚とともに「Nnaturalness」と呼ばれる別の新しいアプローチを提案しました。次の粒子の詳細ではなく、本当に巨大で構造的なものです。私たちはこのような時代に生きていることをとても幸運に思っています — たとえ私たちの生涯に大きな進歩が確認されていなくても."
理論家が黒板に戻ると、CMS と ATLAS を使用する 6,000 人の実験家が、これまで未知の領域の探索に夢中になっています。 「ナイトメア、どういう意味？」スピロプルは、悪夢のようなシナリオに対する理論家の不安に言及して言った。 「私たちは自然を探求しています。データが殺到し、非常に興奮しているため、そのような悪夢について考える時間がないのかもしれません。」
新しい物理学が現れるという希望がまだあります。しかし、スピロプルの見解では、何も発見しないことは、まったく同じ発見です。 「実験者には宗教はありません」と彼女は言いました。
一部の理論家は同意します。失望の話は「クレイジーな話」だとアルカニ・ハメドは言った。 「まさに自然！私たちは答えを学んでいます！この 6,000 人が尻をつぶしているのに、あなたは欲しかったロリポップを手に入れられなかったので、小さな子供のように口をとがらしているのですか?」
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