Կոլայդերային ճգնաժամ

PanARMENIAN.Net - Փորձարարական ֆիզիկան հասել է մի կետի, երբ անհայտ է, թե որ ուղղությամբ է անհրաժեշտ շարժվել, իսկ տեսական ֆիզիկայով զբաղվող մասնագետների շրջանում կոնսենսուս գոյություն չունի. այս իրավիճակում նոր գերթանկարժեք գործիքներ ստեղծելը, երբ չգիտես, թե ուր նայել, նման է մութ սենյակում սև կատու որոնելուն։

Իսահակ Նյուտոնը ձևակերպեց դասական մեխանիկայի իր էլեգանտ սկզբունքները, ապա՝ Ջեյմս Քլարկ Մաքսվելը հայտնաբերեց էլեկտրամագնիսականության բանաձևերը։ Արդեն 20-րդ դարի սկզբին Ալբերտ Էյնշթեյնն ընդհանրացրեց նյուտոնյան մեխանիկան մեծ արագությունների ու գրավիտացիայի համար, իսկ մի խումբ հանճարեղ երիտասարդ գիտնականներ գտան քվանտային մեխանիկայի տարօրինակ աշխարհը։ Մինչև 20-րդ դարի վերջը ֆիզիկան տեսաբանների գրչի տակից անընդհատ դուրս եկող ու փորձարարների ուժերով հաստատվող կուռ տեսությունների ժամանակաշրջան էր, երբ գրեթե ամեն ինչ բացատրելի էր։ Մի փոքր ռոմանտիզացնելով այդ ժամանակաշրջանը՝ կարող ենք ասել, որ անխտիր բոլոր ֆիզիկոսները համոզված էին, որ Տիեզերքը գործում է ինչ-որ կոնկրետ մեխանիզմով, «գլխավոր բանաձևով», որովհետև այլ կերպ լինել չէր կարող. միակ խնդիրն այդ բանաձևը գտնելն էր։

Հետո սկսվեցին տարօրինակությունները։ Առաջինը՝ մարդու երկու լավագույն գիտական կոնստրուկցիաները՝ հարաբերականության ընդհանուր տեսությունն ամենամեծ մասշտաբների մասին ու քվանտային մեխանիկան, որը նկարագրում էր փոքրագույն մասշտաբները, ոչ մի կերպ չէին ցանկանում միավորվել։ Երկու տեսությունները հիանալի նկարագրում էին իրենց կիրառելիության սահմանների երևույթները, սակայն անիմաստ պատասխան էին տալիս միավորման փորձ անելիս։ Խնդիրը նրանում էր, որ ՀԸՏ-ն նկարագրում էր կորացող ու դինամիկ տարածություն-ժամանակը, իսկ քվանտային մեխանիկան սահմանված էր հարթ տարածություն-ժամանակում, իսկ տարածություն-ժամանակը քվանտային մեխանիկայի եղանակով նկարագրելու փորձերը հանգեցնում էին անվերջությունների։ Մյուս կողմից, «գլխավոր բանաձևը» գտնելն ուղղակի պահանջում էր երկու մեծ տեսությունների միավորում. քվանտային մեխանիկան (ավելի ճիշտ՝ դաշտի քվանտային տեսությունը) արդեն հաջողությամբ նկարագրել էր չորս ֆունդամենտալ փոխազդեցություններից երեքը՝ էլեկտրամագնիսականությունը, ուժեղ ու թույլ փոխազդեցությունները, սակայն գրավիտացիան, որը հենց ՀԸՏ տիրույթում էր, քվանտավորել չէր հաջողվում։ Իհարկե, մի տեսությունը նկարագրում է շատ մեծ մասշտաբներ, իսկ մյուսը՝ շատ փոքր, ու կարող է տպավորություն առաջանալ, որ դրանց միավորումն անիմաստ է։ Սակայն էքստրեմալ գրավիտացիայի պայմաններում, օրինակ՝ սև խոռոչում կամ Տիեզերքի առաջացման պահին, երբ այն չափազանց փոքր էր, պետք է ուժի մեջ մտնեն գրավիտացիայի հենց քվանտային հատկությունները։

Մեծ ադրոնային կոլեյդերի Atlas դետեկտորը

Խնդիրը, սակայն, միայն դրանով չէր սահմանափակվում։ Տարրական մասնիկների լավագույն տեսությունը՝ Ստանդարտ մոդելը, որը նկարագրում է երեք փոխազդեցությունների հետ կապված բոլոր մասնիկները, բաղկացած է մոտ 30 անկախ պարամետրերից, որոնք դուրս են բերվել ոչ թե տեսությունից, այլ հայտնաբերվել են գիտափորձերի արդյունքում։ Տեսությունն ի վիճակի չէ բացատրել այդ պարամետրերի արժեքները, ինչպես նաև այն, թե ինչու են տարբեր փոխազդեցությունների էներգետիկ մասշտաբները միմյանցից մի քանի կարգով տարբերվում (այսպես կոչված՝ հիերարխիայի խնդիրը)։ Ավելի ուշ հայտնաբերված մութ նյութի ու մութ էներգիայի հանելուկներն էլ ավելի խորացրին առկա խնդիրները։ Բոլորի համար հասկանալի էր, որ պետք է գոյություն ունենա մինչ այժմ անհայտ «նոր ֆիզիկա», որն էլ կլուծի բոլոր այդ խնդիրները։

Որքան մեծ ու լայնամասշտաբ է խնդիրը ֆունդամենտալ ֆիզիկայում, այնքան շատ են տեսաբանների կողմից դրանց լուծման համար առաջարկվող մոդելները, սակայն փորձարարական ստուգումը նման լայն հնարավորություններ չի տալիս։ Օրինակ, երկու տարբեր մոդելների ստուգման համար կարող են անհրաժեշտ լինել լրիվ տարբեր սկզբունքներով աշխատող երկու տարբեր կոլայդեր, որոնցից յուրաքանչյուրի արժեքը մի քանի միլիարդ դոլար է։ Այդ իսկ պատճառով, ֆիզիկական հանրությունն ընտրում է առաջարկվող մոդելներից ամենահեռանկարայինները. այս պարագայում լուծումը տեսնում էին սուպերսիմետրիկ մոդելների մեջ։

Սուպերսիմետրիան սկսվեց այն ժամանակ, երբ մասնագետների մի խումբ ջանքեր էր գործադրում ՀԸՏ-ն ու քվանտային մեխանիկան միավորելու ուղղությամբ։ Արդյունքում ծնվեց ունիկալ մաթեմատիկական մոդել՝ սահմանված ոչ թե մեզ հայտնի քառաչափ տարածություն-ժամանակում, այլ, սկզբում 9-չափ, ապա՝ 10-չափ, ընդ որում, մնացած չափումները միկրոսկոպիկ էին ու չդիտարկվող. այս մոդելը ստացավ Լարերի տեսություն անվանումը, ու հետագա տարիներին այն սահմանվեց միանգամից մի քանի տարբերակով, որոնք էլ հետագայում միավորվեցին 11-չափ M-տեսության մեջ. վերջինը ֆիզիկոսների փնտրած «ամեն ինչի տեսության» գլխավոր հավակնորդն էր։

Մեծ ադրոնային կոլայդերի մոդելը

Չնայած իր մաթեմատիկական էլեգանտությանը, Լարերի տեսությունն ունի մեկ անլուծելի խնդիր. քանի որ տեսությունը կիրառելի է չափազանց փոքր մասշտաբներում, մարդկության համար սկզբունքորեն անհնարին է կառուցել այնպիսի հզորության կոլայդեր, որը կկարողանա ստուգել մոդելի կանխատեսումները։ Սակայն ի ուրախություն ֆիզիկոսների, տեսության որոշ կանխատեսումներ հնարավոր էր ստուգել հասանելի էներգիաներում, ու այդ կանխատեսումներից գլխավորը սուպերսիմետրիան էր։

Սուպերսիմետրիկ մոդելները, ինչպես երևում է անվանումից, ենթադրում են, որ գոյություն ունի ֆունդամենտալ սիմետրիա տարրական մասնիկների ընտանիքների՝ բոզոնների ու ֆերմիոնների միջև, որոնք միմյանցից տարբերվում են իրենց սփինով։ Սուպերսիմետրիան ենթադրում է, որ յուրաքանչյուր տարրական մասնիկ ունի իր կոմպանիոն մասնիկը մյուս ընտանիքից, եթե ավելի պարզ՝ բոզոնները (փոխազդեցության մասնիկները) կարող են վերածվել ֆերմիոնների (նյութի մասնիկների) և հակառակը։ Սուպերսիմետրիկ լավագույն մոդելների հայտնաբերումը հատկապես Մեծ ադրոնային կոլայդերի ներկայիս էներգետիկ մասշտաբներում լրիվ հնարավոր էր, իսկ հայտնաբերման փաստը ոչ միայն կնշանակեր «նոր ֆիզիկայի» բացահայտում ու հիերարխիայի խնդրի լուծում, այլև՝ Լարերի տեսության անուղղակի աջակցություն։

Էլեմենտար մասնիկների ստանդարտ մոդելի կազմը

Ցավոք, կոլայդերի աշխատանքն առավելագույն հզորության պայմաններում այդպես էլ չհայտնաբերեց սուպերսիմետրիայի նշաններ, իսկ շատ հեռանկարային մոդելներ ուղղակի հերքվեցին։ Իհարկե, կարող են լինել մոդելներ, որոնց հաստատման համար անհրաժեշտ են ավելի բարձր էներգիաներ, սակայն անհաջողությունները սթափեցրին շատ ֆիզիկոսների էնտուզիազմը, ու գնալով ավելի ու ավելի շատ մասնագետներ համարում են, որ, միգուցե, սուպերսիմետրիան սխալ մոդել էր։ Մյուս կողմից, նույն Լարերի տեսությունը կանխատեսում է, որ դիտարկելի Տիեզերքի ֆիզիկական պարամետրերի արժեքները կարող են լինել ոչ թե ֆունդամենտալ, այլ իրենցից ներկայացնել ընդամենը էկոլոգիական առանձնահատկություն։ Նույն կերպ նախկինում գիտնականները փորձում էին բացատրել մոլորակների ուղեծրերը որպես ֆունդամենտալ ֆիզիկական օրենք, մինչև չհասկացան, որ դրանք պատահական սկզբնական պայմանների արդյունք են։ Նոր մոտեցումը պնդում է, որ ֆիզիկական պարամետրերի արժեքները դիտարկելի Տիեզերքում նույնպես ունեն պատահական բաշխում ու կարող են տարբերվել գլոբալ, մեծ Տիեզերքի (կամ Մուլտիտիեզերքի) մյուս մասերում։ Հետևաբար, պետք չէ դրանց համար բացատրություն փնտրել։

Ստանդարտ մոդելի մասնիկներն ու դրանց սուպերսիմետրիկ կոմպանիոնները

Սուպերսիմետրիան չգտնելը ֆունդամենտալ ֆիզիկան կանգնեցրեց նոր ջրբաժանի առաջ, ու հիմա մասնագետները պետք է կրկին կոնսենսուսի գան այն հարցում, թե առաջարկվող որ մոդելներն են առավել հեռանկարային՝ նոր կոլայդեր կառուցելու համար։ Ի վերջո, հարյուրավոր առաջարկվող մոդելներից յուրաքանչյուրի ստուգման համար մեկական կոլայդերի կառուցումն անհնարին է։