Ο φυσικός Howard Georgi του Χάρβαρντ έχει βαλθεί να μας γνωρίσει έναν τελείως άγνωστο τύπο της ύλης. Οι περισσότεροι από μας είναι εξοικειωμένοι με τη γνωστή βαρυονική ύλη - τη συνηθισμένη ουσία, όπως είναι οι πίνακες, οι καρέκλες, τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια. Πολλοί φυσικοί περνούν τις ημέρες τους κυνηγώντας μια άλλη ύλη, άγνωστη μέχρι τώρα, όπως είναι τα μποζόνια Higgs και τα σωματίδια που αποτελούν τη σκοτεινή ύλη. Αλλά ο Georgi έχει πάει ένα βήμα παραπάνω. Στον κόσμο μιας τελείως άγνωστης ύλης, ενός εξ ολοκλήρου νέου τύπου ύλης αντίθετη από οτιδήποτε έχουμε αντιμετωπίσει μέχρι τώρα. Και την ονομάζει unparticle (μη σωματίδιο).
Τα unparticles είναι δύσκολοι πελάτες. Παραβιάζοντας όλους τους κανόνες που περιορίζουν τα κανονικά σωματίδια, μπορούν να αλλάξουν ταυτότητα και μεταμφιέζονται σαν να είναι τμήματα των σωματιδίων. "Είναι πολύ δύσκολο να βρεθούν ακόμη και οι λέξεις για να περιγράψουν τι είναι αυτά τα unparticles, επειδή είναι τόσο αντίθετα από τα συνηθισμένα," τονίζει ο Georgi. Εάν οι ιδέες του είναι σωστές, τα unparticles υπάρχουν γύρω μας. Θα μπορούσαν ακόμη και να εκκρίνουν τη δική τους μη-βαρυτική (ungravity) δύναμη, η οποία θα μπορούσε να αντικαταστήσει ακόμη και τη σκοτεινή ύλη σαν ένας τρόπος να εξηγήσουμε μερικά από τα μυστήρια του σύμπαντος.
Τα unparticles μπορεί να προκαλούν τις αισθήσεις μας, όμως τον Georgi αξίζει να τον πάρουμε σοβαρά. Ήταν μεταξύ των πρώτων θεωρητικών που πρότειναν ότι οι τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις στη φύση μπορεί να ενωθούν σε μια ενιαία υπερ-δύναμη, που περιγράφεται από μια "Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία". Ο ίδιος καινοτόμησε με την υπερσυμμετρία, μια θεωρία που πρότεινε το 1981 μαζί με τον Σάββα Δημόπουλο στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, στην οποία κάθε γνωστό σωματίδιο έχει έναν βαρύτερο, αλλά ακόμα απαρατήρητο "υπερσυνεργάτη". Ήταν, επίσης, μεταξύ των αρχιτεκτόνων της κβαντικής χρωμοδυναμικής, τη θεωρία που περιγράφει την ισχυρή πυρηνική δύναμη που δρα μέσα στους πυρήνες.
Άλλοι φυσικοί τον ακούνε βεβαίως με προσοχή. Όταν ο Georgi έκανε την ιδέα του γνωστή το Μάρτιο του 2007, προκάλεσε μια πλημμύρα ερευνητικής δραστηριότητας. Περισσότερα από 95 εργασίες έχουν γραφτεί μέχρι τώρα ερευνώντας τις ιδιαίτερες όψεις των unparticles - ένα επίπεδο έρευνας για ένα αντικείμενο που δεν έχει φανεί από το 1998, όταν οι θεωρητικοί συμπεριλαμβανομένου και του Δημόπουλου πρότειναν ότι οι πρόσθετες διαστάσεις θα μπορούσαν να είναι αρκετά μεγάλες για να ανιχνευτούν. "Τα unparticles είναι μια τέτοια νέα ιδέα," λέει ο Pran Nath στο Βορειοανατολικό Πανεπιστήμιο στη Βοστώνη. "Αυτά διεγείρουν τους ανθρώπους επειδή είναι απολύτως διαφορετικά από οτιδήποτε ο καθένας μας έχει δει μέχρι τώρα."
Μπορούμε να επισημάνουμε τα unparticles σύντομα;
Σύμφωνα με τον Howard Georgi, θα μπορούσαν να κάνουν μια αιφνιδιαστική εμφάνιση στις συγκρούσεις στο Μεγάλο Αδρονικό Συγκρουστή μεταξύ σωματιδίων (LHC), που θα ανοίξει στο CERN. "Στο μυαλό μου, τα unparticles θα είναι ακόμα πιο εντυπωσιακή ανακάλυψη από την υπερσυμμετρία ή τις πρόσθετες διαστάσεις," πιστεύει ο Georgi. "Η ουσία των unparticle θα μας καταπλήξτε άμεσα."
Ο Georgi βεβαίως δεν σκόπευε να βρει μια νέα μορφή της ύλης. Αναρωτιόταν εάν μπορούσε να μας παρουσιαστεί τίποτα νέο στο LHC, που θα ήταν εντυπωσιακά διαφορετικό από αυτό που έχει προβλεφθεί μέχρι τώρα. Μια από τις μεγάλες ελπίδες για τον LHC είναι ότι να έρθει με μερικές ανακαλύψεις που θα μας βοηθήσουν να ενημερώσουμε ή να αντικαταστήσουμε τις μέχρι τώρα περιγραφές των σωματιδίων που αποτελούν την ύλη και τις δυνάμεις που τα συγκολλούν στους πυρήνες. Η θεωρία αυτή, γνωστή ως καθιερωμένο μοντέλο, έχει λειτουργήσει πολύ καλά, έχει όμως και πολλές ανεπάρκειες, και αυτό έχει οδηγήσει τους ερευνητές να κατασκευάσουν διάφορα θεωρητικά πλαίσια, συμπεριλαμβανομένης και της υπερσυμμετρίας, ως τις πιθανές αντικαταστάσεις του καθιερωμένου μοντέλου.
Ο Georgi θέλησε να ξέρει ποιες ανακαλύψεις θα ήταν πιθανό να παραγάγει κάθε θεωρία στα πειράματα του LHC. "Πολλές θεωρίες έχουν μελετηθεί για πολύ καιρό με τη βοήθεια των μαθηματικών," διευκρινίζει ο Georgi, "αλλά κανένας δεν είχε εξετάσει τις συνέπειες."
Ο Georgi εμπνεύστηκε από την εργασία που είχε γίνει από τον πανεπιστημιακό φυσικό Kenneth Wilson του Cornell, ο οποίος είναι ειδικός στην περιγραφή του πλήθους των ατόμων μέσα στα στερεά και τις αλληλεπιδράσεις τους χρησιμοποιούντας τα κβαντομηχανικά πεδία. Ο Wilson έδειξε ότι ορισμένα φαινόμενα στα μαγνητικά υλικά μπορούν να εξηγηθούν από έναν ιδιαίτερο τύπο κβαντικής θεωρίας πεδίου, όπου οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων έχουν την ίδια δύναμη σε όλες τις κλίμακες. Με αυτή την οξυδέρκεια του κέρδισε το βραβείο Νόμπελ του 1982 για τη φυσική.
Τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια και τα παρόμοια σωματίδια περιγράφονται από τα κβαντικά πεδία, επίσης. Έτσι, ο Georgi αναρωτήθηκε αν θα μπορούσε το ίδιο τέχνασμα που χρησιμοποίησε ο Wilson να προβλέψει κάτι νέο στη φυσική των σωματιδίων;
Ο Georgi εμπνεύστηκε από την εργασία που είχε γίνει από τον πανεπιστημιακό φυσικό Kenneth Wilson του Cornell, ο οποίος είναι ειδικός στην περιγραφή του πλήθους των ατόμων μέσα στα στερεά και τις αλληλεπιδράσεις τους χρησιμοποιούντας τα κβαντομηχανικά πεδία. Ο Wilson έδειξε ότι ορισμένα φαινόμενα στα μαγνητικά υλικά μπορούν να εξηγηθούν από έναν ιδιαίτερο τύπο κβαντικής θεωρίας πεδίου, όπου οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων έχουν την ίδια δύναμη σε όλες τις κλίμακες. Με αυτή την οξυδέρκεια του κέρδισε το βραβείο Νόμπελ του 1982 για τη φυσική.
Τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια και τα παρόμοια σωματίδια περιγράφονται από τα κβαντικά πεδία, επίσης. Έτσι, ο Georgi αναρωτήθηκε αν θα μπορούσε το ίδιο τέχνασμα που χρησιμοποίησε ο Wilson να προβλέψει κάτι νέο στη φυσική των σωματιδίων;
Εκ πρώτης όψεως, η απάντηση είναι όχι. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, οι δυνάμεις που εξουσιάζουν τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων είναι διάφορες σε διαφορετικές κλίμακες. Παραδείγματος χάριν, στον πυρήνα υπάρχει η ισχυρή πυρηνική δύναμη που αναγκάζει τα κουάρκ να είναι μαζί. Η βαρύτητα εκεί μέσα είναι τελείως ασήμαντη. Όμως έξω στον κόσμο μας η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι τελείως ασήμαντη σε σύγκριση με τη βαρυτική δύναμη. Αυτά τα παραδείγματα δείχνουν ένα από τα κύρια εμπόδια ώστε να μην μπορούμε να ενοποιήσουμε τις τέσσερις κύριες δυνάμεις σε ένα ενιαίο πεδίο.
Δεν είμαστε βέβαια κολλημένοι με το Καθιερωμένο Μοντέλο. Οι φυσικοί έχουν δείξει σε τροποποιημένες εκδόσεις του καθιερωμένου μοντέλου, συμπεριλαμβανομένων μερικών υπερσυμμετρικών θεωριών, ότι οι δυνάμεις μπορούν να έχουν την ίδια ισχύ σε διαφορετικές κλίμακες, τουλάχιστον σε μερικές περιοχές αποστάσεων. Όταν ο Georgi εξέτασε τις ιδιότητες των πεδίων σε αυτές τις θεωρίες, έκανε όπισθεν. Ανακάλυψε ότι τα πεδία περιγράφουν οντότητες που δεν μοιάζουν σε τίποτα με τα κανονικά σωματίδια. Στην πραγματικότητα, συμπεριφέρθηκαν με τρόπους που δεν είχε δει ποτέ πριν, έτσι τα βάπτισε unparticles.
Αρχικά, ο Georgi δεν πίστεψε στα συμπεράσματά του. "Σκέφτηκα ότι ήμουν τρελός," θυμάται. "Ήταν τόσο ενδιαφέρον αποτέλεσμα. Νόμιζα πως είτε έκανα λάθος είτε ότι ο καθένας την είχα δει πριν." Άλλοι φυσικοί, εντούτοις, επιβεβαίωσαν ότι αυτός δεν είχε αυταπάτες: τα unparticles ήταν πράγματι κάτι εξ ολοκλήρου νέο.
Δεν είμαστε βέβαια κολλημένοι με το Καθιερωμένο Μοντέλο. Οι φυσικοί έχουν δείξει σε τροποποιημένες εκδόσεις του καθιερωμένου μοντέλου, συμπεριλαμβανομένων μερικών υπερσυμμετρικών θεωριών, ότι οι δυνάμεις μπορούν να έχουν την ίδια ισχύ σε διαφορετικές κλίμακες, τουλάχιστον σε μερικές περιοχές αποστάσεων. Όταν ο Georgi εξέτασε τις ιδιότητες των πεδίων σε αυτές τις θεωρίες, έκανε όπισθεν. Ανακάλυψε ότι τα πεδία περιγράφουν οντότητες που δεν μοιάζουν σε τίποτα με τα κανονικά σωματίδια. Στην πραγματικότητα, συμπεριφέρθηκαν με τρόπους που δεν είχε δει ποτέ πριν, έτσι τα βάπτισε unparticles.
Αρχικά, ο Georgi δεν πίστεψε στα συμπεράσματά του. "Σκέφτηκα ότι ήμουν τρελός," θυμάται. "Ήταν τόσο ενδιαφέρον αποτέλεσμα. Νόμιζα πως είτε έκανα λάθος είτε ότι ο καθένας την είχα δει πριν." Άλλοι φυσικοί, εντούτοις, επιβεβαίωσαν ότι αυτός δεν είχε αυταπάτες: τα unparticles ήταν πράγματι κάτι εξ ολοκλήρου νέο.
Οι παράξενες ιδιότητες
Όμως τι κάνει τα unparticles να είναι ένα νέο είδος ύλης; Για ένα πράγμα, δεν έχουν καμία καθορισμένη μάζα. Ξέραμε παλιά για τη συνηθισμένη ύλη ότι έχει στάνταρτ μάζα. Ο Einstein ανέτρεψε αυτά τα συναισθήματα της ασφάλειάς μας για αυτό με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, που έδειξε ότι η μάζα ενός αντικειμένου εξαρτάται από την κίνησή της και γίνεται μεγαλύτερη όσο πιο κοντά είναι η ταχύτητα του στην ταχύτητα του φωτός. Αλλά σε γενικές γραμμές ξέρουμε ακόμα πώς να μιλάμε για τα διάφορα σωματίδια χάρις στο γεγονός ότι έχουν μια καθορισμένη μάζα όταν είναι ακίνητα. Ακόμη και η εμφάνιση της κβαντομηχανικής, που μας είπε ότι τα σωματίδια μπορεί μερικές φορές να παριστάνουν τα κύματα, δεν ήταν αρκετό για να τινάξουν την πεποίθηση ότι τα σωματίδια μπορούν τελικά να αναγνωριστούν από τη μάζα τους.
Τα unparticles είναι κάτι εξ ολοκλήρου διαφορετικό. Ένα unparticle δεν έχει μια ιδιαίτερη μάζα, αλλά μπορεί να πάρει οποιαδήποτε πιθανή μάζα ή να έχει όλες τις πιθανές μάζες συγχρόνως, ανάλογα με το πώς το εξετάζετε. Αυτό ακούγεται παράξενο, αλλά ο καθένας που έχει προσπαθήσει να μετρήσει το μήκος μιας ακτής έχει δει ένα παρόμοιο φαινόμενο. Εάν προσπαθήσετε να ανακαλύψετε πόσο μήκος έχει μια ακτή, θα πάρετε διαφορετική απάντηση ανάλογα με το πόσο κοντά την εξετάζετε και το μέγεθος του χάρακα της μέτρησης χρησιμοποιείτε. Αν κάνετε ζουμ μέσα σε μια οδοντωτή ακτή αποκαλύπτεται μια ολοένα και πιο λεπτή λεπτομέρεια, πρώτα οι κόλποι και τα λιμάνια, και έπειτα οι μικρότεροι όρμοι, οι γωνίες και οι σχισμές. Κάθε φορά που προσπαθείτε να πάρετε όλες αυτές τις πρόσθετες λεπτομέρειες υπόψη σας, το γενικό μήκος της ακτής εμφανίζεται να αυξάνεται.
Ο λόγος που οι ακτές, με τις οδοντωτές άκρες τους, δεν έχουν ένα καθορισμένο μήκος είναι επειδή είναι παραδείγματα φράκταλ. Δεν έχει σημασία πόσο μεγενθύνεται ένα fractal, βλέπετε πάντα λίγο πολύ το ίδιο σχέδιο - στην περίπτωση της ακτής, άλλη οδοντωτή άκρη. Το σχέδιο είναι το ίδιο οποιοσδήποτε είναι η κλίμακα - τα fractals είναι "αμετάβλητα κλίμακας".
Κάτω από τη σταθερότητα της κλίμακας, η ύλη χάνει όλη την αίσθηση της προοπτικής, και η απόσταση δεν είναι πλέον σημαντική, λέει ο Francesco Sannino του Ινστιτούτου Niels Bohr, που έχει μελετήσει επίσης τα unparticles.
Αυτό έχει μια αξιοπρόσεκτη επίδραση στην ισχύ της δύναμης που συγκρατεί μαζί τα unparticles. Ο Sannino το παρομοιάζει με το να είσαι σε θέση να ακουστεί ένας ήρεμος ψίθυρος τόσο εύκολα όσο και μια δυνατή ομιλία. "Στον κανονικό κόσμο, εάν δύο άνθρωποι κάθονται σε διαφορετικές χώρες και θέλουν να έχουν μια συνομιλία, πρέπει να χρησιμοποιήσουν ένα τηλέφωνο, "λέει. "Αλλά σε έναν κόσμο αμετάβλητης κλίμακας, ακόμα κι αν απέχουν 2.000 χιλιόμετρα θα μπορούσαν να μιλήσουν ο ένας στον άλλο σαν να απέχουν μόνο 2 μέτρα."
Μπορούν να υπάρξουν διαφορετικοί τύποι ειδών unparticle, ακριβώς όπως υπάρχουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Εντούτοις, μέσα σε κάθε είδος όλα τα unparticles είναι περίπλοκα συνδεμένα λόγω της αμείωτης αλληλεπίδρασής τους. Σκεφτείτε ένα unparticle σαν μια άπειρη αλυσίδα ή σαν ένα συνεχώς αναπτυσσόμενο πύργο σωματιδίων με διαφορετικές μάζες, διευκρινίζει ο Georgi. "Αλλά δεν μπορείτε ποτέ να τραβήξετε ένα από αυτά τα σωματίδια από τον πύργο."
Αυτό σκορπίζει όλεθρο με το Καθιερωμένο Μοντέλο και την ειδική θεωρία της σχετικότητας, που με βάση τη διάσημη εξίσωσή του E = mc2, η ταχύτητα ενός σωματιδίου περιορίζεται από την ποσότητα της ενέργειας που έχει. Ένα unparticles δεν είναι απαραίτητο να υπακούσει σε αυτόν τον κανόνα. Για κάθε μάζα μπορείτε να σκεφτείτε ότι, υπάρχει ένα κομμάτι του πύργου με unparticle που μοιάζει με ένα κανονικό σωματίδιο με οποιαδήποτε ενέργεια που θέλετε, λέει ο Georgi. Αυτή η παράξενη ιδιότητα σημαίνει ότι τα unparticles θα μπορούσαν να φανερωθούν με περίεργους τρόπους στο LHC στη Γενεύη.
Πώς το ξέρουμε; τα unparticles αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη, κι έτσι δεν θα άφηναν κανένα ίχνος σε έναν ανιχνευτή. Ακόμα οι φυσικοί σωματιδίων έχουν ήδη τρόπους να ανιχνεύσουν σημάδια από αόρατα σωματίδια που παράγονται στις συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων στους επιταχυντές. Παραδείγματος χάριν, αυτοί μπορούν να ξεχωρίσουν την παρουσία άλλων φανταστικών σωματιδίων, που λέγονται νετρίνα, επειδή μεταφέρουν ενέργεια και ορμή. Όταν οι ερευνητές υπολογίζουν την ενέργεια και την ορμή όπως μετρήθηκαν στους ανιχνευτές τους και βρουν ότι κάποια να λείπει, τότε το αποδίδουν συνήθως στην παρουσία των νετρίνων.
Τα unparticles είναι κάτι εξ ολοκλήρου διαφορετικό. Ένα unparticle δεν έχει μια ιδιαίτερη μάζα, αλλά μπορεί να πάρει οποιαδήποτε πιθανή μάζα ή να έχει όλες τις πιθανές μάζες συγχρόνως, ανάλογα με το πώς το εξετάζετε. Αυτό ακούγεται παράξενο, αλλά ο καθένας που έχει προσπαθήσει να μετρήσει το μήκος μιας ακτής έχει δει ένα παρόμοιο φαινόμενο. Εάν προσπαθήσετε να ανακαλύψετε πόσο μήκος έχει μια ακτή, θα πάρετε διαφορετική απάντηση ανάλογα με το πόσο κοντά την εξετάζετε και το μέγεθος του χάρακα της μέτρησης χρησιμοποιείτε. Αν κάνετε ζουμ μέσα σε μια οδοντωτή ακτή αποκαλύπτεται μια ολοένα και πιο λεπτή λεπτομέρεια, πρώτα οι κόλποι και τα λιμάνια, και έπειτα οι μικρότεροι όρμοι, οι γωνίες και οι σχισμές. Κάθε φορά που προσπαθείτε να πάρετε όλες αυτές τις πρόσθετες λεπτομέρειες υπόψη σας, το γενικό μήκος της ακτής εμφανίζεται να αυξάνεται.
Ο λόγος που οι ακτές, με τις οδοντωτές άκρες τους, δεν έχουν ένα καθορισμένο μήκος είναι επειδή είναι παραδείγματα φράκταλ. Δεν έχει σημασία πόσο μεγενθύνεται ένα fractal, βλέπετε πάντα λίγο πολύ το ίδιο σχέδιο - στην περίπτωση της ακτής, άλλη οδοντωτή άκρη. Το σχέδιο είναι το ίδιο οποιοσδήποτε είναι η κλίμακα - τα fractals είναι "αμετάβλητα κλίμακας".
Κάτω από τη σταθερότητα της κλίμακας, η ύλη χάνει όλη την αίσθηση της προοπτικής, και η απόσταση δεν είναι πλέον σημαντική, λέει ο Francesco Sannino του Ινστιτούτου Niels Bohr, που έχει μελετήσει επίσης τα unparticles.
Αυτό έχει μια αξιοπρόσεκτη επίδραση στην ισχύ της δύναμης που συγκρατεί μαζί τα unparticles. Ο Sannino το παρομοιάζει με το να είσαι σε θέση να ακουστεί ένας ήρεμος ψίθυρος τόσο εύκολα όσο και μια δυνατή ομιλία. "Στον κανονικό κόσμο, εάν δύο άνθρωποι κάθονται σε διαφορετικές χώρες και θέλουν να έχουν μια συνομιλία, πρέπει να χρησιμοποιήσουν ένα τηλέφωνο, "λέει. "Αλλά σε έναν κόσμο αμετάβλητης κλίμακας, ακόμα κι αν απέχουν 2.000 χιλιόμετρα θα μπορούσαν να μιλήσουν ο ένας στον άλλο σαν να απέχουν μόνο 2 μέτρα."
Μπορούν να υπάρξουν διαφορετικοί τύποι ειδών unparticle, ακριβώς όπως υπάρχουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Εντούτοις, μέσα σε κάθε είδος όλα τα unparticles είναι περίπλοκα συνδεμένα λόγω της αμείωτης αλληλεπίδρασής τους. Σκεφτείτε ένα unparticle σαν μια άπειρη αλυσίδα ή σαν ένα συνεχώς αναπτυσσόμενο πύργο σωματιδίων με διαφορετικές μάζες, διευκρινίζει ο Georgi. "Αλλά δεν μπορείτε ποτέ να τραβήξετε ένα από αυτά τα σωματίδια από τον πύργο."
Αυτό σκορπίζει όλεθρο με το Καθιερωμένο Μοντέλο και την ειδική θεωρία της σχετικότητας, που με βάση τη διάσημη εξίσωσή του E = mc2, η ταχύτητα ενός σωματιδίου περιορίζεται από την ποσότητα της ενέργειας που έχει. Ένα unparticles δεν είναι απαραίτητο να υπακούσει σε αυτόν τον κανόνα. Για κάθε μάζα μπορείτε να σκεφτείτε ότι, υπάρχει ένα κομμάτι του πύργου με unparticle που μοιάζει με ένα κανονικό σωματίδιο με οποιαδήποτε ενέργεια που θέλετε, λέει ο Georgi. Αυτή η παράξενη ιδιότητα σημαίνει ότι τα unparticles θα μπορούσαν να φανερωθούν με περίεργους τρόπους στο LHC στη Γενεύη.
Πώς το ξέρουμε; τα unparticles αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη, κι έτσι δεν θα άφηναν κανένα ίχνος σε έναν ανιχνευτή. Ακόμα οι φυσικοί σωματιδίων έχουν ήδη τρόπους να ανιχνεύσουν σημάδια από αόρατα σωματίδια που παράγονται στις συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων στους επιταχυντές. Παραδείγματος χάριν, αυτοί μπορούν να ξεχωρίσουν την παρουσία άλλων φανταστικών σωματιδίων, που λέγονται νετρίνα, επειδή μεταφέρουν ενέργεια και ορμή. Όταν οι ερευνητές υπολογίζουν την ενέργεια και την ορμή όπως μετρήθηκαν στους ανιχνευτές τους και βρουν ότι κάποια να λείπει, τότε το αποδίδουν συνήθως στην παρουσία των νετρίνων.
Ανορθόδοξα γεγονότα
Τα πράγματα θα φανούν ακόμα πιο παράξενα εάν παραχθούν τα unparticles. Όταν οι ερευνητές κάθονται και κάνουν τις προσθέσεις τους, λέει ο Georgi, οι υπολογισμοί τους θα αποκαλύψουν μια δυσαναλογία ορμής και ενέργειας, που προέρχεται από κάτι που μεταμφιέζεται ως ένας κλασματικός αριθμός σωματιδίων. Αυτό θα είναι ένα σίγουρο σημάδι ότι η κανονική σχέση μεταξύ της ενέργειας, της μάζας και της ταχύτητας δεν διατηρείται.
Ο Georgi ήξερε ότι είχε σκοντάψει σε έναν τύπο ύλης με εξαιρετικά ιδιαίτερες ιδιότητες, αλλά δεν ήταν βέβαιος ακριβώς τι σημαίνει η ύπαρξη των unparticles για τον Κόσμο. "Δεν ήξερα όλα αυτά που θα μπορούσαν να υπονοήσουν," λέει. "Ήξερα ακριβώς ότι όλα αυτά θα έπρεπε να μελετηθούν κι άλλο."
Έτσι, άλλοι φυσικοί προσπάθησαν να δουν τι επιπτώσεις μπορούσαν να έχουν τα unparticles σε όλα από την τροχιά του Ερμή στην παραγωγή των μαύρων οπών στον LHC. Μεταξύ των πιο παράξενων προτάσεων είναι η εργασία που εκτελείται από το Nath και τον Haim Goldberg. Οι δυο τους Έχουν στρέψει την προσοχή τους στην δύναμη που ασκούν τα unparticles στα κανονικά σωματίδια.
Στην Καθιερωμένη Φυσική οι δυνάμεις μεταφέρονται από τα σωματίδια. Παραδείγματος χάριν, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη προκύπτει όταν τα σωματίδια ανταλλάσσουν μεταξύ τους φωτόνια. Σε μια εργασία τους στο Physical Review Letters οι Nath και Goldberg λένε ότι μια άλλη δύναμη προκύπτει όταν τα συνηθισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα unparticles.
Ο Georgi ήξερε ότι είχε σκοντάψει σε έναν τύπο ύλης με εξαιρετικά ιδιαίτερες ιδιότητες, αλλά δεν ήταν βέβαιος ακριβώς τι σημαίνει η ύπαρξη των unparticles για τον Κόσμο. "Δεν ήξερα όλα αυτά που θα μπορούσαν να υπονοήσουν," λέει. "Ήξερα ακριβώς ότι όλα αυτά θα έπρεπε να μελετηθούν κι άλλο."
Έτσι, άλλοι φυσικοί προσπάθησαν να δουν τι επιπτώσεις μπορούσαν να έχουν τα unparticles σε όλα από την τροχιά του Ερμή στην παραγωγή των μαύρων οπών στον LHC. Μεταξύ των πιο παράξενων προτάσεων είναι η εργασία που εκτελείται από το Nath και τον Haim Goldberg. Οι δυο τους Έχουν στρέψει την προσοχή τους στην δύναμη που ασκούν τα unparticles στα κανονικά σωματίδια.
Στην Καθιερωμένη Φυσική οι δυνάμεις μεταφέρονται από τα σωματίδια. Παραδείγματος χάριν, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη προκύπτει όταν τα σωματίδια ανταλλάσσουν μεταξύ τους φωτόνια. Σε μια εργασία τους στο Physical Review Letters οι Nath και Goldberg λένε ότι μια άλλη δύναμη προκύπτει όταν τα συνηθισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα unparticles.
"Είναι μια εκκεντρική θεωρία, αλλά τα μαθηματικά που πρέπει να επιλυθούν είναι εκπληκτικά απλά," τονίζει ο Goldberg. Η νέα δύναμη ενεργεί ως μια πρόσθετη ελκτική δύναμη, που κάνει τη βαρύτητα να εμφανίζεται λίγο ισχυρότερη από ότι αναμένουμε με την Καθιερωμένη Φυσική. Τα αποτελέσματα της νέας δύναμης, που οι Nath και Goldberg την ονόμασαν ungravity, θα ήταν πάρα πολύ μικρά για να την αντιληφθούν στην καθημερινή ζωή, αλλά σε ακριβείς δοκιμές της βαρύτητας που θα πραγματοποιηθούν στο διάστημα από την αποστολή MICROSCOP (μια γαλλο-ευρωπαϊκή σύμπραξη), το ιταλικό διαστημικό όχημα Galileo Galilei και τον δορυφόρο STEP του Στάνφορντ, θα μπορούσαν να πάρουν σημάδια από αυτήν.
Εμείς ήδη μπορεί να έχουμε αντιμετωπίσει την ungravity κάτω από μια άλλη ενδυμασία: τη σκοτεινή ύλη. Αυτή η αόρατη μορφή της ύλης εισήχθη για να δικαιολογηθεί το γεγονός ότι τα άστρα που κινούνται γύρω από τα κέντρα των σπειροειδών γαλαξιών, όπως είναι ο δικός μας Γαλαξίας, καθώς και οι γαλαξίες που κινούνται μέσα στα σμήνη των γαλαξιών, εμφανίζονται να κινούνται πάρα πολύ γρήγορα, σαν να ελέγχονται από μια πολύ μεγαλύτερη βαρύτητα από ό,τι υπολογίζουμε με τη συνηθισμένη βαρύτητα. Εντούτοις, κανένας δεν έχει ανιχνεύσει ποτέ τα σωματίδια της σκοτεινός ύλης, γεγονός που έχει κάνει μερικούς φυσικούς να υποψιάζονται ότι κάτι πάει στραβά με το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα.
Η τροποποίηση του νόμου του Νεύτωνα, για να γίνει ισχυρότερη σε ορισμένες αποστάσεις κι ώστε να μιμηθεί τα αποτελέσματα του σκοτεινής ύλης, είναι ένα παλαιό τέχνασμα που προτάθηκε πρώτα στην δεκαετία του '80 από τον Mordehai Milgrom του Ιδρύματος Weizmann στο Ισραήλ. Βεβαίως, κανένας δεν θα μπορεί να εξηγήσει γιατί η βαρύτητα πρέπει να συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο. Η Ungravity μπορεί να είναι η απάντηση.
Τα πράγματα όμως δεν είναι και τόσο απλά. Προτού να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, οι φυσικοί πρέπει να είναι βέβαιοι ότι η ύπαρξη των unparticles δεν έχει άλλους πολλαπλασιαστικούς αντίκτυπους στην κοσμολογία, που θα είχαν παρουσιάσει ήδη, λέει ο Hooman Davoudiasl στο Brookhaven. "Τα unparticles έχουν πολλή δυναμική, αλλά θα πρέπει να είμαστε προσεκτικοί για να μην αφήσουμε τη φαντασία μας να οργιάζει χωρίς έλεγχο των διακλαδώσεων για το υπόλοιπο της κοσμολογίας," προειδοποιεί.
Εμείς ήδη μπορεί να έχουμε αντιμετωπίσει την ungravity κάτω από μια άλλη ενδυμασία: τη σκοτεινή ύλη. Αυτή η αόρατη μορφή της ύλης εισήχθη για να δικαιολογηθεί το γεγονός ότι τα άστρα που κινούνται γύρω από τα κέντρα των σπειροειδών γαλαξιών, όπως είναι ο δικός μας Γαλαξίας, καθώς και οι γαλαξίες που κινούνται μέσα στα σμήνη των γαλαξιών, εμφανίζονται να κινούνται πάρα πολύ γρήγορα, σαν να ελέγχονται από μια πολύ μεγαλύτερη βαρύτητα από ό,τι υπολογίζουμε με τη συνηθισμένη βαρύτητα. Εντούτοις, κανένας δεν έχει ανιχνεύσει ποτέ τα σωματίδια της σκοτεινός ύλης, γεγονός που έχει κάνει μερικούς φυσικούς να υποψιάζονται ότι κάτι πάει στραβά με το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα.
Η τροποποίηση του νόμου του Νεύτωνα, για να γίνει ισχυρότερη σε ορισμένες αποστάσεις κι ώστε να μιμηθεί τα αποτελέσματα του σκοτεινής ύλης, είναι ένα παλαιό τέχνασμα που προτάθηκε πρώτα στην δεκαετία του '80 από τον Mordehai Milgrom του Ιδρύματος Weizmann στο Ισραήλ. Βεβαίως, κανένας δεν θα μπορεί να εξηγήσει γιατί η βαρύτητα πρέπει να συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο. Η Ungravity μπορεί να είναι η απάντηση.
Τα πράγματα όμως δεν είναι και τόσο απλά. Προτού να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, οι φυσικοί πρέπει να είναι βέβαιοι ότι η ύπαρξη των unparticles δεν έχει άλλους πολλαπλασιαστικούς αντίκτυπους στην κοσμολογία, που θα είχαν παρουσιάσει ήδη, λέει ο Hooman Davoudiasl στο Brookhaven. "Τα unparticles έχουν πολλή δυναμική, αλλά θα πρέπει να είμαστε προσεκτικοί για να μην αφήσουμε τη φαντασία μας να οργιάζει χωρίς έλεγχο των διακλαδώσεων για το υπόλοιπο της κοσμολογίας," προειδοποιεί.
Παραδείγματος χάριν, σε μια πρόσφατη δημοσίευση, ο Hooman Davoudias δείχνει ότι εάν δημιουργήθηκαν στον πρώιμο Κόσμο πάρα πολλά unparticles, τότε θα είχαν
αναστατώσει τη λεπτή ενεργειακή ισορροπία που επέτρεψε να δημιουργηθούν το ήλιο, το λίθιο και άλλα ελαφριά στοιχεία μετά από το big bang. Κι αυτό βάζει ένα όριο για το πόσα unparticles θα μπορούσαν να υπήρχαν τότε, λέει.
Εάν τα unparticles συμπεριφέρθηκαν όπως τα κανονικά σωματίδια, τότε η ιστορία θα μπορούσε να τελειώσει εκεί. Το όριο του αρχικού αριθμού των unparticle θα μπορούσε να σαμποτάρει τις ελπίδες του Georgi ότι αυτά μιμούνται την παρουσία της σκοτεινής ύλης σήμερα, επειδή η σημερινή συγκέντρωση των unparticle θα ήταν πάρα πολύ μικρή για να παραγάγει τα αποτελέσματα που βλέπουμε. Αλλά ο Georgi έχει δείξει ότι τα unparticles δεν είναι σαν την κανονική ύλη, χωρίς καμιά καθορισμένη σχέση μεταξύ της ποσότητας ενέργειας που έχουν, της μάζας τους και της ταχύτητας που μπορούν να κινηθούν. Λόγω αυτού του γεγονότος, ακόμη και ένας μικρός αριθμός unparticles στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσε να έχει μια εκπληκτικά μεγάλη επίδραση σήμερα, πιστεύει ο Shao-Long Chen στο πανεπιστήμιο Taipei της Ταϊβάν.
Ο Chen και οι συνάδελφοί του εξέτασαν τι συμβαίνει στην ενέργεια των unparticles όταν η θερμοκρασία τους ανεβοκατεβαίνει. Υπέθεσαν ότι το σύμπαν άρχισε με έναν μικρό αριθμό unparticles συγκρινόμενο με τον αριθμό των φωτονίων - η απαίτηση αυτή χρειάστηκε για μην είχαν τα πρώιμα unparticles επιπτώσεις στην παραγωγή των ελαφριών στοιχείων. Μόλις το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε, διαπίστωσαν ότι ορισμένα γεγονότα έγιναν ενδιαφέροντα. Ενώ τα φωτόνια, τα σωματίδια και τα unparticles επιβραδύνονταν, τα unparticles δεν έχασαν την ενέργεια τους τόσο γρήγορα όπως τα συμβατικότερα αντίστοιχά τους. "Σε έναν διαστελλόμενο Κόσμο, η συμπεριφορά της ενέργειας των unparticle είναι εντυπωσιακά διαφορετική από των φωτονίων, "λέει ο Chen.
Σήμερα, ακόμη και σχετικά λίγα unparticles θα μπορούσαν να αποτελούν ένα σημαντικό μέρος του ενεργειακού προϋπολογισμού στον Κόσμο - αρκετή για να δρουν σαν τη σκοτεινή ύλη, συνεχίζει ο Chen. "Εάν αυτό συνέβη πραγματικά, θα προσέκρουε σημαντικά στην καθιερωμένη εικόνα της κοσμολογίας," συμπεραίνει.
Ο Georgi έχει επιφυλάξεις για το εάν τα unparticles του θα μπορούσαν πραγματικά να είναι το κλειδί στην επίλυση του προβλήματος της σκοτεινής ύλης μέχρι να γίνει περισσότερη δουλειά πάνω σε αυτά τα ζητήματα, αλλά χαίρεται που ορισμένοι φυσικοί ερευνούν αυτή τη δυνατότητα. "Αυτό που ήξερα ήταν ότι είχα βρει κάτι παράξενο και θέλησα κι άλλοι άνθρωποι να ρίξουν μια ματιά ώστε να δουν τι παράξενα πράγματα είναι ικανά να κάνουν - ποια μυστήρια μπορούν να λύσουν, " λέει. "Είμαι ευτυχής επειδή αυτό ακριβώς οι άνθρωποι κάνουν τώρα."
Το σημαντικότερο ζήτημα στη φυσική σωματιδίων είναι σήμερα το ζήτημα του τι προκαλεί το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας SU(2) x U(1) των ηλεκτρασθενώνν αλληλεπιδράσεων. Ο Georgi (που με τον David έδειξε το πώς θα μπορούσε κάποιος να φτιάξει σύνθετα μποζόνια Higgs) μελετά τη δυνατότητα των μοντέλων ισχυρής σύζευξης και προσπαθεί να βρει τους νέους μηχανισμούς του σπασίματος της συμμετρίας.
αναστατώσει τη λεπτή ενεργειακή ισορροπία που επέτρεψε να δημιουργηθούν το ήλιο, το λίθιο και άλλα ελαφριά στοιχεία μετά από το big bang. Κι αυτό βάζει ένα όριο για το πόσα unparticles θα μπορούσαν να υπήρχαν τότε, λέει.
Εάν τα unparticles συμπεριφέρθηκαν όπως τα κανονικά σωματίδια, τότε η ιστορία θα μπορούσε να τελειώσει εκεί. Το όριο του αρχικού αριθμού των unparticle θα μπορούσε να σαμποτάρει τις ελπίδες του Georgi ότι αυτά μιμούνται την παρουσία της σκοτεινής ύλης σήμερα, επειδή η σημερινή συγκέντρωση των unparticle θα ήταν πάρα πολύ μικρή για να παραγάγει τα αποτελέσματα που βλέπουμε. Αλλά ο Georgi έχει δείξει ότι τα unparticles δεν είναι σαν την κανονική ύλη, χωρίς καμιά καθορισμένη σχέση μεταξύ της ποσότητας ενέργειας που έχουν, της μάζας τους και της ταχύτητας που μπορούν να κινηθούν. Λόγω αυτού του γεγονότος, ακόμη και ένας μικρός αριθμός unparticles στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσε να έχει μια εκπληκτικά μεγάλη επίδραση σήμερα, πιστεύει ο Shao-Long Chen στο πανεπιστήμιο Taipei της Ταϊβάν.
Ο Chen και οι συνάδελφοί του εξέτασαν τι συμβαίνει στην ενέργεια των unparticles όταν η θερμοκρασία τους ανεβοκατεβαίνει. Υπέθεσαν ότι το σύμπαν άρχισε με έναν μικρό αριθμό unparticles συγκρινόμενο με τον αριθμό των φωτονίων - η απαίτηση αυτή χρειάστηκε για μην είχαν τα πρώιμα unparticles επιπτώσεις στην παραγωγή των ελαφριών στοιχείων. Μόλις το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε, διαπίστωσαν ότι ορισμένα γεγονότα έγιναν ενδιαφέροντα. Ενώ τα φωτόνια, τα σωματίδια και τα unparticles επιβραδύνονταν, τα unparticles δεν έχασαν την ενέργεια τους τόσο γρήγορα όπως τα συμβατικότερα αντίστοιχά τους. "Σε έναν διαστελλόμενο Κόσμο, η συμπεριφορά της ενέργειας των unparticle είναι εντυπωσιακά διαφορετική από των φωτονίων, "λέει ο Chen.
Σήμερα, ακόμη και σχετικά λίγα unparticles θα μπορούσαν να αποτελούν ένα σημαντικό μέρος του ενεργειακού προϋπολογισμού στον Κόσμο - αρκετή για να δρουν σαν τη σκοτεινή ύλη, συνεχίζει ο Chen. "Εάν αυτό συνέβη πραγματικά, θα προσέκρουε σημαντικά στην καθιερωμένη εικόνα της κοσμολογίας," συμπεραίνει.
Ο Georgi έχει επιφυλάξεις για το εάν τα unparticles του θα μπορούσαν πραγματικά να είναι το κλειδί στην επίλυση του προβλήματος της σκοτεινής ύλης μέχρι να γίνει περισσότερη δουλειά πάνω σε αυτά τα ζητήματα, αλλά χαίρεται που ορισμένοι φυσικοί ερευνούν αυτή τη δυνατότητα. "Αυτό που ήξερα ήταν ότι είχα βρει κάτι παράξενο και θέλησα κι άλλοι άνθρωποι να ρίξουν μια ματιά ώστε να δουν τι παράξενα πράγματα είναι ικανά να κάνουν - ποια μυστήρια μπορούν να λύσουν, " λέει. "Είμαι ευτυχής επειδή αυτό ακριβώς οι άνθρωποι κάνουν τώρα."
Το σημαντικότερο ζήτημα στη φυσική σωματιδίων είναι σήμερα το ζήτημα του τι προκαλεί το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας SU(2) x U(1) των ηλεκτρασθενώνν αλληλεπιδράσεων. Ο Georgi (που με τον David έδειξε το πώς θα μπορούσε κάποιος να φτιάξει σύνθετα μποζόνια Higgs) μελετά τη δυνατότητα των μοντέλων ισχυρής σύζευξης και προσπαθεί να βρει τους νέους μηχανισμούς του σπασίματος της συμμετρίας.
Ο Georgi μελετά επίσης Κβαντική Χρωμωδυναμική (QCD), το φορμαλισμό των ενεργών θεωριών πεδίου το πρόβλημα της ισχυρής CP, καθώς και τον γρίφο της γεύσης.
Πρόσφατα, μαζί με τους Arkan-Hamed και Cohen, βρήκαν μια κατηγορία θεωριών πεδίου 4-διαστάσεων στις οποίες μπορούν να προκύψουν δυναμικά οι πρόσθετες διαστάσεις, δίνοντας έτσι ένα νέο ισχυρό ράπισμα στην έννοια του διαστήματος. Οι τοπολογικές ιδιότητες τέτοιων θεωριών μπορούν να ρίξουν φως στα κρίσιμα ζητήματα όπως το σπάσιμο της συμμετρίας SU(2) x U(1) και της υπερσυμμετρίας. Συνεχίζει να μελετά αυτά τα ζητήματα ελπίζοντας ότι θα ρίξουν φως στην έννοια της συμμετρίας βαθμίδας.
Πρόσφατα, μαζί με τους Arkan-Hamed και Cohen, βρήκαν μια κατηγορία θεωριών πεδίου 4-διαστάσεων στις οποίες μπορούν να προκύψουν δυναμικά οι πρόσθετες διαστάσεις, δίνοντας έτσι ένα νέο ισχυρό ράπισμα στην έννοια του διαστήματος. Οι τοπολογικές ιδιότητες τέτοιων θεωριών μπορούν να ρίξουν φως στα κρίσιμα ζητήματα όπως το σπάσιμο της συμμετρίας SU(2) x U(1) και της υπερσυμμετρίας. Συνεχίζει να μελετά αυτά τα ζητήματα ελπίζοντας ότι θα ρίξουν φως στην έννοια της συμμετρίας βαθμίδας.
