Howard Georgi, fyzik z Harvardovy univerzity, koncem jara publikoval článek o tzv. nečásticové fyzice. V článku se věnuje možnosti existence „nečásticové látky“, jíž nejde vysvětlit v rámci standardního částicového modelu. Pode Georgiho by taková látka byla naprosto odlišná od všeho, co známe.

Ač se na první pohled může někomu zdát, že jde zase o nějaký slepý výstřel nějakého ztřeštěného fyzika, musíme na počátku poznamenat, že Howard Georgi je velice uznávaným teoretickým fyzikem, jenž odvedl obrovský kus práce na poli supersymetrie, kvantové chromodynamiky a teorie velkého sjednocení. O tom mimochodem píše i Brian Greene v 9. kapitole své knihy Struktura vesmíru:

Když jsem byl na univerzitě prvním rokem, tu a tam jsem zaskočil ke svému školiteli, fyziku Howardu Georgimu. Nikdy jsem neměl příliš na jazyku, ale o to vůbec nešlo. Vždycky tu bylo něco, o co se chtěl Georgi podělit se zainteresovanými studenty. Při jedné příležitosti byl obzvlášť rozčarován a přes hodinu vzrušeně povídal, přičemž tabuli nesčetněkrát popsal symboly a rovnicemi. Nadšeně jsem přikyvoval, přestože jsem, poctivě řečeno, nerozuměl jedinému slovu. O několik let později jsem si uvědomil, že tehdy Georgi povídal o plánech, jak otestovat jeho objev zvaný velké sjednocení.

Georgi se nyní snažit fyzikům vysvětlit, že fyziku nízkých energií s netriviální škálovou invariancí (soběpodobností) nejde popsat v jazyce částic. Ve své práci představil i kvantitativní scénář pro produkci nečásticové látky a rovněž předpovídá, jak by ji šlo experimentálně detekovat pomocí urychlovače LHC. (O urychlovači LHC více zde.)

Ve škálově invariantní teorii ― v modelu, kde se vlastnosti (třeba vzhled) objektů nemění ani při velkém zvětšení; vzor se opakuje (viz fraktály) ― pojem částic nedává smysl, protože většina částic má nenulové hmotnosti. (Samozřejmě, ve fyzice není pojem škálové invariantnosti nikterak neznámý; objevuje se v klasické teorii pole, například v teorii elektromagnetického pole nebo v teorii nehmotného skalárního pole.) Třebaže standardní částicový model škálovou invariantnost neobsahuje, Georgi se domnívá, že se v něm skrývá neprozkoumaný kout, jenž je právě škálově invariantní.

Howard Georgi (credit: Harvard)

„Touto myšlenkou se vážně bavím,“ nechal se slyšet Georgi. „Tento jev v rámci matematiky chápeme velice dobře. Známe teorie, jež zvláštní rysy škálové invariance mají. Je těžké ji popsat, protože se od toho, na co jsme zvyklí, velice liší. Pro nás je rozdíl, jestli hmotnost měříme v gramech nebo kilogramech, ale ve škálově invariantním světě v tom vůbec žádný rozdíl není.“

Příklad škálové invariance (soběpodobnosti). Ať už danou oblastu objektu zvětšujete sebevíce, dostáváte stále tentýž vzor. [Kochova vločka, c: wikipedia.org]

Georgi říká, že fotony, částice světla, mají vlastnost škálové invariance, protože jejich (klidová) hmotnost je nulová. Vynásobte ji třeba jedním tisícem ― zůstane stejná. (Foton má určitou hmotnost, ale ta se odvíjí od hodnoty jeho energie. Jde o známý Einsteinův princip ekvivalence hmoty a energie. Je-li energie fotonu dána jako E = hf, kde h je Planckova konstanta a f frekvence, pak díky Einsteinovu vztahu E = mc² můžeme říct, že takovýto foton má hmotnost m = hf/c²).

„Bystří teoretikové (jako Ken Wilson) už před dlouhou dobou ukázali, že existují ještě šílenější scénáře, jež neobsahují částice s nulovou hmotností, ale přesto mají tu vlastnost, že energie mohou být vynásobeny jakýmkoliv číslem, a přesto přejdou ve fyzikálně ekvivalentní teorii. „Tohle je ovšem nemožné, pokud tam jsou částice s nenulovou hmotností. Proto jsem to nazval „nečásticovou látkou“.

Škálově invariantní oblast by se zbylou částí standardního modelu interagovala velice slabě, což by ztěžovalo případné pozorování nečásticové látky. Důkazy bychom pravděpodobně tak nemohli získat lehce. Nečásticová teorie je teorií vysokých energií, jež obsahuje jak pole standardního modelu, tak i Banksovy-Zaksovy pole (jež jsou škálově invariantní v infračerveném bodě). Při dostatečně vysoké energii nebo nízkém hmotnostním měřítku obě pole spolu mohou interagovat přes interakce obyčejných částic.

Podle Georgiho je možné, že existuje škálově invariantní svět, jenž je naším zrakům skryt, a to proto, že díky nízkým energiím je interakce mezi ním a naším světem velice slabá.

Tyto částicové interakce by se projevovaly chybějící energií a specifickým rozložením hybnosti. Georgi spočítal specifické rozložení chybějící energie pro případ rozpadu top-kvarku, rozložení, které by bylo projevem produkci nečásticové látky.

„Velice složitá otázka ‚Jak vypadá nečásticová látka?‘ se dá nahradit jednodušší: ‚Jak se projevuje nečásticová látka při zvyšování energie v našich experimentech?“

Podle Georgiho můžeme nečásticové látce dobře porozumět studiem neutrin. Tyto částice mají totiž některé vlastnosti společné s nečásticovou látkou. Kupříkladu neutrina jsou skoro nehmotná, čili takřka škálově invariantní, a při nízkých energiích s obyčejnou látkou interagují velice slabě.

„Při rozptylových experimentech velice často usuzujeme na existenci neutrin tak, že sečteme energii a hybnost kolidujících částic a odečteme energii a hybnost všech částic, které v tu chvíli vidíme. Dostaneme tak energii a hybnost „chybějících“ neutrin. To, že je nevidíme, je způsobeno jednoduše tím, že nám z detektorů uniknou, aniž by s čímkoliv interagovaly. Když takové rozptyly zopakujeme vícekrát, můžeme změřit pravděpodobnost rozložení chybějící energie a hybnosti. Když se potom na toto rozložení podíváme, můžeme říct, jestli nám v určitém procesu, jejž studujeme, chybí jedno neutrino, nebo dvě.“

„Dostal jsem jeden zajímavý výsledek ― takovéto rozložení u procesu, při kterém vzniká nečásticová látka, vypadá jako rozložení pro nepatrné množství nehmotných částic. Je to podivné zjištění, ale jednoduše plyne ze škálové invariance nečástic. Je to kousek odpovědi na otázku, jak by se nečástice projevovaly.“

Podle Georgiho by urychlovač LHC, díky jejím specifickým vlastnostem, měl existenci nečástic ověřit prakticky vzápětí po svém uvedení do provozu. A z jeho hlediska by jejich objev byl mnohem pozoruhodnějším než potvrzení existence supersymetrie nebo dodatečných dimenzí.

„Já i řada dalších vědců teď usilujeme o rozvedení těchto myšlenek. Objevili jsme i další podivuhodné vlastni nečástic. Očekávám ale víc. Je to zábava. Jistěže by bylo daleko lepší, kdybychom takovou látku viděli v urychlovači LHC. Ale i když ji neuvidíme, věřím, že tyto naše analýzy jsou prospěšné, protože nás mohou vymanit z předsudků, které by jinak mohly způsobit, že při zvyšování kapacit našich experimentálních zařízeni přehlédneme důležitou fyziku.“