Σωματιδιακή φυσική

Το πυθμένιο (bottom) κουάρκ μπορεί να οδηγήσει τους φυσικούς σε μια πορεία προς νέες ανακαλύψεις

Written by Δ.Μ.

Το Στάνταρτ ή Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των σωματιδίων έχει αναπτυχθεί εδώ και αρκετές δεκαετίες για να περιγράψει τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων. Το μοντέλο έχει επεκταθεί και τροποποιηθεί με νέες πληροφορίες, αλλά ξανά και ξανά, τα πειράματα έχουν ενισχύσει την εμπιστοσύνη των φυσικών σε αυτό.

Share

Το Στάνταρτ ή Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των σωματιδίων έχει αναπτυχθεί εδώ και αρκετές δεκαετίες για να περιγράψει τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων. Το μοντέλο έχει επεκταθεί και τροποποιηθεί με νέες πληροφορίες, αλλά ξανά και ξανά, τα πειράματα έχουν ενισχύσει την εμπιστοσύνη των φυσικών σε αυτό.

particle-quark

Και όμως, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι το μοντέλο είναι ελλιπές. Δεν μπορεί να προβλέψει τις μάζες συγκεκριμένων σωματιδίων, ούτε μπορεί να εξηγήσει το τι αποτελείται από το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος. Για να ανακαλύψουν τι βρίσκεται πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο, οι επιστήμονες ψάχνουν για τις ατέλειες – αβάσιμες υποθέσεις και φαινόμενα που δεν προβλέπουν. Ένα αυξανόμενο σύνολο αποτελεσμάτων από τη μελέτη των κουάρκ bottom μπορεί να προσφέρει στους φυσικούς μια ευπρόσδεκτη ευκαιρία να το κάνουν ακριβώς αυτό.

«Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι πολύ άκαμπτο», λέει ο Ιταλός θεωρητικός Marco Nardecchia, «ο καλύτερος τρόπος για να το σπάσουμε είναι να δοκιμάσουμε επακριβώς τις προβλέψεις του».

Το Μοντέλο αυτό κάνει πολλές λεπτομερείς προβλέψεις για το πώς τα σωματίδια πρέπει να αλληλεπιδρούν ή να αποσυντίθενται. Ορισμένες υποατομικές διαδικασίες είναι τόσο περίπλοκες ώστε ακόμη και οι θεωρητικοί δεν είναι απολύτως βέβαιοι πώς ακριβώς θα έπρεπε να δουλέψουν. Πρώτον: τα κουάρκ – τα συστατικά που συνθέτουν τα στοιχειώδη σωματίδια – θα πρέπει να αλληλεπιδρούν με τον ίδιο τρόπο με το ηλεκτρόνιο όπως με τα βαρύτερα ξαδέλφια του, το μιόνιο ή το ταυ λεπτόνιο. 

Υπάρχουν έξι τύποι κουάρκ. Τα ελαφρύτερα και τα πιο κοινά είναι τα κουάρκ πάνω και κάτω, τα οποία μαζί σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα σωματίδια που φέρουν ένα bottom (πυθμένιο) κουάρκ – το οποίο είναι πολύ βαρύτερο – είναι βραχύβια. Στις διασπάσεις τους, το πυθμένιο κουάρκ μετατρέπεται σε ένα ελαφρύτερο κουάρκ, κατά προτίμηση το γοητευτικό (charm) και σπάνια σε ένα πάνω (up) κουάρκ, σχηματίζοντας ένα άλλο γνωστό σωματίδιο.  

Η υπόλοιπη ενέργεια μεταφέρεται από ένα φορτισμένο λεπtόνιο: ένα ηλεκτρόνιο, ένα μιόνιο ή ένα ταυ, το καθένα συνοδευόμενο από το σχετικό νετρίνο του. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, οι ρυθμοί παραγωγής ηλεκτρονίων, μιονίων και ταυ διαφέρουν μόνο λόγω των πολύ διαφορετικών μαζών αυτών των τριών φορτισμένων λεπτονίων. Η μάζα του ταυ, για παράδειγμα, υπερβαίνει τη μάζα ηλεκτρονίων κατά ένα συντελεστή περίπου 3.500.)

Vera_Lueth«Αυτές οι προβλέψεις είναι απλές και ακριβείς», λέει η Γερμανίδα φυσικός Vera Lüth, επιστήμονας στο πείραμα Babar, «γι ‘αυτό αποφασίσαμε να ακολουθήσουμε αυτές τις μετρήσεις κατά πρώτο λόγο».

Οι επιστήμονες που εργάζονται σε τρία διαφορετικά πειράματα δοκιμάζουν αυτές τις προβλέψεις εξετάζοντας συγκεκριμένες αποσυνθέσεις σωματιδίων που φέρουν το πυθμένιο (bottom) κουάρκ. 

Ο πρώτος υπαινιγμός μιας απροσδόκητης βελτίωσης του ταυ εμφανίστηκε το 2012 στο πείραμα BaBar στον γραμμικό επιταχυντή  SLAC, το οποίο μελέτησε περίπου 500 εκατομμύρια γεγονότα που προέκυψαν από συγκρούσεις με ηλεκτρόνια και ανακατασκεύασε λιγότερο από 2000 διασπάσεις που αφορούσαν το ταυ. Το 2015, το πείραμα Belle στην Ιαπωνία ανέφερε μια παρόμοια αύξηση του ρυθμού ταυ σε δεδομένα που συλλέχθηκαν από συγκρούσεις ηλεκτρονίων στην ίδια ενέργεια.

«Ένας φίλος που εργαζόταν σε ένα άλλο πείραμα ήταν σίγουρος ότι κάναμε κάτι λάθος», λέει η Lüth. «Τότε παρατήρησαν το ίδιο αποτέλεσμα.»

Το 2015, οι επιστήμονες που εργάζονται στο πείραμα LHCb που λειτουργεί στο CERN είδαν σημάδια του ίδιου φαινομένου σε πολύ μεγάλα δείγματα συγκρούσεων πρωτονίων-πρωτονίων με πολύ υψηλότερους ρυθμούς ενέργειας και σύγκρουσης. 

«Όλα αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση», λέει ο Hassan Jawahery, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Μέρυλαντ που εργάζεται στο LHCb του CERN. «Αυτό είναι ένα αίνιγμα για όλους.»

«Από μόνα τους, αυτά τα μεμονωμένα αποτελέσματα έχουν μικρή σημασία. Όμως, τα κοινά αποτελέσματα, είναι πολύ ενδιαφέροντα”, σύμφωνα με τον Tom Browder εκπρόσωπο του πειράματος Belle και του διαδόχου του Belle II.  Είμαστε σίγουροι ότι κάτι νέο είναι έξω εκεί. Αποδεικνύοντας μάλιστα μια μικρή απόκλιση από το Καθιερωμένο Μοντέλο θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια επανάσταση στον τομέα μας. «, λέει ο ίδιος

Τα αποτελέσματα που έχουν συσσωρευτεί μέχρι στιγμής έχουν ήδη εμπνεύσει τους θεωρητικούς να υποθέσουν για το τι νέες διεργασίες φυσικής θα μπορούσαν να προκαλέσουν αυτές τις βελτιώσεις. 

Μερικές θεωρίες υποδηλώνουν ότι ίσως υπάρχει ένα ακόμα άγνωστο μποζόνιο Higgs με φορτίο το οποίο ευνοεί το βαρύ ταυ πάνω από το πολύ ελαφρύτερο μιόνιο και ηλεκτρόνιο. Άλλα μοντέλα προβλέπουν την ύπαρξη τουλάχιστον ενός νέου σωματιδίου έξω από το στάνταρτ μοντέλο. «Μπορεί να χρειαζόμαστε κάτι που αλληλεπιδρά ταυτόχρονα με κουάρκ και λεπτόνια», λέει ο ο Ιταλός θεωρητικός Marco  Nardecchia. 

Οι επιστήμονες δεν θα ξέρουν τι συμβαίνει χωρίς περαιτέρω μελέτη και η συγκέντρωση αρκετών δεδομένων που θα επιτρέψουν λεπτομερέστερες μελέτες, θα αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προς την ανεύρεση νέων δεδομένων.  

Οι φυσικοί λοιπόν σε όλο τον κόσμο περιμένουν με ανυπομονησία να συγκρίνουν τα αποτελέσματα της έρευνας των 3 πειραμάτων

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share