Θεωρίες φυσικής

Ένα πείραμα με μιόνιο ίσως δείχνει την πρώτη σημαντική ρωγμή στο καθιερωμένο μοντέλο (3ο μέρος)

Τα πειράματα για τη μέτρηση του παράγοντα g του μιονίου, δεν είναι τα μόνα που οι ερευνητές προσπαθούν να κάνουν ώστε να πάρουν βραβείο Νόμπελ για μια νέα φυσική σε πολύ χαμηλότερες ενέργειες. Μια επιστημονική συνεργασία, που ονομάζεται Mu2e, σχεδιάζει να κάνει ένα πείραμα στο Fermilab ώστε να ψάξουν για κάτι που απαγορεύεται εντός των τειχών του Καθιερωμένου Μοντέλου: μια θεωρητική ιδέα που ονομάζεται “παραβίαση της γεύσης”.

Print Friendly, PDF & Email
Share

Τα πειράματα για τη μέτρηση του παράγοντα g του μιονίου, δεν είναι τα μόνα που οι ερευνητές προσπαθούν να κάνουν ώστε να πάρουν βραβείο Νόμπελ για μια νέα φυσική σε πολύ χαμηλότερες ενέργειες. Μια επιστημονική συνεργασία, που ονομάζεται Mu2e, σχεδιάζει να κάνει ένα πείραμα στο Fermilab ώστε να ψάξουν για κάτι που απαγορεύεται εντός των τειχών του Καθιερωμένου Μοντέλου: μια θεωρητική ιδέα που ονομάζεται “παραβίαση της γεύσης”.

Το στάνταρτ μοντέλο περιγράφει μια καλώς καθιερωμένη σχέση μεταξύ των ηλεκτρονίων και των μιονίων: όταν ένα μιόνιο διασπάται, παράγει ένα ηλεκτρόνιο μαζί με δύο νετρίνα – τα νετρίνο μιονίου και το αντινετρίνο ηλεκτρονίου. Αναφέρει, επίσης, ότι η διαδικασία της διάσπασης πρέπει να διατηρεί μια ιδιότητα γνωστή ως γεύση. Φανταστείτε ότι το μιόνιο έχει γεύση … μέντας. Η διαδικασία της διάσπασης πρέπει να είναι διατηρεί τη γεύση της μέντας κατά την έναρξη και το πέρας της. Δεν μπορεί να καταλήξει με γεύση λεμόνι.

Τα νετρίνα μιονίου μεταφέρουν την ίδια γεύση με τα μιόνια. Εν τω μεταξύ, η γεύση του αντινετρίνο ηλεκτρονίου ακυρώνει τη γεύση του ηλεκτρονίου. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι, χάρις στο νετρίνο του μιονίου, η αρχική γεύση του μιονίου διατηρείται στα τελικά προϊόντα της διάσπασης.

Αλλά αρκετές προταθείσες αναθεωρήσεις του καθιερωμένου μοντέλου απαιτούν τα μιόνια να μετατραπούν σε ηλεκτρόνια χωρίς τη βοήθεια των νετρίνων. Οι εν λόγω φόρμουλες απαιτούν νέες σχέσεις μεταξύ των μιονίων και ηλεκτρονίων.

Σύμφωνα με αυτές τις νέες θεωρίες της φυσικής, μπορούν τα μιόνια αντίθετα να αλληλεπιδρούν με εικονικά υπερσυμμετρικά σωματίδια, ή ίσως με ένα νέα σωματίδιο που αλλάζει τη γεύση, αλλά που δεν έχουμε βρει ακόμα. Σε αυτές τις αντιδράσεις, ένα μιόνιο αρωματισμένο με μέντα, θα μπορούσε να διασπαστεί σε ένα ηλεκτρόνιο με γεύση λεμόνι, που δεν απαιτούσε την παρουσία νετρίνων.  Αυτή την άποψη θέλει η ομάδα Mu2e να αναζητήσει.

Το σχέδιο είναι να πέσουν πρωτόνια πάνω σε ένα στόχο από χρυσό. Ανάμεσα στα συντρίμμια της σύγκρουσης θα είναι σωματίδια που θα διασπαστούν αμέσως σε μιόνια, και αυτά με τη σειρά του, θα απομακρυνθούν μακριά για να παγιδευτούν μέσα σε κάποια γειτονικά αλουμινόφυλα. Επειδή τα μιόνια συμπεριφέρονται σαν βαριά ηλεκτρόνια, κάποια από αυτά θα πρέπει να προσελκυστούν από τους πυρήνες του αλουμινίου (αργιλίου), σαν να ήταν ηλεκτρόνια, οπότε θα περιστρέφονται γύρω από τους πυρήνες σχηματίζοντας εξωτικά άτομα για λίγα λεπτά μέχρι να διασπαστούν τα μιόνια.

Η ομάδα Mu2e ελπίζει να πιάσει περίπου 1017 μιόνια κατά τη διάρκεια των δύο ετών που θα χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνική. Αναμένουν μάλιστα μόνο ένα μιόνιο να διασπάται όπως περιγράφει το στάνταρτ μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, με ένα ηλεκτρόνιο, με ένα νετρίνο μιονίου και ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίου να μεταφέρουν την ενέργεια. Ανάλογα με το πώς θα συμπεριφερθούν τα προϊόντα της διάσπασης, η ομάδα θα δει μια διάδοση της ενέργειας των ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή της.

Αν θα προκύψει η παραβίαση της γεύσης των μιονίων, τότε όλη σχεδόν η ενέργεια των διασπασθέντων μιονίων θα πάει στο ηλεκτρόνιο. Έτσι, αντί να δούμε μια διάδοση της ενέργειας από τρία διασπασθέντα μιόνια, αυτά τα μοναχικά ηλεκτρόνια αναμένεται να παρουσιαστούν ως μια ακίδα (αιχμή) στο διάγραμμα της ενέργειας στα περίπου 105 MeV.

Για να κατανοήσουν το πείραμα, έπρεπε να ενώσουν τις δυνάμεις τους φυσικοί υψηλής ενέργειας με πυρηνικούς φυσικούς που ξέρουν πώς αλληλεπιδρούν οι πυρήνες αργιλίου με τα σωματίδια που πέφτουν πάνω τους. Αυτή η συνεργασία πρέπει να καταλάβει ποιές άλλες σπάνιες διαδικασίες μπορεί να διώξουν ένα ηλεκτρόνιο στα 105 MeV και, συνεπώς, μιμούνται τις γεύσεις που αλλάζουν. Είναι δε πεπεισμένοι ότι μπορούν να τις ξεχωρίσουν.

Αν αυτοί μπορέσουν να δουν εμφανή παραβίαση της γεύσης στις διασπάσεις των μιονίων, το επόμενο βήμα τους θα είναι να ξεκινήσουν την αντικατάσταση του αργιλίου με άλλους πυρήνες. "Κάθε πυρήνας θα έχει ένα διαφορετικό συντελεστή μετατροπής μιονίου σε ηλεκτρόνιο, ανάλογα με την πηγή της νέας φυσικής”, λέει ο Bob Bernstein, ένας εκπρόσωπος του πειράματος Mu2e. Αυτό σημαίνει ότι η ομάδα Mu2e θα μπορούσε να εντοπίσει τους ευνοημένους διαδόχους του Καθιερωμένου Μοντέλου. Με επαρκή χρηματοδότηση, θα μπορούσε να αρχίσει τα πειράματα το 2016.

Κατά τα προσεχή έτη, το οικοδόμημα του καθιερωμένου μοντέλου θα αντιμετωπίσει έναν πρωτοφανή καταιγισμό νέων δοκιμών. Άντεξε για σχεδόν 40 χρόνια. Σε περίπτωση που θα ραγίσει, έστω και ελαφρά, πολλοί φυσικοί θα βρουν την ευκαιρία να επανασχεδιάσουν το κάστρο του Gormenghast.

Μέσα στο Καθιερωμένο Μοντέλο

Ας κάνουμε μια περιήγηση στο κάστρο του Gormenghast δηλαδή στο κανονικό μοντέλο. Η πρώτη σουίτα του κάστρου αποτελείται από ηλεκτρόνια που δεν έχουν δομή και είναι τα ελαφρύτερα υλικά (γι αυτό λέγονται λεπτόνια). Τα πιο βαριά υλικά είναι τα κουάρκ πάνω και κάτω από τα οποία φτιάχνονται τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Αυτή η σουίτα σχηματίζει το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του σύμπαντος, αλλά οι μελέτες των συγκρούσεων στα σωματίδια των επιταχυντών και τις κοσμικές ακτίνες μας έχουν αποκάλυψε τέσσερα ακόμα βαριά κουάρκ και δύο βαρύτερα λεπτόνια, το μιόνιο και το ταυ. Έτσι, φτιάχτηκαν δύο νέες σουίτες μέσα στο κάστρο του μοντέλου. Τέλος, προσθέστε τρία νετρίνα, ένα για κάθε λεπτόνιο. Οι τρεις σουίτες με τα σωματίδια τους είναι όλη η γνωστή ύλη, αλλά που καταλαμβάνει μόνο το μισό κάστρο. Το άλλο μισό είναι η κατοπτρική εικόνα του, που αποτελείται από την αντιύλη του κάθε σωματιδίου του.

Επίσης, στο κάστρο υπάρχουν και τα σωματίδια φορείς των δυνάμεων που είναι τα εξής: τα φωτόνια που κοινοποιούν τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Τα γκλουόνια ενσαρκώνουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία συνδέει μαζί τα κουάρκ στα πρωτόνια και νετρόνια. Ενώ η ασθενής δύναμη, η οποία αναγκάζει κάποια βαριά σωματίδια να διασπώνται σε ελαφρύτερα από αυτά σωματίδια, διαμεσολαβείται από τα μποζόνια W και Ζ.

Το βαρυτόνιο εικάζεται ότι μεταφέρει τη βαρύτητα, και το μποζόνιο Χιγκς (το σωματίδιο του Θεού) δίνει την μάζα σε κάθε σωματίδιο, αλλά αυτές οι διαδικασίες είναι απλά σχεδιαγράμματα έως αυτή τη στιγμή. Κανείς δεν είναι σίγουρος από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη.

Μια ιδιότητα των πολλών νέων θεωριών, που ονομάζονται υπερσυμμετρία, θα διπλασιάσει το μέγεθος των γνωστών σωματιδίων προσθέτοντας ένα νέο υπερεταίρο σε κάθε γνωστό σωματίδιο. Θα ήταν μια επαχθής κατασκευή, αλλά η συμμετρία που θα προκύψει θα είναι αισθητικά ευχάριστη, και ένα τέτοιο σχέδιο προτείνει πιθανά υποψήφια σωματίδια για τη σκοτεινή ύλη.

Πηγή: New Scientist

Δείτε το 1ο μέρος

Δείτε το 2ο μέρος

Print Friendly, PDF & Email

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share