Υψηλής ακρίβειας μετρήσεις για το Καθιερωμένο Μοντέλο
Νέα αποτελέσματα για την CP-παραβίαση και τη μαγνητική ορμή του μιονίου 

Από τις ιστοσελίδες  Physics News Update και SLAC, Αύγουστος 2002

Τις τελευταίες ημέρες αναφέρθηκαν υψηλής ακρίβειας δοκιμασίες του Καθιερωμένου Μοντέλου, στη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, σε δύο πεδία: Στην παραβίαση CP στα B μεσόνια (τα πειράματα έγιναν στα εργαστήρια KEK στην Ιαπωνία και στο SLAC στην Καλιφόρνια) και την μαγνητική ορμή του μιονίου (ένα πείραμα στο εργαστήριο Brookhaven στη Νέα Υόρκη).

Το Καθιερωμένο Μοντέλο, προσπαθεί να εξηγήσει τις δυνάμεις της φύσης μέσω της ανταλλαγής των σωματιδίων και περιλαμβάνει το πλαίσιο της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης (δύναμη που ανταλλάσσεται μέσω των φωτονίων και μέσω των μποζονίων Z και W) συν το πλαίσιο της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (QCD) για τα κουάρκ (δύναμη που ανταλλάσσεται μέσω των γκλουονίων).

Το μοντέλο είχε πολλές επιτυχίες στον υπολογισμό της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στα άτομα (στη περίπτωση κάποιων συχνοτήτων μετάπτωσης, η θεωρία και το πείραμα συμφωνούσαν με ακρίβεια 1 προς 1  τρισεκατομμύριο) και πρόβλεψε άλλα φαινόμενα όπως η CP-παραβίαση (φορτίου-ομοτιμίας). Το μοντέλο δεν συμπεριλαμβάνει, αλλά μπορεί να φιλοξενήσει την ταλάντωση των νετρίνων.

Υπάρχουν όμως επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, όπως είναι η Θεωρία Υπερχορδών --που απεικονίζει όλη την ύλη ότι περιέχει μικροσκοπικές χορδές ή μεμβράνες -- που μπορούν (διαφορετικά από το Καθιερωμένο Μοντέλο) να θεωρήσουν για την δύναμη της βαρύτητας, την ύπαρξη περισσοτέρων από τρεις χωρικές διαστάσεις, και να υποδείξουν (μια θεωρία γνωστή σαν Υπερσυμμετρία, η SUSY) πως όλα τα φερμιόνια έχουν σαν αντίστοιχα σωματίδια τα μποζόνια και αντιστρόφως.

Η θεωρία SUSY είναι τώρα μια αποδεκτή ιδέα για πολλούς φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων αλλά αυτή η θεωρία θα συνεπάγεται μια λεπτομερή εξέταση του Καθιερωμένου Μοντέλου επειδή η ύπαρξη των υπερσωματιδίων θα απαιτούσε αμέσως μια καθολοκλήρου νέα δύναμη, μία που να μετασχημάτιζε τα φερμιόνια σε μποζόνια και το αντίστροφο. Αυτή η δύναμη, διαδοχικά θα μετασχημάτιζε (τα φερμιόνια σε μποζόνια ) μέσω ενός υποθετικού σωματιδίου του "λεπτοκουάρκ".

Οι νέες δοκιμές στην παραβίαση CP αναφέρθηκαν στο Διεθνές Συνέδριο για τη Φυσική Υψηλής Ενέργειας στο Amsterdam. Και οι δύο ομάδες στον ανιχνευτή Belle στο KEK και στον ανιχνευτή BaBar στο SLAC παρατήρησαν μικρές λεπτομέρειες στις διασπάσεις των μεσονίων B και μέτρησαν μια παράμετρο που λέγεται ημίτονο δύο βήτα (sine two beta).

Η τιμή που μετρήθηκε και από τα δύο γκρουπ, με πολύ μεγάλη ακρίβεια, προσεγγίζει τη τιμή που προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο, έτσι σβήνονται οι παλαιές ασυμφωνίες. (Δείτε την ανακοίνωση του SLAC.) Το νέο αποτέλεσμα από τον ανιχνευτή BaBar για το sine two beta είναι τώρα 0.74 ± 0.07. Αυτό το αποτέλεσμα προέκυψε μετά από τρία χρόνια εντατικής δουλειάς και ανάλυσης 88 εκατομμυρίων γεγονότων.

Εν τω μεταξύ, στο Brookhaven η συνεργαζόμενη ομάδα του πειράματος g-2 προσβλέπει να παρατηρήσει την διαφοροποίηση της μαγνητικής ορμής του μιονίου (που σχετίζεται με το σπιν του μιονίου μέσω της παραμέτρου g) από τη τιμή 2, τη τιμή αυτή θα μπορούσε να την έχει στην  απουσία αλληλεπιδράσεων μεταξύ του μιονίου και φανταστικών σωματιδίων στο Απόλυτο Κενό, συμπεριλαμβανομένων πιθανά, έξω από τα γνωστά του Καθιερωμένου Μοντέλου, των υπερσυμμετρικών οντοτήτων. Καίτοι τα σωματίδια SUSY είναι σπάνια και ασταθή η ύπαρξη τους στο Απόλυτο Κενό θα μπορούσε να τροποποιήσει τις παρατηρούμενες ποσότητες σαν τη μαγνητική ορμή του μιονίου.

Έτσι μια μέτρηση της μαγνητικής ορμής, μέσω της παρατήρησης των διασπάσεων των μιονίων, καθώς αυτά θα κινούνταν μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, θα μπορούσε να δώσει άμεσες αποδείξεις για τα extra σωματίδια.  Μετριοπαθείς αποδείξεις προς αυτή την κατεύθυνση είχαν αναφερθεί προηγουμένως από την ομάδα g-2.

Αυτό που τελικά έλειπε από την κατανόηση των φυσικών για το Σύμπαν μέχρι σήμερα, ήταν με ποιο τρόπο στο Σύμπαν μας μετά το Big Bang, αν και φτιάχτηκαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, η αντιύλη εξαϋλώθηκε αμέσως μόλις ήρθε σε επαφή με την ύλη και δεν έμεινε καμία ποσότητα αντιύλης σήμερα, παρά ενέργεια. Για να διαπιστώσουν πειραματικά το φαινόμενο που επέτρεψε στην ύλη να κυριαρχήσει στο Σύμπαν οι φυσικοί των υψηλών ενεργειών το έκαναν κεντρικό τους θέμα στην έρευνα. Στα πειράματα λοιπόν στον επιταχυντή BaBar στο SLAC και στη συνεργασία Belle στο Εργαστήριο KEK στην Ιαπωνία είχαν δουλέψει όλοι με επιμονή για να μπορέσουν να έχουν ακριβείς μετρήσεις του φαινομένου της παραβίασης CP (Charge Parity violation).

Και στα δύο πειράματα παρακολούθησαν τους απειροελάχιστους χρόνους ζωής  - ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου - των σωματιδίων που ονομάζονται B μεσόνια και των αντίστοιχων αντισωματιδίων τους, που λέγονται αντι--B μεσόνια ή  “B-bars.” Κάθε διαφορά στην συμπεριφορά αυτών, των ακριβώς αντιθέτων σωματιδίων , θα δείχνει μια διαφορά μεταξύ της ύλης και της αντιύλης και θα επιβεβαιώσει την ύπαρξη της παραβίασης CP. Τα πρώτα αποτελέσματα , αναγγέλθηκαν το καλοκαίρι του 2001 (SLAC 26 Ιουλίου 2001, όπου στο πείραμα BaBar οι Φυσικοί βρήκαν την διαφορά που αναζητούσαν μεταξύ της ύλης και αντιύλης) και έδωσαν καθαρές αποδείξεις για την παραβίαση CP στα B μεσόνια.

Τα νέα αποτελέσματα, ανακοινώθηκαν επίσης στο Amsterdam. (Δείτε και την ανακοίνωση του Brookhaven).

Η παραβίαση CP

Ωστόσο η επιστημονική βιομηχανία των κατηγοριών που έχει αναπτυχθεί γύρω από την CP παραβίαση άρχισε με μία ανύποπτη ανακάλυψη το 1964.   Πριν από το πείραμα, για το οποίο κέρδισαν βραβείο Nobel οι Dr. James Cronin και Dr. Val Fitch το 1980, οι επιστήμονες ήταν βέβαιοι ότι οι νόμοι της Φυσικής ακριβώς υπάκουαν σε αυτό που ονομάζεται CP συμμετρία.

Ελέγχοντας για την CP συμμετρία κάνουμε την παρακάτω φανταστική διαδικασία: Πρώτα παίρνουμε όλα τα σωματίδια και αντιστρέφουμε το φορτίο τους (ο όρος "C") από θετικό σε αρνητικό και αντίστροφα (για τα αντισωματίδια). Τότε αλλάζουμε στα σωματίδια την   αριστερόστροφη ιδιοπεριστροφή και την μετατρέπουμε σε δεξιόστροφη (ο όρος "P") και αντίστροφα. Εαν τώρα τα νέα σωματίδια που θα προκύψουν   συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο με τα παλιά, τότε οι νόμοι της Φυσικής είναι  αναλλοίωτοι στην CP μεταβολή.

Επειδή η CP διαδικασία αλλάζει κάθε σωματίδιο στο αντισωματίδιο του, η CP συμμετρία θα σημαίνει ότι οι φυσικοί νόμοι είναι ακριβώς ίδιοι για την ύλη και την αντιύλη. Ο Dr. Cronin, του Πανεπιστημίου του Chicago, και ο Dr. Fitch, του Πανεπιστημίου του Princeton, άλλαξαν τελείως την εικόνα που είχε ο κόσμος για την συμμετρία όταν βρήκαν πως τα σωματίδια καόνια, μερικές φορές διασπώνται με τρόπο που παραβίαζε αυτό τον κανόνα.

Δύο Ιάπωνες θεωρητικοί, ο Makoto Kobayashi και ο Toshihide Maskawa, αργότερα έδειξαν πως το Καθιερωμένο Μοντέλο θα μπορούσε να τροποποιηθεί για να στεγάσει αυτό το αποτέλεσμα. Αλλά ακόμη κι αν η αλλαγή της θεωρίας θα φέρει την CP παραβίαση σε άλλα σωματίδια, οι πειραματιστές δεν έχουν ακόμη σαφώς ανιχνεύσει αυτή την παραβίαση σε άλλα σωματίδια πλην των καονίων.

Έτσι και οι δύο πειραματικές ομάδες   δημιουργούν ζεύγη B μεσονίων και αντι-Β μεσονίων συγκρούοντας μαζί ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, σε επιταχυντές σωματιδίων. Τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια επιταχύνονται σε υψηλές ενέργειες σε ένα γραμμικό επιταχυντή και τότε μεταπηδούν σε ένα κυκλικό δακτύλιο, όπου περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και συντρίβονται μαζί.

Σε μια στροφή μέσα στην πειραματική διάταξη, τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια ρίχνονται με ελαφρά διαφορετικές ενέργειες ώστε τα B μεσόνια, όταν δημιουργηθούν, να κινούνται σταθερά σε μια κατεύθυνση με περίπου τη μισή ταχύτητα του φωτός αντί να παραμένουν ακίνητα. Η κίνηση αυτή γίνεται με ένα έξυπνο τρόπο για να καθυστερήσουν το μεσόνιο, και τότε το αντισωματίδιο του να  διασπαστεί σε μια δέσμη σωματιδίων. Επιτρέποντας έτσι στους αναλυτές να ανιχνεύσουν αυτόν τον πίδακα των ιχνών των σωματιδίων, οι υψηλής ανάλυσης ανιχνευτές -- που ονομάστηκαν Belle και BaBar -- εντοπίζουν το σημείο στο οποίο οι διασπάσεις λαμβάνουν μέρος.

Αφότου τα Β μεσόνια κινούνται, η απόσταση που έχουν ταξιδεύσει δίνει ένα μέτρο του χρόνου μέσα στον οποίο γίνονται οι διασπάσεις. Συγκρίνοντας τον χρόνο λεπτομερώς, που εξαρτάται από τις διασπάσεις των Β και των αντι-Β μεσονίων, οι φυσικοί μπορούν να ψάξουν για αποδείξεις μιας ασυμμετρίας που θα αποδεικνύει ότι συμμετέχει η CP παραβίαση. 

Έτσι, από τα 10 εκατομμύρια B μεσόνια που παράγονται στο BaBar, τα 120 ήταν του ειδικού τύπου που επιτρέπει στην επιστημονική ομάδα να ψάχνει για την CP παραβίαση, οδηγώντας τους στα προκαταρκτικά αποτελέσματα. Η ομάδα στο Belle έχει διαπιστώσει ακόμη λιγότερα γεγονότα, αλλά και οι δύο ομάδες συγκεντρώνουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων στην προετοιμασία τους για μία συνολική επίθεση εναντίον του προβλήματος της ασυμμετρίας και της CP παραβίασης.