Το σωματίδιο Χ σε μια σπάνια διάσπαση θα μπορούσε να ανήκει σε ένα νέο μοντέλο της φυσικής

Πηγή: PhysOrg, 6 Μαρτίου 2007

Ένα σωματίδιο που μπορεί να μεσολαβεί στη σπάνια διάσπαση ενός υπερόνιου Σ+  εμφανίζεται να έχει στενές σχέσεις με ένα ελαφρύ μποζόνιο Higgs, το οποίο όμως συναντούμε σε ένα υπερσυμμετρικό μοντέλο  - και όπως λένε οι επιστήμονες είναι κάτι που δείχνει σαφείς αποδείξεις για μια φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο (SM.).

Ο Xiao-Gang He του εθνικού πανεπιστημίου της Ταϊβάν, ο Jusak Tandean του πανεπιστημίου της La Verne, και ο German Valencia του πολιτειακού πανεπιστημίου της Iowa ερεύνησαν το λεγόμενο Hyper-CP αποτέλεσμα, το οποίο παρατηρήθηκε  στο Fermilab πριν από δύο χρόνια περίπου. Κι ενώ η συνεργασία Hyper-CP άρχισε ως την αναζήτηση της παραβίασης συμμετρίας CP, η σπάνια διάσπαση του υπερόνιου Σ+ (φτιαγμένου από ένα παράξενο κουάρκ και δύο πάνω κουάρκ) ανοίγει την πιθανότητα της ύπαρξης ενός νέου σωματιδίου με ασυνήθιστα χαρακτηριστικά.

Αυτό το ανεπιβεβαίωτο σωματίδιο, που ο Xiao-Gang He και οι συνάδελφοι του ονομάζουν σωματίδιο Χ, θα δρούσε σαν η ενδιάμεση κατάσταση όποτε γίνεται διάσπαση του σωματιδίου Σ+ προς την τελική του κατάσταση, δηλαδή ενός πρωτονίου, ενός μιονίου+ και ενός μιονίου- . Με την εξαιρετικά ελαφριά μάζα του (214,3 MeV), τη χαμηλή ενέργεια του, και τον πολύ μικρό λόγο διακλάδωσης για μια διάσπαση βαρυονίου, το σωματίδιο Χ θα είχε λιγότερο από 1% πιθανότητα να βρίσκεται στο Καθιερωμένο Μοντέλο.

Αν και ο He και οι συνάδελφοι του σε μια προηγούμενη εργασία τους είχαν πει ότι το αποτέλεσμα του πειράματος Hyper CP μπορεί να εξηγηθεί από το Καθιερωμένο Μοντέλο, εάν δεν υπάρχει κανένα νέο σωματίδιο, οι επιπτώσεις της ύπαρξης ενός νέου σωματιδίου είναι καθοριστικές. Εάν δηλαδή οι επιστήμονες διαπιστώσουν ότι το σωματίδιο Χ είναι πράγματι ένα νέο σωματίδιο, που ανήκει σε ένα διαφορετικό Μοντέλο, τότε το η κατάρρευση του Καθιερωμένου Μοντέλου θα άνοιγε νέες πύλες για μελλοντικές έρευνες σε πολλές περιοχές, και θα απαντούσε ενδεχομένως και σε πολλές ερωτήσεις αναπάντητες από το Καθιερωμένο Μοντέλο (SM).

Σε πρόσφατη δημοσίευση τους στο Physical Review Letters, ο He και οι άλλοι έστρεψαν την προσοχή τους σε ένα Μοντέλο αποκαλούμενο "next-to-minimal υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Μοντέλο" (NMSSM), που περιέχει επτά μποζόνια Higgs. Οι επιστήμονες έδειξαν ότι το ελαφρύτερο από τα 7 μποζόνια είναι το κύριο συστατικό ενός σωματιδίου που ονομάζεται A⁰₁ , και ότι το A⁰₁ ικανοποιεί όλους τους περιορισμούς του σωματιδίου Χ.

"Εάν η ύπαρξη ενός πολύ ελαφρού A⁰₁ επιβεβαιωθεί, τότε άλλα μοντέλα σαν το SM, που δεν έχουν κάποια ελαφρά μποζόνια Higgs, θα αποκλειστούν", είπε ο Tandean. Ο ίδιος εξήγησε επίσης πώς, αν και το SM έχει επιβεβαιωθεί σε πολλές πειραματικές δοκιμές, υπάρχουν μερικά ζητήματα όπου το Μοντέλο δεν συμπεριφέρεται σωστά.

"Ένα ζήτημα είναι το αποκαλούμενο πρόβλημα ιεραρχίας: γιατί η ηλεκτρασθενής κλίμακα (που αντιπροσωπεύεται από τα μποζόνια W και Z με μάζες της τάξεως των 100 GeV) είναι τόσο πολύ μικρότερη από την κλίμακα Planck (10¹⁹ GeV), στην οποία η βαρύτητα γίνεται σημαντική για τις στοιχειώδεις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων", τόνισε. "Μια πτυχή αυτού του ζητήματος είναι ότι οι κβαντικές διορθώσεις στη μάζα Higgs καθιστούν την τιμή της αυθαίρετα μεγάλη, μέχρι την κλίμακα Planck. Κι αυτό σαφώς έρχεται σε αντίθεση με την απαίτηση ότι το Higgs είναι ελαφρύτερο από μερικές εκατοντάδες GeV."

Πάντως, εξηγεί ο Tandean, τα υπερσυμμετρικό μοντέλα (όπου κάθε σωματίδιο του SM έχει ένα αντίστοιχο υπερσυμμετρικό) μπορούν να δώσουν μια φυσική λύση σε αυτό το πρόβλημα.

"Η παρουσία των υπερσυνεργατών έχει σαν αποτέλεσμα στην ακύρωση των μεγάλων κβαντικών διορθώσεων, κάτι που οδηγεί σε μια μάζα Higgs στο επιθυμητό επίπεδο", συμπληρώνει. "Η ελάχιστη έκδοση τέτοιων μοντέλων καλείται Ελάχιστο Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Μοντέλο (MSSM). Το MSSM είναι ένα πολύ ελκυστικό Μοντέλο από πολλές απόψεις, αλλά δεν εξετάζει το ζήτημα, του γιατί η ηλεκτρασθενής κλίμακα είναι πολύ μικρότερη από την κλίμακα Planck.

"Αλλά το Next-to-Minimal Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Μοντέλο (NMSSM) λύνει αυτό το πρόβλημα με την προσθήκη δύο σωματιδίων στο MSSM κατά τέτοιο τρόπο ώστε η ηλεκτρασθενής κλίμακα να μπορεί να είναι μικρή. Το NMSSM έχει μελετηθεί εκτενώς και έχει πολλά άλλα ενδιαφέροντα γνωρίσματα. Είναι επομένως ένα Μοντέλο που μπορεί να εξεταστεί."

Στο μέλλον, δύο νέοι επιταχυντές σωματιδίων ο Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων (LHC) και ο Διεθνής Γραμμικός Επιταχυντής (ILC)- μπορεί να ρίξουν περισσότερο φως στην υπόθεση του σωματιδίου Higgs. Η υπερσυμμετρία μπορεί να καθορίσει μερικές παραμέτρους του σωματιδίου Χ, όπου έρευνες για τις ενδιάμεσες καταστάσεις των squark και chargino στο NMSSM μπορεί να δώσουν περισσότερα στοιχεία.

"Το LHC και το ILC έχουν την ικανότητα να βρουν τα charginos όπως προβλέφθηκαν από τις υπερσυμμετρικές θεωρίες, ανάλογα με τις μάζες του chargino", λέει ο Tandean. "Στη μελέτη μας, διαπιστώνουμε ότι προκειμένου να εξηγηθούν τα αποτελέσματα του πειράματος HyperCP, η ελαφρύτερη μάζα του chargino πρέπει να είναι περίπου 100 GeV, η οποία είναι μέσα στο εύρος που εξετάζονται από τους επιταχυντές  LHC και ILC. Στο LHC και ILC, είναι επίσης δυνατό να μελετηθεί το συνηθισμένο μποζόνιο Higgs, h, λεπτομερώς (ή αυτό που διαδραματίζει το ρόλο του h στο μοντέλο NMSSM). Αν μελετήσουμε τις ιδιότητες του μποζονίου h λεπτομερώς, τότε μπορεί κάποιος να ελέγξει αν το νέο σωματίδιο Χ είναι το A⁰₁."