Ο νέος επιταχυντής σωματιδίων μπορεί να αποκαλύψει τη μορφή των πρόσθετων διαστάσεων

Πηγή: PhysOrg, 30 Ιανουαρίου 2008

Όταν ο πιο ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων του κόσμου τεθεί σε λειτουργία αυτό το έτος, τότε εξωτικά νέα σωματίδια μπορούν να προσφέρουν μια γεύση της παρουσίας και της μορφής των πρόσθετων διαστάσεων.

Ερευνητές από το πανεπιστήμιο Wisconsin-Madison και το πανεπιστήμιο Μπέρκλευ πιστεύουν ότι οι αποκαλυπτικές υπογραφές που έμειναν από μια νέα κατηγορία σωματιδίων, θα μπορούσαν να ξεχωρίσουν τις πιθανές μορφές των πρόσθετων χωρικών διαστάσεων όπως προβλέπονται από τη θεωρία χορδών.

Η θεωρία χορδών, που περιγράφει τα θεμελιώδη σωματίδια του Κόσμου ως μικροσκοπικές παλλόμενες χορδές ενέργειας, προτείνει την ύπαρξη έξι ή επτά απαρατήρητων χωρικών διαστάσεων, εκτός από τον χρόνο και των τριών χωρικών διαστάσεων που βλέπουμε κανονικά.

Όπως δε η μορφή ενός μουσικού οργάνου καθορίζει και τον ήχο του, έτσι και η μορφή αυτών των διαστάσεων καθορίζει τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των τεσσάρων διαστάσεων του Κόσμου μας, λέει ο Gary Shiu, επικεφαλής συντάκτης μιας ανακοίνωσης που εμφανίζεται στο Physical Review Letters.

"Η μορφή των διαστάσεων είναι κρίσιμη επειδή, στη θεωρία χορδών, ο τρόπος που η χορδή δονείται καθορίζει τις μάζες των σωματιδίων και τις δυνάμεις που αισθανόμαστε," λέει ο καθηγητή της φυσικής στο πανεπιστήμιο Wisconsin-Madison.

"Υπάρχουν μυριάδας δυνατότητες για τις μορφές των πρόσθετων διαστάσεων εκεί έξω. Θα ήταν χρήσιμο να γνωρίζουμε ένα τρόπο για να διακριθεί η μία μορφή από την άλλη  και ίσως να χρησιμοποιηθούν τα πειραματικά δεδομένα για να ελαττώσουμε το σύνολο των δυνατών μορφών."

Τέτοια πειραματικά στοιχεία θα μπορούσαν να εμφανιστούν στα στοιχεία από τον νέο επιταχυντή σωματιδίων, το Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων, που σχεδιάστηκε για να ξεκινήσει το καλοκαίρι κοντά στη Γενεύη.

Σε έναν επιταχυντή, οι ατομικοί πυρήνες συντρίβονται όταν έρχονται κατά μέτωπο με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, μπορούν δε αμέσως να δημιουργήσουν νέα υψηλής ενέργειας και ιδιαίτερα ασταθή σωματίδια, τα οποία αποσυντίθενται γρήγορα με ένα ντους ανιχνεύσιμων αλλά πιο χαμηλής ενέργειας. Τα χαρακτηριστικά αυτής της αποσύνθεσης των σωματιδίων παίζουν το ρόλο των δακτυλικών αποτυπωμάτων των εφήμερων εξωτικών σωματιδίων και, ενδεχομένως, της μορφής των αθέατων διαστάσεων.

Ο Shiu λοιπόν δείχνει στη νέα μελέτη ότι από τα σχέδια των υπογραφών από τα σωματίδια, που ονομάζονται  Kaluza-Klein (KK) γκραβιτόνια, μπορούμε να ξεχωρίσουμε μεταξύ των διαφορετικών προτεινόμενων γεωμετριών με πρόσθετες διαστάσεις.

Πώς όμως θα γίνει; Ο Shiu συγκρίνει το φαινόμενο με ένα σκοτεινό δωμάτιο στο οποίο οι μορφές του ήχου, που αντηχεί από τους τοίχους, μπορούν να μας αποκαλύψουν τη μορφή του δωματίου. Ομοίως, τα γκραβιτόνια των KK είναι ευαίσθητα στην μορφή των πρόσθετων διαστάσεων και, μέσω της συμπεριφοράς και της αποσύνθεσής τους, μπορούν να μας αποκαλύψουν εκείνη τη μορφή.

Η τρέχουσα μελέτη δείχνει ότι, στις προσομοιώσεις, ακόμη και οι πιο μικρές γεωμετρικές παραλλαγές οδηγούν σε ορατές διαφορές στις υπογραφές των γκραβιτονίων KK, εξηγούν οι ειδικοί.

Με βάση αυτά τα αποτελέσματα, πιστεύει ο Shiu ότι σε γενικές γραμμές τουλάχιστον, θα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα πειραματικά στοιχεία για να εξετάσουμε και να περιορίσουμε τη γεωμετρία του Κόσμου μας."

Πέρυσι, η ομάδα του Shiu ανέφερε ότι μπορούν, επίσης, να είναι ορατές στο μοτίβο της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου κάποιες ενδείξεις για τη μορφή των διαστάσεων του χώρου. Η νέα εργασία μάλιστα συμπληρώνει την προηγούμενη προσέγγιση, λέει η ομάδα.

"Όσο περισσότερους υπαινιγμούς παίρνουμε για τη μορφή των πρόσθετων διαστάσεων, τόσο καλύτερη ιδέα έχουμε για την κρυμμένη φυσική," τονίζει ο Shiu.

Και προσθέτει: ΅Εάν τα στοιχεία της κοσμολογίας και της σωματιδιακής φυσικής συμφωνούν, τότε αυτό είναι μια ένδειξη ότι είμαστε στο σωστό δρόμο."

Ο επιταχυντής LHC είναι μοναδικός στον κόσμο λόγω της υψηλότατης ενέργειας των δεσμών που θα συγκρούονται αλλά και του τεράστιου όγκου των πειραματικών δεδομένων που θα συλλέξει.

Οι βασικοί στόχοι του νέου επιταχυντή LHC είναι μεταξύ των άλλων οι εξής:

Να αντιμετωπίσει όσο το δυνατόν περισσότερα από τα αναπάντητα ακόμη ερωτήματα που έχουμε για τη φύση στο πιο θεμελιώδες της επίπεδο. Το ερευνητικό πρόγραμμα στον επιταχυντή LHC έχει σχεδιαστεί έτσι, ώστε να διερευνήσει την ύλη του σύμπαντος και τη δυναμική του χωροχρόνου, χρησιμοποιώντας συγκρουόμενες δέσμες πρωτονίων πολύ υψηλής ενέργειας.

Μία από τις αναπάντητες ερωτήσεις της φυσικής είναι πού άραγε να οφείλεται π διαφορετική ισχύς των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων της φύσης και γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής σε σχέση με τις υπόλοιπες. Αυτό το «πρόβλημα της ιεραρχίας», όπως είναι γνωστό, αποτέλεσε σημαντικό εμπόδιο στο όνειρο του Αϊνστάιν για την ενοποίηση όλων των δυνάμεων της φύσης και έδωσε το έναυσμα για μια τεράστιας έκτασης θεωρητική έρευνα, η οποία είναι σε εξέλιξη εδώ και 30 τουλάχιστον χρόνια. Η πιο ικανοποιητική ίσως λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι μια θεωρία με μεγάλες νέες διαστάσεις. Σε αυτό το πλαίσιο, η «ελαφρότητα» της βαρύτητας αποδίδεται στην παρουσία νέων διαστάσεων, μέσα στις οποίες η βαρύτητα εξαπλώνεται, γεγονός που μειώνει την ισχύ της, όπως ακριβώς ένα ποτάμι που, καθώς πλησιάζει στο δέλτα του, πλαταίνει, και το ρεύμα του χάνει τη δύναμη του. Αυτή η ακραία αδυναμία της βαρύτητας μπορεί να εξηγηθεί μόνο εάν οι επιπλέον διαστάσεις είναι μεγάλες, ίσως ακόμη και 10 μικρά. Αυτό σημαίνει ότι πειράματα που θα ελέγξουν το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα σε αυτές τις αποστάσεις θα μπορούν παράλληλα να χρησιμοποιηθούν και για την ανίχνευση της ύπαρξης αυτών των νέων διαστάσεων. Επιπλέον, ο LHC θα προσπαθήσει να τις εντοπίσει ερευνώντας για τυχόν διαρροές ενέργειας προς αυτές τις διαστάσεις, που θα φαίνονται σαν «χαμένη» ενέργεια.

Είναι γνωστό ότι οι θεωρίες των υπερχορδών προϋποθέτουν την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων, που δε γίνονται αντιληπτές, καθώς είναι συρρικνωμένες σε πολύ μικρή κλίμακα. Υπάρχουν πάντως φυσικοί όπως ο Σάββας Δημόπουλος του Stanford που μιλάνε για «μεγάλες» επιπλέον διαστάσεις. Ένα πλεονέκτημα αυτών των μεγάλων νέων διαστάσεων είναι ακριβώς η ικανότητα τους να εξηγούν το λόγο για τον οποίο η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι τόσο ασθενής σε σχέση με τις υπόλοιπες αλληλεπιδράσεις - αυτός εξάλλου ήταν ο κύριος λόγος για τον οποίο τις πρότεινε η ομάδα του Δημόπουλου. Επιπλέον, οι μεγάλες νέες διαστάσεις οδηγούν σε πειραματικές προβλέψεις, για παράδειγμα γιατί η βαρύτητα είναι ασθενής.

Οι θεωρίες αυτές των σχετικά μεγάλων διαστάσεων που προβλέπουν την ύπαρξη μεγαλύτερων ακόμα και από το μέγεθος ενός ατόμου, δεν απορρίπτονται πειραματικά. Και αυτό γιατί μόνο η βαρύτητα μπορεί να επεκταθεί σε αυτές τις διαστάσεις, ενώ ο ηλεκτρισμός - που γνωρίζουμε ότι είναι μια τρισδιάστατη δύναμη σε κλίμακες πολύ μικρότερες από τη διάμετρο ενός ατόμου - παραμένει ανεπηρέαστος, καθώς δε διαδίδεται μέσα στις επιπλέον διαστάσεις. Η βαρύτητα, από την άλλη, είναι μια τόσο ασθενής αλληλεπίδραση, που δε γνωρίζουμε ακόμη πολλά για τον τρόπο που λειτουργεί σε τόσο μικρές αποστάσεις. Η πιθανότητα λοιπόν να είναι η βαρύτητα μια αλληλεπίδραση ανώτερων διαστάσεων σε κλίμακες μικρότερες ενός μικρού είναι και υπαρκτή και συναρπαστική.

Επίσης, πολλοί λένε ότι ενδέχεται μέσα στο νέο επιταχυντή να δημιουργηθούν μικροσκοπικές μαύρες τρύπες. 0 ρυθμός παραγωγής μαύρων τρυπών στον LHC μπορεί να είναι τρομακτικός, ακόμη και μια μαύρη τρύπα ανά δευτερόλεπτο. Εντούτοις, αυτές δε συνιστούν καμιά απειλή για κανένα, καθώς δεν έχουν τη δυνατότητα να 'καταβροχθίσουν' τη μακροσκοπική ύλη. Και αυτό γιατί κάθε μαύρη τρύπα επιβιώνει για χρονικό διάστημα πολύ μικρότερο από αυτό που χρειάζεται για να μετακινηθεί μεταξύ των ατόμων, επομένως το περισσότερο που μπορεί να «καταπιεί» στη διάρκεια της ζωής της είναι ένα μόλις άτομο. Επιπλέον, η διάσπαση της απελευθερώνει ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας, συγκριτικά με τη συνολική ενέργεια που απαιτήθηκε για τη παραγωγή της.

Τέλος, μεταξύ των αναπάντητων ακόμη σπουδαίων ζητημάτων που θα προσπαθήσουν οι φυσικοί να δώσουν απαντήσεις στο νέο επιταχυντή είναι κι αυτό της σκοτεινής ύλης.