Αποτελέσματα σε επιταχυντή στην Ιαπωνία υπαινίσσονται μια νέα φυσική

Πηγή: New Scientist, 19 Μαρτίου 2008

Πολύ καιρό πριν, όλη η αντιύλη εξαφανίστηκε, επιτρέποντας στην ύλη να υπερισχύσει και να διαμορφώσει τα άστρα και τους πλανήτες του Κόσμου. Το γιατί συνέβη ήταν ένα μυστήριο, αλλά ένας επιταχυντής σωματιδίων στην Ιαπωνία μπορεί να έχει βρει μια νέα ένδειξη, ενώ δεν φαίνεται να ταιριάζει με το καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής.

Πειράματα σωματιδίων στο παρελθόν είχαν ήδη δει μια μικρή προτίμηση για την ύλη πάνω στην αντιύλη. Παραδείγματος χάριν, τα καόνια είναι λιγότερο ικανά να αυτο-καταστραφούν από την αντίστοιχη αντιύλη τους, τα αντικαόνια. Αυτή η προτίμηση μπορεί να εξηγηθεί θεωρητικά και μέσα στο Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής σωματιδίων, σαν μια ασυμμετρία της ασθενούς πυρηνικής δύναμης ή όπως αλλιώς λέγεται παραβίαση CP.

Όμως το φαινόμενο αυτό είναι πάρα πολύ μικρό για την ποσότητα της ύλης που κυριαρχεί στον Κόσμο. Μόνο με την επίδραση αυτού του φαινομένου από το καθιερωμένο πρότυπο στον πυκνό πρώιμο Κόσμο θα υπήρχε σχεδόν τόσο αντιύλη όσο και ύλη.

Το μεγαλύτερο μέρος της αντιύλης θα είχε συγκρουστεί με τα σωματίδια της ύλης, και θα εξαφανίζονταν μαζί μέσα σε μια έκρηξη ακτινοβολίας γάμμα. Το σύμπαν σήμερα θα ήταν γεμάτο φως και άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, συν απλώς διασκορπισμένα πρωτόνια και ηλεκτρόνια πάρα πολύ αραιά για να έχουν σχηματιστεί τα αστέρια ή κάποια στερεά ουσία.

Γι αυτό κάποια άλλη διαδικασία πρέπει να έχει ευνοήσει την ύλη. Τελευταία μια διεθνής συνεργασία που δουλεύει στον επιταχυντή KEK της Ιαπωνίας, μπορεί να έχει δει ένα σημάδι γι αυτό το θέμα.

Νέα φυσική

Στον επιταχυντή KEK συγκρούονται ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, για να δημιουργήσει τα ασταθή βαρέα σωματίδια, μεσόνια B. Ένας ανιχνευτής, ο Belle, κατόπιν παρακολουθεί πώς  διασπώνται αυτά τα μεσόνια B.

Αυτό που είδε η ομάδα ήταν μια διαφορά στον τρόπο που τα διάφορα μεσόνια B διασπώνται. Τα μεσόνια B χωρίς φορτίο κατέρρεαν συχνότερα από τα αντισωμάτιά τους, ενώ τα φορτισμένα μεσόνια B κατέρρεαν λιγότερο συχνά από τα αντισωμάτιά τους.

Σύμφωνα με τον εκπρόσωπο Tom Browder του ανιχνευτή Belle από το πανεπιστήμιο της Χαβάης, αυτό είναι ένα σημάδι μιας νέας φυσικής. "Η άποψη του καθιερωμένου προτύπου είναι ότι οι ασυμμετρίες στους δύο τρόπους αποσύνθεσης πρέπει να είναι οι ίδιες. Εμείς όμως διαπιστώνουμε ότι είναι διαφορετικοί."

Βέβαια περισσότερες αποδείξεις για μια θεμελιώδη προτίμηση της φύσης στην ύλη, από ότι για την αντιύλη, προέρχονται από μια ευρωπαϊκή ομάδα, η οποία ανέλυσε στοιχεία από διάφορα πειράματα σε ένα παρόμοιο σωματίδιο, το μεσόνιο Bs. Η έρευνά τους παρουσιάζει επίσης μεταβλητή προτίμηση για την ύλη.

Συνδεδεμένα φαινόμενα;

Ο Luca Silvestrini του Ιταλικού Εθνικού Ιδρύματος Πυρηνικής Φυσικής στη Ρώμη, μέλος της ευρωπαϊκής ομάδας, νομίζει ότι τα αποτελέσματά τους είναι πιο σίγουρα από αυτά του Belle, που όπως λέει μπορεί να βρίσκονται μέσα στο καθιερωμένο πρότυπο.

Αλλά προσθέτει ότι τα αποτελέσματα μπορεί να υποστηρίξουν το ένα το άλλο. "Η πιο συναρπαστική πιθανότητα είναι ότι τα δύο αποτελέσματα συνδέονται," λέει ο Silvestrini.

Είναι ακόμα ασαφές εάν η περίεργη συμπεριφορά των μεσόνιων Β αποκαλύπτει πραγματικά μια επίδραση αρκετά ισχυρή για να δημιουργήσει μια υπεροχή της ύλης στον κόσμο.

"Η σύνδεση από τον κόσμο των χαμηλής ενέργειας κουάρκ ή νετρίνων με την εξαιρετικά υψηλής ενέργειας κλίμακα του αρχικού σύμπαντος, είναι πολύ δύσκολη," λέει ο Browder. "Δεδομένου ότι δεν μπορούμε άμεσα να εξετάσουμε τις ακραίες ενέργειες του πρώιμου σύμπαντος, παίρνουμε ό,τι μπορούμε να πάρουμε."

Μελλοντικά πειράματα

Ο κοσμολόγος Peter Coles του πανεπιστημίου του Κάρντιφ στη Βρετανία είναι προσεκτικά θετικός. "Δε νομίζω ότι υπάρχει μια υποχρεωτική θεωρητική κατανόηση των νέων αποτελεσμάτων της παραβίασης CP. Δεν ταιριάζουν φυσικά μέσα στο πλαίσιο του καθιερωμένου μοντέλου, και μπορούν επομένως να δείχνουν προς μια νέα ανάλυση του ζητήματος. Δεν πιστεύω ότι λύνεται έτσι αυτό το πρόβλημα, εν τούτοις."

Αλλά ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Αδρονίων θα μπορούσε σύντομα να δώσει μια σαφέστερη απάντηση.

Αυτός ο γιγαντιαίος επιταχυντής σωματιδίων, που σε λίγους μήνες θα ξεκινήσει να δουλεύει στο CERN, περιλαμβάνει τον ανιχνευτή LHC-b που έχει ως σκοπό να ερευνήσει τα μεσόνια Β και τις προτιμήσεις τους πάνω στην ύλη έναντι της αντιύλης. "Είναι απίθανο ότι θα λυθεί ο γρίφος και ότι θα προκύψει μια πλήρης εικόνα προτού να αρχίσει να δίνει στοιχεία ο LHC αυτή τη χρονιά," λέει το μέλος της ομάδας LHC-b Val Gibson του πανεπιστημίου του Καίμπριτζ.

Οι φυσικοί στην Ιαπωνία έχουν κατασκευάσει τεράστιους επιταχυντές αφιερωμένους στην παραγωγή μεσονίων Β και μεσονίων αντι-Β. Αυτά τα "εργοστάσια" Β μεσονίων όπως λέγονται παράγουν πολλά εκατομμύρια ασυνήθιστα σωματίδια.

Η προτίμηση στα μεσόνια Β οφείλεται επειδή τα περισσότερα Bs και αντι-Bs συμπεριφέρονται ακριβώς όπως προβλέπεται, αν διατηρείται η συμμετρία CP. Μόνο μια φορά κάθε 10.000 διασπάσεις περίπου, ένα σωματίδιο διασπάται με έναν τρόπο που μπορεί να αποκαλύψει διαφορές για το πώς η ύλη και η αντιύλη συμπεριφέρονται. Έτσι η ανίχνευση αυτής της διαφοράς σημαίνει μια σπάνια δυσαναλογία σε έναν ήδη σπάνιο τύπο αντίδρασης.

Οι διάφορες αλυσίδες των σωματιδίων που παράγονται από την διάσπαση ενός σωματιδίου λέγονται κανάλια. Ένα μεσόνιο Β μπορεί να διασπαστεί με εκατοντάδες τρόπους, αλλά για την παραβίαση CP υπάρχουν μερικά κυρίαρχα κανάλια (τρόποι). Το πρώτο τέτοιο "κανάλι" είναι το "χρυσό κανάλι", στο οποίο ένα μεσόνιο Β παράγει δύο άλλα μεσόνια, ένα "J/psi" και ένα "βραχύβιο Κ", ένας τύπος καονίου. Ο ρυθμός στον οποίο εμφανίζεται αυτό το καόνιο από ένα Β από ό,τι από ένα αντι-Β μπορεί να υπαινίσσεται μια παρόμοια 'αδικία', που συνέβη στις απαρχές του Κόσμου και ευνόησε την κυριαρχία της ύλης πάνω στην αντιύλη.

Διάφορες Διασπάσεις καονίων
	Κανονική Διάσπαση των Καονίων: Εξωτικά σωματίδια γνωστά σαν καόνια είναι μίγμα δύο καονίων  — ενός βραχύβιου και ενός μακροχρόνιου. Οι δύο τύποι του καονίου διασπώνται διαφορετικά.
	'Έμμεση παραβίαση CP: Το 1964, οι φυσικοί ανακάλυψαν πως μερικά από τα μακρόβια καόνια μεταμορφώνονται πάλι στα βραχύβια καόνια με μια διαδικασία που λέγεται  “έμμεση παραβίαση CP”. Η ανίχνευση έγινε μέσω 'θραυσμάτων' των βραχύβιων καονίων αρκετά μετά τη διάσπαση όλων των βραχύβιων καονίων που υπήρχαν αρχικά.
	Άμεση παραβίαση CP: Ανακαλύφθηκε όμως ότι τα μακροχρόνια καόνια μπορούν κατευθείαν (αμέσως) να διασπαστούν   προς το υλικό που συνήθως αναδύεται από τα βραχύβια καόνια μια διαδικασία που λέγεται "άμεση παραβίαση CP". Δηλαδή τα μακροχρόνιου διασπώνται στα ίδια σωματίδια όπως και τα βραχύβια καόνια.