Οι διασπάσεις «πιγκουίνου» που παρατηρήθηκαν στο πιο πρόσφατο πείραμα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων του CERN αποκαλύπτουν μια παράξενη, νέα φυσική.
Στο μακρινό 1977, δύο φυσικοί κάθονται σε ένα μπαρ και πίνοντας μπύρες γελούν εξαιτίας ενός χαζού ανεκδότου με πιγκουίνους(*) που κυκλοφορούσε εκείνες τις μέρες. Στη συνέχεια ενώ αρχίζουν να παίζουν βελάκια, ο ένας γυρίζει στον άλλον και λέει: «Ας βάλουμε ένα στοίχημα. Αν χάσεις αυτό το παιχνίδι, πρέπει να χρησιμοποιήσεις τη λέξη πιγκουίνος στην επόμενη δημοσίευσή σου». Έτσι, ο φυσικός που έχασε το παιχνίδι (ο John Ellis), όταν επέστρεψε στο γραφείο του εξετάζοντας τα διαγράμματα Feynman που είχε σχεδιάσει για την διάσπαση ενός μεσονίου, συνειδητοποίησε ότι κάποιο από αυτά έμοιαζε καταπληκτικά με πιγκουίνο! Ο Ellis άδραξε την ευκαιρία για να «πληρώσει» το στοίχημα αναφέροντας το διάγραμμα στην εργασία του ως «διάγραμμα πιγκουίνου». Η εργασία του δημοσιεύτηκε και τελικά ο όρος καθιερώθηκε στην επιστημονική κοινότητα, αφού περιέγραφε με χιούμορ αυτού του είδους τα διαγράμματα.
Οι φυσικοί γνωρίζουν ότι η θεωρητική περιγραφή τους για τα στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους, το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής Φυσικής, πρέπει να είναι ελλιπής, επειδή υπάρχουν αρκετά φαινόμενα που δεν μπορεί να εξηγήσει, όπως η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.
Όμως, οι παρατηρήσεις συνεχίζουν να επιβεβαιώνουν την ακρίβεια του προτύπου με ολοένα και μεγαλύτερη ακρίβεια. Ακόμη και μετρήσεις που φαινόταν να σπάνε το καλούπι, όπως μια απόκλιση στη μάζα ενός σωματιδίου που ονομάζεται μποζόνιο W, εξανεμίστηκαν μετά από περαιτέρω έρευνα.
Τώρα, μια ανάλυση από ένα πείραμα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, υποδηλώνει ότι οι ενδείξεις για ένα αποτέλεσμα που αποκλίνει από το καθιερωμένο πρότυπο έχουν αυξηθεί. Αφορά τη διάσπαση σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια B σε άλλα σωματίδια. Το αποτέλεσμα, το οποίο έχει γίνει δεκτό προς δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters, είναι μία από τις τελευταίες εναπομείνασες ανωμαλίες για τους σωματιδιακούς φυσικούς, οι οποίοι αναζητούν νέα φυσική στα προϊόντα των συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου στον LHC. Το περιοδικό Nature εξερευνά τα τελευταία ευρήματα από το πείραμα LHCb (LHC beauty) στο CERN, καθώς και τα εξωτικά και βαρέα σωματίδια που θα μπορούσαν να τα εξηγήσουν.
Τι ανακάλυψε το πείραμα;
Αντί να αναζητά άμεσα νέα σωματίδια, το LHCb αναζητά τις ανεπαίσθητες επιδράσεις τους, συμπεριλαμβανομένων των περιπτώσεων που εμφανίζονται φευγαλέα ως «εικονικά σωματίδια» τα οποία επηρεάζουν την διάσπαση των σωματιδίων. Για να αναζητήσουν αυτές τις επιδράσεις, οι ερευνητές ανέλυσαν τη συχνότητα και τη γωνία με την οποία τα σωματίδια αναδύονται από τις διασπάσεις, για να ελέγξουν αν ταιριάζουν με αυτές που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Η νέα ανάλυση εξετάζει το πότε ένα μεσόνιο Β, ένα σωματίδιο που αποτελείται από ένα κουάρκ πυθμένα (bottom) και ένα άλλο ελαφρύτερο κουάρκ, διασπάται σε μεσόνιο που περιέχει ένα παράξενο (strange) κουάρκ, γνωστό ως καόνιο, καθώς και σε δύο μιόνια (βαρύτερα ξαδέλφάκια του ηλεκτρονίου). Διαπίστωσαν ότι οι γωνίες με τις οποίες προκύπτουν τα τελικά προϊόντα από την διάσπαση δεν ταυτίζονται με εκείνες που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Οι ενδείξεις για αυτή την ανωμαλία αυξάνονται συνεχώς από το 2015.
Πώς προκύπτει η νέα φυσική;
Ο Βρετανός θεωρητικός φυσικός John Ellis ήταν εκείνος που εισήγαγε τον όρο «διάσπαση πιγκουίνου» το 1977, λόγω της ομοιότητας του διαγράμματος Feynman της διάσπασης του μεσονίου Β με έναν πιγκουίνο. Η διάσπαση περιλαμβάνει έναν κβαντικό βρόχο, στον οποίο ένα κουάρκ πυθμένας μετατρέπεται σε ένα παράξενο κουάρκ, διαμέσου μιας προσωρινής μετάβασης σε «εικονικά» σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται αστραπιαία. Η κβαντική φυσική επιτρέπει ακόμη και σε βαριά σωματίδια, πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου, να συμμετάσχουν φευγαλέα σ’ αυτόν τον βρόχο και να αφήσουν τα τελικά προϊόντα με ιδιότητες που δεν είναι δυνατόν να προέρχονται μόνο από τα γνωστά σωματίδια.
Διάγραμμα πιγκουίνου
Επειδή αυτή η διάσπαση είναι εξαιρετικά σπάνια (περίπου ένα στο ένα εκατομμύριο μεσόνια Β διασπώνται με αυτόν τον τρόπο), η απουσία ισχυρού «υποβάθρου» από τις γνωστές φυσικές διαδικασίες επιτρέπει στα νέα, εξωτικά σωματίδια να μπορούν να εντοπιστούν. Σε οποιαδήποτε άλλη πιο κοινή διάσπαση, το ανεπαίσθητο σήμα τους θα «πνιγόταν».
Πρέπει να ενθουσιαστούμε;
Η ανάλυση περιλαμβάνει περίπου 650 δισεκατομμύρια διασπάσεις που συγκεντρώθηκαν στον LHC κατά τη διάρκεια δύο κύκλων λειτουργίας μεταξύ 2011 και 2018. Οι μετρήσεις των γωνιών των σωματιδίων που αναδύονται διαφωνούν με το Καθιερωμένο Πρότυπο με στατιστική σημαντικότητα περίπου τεσσάρων σίγμα. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα να παράγει αυτό το σήμα τυχαίος θόρυβος από κανονικές διαδικασίες του Καθιερωμένου Προτύπου είναι περίπου 1 προς 16.000, λέει ο William Barter, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου ο οποίος εργάζεται στον LHCb. «Αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά αποτελέσματα των τελευταίων ετών στο LHC», αναφέρει ο Barter. Ιδιαίτερα εντυπωσιακό είναι ότι το εύρημα φαίνεται να επιβεβαιώνεται δοκιμαστικά από ένα άλλο πείραμα του LHC, το CMS (Compact Muon Solenoid), το οποίο έχει παρατηρήσει μια απόκλιση σε αυτή την διάσπαση του μεσονίου Β, αν και με χαμηλότερη στατιστική ακρίβεια.
Ωστόσο, σύμφωνα με τον ίδιο, ο ενθουσιασμός μετριάζεται, επειδή μια ανταγωνιστική διάσπαση που περιλαμβάνει σωματίδια τα οποία ονομάζονται γοητευτικά κουάρκ μπορεί να δημιουργήσει τα ίδια προϊόντα με την μετάβαση από κουάρκ πυθμένα σε παράξενο κουάρκ. Είναι δύσκολο για τους θεωρητικούς να προβλέψουν με ακρίβεια πώς αυτοί οι «γοητευτικοί πιγκουίνοι» θα επηρέαζαν τις γωνίες των τελικών προϊόντων διάσπασης. Η θεωρία δείχνει ότι αυτή η διάσπαση είναι απίθανο να εξηγήσει την πλήρη απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο, αλλά η ύπαρξή της αφήνει περιθώρια για επιφυλακτικότητα.
Κι αν το σήμα είναι πραγματικό, ποια νέα σωματίδια θα μπορούσαν να το εξηγήσουν;
Μια πιθανότητα που θα μπορούσε να εξηγήσει την απόκλιση είναι αν ένα σωματίδιο γνωστό ως Z′ εμπλέκεται ως εικονικό σωματίδιο στην διάσπαση των μεσονίων Β, στο πλαίσιο της μετάβασης από κουάρκ πυθμένα σε παράξενο κουάρκ. Οι φυσικοί έχουν προτείνει ότι αυτό το σωματίδιο, το οποίο θα συνδεόταν με μια νέα, άγνωστη μέχρι τώρα δύναμη, θα ήταν παρόμοιο με το μποζόνιο Z, ένα από τα δύο σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή πυρηνική δύναμη. Όμως το Z′ θα ήταν βαρύτερο και θα είχε προτίμηση να αλληλεπιδρά με ορισμένες οικογένειες σωματιδίων. Το Z′ θα ήταν ο φορέας μιας δύναμης που θα έκανε διακρίσεις μεταξύ διαφορετικών «γεύσεων» σωματιδίων. Αυτή η θεωρία θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει να εξηγηθεί γιατί οι μάζες των σωματιδίων στο Καθιερωμένο Πρότυπο είναι τόσο ριζικά διαφορετικές.
Μια άλλη πιθανότητα είναι η ύπαρξη ενός λεπτοκουάρκ, ενός υποθετικού σωματιδίου το οποίο, σε υψηλές ενέργειες, συνδέει κουάρκ και λεπτόνια. Τα λεπτοκουάρκ παρέχουν έναν άλλο τρόπο με τον οποίο τα κουάρκ πυθμένες θα μπορούσαν να μεταπίπτουν προς παράξενα κουάρκ και θα μπορούσαν επίσης να προκαλέσουν τις γωνίες διάσπασης που παρατηρήθηκαν.
Ποιες άλλες ανωμαλίες θα μπορούσαν να αμφισβητήσουν το Καθιερωμένο Πρότυπο;
Δεν έχουν απομείνει άλλες. Μια μη αναμενόμενη διαφορά στον τρόπο με τον οποίο τα μεσόνια Β διασπώνταν σε ηλεκτρόνια και μιόνια εξανεμίστηκε το 2022 με τη συγκέντρωση περισσότερων δεδομένων. Και το 2024, οι φυσικοί στον LHC διέψευσαν τις ελπίδες για μια φαινομενική ανωμαλία που είχε παρατηρηθεί από ένα άλλο πείραμα, τον CDF (Collider Detector at Fermilab ), δύο χρόνια νωρίτερα. Για δεκαετίες, οι φυσικοί αναρωτιούνταν επίσης αν ο παράξενος τρόπος με τον οποίο συμπεριφέρονταν τα μιόνια σε ένα μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να εξηγηθεί από νέα φυσική, αλλά αναθεωρημένες προβλέψεις το 2023 έδειξαν ότι μπορεί να μην υπάρχει καμία απόκλιση προς εξήγηση.
Πειράματα στον LHC έχουν παρατηρήσει και άλλες «αποκλίσεις» μεταξύ των αποτελεσμάτων τους και του Καθιερωμένου Προτύπου, σε ευρήματα που σχετίζονται με τις διασπάσεις του μεσονίου Β, αλλά και με το μποζόνιο Χιγκς. Όμως, όλες αυτές είναι λιγότερο σημαντικές από το πιο πρόσφατο αποτέλεσμα.
Πότε θα μάθουμε περισσότερα; Οι φυσικοί του LHCb δεν έχουν ακόμη αναλύσει τον τεράστιο όγκο των δεδομένων σχετικά με τις διασπάσεις πιγκουίνου που έχουν συσσωρευτεί στον επιταχυντή από το 2018. Νέα αποτελέσματα δεν αναμένονται πριν από το επόμενο έτος το νωρίτερο. Αν το Z′ υπάρχει και δεν είναι πολύ βαρύ, μπορεί να είναι εφικτό για άλλα πειράματα του LHC να παρατηρήσουν τη διάσπασή του άμεσα, ειδικά μετά την αναβάθμιση που προγραμματίζεται να λειτουργήσει από το 2030.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: These exotic particles could break physics – https://www.scientificamerican.com/article/these-exotic-particles-could-break-physics/
(*) Ένας φορτηγατζής μεταφέρει ένα μεγάλο φορτίο με πιγκουίνους, αλλά ξαφνικά το φορτηγό του σταματά λόγω βλάβης. Ενώ προσπαθεί απεγνωσμένα να τη διορθώσει, σταματάει ένα άλλο φορτηγό για να τον βοηθήσει. Ο πρώτος φορτηγατζής, βλέποντας ότι θα καθυστερήσει πολύ, βγάζει 100 δολάρια, τα δίνει στον δεύτερο οδηγό και του λέει: «Σε παρακαλώ, κάνε μου μια τεράστια χάρη. Πάρε αυτά τα λεφτά και πήγαινε τους πιγκουίνους στον ζωολογικό κήπο!» . Ο δεύτερος οδηγός δέχεται με χαρά, φορτώνει τους πιγκουίνους στο δικό του όχημα και φεύγει. Μετά από μερικές ώρες, ο πρώτος φορτηγατζής καταφέρνει επιτέλους να επισκευάσει τη βλάβη και κατευθύνεται προς το κέντρο της πόλης. Καθώς περνάει από τον κεντρικό δρόμο βλέπει τον δεύτερο φορτηγατζή να περπατάει αμέριμνος στο πεζοδρόμιο και από πίσω του να τον ακολουθούν στη σειρά όλοι οι πιγκουίνοι! Σταματάει, βγάζει το κεφάλι του από το παράθυρο και του φωνάζει εκνευρισμένος: «Μα καλά, τι κάνεις; Δεν σου έδωσα 100 δολάρια για να τους πας στον ζωολογικό κήπο;». Και ο δεύτερος φορτηγατζής του απαντάει όλο χαρά: «Μα τους πήγα! Και επειδή μας περίσσεψαν λεφτά, τώρα πάμε σινεμά!»
tinanantsou.blogspot.gr
