Οι αυξανόμενες ανωμαλίες στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων εγείρουν ελπίδες
Ανάμεσα στις χαοτικές αλυσίδες γεγονότων που ακολουθούν όταν τα πρωτόνια συντρίβονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ευρώπη, ένα σωματίδιο έχει εμφανιστεί που φαίνεται να καταρρέει με έναν περίεργο τρόπο.
Όλα τα μάτια είναι στραμμένα στο μεσόνιο Β, ένα ζυγωμένο ζευγάρι σωματιδίων κουάρκ. Έχοντας πιάσει μυρωδιές απροσδόκητης συμπεριφοράς μεσονίων Β στο παρελθόν, οι ερευνητές με το πείραμα ομορφιάς του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHCb) έχουν αφιερώσει χρόνια στην τεκμηρίωση σπάνιων συμβάντων σύγκρουσης με τα σωματίδια, με την ελπίδα να αποδείξουν οριστικά ότι κάποιο νέο θεμελιώδες σωματίδιο ή αποτέλεσμα αναμειγνύεται μαζί τους. /P>
Στην τελευταία τους ανάλυση, που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά σε ένα σεμινάριο τον Μάρτιο, οι φυσικοί του LHCb ανακάλυψαν ότι αρκετές μετρήσεις που περιελάμβαναν τη διάσπαση των μεσονίων Β έρχονται σε ελαφριά σύγκρουση με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής των Σωματιδίων - το κυρίαρχο σύνολο εξισώσεων που περιγράφουν τον υποατομικό κόσμο. Από μόνη της, κάθε παράξενο μοιάζει με μια στατιστική διακύμανση και μπορεί να εξατμιστούν όλα με πρόσθετα δεδομένα, όπως συνέβη στο παρελθόν. Αλλά η συλλογική τους μετατόπιση υποδηλώνει ότι οι παρεκκλίσεις μπορεί να είναι ψίχουλα που οδηγούν πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο σε μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία.
«Για πρώτη φορά στην επαγγελματική μου ζωή, υπάρχει μια συρροή διαφορετικών διασπάσεων που δείχνουν ανωμαλίες που ταιριάζουν μεταξύ τους», είπε ο Mitesh Patel, σωματιδιακός φυσικός στο Imperial College του Λονδίνου που είναι μέρος του LHCb.
Το μεσόνιο Β ονομάζεται έτσι επειδή περιέχει ένα κουάρκ κάτω, ένα από τα έξι θεμελιώδη σωματίδια κουάρκ που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της ορατής ύλης του σύμπαντος. Για άγνωστους λόγους, τα κουάρκ διασπώνται σε τρεις γενιές:βαριά, μεσαία και ελαφριά, το καθένα με κουάρκ αντίθετου ηλεκτρικού φορτίου. Τα βαρύτερα κουάρκ διασπώνται στις ελαφρύτερες παραλλαγές τους, σχεδόν πάντα αλλάζουν και το φορτίο τους. Για παράδειγμα, όταν το αρνητικά φορτισμένο βαρύ κουάρκ πυθμένα σε ένα μεσόνιο Β πέφτει μια γενιά, γίνεται συνήθως ένα μεσαίου βάρους, θετικά φορτισμένο κουάρκ «γοητείας».
Η συνεργασία LHCb καθαρίζει τα συντρίμμια των συσσωρεύσεων σωματιδίων για εξαιρέσεις σε αυτόν τον κανόνα. Για κάθε εκατομμύριο αποσύνθεση μεσονίων Β που βλέπουν, ένα περιθώριο εμφανίζει ένα επαναστατικό κουάρκ βυθού που μεταμορφώνεται σε ένα «παράξενο» κουάρκ, ρίχνοντας μια γενιά αλλά διατηρεί το αρνητικό του φορτίο. Το Καθιερωμένο Μοντέλο προβλέπει το εξαιρετικά χαμηλό ποσοστό αυτών των γεγονότων και πώς θα εξελιχθούν. Επειδή όμως είναι τόσο σπάνιες, τυχόν τροποποιήσεις που προέρχονται από μη ανακαλυφθέντα σωματίδια ή επιδράσεις θα πρέπει να είναι προφανείς.
Η νέα ανάλυση του LHCb κάλυψε περίπου 4.500 σπάνιες διασπάσεις μεσονίων Β, διπλασιάζοντας περίπου τα δεδομένα από την προηγούμενη μελέτη τους το 2015. Κάθε μετασχηματισμός τελειώνει με τέσσερα εξερχόμενα σωματίδια να χτυπούν έναν δακτυλιοειδή ανιχνευτή. Όταν οι πειραματιστές συνέκριναν τις διάφορες γωνίες μεταξύ των σωματιδίων με τις γωνίες που προβλέπονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο, βρήκαν μια απόκλιση από το αναμενόμενο σχέδιο. Η συλλογική σημασία των ανώμαλων γωνιών αυξήθηκε ελαφρώς από την τελευταία ανάλυση και οι ερευνητές λένε ότι οι νέες μετρήσεις λένε επίσης μια πιο ενοποιημένη ιστορία. "Ξαφνικά η συνέπεια μεταξύ των διαφορετικών γωνιακών παρατηρήσιμων στοιχείων έγινε πολύ καλύτερη", είπε ο Felix Kress, ένας ερευνητής του LHCb που βοήθησε στη σύναψη των αριθμών.
Στατιστικά, η απόκλιση στο γωνιακό σχέδιο ισοδυναμεί με το να γυρίσεις ένα κέρμα 100 φορές και να πάρεις 66 κεφαλές, αντί για το συνηθισμένο 50 περίπου. Για ένα δίκαιο νόμισμα, οι πιθανότητες μιας τέτοιας απόκλισης είναι περίπου 1 στις 1.000.
Ωστόσο, εν μέσω πλήθους συγκρούσεων σωματιδίων, αναπόφευκτα θα προκύψουν στατιστικές διακυμάνσεις, επομένως μια απόκλιση 1 στις 1.000 δεν λογίζεται ως σκληρή απόδειξη ρήξης με το Καθιερωμένο μοντέλο. Για αυτό, οι φυσικοί θα χρειαστεί να συσσωρεύσουν αρκετές διασπάσεις μεσονίων Β για να δείξουν μια απόκλιση 1 στα 1,7 εκατομμύρια, παρόμοια με την ανατροπή 75 κεφαλών. «Αν πρόκειται για νέα φυσική», είπε ο Jure Zupan, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σινσινάτι, σχετικά με την τρέχουσα ενημέρωση, «δεν είναι αρκετά σημαντικό».
Ωστόσο, το παρατηρούμενο μοτίβο υποδηλώνει ότι κάτι δεν πάει καλά με τα προϊόντα διάσπασης μεσονίων Β στην οικογένεια των λεπτονίων, την άλλη κατηγορία σωματιδίων ύλης εκτός από τα κουάρκ. Όπως τα κουάρκ, τα λεπτόνια έρχονται σε βαριές, μεσαίες και ελαφριές γενιές (που ονομάζονται σωματίδια ταυ, μιόνια και ηλεκτρόνια, αντίστοιχα). το Καθιερωμένο Μοντέλο λέει ότι είναι όλα πανομοιότυπα εκτός από τη μάζα τους. Κάθε διάσπαση του μεσονίου Β τελειώνει με την εκτόξευση ενός διπλού ζεύγους οποιουδήποτε από τους τρεις τύπους λεπτονίων. Η τελευταία ενημέρωση του LHCb επικεντρώθηκε στο ανώμαλο γωνιακό μοτίβο που παράγεται από συμβάντα μιονίων, τα οποία είναι πιο εύκολο να εντοπιστούν.
Το πείραμα καταγράφει επίσης έναν μικρότερο αριθμό διασπάσεων μεσονίων Β που τελειώνουν με ηλεκτρόνια. Το Καθιερωμένο Μοντέλο απαιτεί και οι δύο τύποι διασπάσεων να παίζονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, αλλά μια ανάλυση του 2014 από την ομάδα LHCb αποκάλυψε μια πιθανή διαφορά μεταξύ των γεγονότων του μιονίου και των γεγονότων ηλεκτρονίων. Συνολικά, οι ανωμαλίες θα μπορούσαν να σημαίνουν ότι η καινοτομία μπορεί να οφείλεται όχι μόνο στα μιόνια, αλλά και στα ηλεκτρόνια.
Η ομάδα του Patel εργάζεται επί του παρόντος σε μια ενημέρωση για τη μέτρηση ηλεκτρονίων έναντι μιονίων, η οποία, όπως είπε, κάνει μια πολύ πιο «καθαρή», ξεκάθαρη παρατήρηση από τις μετρήσεις της γωνίας μιονίων και μόνο. "Αυτός είναι ένας δολοφόνος Standard Model," είπε.
Εάν οι ανωμαλίες του μεσονίου Β είναι πραγματικές, οι φυσικοί έχουν δύο βασικές θεωρίες για να τις εξηγήσουν.
Ένα νέο, υποθετικό σωματίδιο που φέρει δύναμη που ονομάζεται Ζ μποζόνιο θα μοιάζει με την τυπική ασθενή δύναμη που μετατρέπει ένα σωματίδιο ύλης σε ένα άλλο, με τη διαφορά ότι θα επηρεάσει διαφορετικά τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια. Ως πλεονέκτημα, το Ζ μποζόνιο θα συνεπαγόταν επίσης την ύπαρξη ενός επιπλέον τεράστιου σωματιδίου που θα μπορούσε να αποτελέσει τη σκοτεινή ύλη που λείπει από το σύμπαν. «Προχωράμε στο επόμενο βήμα, το οποίο προσπαθεί όχι απλώς να εξηγήσει την ανωμαλία, αλλά να συνδέσει την ανωμαλία με άλλα προβλήματα», δήλωσε ο Χοακίμ Ματίας, θεωρητικός φυσικός στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης.
Η πιο εξωτική πιθανότητα είναι ότι οι ερευνητές του LHCb ανιχνεύουν υπαινιγμούς ενός μυθικού σωματιδίου - του λεπτοκουάρκ - που μπορεί να μετατρέψει ένα κουάρκ σε λεπτόνιο και το αντίστροφο. Οι θεωρητικοί έχουν σκεφτεί εδώ και καιρό την πιθανότητα των λεπτοκουάρκ, αλλά η ιδέα έχει γίνει λιγότερο δημοφιλής καθώς τα πειράματα έχουν αποκλείσει τα πιο απλά είδη. Ωστόσο, το οικογενειακό δέντρο των κουάρκ τριών γενεών μοιάζει ύποπτα με το οικογενειακό δέντρο των λεπτονίων και κανένα από τα δύο μοτίβα δεν είναι καλά κατανοητό. Τα μεσόνια Β σε αποσύνθεση μπορεί να αποκαλύπτουν μια σύνδεση λεπτοκουάρκ μεταξύ τους. «Αυτό είναι το όνειρο», είπε ο Ζουπάν.
Καθώς οι θεωρητικοί εξετάζουν αυτές τις πιθανότητες, η ομάδα του LHCb θα πρέπει να δει αν μπορεί να γυρίσει αρκετά κεφάλια για να αποδείξει ότι το κέρμα τους σίγουρα δεν είναι στάνταρ — μια προσπάθεια που μπορεί να διαρκέσει το υπόλοιπο της δεκαετίας.
Τελικά, ωστόσο, η κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής θα περιμένει επιβεβαίωση από μια διαφορετική συσκευή, όπως το πείραμα Belle II στην Ιαπωνία ή έναν από τους δύο κύριους ανιχνευτές του LHC. Είτε η απόδειξη είτε η εξάλειψη των ανωμαλιών του μεσονίου Β θα είναι μια ηράκλεια προσπάθεια, αλλά οι ερευνητές έχουν όλα τα εργαλεία που χρειάζονται. "Με τέσσερα πειράματα που μπορούν να εμπλακούν", είπε ο Zupan, "το μέλλον είναι λαμπρό."
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .
