Το πρόσφατα μετρημένο σωματίδιο φαίνεται αρκετά βαρύ για να σπάσει τη γνωστή φυσική

Οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο W φαίνεται να είναι 0,1% πολύ βαρύ - μια μικροσκοπική απόκλιση που θα μπορούσε να προμηνύει μια τεράστια αλλαγή στη θεμελιώδη φυσική.

Η μέτρηση, που αναφέρεται σήμερα στο περιοδικό Science , προέρχεται από έναν vintage επιταχυντή σωματιδίων στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi στη Μπαταβία του Ιλινόις, που έσπασε τα τελικά του πρωτόνια πριν από μια δεκαετία. Τα περίπου 400 μέλη της συνεργασίας του Collider Detector at Fermilab (CDF) συνέχισαν να αναλύουν τα μποζόνια W που παράγονται από τον επιταχυντή, που ονομάζεται Tevatron, κυνηγώντας μυριάδες πηγές σφάλματος για να φτάσουν σε ένα απαράμιλλο επίπεδο ακρίβειας.

Εάν το υπερβολικό βάρος του W σε σχέση με την τυπική θεωρητική πρόβλεψη μπορεί να επιβεβαιωθεί ανεξάρτητα, το εύρημα θα υπονοούσε την ύπαρξη μη ανακαλυφθέντων σωματιδίων ή δυνάμεων και θα επιφέρει την πρώτη σημαντική επανεγγραφή των νόμων της κβαντικής φυσικής σε μισό αιώνα.

«Αυτή θα ήταν μια πλήρης αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε τον κόσμο», δυνητικά ανταγωνιζόμενη ακόμη και την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012 σε σημασία, δήλωσε ο Sven Heinemeyer, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Μαδρίτη που δεν είναι μέρος του CDF. «Οι Χιγκς ταιριάζουν καλά στην παλαιότερα γνωστή εικόνα. Αυτή η περιοχή θα ήταν μια εντελώς νέα περιοχή για να εισέλθετε."

Το εύρημα έρχεται σε μια εποχή που η κοινότητα της φυσικής πεινά για ελαττώματα στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων, το μακροχρόνιο σύνολο εξισώσεων που συλλαμβάνει όλα τα γνωστά σωματίδια και δυνάμεις. Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι γνωστό ότι είναι ατελές, αφήνοντας διάφορα μεγάλα μυστήρια άλυτα, όπως η φύση της σκοτεινής ύλης. Το ισχυρό ιστορικό της συνεργασίας με το CDF καθιστά το νέο τους αποτέλεσμα αξιόπιστη απειλή για το Καθιερωμένο Μοντέλο.

«Έχουν κάνει εκατοντάδες όμορφες μετρήσεις», είπε η Aida El-Khadra, θεωρητική φυσική στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, Urbana-Champaign. "Είναι γνωστό ότι είναι προσεκτικοί."

Αλλά κανείς δεν σκάει ακόμη σαμπάνια. Ενώ η νέα μέτρηση μάζας W, που λαμβάνεται μόνη της, αποκλίνει κατά πολύ από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Μοντέλου, άλλα πειράματα που ζυγίζουν το W έχουν δώσει λιγότερο δραματικά (αν και λιγότερο ακριβή) αποτελέσματα. Το 2017, για παράδειγμα, το πείραμα ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων της Ευρώπης μέτρησε τη μάζα του σωματιδίου W και βρήκε ότι ήταν μόνο μια τρίχα βαρύτερο από αυτό που λέει το Καθιερωμένο Μοντέλο. Η σύγκρουση μεταξύ CDF και ATLAS υποδηλώνει ότι η μία ή και οι δύο ομάδες έχουν παραβλέψει κάποια λεπτή ιδιορρυθμία των πειραμάτων τους.

«Θα ήθελα να επιβεβαιωθεί και να κατανοηθεί η διαφορά από προηγούμενες μετρήσεις», είπε ο Γκιγιόμ Ουνάλ, φυσικός στο CERN, το εργαστήριο που φιλοξενεί τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και μέλος του πειράματος ATLAS. "Το μποζόνιο W πρέπει να είναι το ίδιο και στις δύο πλευρές του Ατλαντικού."

«Είναι ένα μνημειώδες έργο», είπε ο Frank Wilczek, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, «αλλά είναι πολύ δύσκολο να ξέρεις τι να το κάνεις».

Αδύναμα μποζόνια

Τα μποζόνια W, μαζί με τα μποζόνια Z, μεσολαβούν στην ασθενή δύναμη, μια από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος. Σε αντίθεση με τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό και την ισχυρή δύναμη, η ασθενής δύναμη δεν πιέζει ή έλκει τόσο πολύ όσο μετατρέπει τα βαρύτερα σωματίδια σε ελαφρύτερα. Ένα μιόνιο διασπάται αυθόρμητα σε ένα μποζόνιο W και ένα νετρίνο, για παράδειγμα, και το W στη συνέχεια γίνεται ηλεκτρόνιο και ένα άλλο νετρίνο. Η σχετική υποατομική αλλαγή σχήματος προκαλεί ραδιενέργεια και βοηθά στη διατήρηση της λάμψης του ήλιου.

Διάφορα πειράματα έχουν μετρήσει τις μάζες των μποζονίων W και Z τα τελευταία 40 χρόνια. Η μάζα του μποζονίου W έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δελεαστικός στόχος. Ενώ άλλες μάζες σωματιδίων πρέπει απλώς να μετρηθούν και να γίνουν αποδεκτές ως γεγονότα της φύσης, η μάζα W μπορεί να προβλεφθεί συνδυάζοντας μια χούφτα άλλες μετρήσιμες κβαντικές ιδιότητες στις εξισώσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου.

Για δεκαετίες, πειραματιστές στο Fermilab και αλλού έχουν εκμεταλλευτεί τον ιστό των συνδέσεων που περιβάλλουν το μποζόνιο W για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν επιπλέον σωματίδια. Μόλις οι ερευνητές είχαν ακριβείς μετρήσεις των όρων που επηρεάζουν περισσότερο τη μάζα του σωματιδίου W - αριθμούς όπως η ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και η μάζα του Z - θα μπορούσαν να αρχίσουν να αντιλαμβάνονται τα μικρότερα αποτελέσματα που τραβούν τη μάζα του.

Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στους φυσικούς να προβλέψουν τη μάζα ενός σωματιδίου που ονομάζεται top quark, το οποίο ωθεί τη μάζα του W, τη δεκαετία του 1990, ακριβώς πριν από την ανακάλυψη του κορυφαίου κουάρκ το 1995. Και επανέλαβαν το κατόρθωμα τη δεκαετία του 2000 για να προβλέψουν τη μάζα του το μποζόνιο Higgs πριν από την ανίχνευσή του.

Αλλά ενώ οι θεωρητικοί είχαν διάφορους λόγους να περιμένουν ότι το κορυφαίο κουάρκ και το Higgs θα υπάρχουν και να συνδέονται με το μποζόνιο W μέσω των εξισώσεων του Καθιερωμένου Μοντέλου, σήμερα η θεωρία δεν έχει προφανώς λείπει κομμάτια. Οποιαδήποτε εναπομένουσα απόκλιση στη μάζα του μποζονίου W θα έδειχνε το άγνωστο.

Πιάνω W

Η νέα μέτρηση μάζας του CDF βασίζεται σε μια ανάλυση περίπου 4 εκατομμυρίων μποζονίων W που παρήχθησαν στο Tevatron μεταξύ 2002 και 2011. Όταν το Tevatron συνέτριψε πρωτόνια σε αντιπρωτόνια, ένα μποζόνιο W εμφανιζόταν συχνά στην ταραχή που ακολούθησε. Το W θα μπορούσε στη συνέχεια να διασπαστεί σε νετρίνο και  είτε σε μιόνιο είτε σε ηλεκτρόνιο, και τα δύο είναι εύκολο να ανιχνευθούν. Όσο πιο γρήγορο είναι το μιόνιο ή το ηλεκτρόνιο, τόσο πιο βαρύ είναι το μποζόνιο W που το παρήγαγε.

Ο Ashutosh Kotwal, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Duke και η κινητήρια δύναμη πίσω από την πρόσφατη ανάλυση της συνεργασίας του CDF, έχει αφιερώσει την καριέρα του στην τελειοποίηση αυτού του σχήματος. Η καρδιά του πειράματος του μποζονίου W είναι ένας κυλινδρικός θάλαμος γεμάτος με 30.000 καλώδια υψηλής τάσης που αντιδρούν όταν ένα μιόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο πετά μέσα από αυτά, επιτρέποντας στους ερευνητές του CDF να συμπεράνουν τη διαδρομή και την ταχύτητα του σωματιδίου. Η γνώση της ακριβούς θέσης κάθε καλωδίου είναι ζωτικής σημασίας για να έχετε μια ακριβή τροχιά. Για τη νέα ανάλυση, ο Kotwal και οι συνεργάτες του εκμεταλλεύτηκαν τα μιόνια που πέφτουν βροχή από τον ουρανό ως κοσμικές ακτίνες. Αυτά τα σωματίδια που μοιάζουν με σφαίρες διαπερνούν συνεχώς τον ανιχνευτή σε σχεδόν τέλειες ευθείες γραμμές, επιτρέποντας στους ερευνητές να ανιχνεύσουν τυχόν χαλασμένα καλώδια και να εντοπίσουν τις θέσεις των συρμάτων σε απόσταση 1 μικρομέτρου.

Πέρασαν επίσης τα χρόνια μεταξύ των εκδόσεων δεδομένων κάνοντας εξαντλητικούς διασταυρούμενους ελέγχους, επαναλαμβάνοντας μετρήσεις με ανεξάρτητους τρόπους για να χτίσουν τη σιγουριά ότι κατανοούσαν κάθε ιδιοσυγκρασία του Tevatron. Όλο αυτό το διάστημα, οι μετρήσεις του μποζονίου W συσσωρεύονταν όλο και πιο γρήγορα. Η τελευταία ανάλυση του CDF, που κυκλοφόρησε το 2012, κάλυψε δεδομένα από τα πρώτα πέντε χρόνια του Tevatron. Τα επόμενα τέσσερα χρόνια, τα δεδομένα τετραπλασιάστηκαν.

"Μας ήρθε σαν πυροσβεστικός σωλήνας, πιο γρήγορα από ό,τι μπορούσες να πιεις από αυτό", είπε ο Kotwal.

Σχεδόν μια δεκαετία μετά την τελευταία ανάλυση, η συνεργασία ήρθε επιτέλους στον αέρα. Σε μια συνάντηση τον Νοέμβριο του 2020 μέσω του Zoom, ο Kotwal αποκρυπτογράφησε το αποτέλεσμα της ομάδας (είχαν εργαστεί με κρυπτογραφημένα δεδομένα έτσι ώστε οι αριθμοί να μην επηρεάζουν την ανάλυσή τους) με το πάτημα ενός κουμπιού.

Η σιωπή έπεσε καθώς οι φυσικοί απορρόφησαν την απάντηση. Είχαν βρει ότι το μποζόνιο W ζυγίζει 80.433 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ (MeV), δίνει ή παίρνει 9 MeV. Αυτό το καθιστά κατά 76 MeV βαρύτερο από ό,τι προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο, μια απόκλιση περίπου επτά φορές μεγαλύτερη από το περιθώριο σφάλματος της μέτρησης ή της πρόβλεψης.

Μια τέτοια απόκλιση «επτά σίγμα» ανεβαίνει πάνω από το επίπεδο των πέντε σίγμα που οι φυσικοί κανονικά πρέπει να ξεκαθαρίσουν για να διεκδικήσουν μια οριστική ανακάλυψη. Αλλά σε αυτήν την περίπτωση, οι χαμηλότερες μετρήσεις από το ATLAS και άλλα πειράματα τους δίνουν παύση.

«Θα έλεγα ότι αυτό δεν είναι μια ανακάλυψη, αλλά μια πρόκληση», δήλωσε ο Chris Quigg, ένας θεωρητικός φυσικός στο Fermilab που δεν συμμετείχε στην έρευνα. "Αυτό δίνει τώρα έναν λόγο να συμβιβαστείτε με αυτό το ακραίο στοιχείο."

Clash of Experiments

Με το Tevatron να συγκεντρώνει σκόνη, το βάρος της επιβεβαίωσης ή της απόρριψης της μέτρησης CDF θα πέσει στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Έχει ήδη παραγάγει περισσότερα μποζόνια W από το Tevatron, αλλά ο υψηλότερος ρυθμός σύγκρουσής του περιπλέκει την ανάλυση της μάζας του W. Ωστόσο, συλλέγοντας πρόσθετα δεδομένα — ενδεχομένως σε χαμηλότερες εντάσεις δέσμης — ο LHC μπορεί να επιλύσει την τάση τα επόμενα χρόνια.

Εν τω μεταξύ, οι θεωρητικοί δεν μπορούν παρά να αναλογιστούν τι μπορεί να σημαίνει ένα υπερμεγέθη μποζόνιο W.

Όταν ένα μιόνιο εκπέμπει για λίγο ένα μποζόνιο W καθώς διασπάται σε ηλεκτρόνιο, αυτό το ενδιάμεσο μποζόνιο W μπορεί να αλληλεπιδράσει με άλλα σωματίδια, ακόμη και με άγνωστα. Είναι αυτή η αδελφοποίηση με το άγνωστο που θα μπορούσε να παραμορφώσει τη μάζα του W.

Ένα βαρύ μποζόνιο W θα μπορούσε δυνητικά να οφείλεται σε ένα δεύτερο μποζόνιο Χιγκς που είναι πιο αδιάφορο από αυτό που γνωρίζουμε. Ή θα μπορούσε να οφείλεται σε ένα νέο τεράστιο μποζόνιο που μεσολαβεί σε μια παραλλαγή της ασθενούς δύναμης, ή σε ένα «σύνθετο» Higgs που αποτελείται από πολλαπλά σωματίδια, με μια νέα δύναμη για να τα συνδέει μεταξύ τους.

Μερικοί θεωρητικοί υποπτεύονται σωματίδια που προβλέπονται από μια μακροχρόνια μελετημένη θεωρία γνωστή ως υπερσυμμετρία. Αυτό το πλαίσιο συνδέει σωματίδια ύλης και σωματίδια που φέρουν δύναμη, θέτοντας έναν ανεξερεύνητο συνεργάτη του αντίθετου τύπου για καθένα από τα γνωστά σωματίδια. Η υπερσυμμετρία έπεσε από τη μόδα αφού οι «υπερσυνεργάτες» απέτυχαν να υλοποιηθούν στο LHC, αλλά ορισμένοι θεωρητικοί εξακολουθούν να πιστεύουν ότι είναι αλήθεια.

Ο Heinemeyer και οι συνεργάτες του υπολόγισαν πρόσφατα ότι ορισμένα υπερσυμμετρικά σωματίδια θα μπορούσαν να επιλύσουν μια άλλη πιθανή ασυμφωνία με το Καθιερωμένο Μοντέλο, γνωστή ως ανωμαλία του μιονίου g-2. Με αυτόν τον τρόπο, τα σωματίδια θα ωθούσαν επίσης λίγο τη μάζα του μποζονίου W, αν και θα χρειάζονταν ακόμη περισσότεροι νεοεισερχόμενοι για να ταιριάξουν με τη μέτρηση CDF. "Είναι συναρπαστικό ότι τα σωματίδια που μας βοηθούν με το g-2 μπορεί επίσης να μας βοηθήσουν με τη μάζα του μποζονίου W", είπε.

Η επίπονη δουλειά των πειραματιστών για την ολοκλήρωση των μετρήσεων ακριβείας τους κάνει τους ερευνητές πιο αισιόδοξους ότι έρχεται μια πολυαναμενόμενη ανακάλυψη.

«Σε γενικές γραμμές, μου φαίνεται σαν να πλησιάζουμε στο σημείο όπου κάτι θα σπάσει», είπε ο El-Khadra. "Κοντεύουμε να δούμε πραγματικά πέρα ​​από το τυπικό μοντέλο."