Προς μια Νέα Φυσική; Οι συζητήσεις για μια Φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο συνεχίζονται μαζί με τις έρευνες

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της σωματιδιακής φυσικής περιγράφει τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των συστατικών της ύλης. Η ανάπτυξη της θεωρίας του άρχισε στις αρχές της δεκαετίας του 1960 και το 2012 λύθηκε το τελευταίο κομμάτι του puzzle με την ανακάλυψη του μποζόνιου του Higgs στο CERN.  Πειράματα έχουν επιβεβαιώσει τις πολύ ακριβείς προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν λόγους να πιστεύουν ότι η φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο υπάρχει και θα πρέπει να τη βρουν. Παρατίθενται μερικά ενδιαφέροντα σημεία από συζήτηση με την Vera Lüth (φωτογραφία), ομότιμης καθηγήτριας στο τμήμα Ενέργειας στο SLAC National Accelerator Laboratory και μιας από τους συγγραφείς σχετικού άρθρου στο Nature.

Τα στοιχεία, για την αναγκαιότητα μιας νέας φυσικής, προέρχονται από μελέτες ενός στοιχειώδους σωμάτιου, γνωστού ως Β μεσόνιο – ενός ασταθούς σωμάτιου που παράγεται στις συγκρούσεις των ισχυρότατων δεσμών σωματιδίων. Ειδικότερα, οι μελέτες αυτές αναφέρονται σε διασπάσεις του Β μεσονίου που εμπεριέχουν λεπτόνια – ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια και τα σχετιζόμενα με αυτά νετρίνα. Υπάρχουν τρία φορτισμένα λεπτόνια: το ηλεκτρόνιο, ένα βασικό συστατικό του ατόμου που ανακαλύφθηκε το 1897, το μυόνιο, που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στις κοσμικές ακτίνες στα 1937 και το πολύ βαρύτερο ταυ, που ανακαλύφθηκε στον αποθηκευτικό δακτύλιο ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου (e+e-) SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring), στο SLAC, το 1975 από τον Martin Perl (Nobel στη Φυσική 1995).

Εξαιτίας των πολύ διαφορετικών μαζών τους, τα τρία λεπτόνια επίσης έχουν πολύ διαφορετικούς χρόνους ζωής. Το ηλεκτρόνιο είναι σταθερό, ενώ το μυόνιο και το ταυ διασπώνται σε μικρο-δευτερόλεπτα (microseconds) και σε κλάσμα του πικο-δευτερολέπτου (picosecond), αντίστοιχα. Μια θεμελιώδης υπόθεση του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model) είναι ότι οι αλληλεπιδράσεις των τριών φορτισμένων λεπτονίων είναι ίδιες εάν ληφθούν υπόψη οι διαφορές μαζών και των χρόνων ζωής τους.

Για πολλά χρόνια, διάφορα πειράματα έλεγξαν αυτή την υπόθεση – αναφέρεται ως
«καθολικότητα λεπτονίου» – και μέχρι τώρα δεν έχει παρατηρηθεί ορισμένη παραβίαση αυτού του κανόνα. Τώρα, έχουμε ενδείξεις ότι οι ρυθμοί για τις διασπάσεις Β μεσονίου που εμπεριέχουν λεπτόνια ταυ είναι μεγαλύτεροι από ότι αναμένονταν, σε σύγκριση με τους μετρούμενους ρυθμούς των διασπάσεων που εμπεριέχουν ηλεκτρόνια ή μυόνια, λαμβανομένων υπόψη των διαφορών στη μάζα. Αυτή η παρατήρηση θα παραβίαζε την καθολικότητα του λεπτονίου, μια θεμελιώδη υπόθεση για το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Σύγκρουση ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου και παραγωγή ζεύγους Β μεσονίου, όπως καταγράφηκε στον ανιχνευτή BABAR.

Παραβίαση του Καθιερωμένου Προτύπου σημαίνει ότι υπάρχουν στοιχεία για φαινόμενα που δεν μπορούμε να εξηγήσουμε στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου. Αν ένα τέτοιο φαινόμενο αποδειχθεί χωρίς αμφιβολίες, το Καθιερωμένο Πρότυπο χρειάζεται να επεκταθεί – με την εισαγωγή νέων θεμελιωδών σωμάτιων και επίσης νέων αλληλεπιδράσεων σχετικών με αυτά τα σωμάτια. Τα τελευταία χρόνια, οι έρευνες για θεμελιωδώς νέα φαινόμενα βασίστηκαν σε μετρήσεις υψηλής ακρίβειας για να ανιχνευτούν αποκλίσεις από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Πρότυπου ή έρευνες για νέα σωμάτια ή αλληλεπιδράσεις με ιδιότητες που διαφέρουν από αυτές που είναι γνωστές.

Υπάρχουν τρία πειράματα που ελέγχουν την καθολικότητα του λεπτονίου: Τα Belle και BABAR, είναι δυο πειράματα ειδικώς σχεδιασμένα για να μελετήσουν Β μεσόνια με πρωτοφανή ακρίβεια – σωμάτια που είναι πέντε φορές βαρύτερα από ότι το πρωτόνιο και περιέχουν ένα bottom ή b κουάρκ. Οι μελέτες αυτές εκτελούνται σε αποθηκευτικούς δακτυλίους ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου (e+e-) που κοινώς αναφέρονται ως Β εργοστάσια και λειτουργούν σε ενέργειες συγκρουόμενων δεσμών αρκετά υψηλών για να παραγάγουν ζεύγη Β μεσονίων και όχι άλλο σωμάτια. Το BABAR λειτούργησε στο PEP-II του SLAC από το 1999 μέχρι το 2008, το Belle στο KEKB στην Ιαπωνία από το 1999 μέχρι το 2010. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτών των πειραμάτων είναι τα Β μεσόνια παρήχθησαν σε ζευγάρια, καθένα διασπώμενο σε ελαφρύτερα σωμάτια – κατά μέσο όρο πέντε φορτισμένα σωμάτια και παρόμοιο αριθμό φωτονίων.

Εικόνα από τον ανιχνευτή BABAR (με διάμετρο περίπου 6 μέτρα).

Το πείραμα LHCb συνεχίζεται να λειτουργεί στον επιταχυντή-χώρο σύγκρουσης πρωτονίων LHC με ενέργειες που υπερβαίνουν αυτές των Β εργοστασίων περισσότερο από έναν παράγοντα 1000. Σε αυτή την μεγαλύτερη ενέργεια, τα Β μεσόνια παράγονται με πολύ μεγαλύτερο ρυθμό από ότι στα Β εργοστάσια. Ωστόσο σε κάθε διασταύρωση των δεσμών, παράγονται εκατοντάδες άλλων σωματιδίων, επιπλέον των Β μεσονίων. Αυτή η κατάσταση περιπλέκει την αναγνώριση των διασπάσεων των Β μεσονίων.

Για να μελετήσουν την καθολικότητα του μεσονίου και τα τρία πειράματα εστιάζουν στις Β διασπάσεις που εμπεριέχουν ένα φορτισμένο λεπτόνιο και ένα συσχετιζόμενο νετρίνο. Ένα νετρίνο δεν αφήνει ίχνος στον ανιχνευτή, αλλά η παρουσία του ανιχνεύεται ως απώλεια ενέργειας και ορμής σε μια μεμονωμένη Β διάσπαση. Τα τρία πειράματα έχουν εντοπίσει ειδικές διασπάσεις Β μεσονίων και έχουν συγκρίνει τους ρυθμούς των διασπάσεων που εμπεριέχουν ένα ηλεκτρόνιο ή μυόνιο με εκείνα που εμπεριέχουν μεγαλύτερης μάζας λεπτόνιο ταυ. Όλα τα πειράματα παρατηρούν υψηλότερους, από ότι αναμένονταν, ρυθμούς διασπάσεων για τις διασπάσεις με ένα ταυ. Η μέση τιμή των αναφερόμενων αποτελεσμάτων, λαμβάνοντας υπόψη τις στατιστικές και συστηματικές αβεβαιότητες, υπερβαίνει τέσσερις τυπικές αποκλίσεις την προσδοκία του Καθιερωμένου Προτύπου.

Η αύξηση αυτή είναι προκλητική, αλλά δεν θεωρείται αρκετή για να καταδείξει ξεκάθαρα μια παραβίαση της καθολικότητας του λεπτονίου. Για να υποστηριχθεί μια ανακάλυψη, ο φυσικοί σωματιδίων γενικά απαιτούν μια σημαντικότητα τουλάχιστον πέντε τυπικών αποκλίσεων. Ωστόσο, το γεγονός ότι η αύξηση αυτή ανιχνεύθηκε από τρία πειράματα, που λειτουργούν σε πολύ διαφορετικά περιβάλλοντα, αξίζει της προσοχής μας. Παρόλα αυτά, χρειάζονται περισσότερα δεδομένα και αναμένονται στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον.

Προς το παρόν δεν κατανοούμε την προέλευση της παρατηρούμενης αύξησης. Αρχικά οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι θα μπορούσε να σχετίζεται με ένα φορτισμένο ταίρι του μποζόνιου Higgs. Παρόλο που τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά δεν ταιριάζουν με τα αναμενόμενα, αυτό θα μπορούσε να το κάνει μια επέκταση του μοντέλου Higgs. Άλλη μια πιθανή εξήγηση, που δεν μπορεί ούτε να επιβεβαιωθεί ούτε να αποκλειστεί, είναι η παρουσία των λεπτο-κουάρκς, όπως αποκαλούνται. Τα ανοιχτά αυτά ερωτήματα θα παραμείνουν ένα πολύ συναρπαστικό θέμα που χρειάζεται να αντιμετωπιστεί με πειράματα και θεωρητική εργασία.

Πρόσφατα, οι επιστήμονες του LHCb ανέφεραν ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα που δείχνει ότι ορισμένες διασπάσεις Β μεσονίου, περισσότερο συχνά εμπεριέχουν ζεύγος ηλεκτρονίων, παρά ζεύγος μυονίων. Ωστόσο, η σημαντικότητα των νέων αυτών ευρημάτων είναι μόνο περίπου 2,6 τυπικές αποκλίσεις, έτσι είναι αρκετά νωρίς να εξαχθούν οποιοδήποτε συμπεράσματα. Τα πειράματα BABAR και Belle δεν έχουν επιβεβαιώσει την παρατήρηση αυτή. Στην επόμενη γενιά Β εργοστασίου, το Super-KEKB στην Ιαπωνία, το νέο πείραμα Belle II σχεδιάζεται να ξεκινήσει το δεκαετές ερευνητικό του πρόγραμμα το 2018. Τα αναμενόμενα πολύ μεγάλα σύνολα δεδομένων θα δώσουν πολλές για έρευνες για αυτές και άλλες ενδείξεις της φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Πηγή: SLAC National Accelerator Laboratory

Περισσότερα στη δημοσίευση: A challenge to lepton universality in B-meson decays. Nature.

Δείτε επίσης: CERN – Standard Model: Το πείραμα LHCb βρίσκει νέα στοιχεία για μια πιθανή απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο. egno.gr