Ξεκινώντας από τον πυθμένα του Καθιερωμένου Προτύπου

Το Καθιερωμένο Πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής διατυπώθηκε πριν από αρκετές δεκαετίες για να περιγράψει τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων. Η θεωρία του επεκτάθηκε και τροποποιήθηκε πολλές φορές στο πέρασμα του χρόνου και τα πειράματα έχουν ενισχύσει την εμπιστοσύνη των φυσικών σ’ αυτό.
Κι όμως, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ελλιπές. Δεν μπορεί να προβλέψει τις μάζες συγκεκριμένων σωματιδίων, ούτε μπορεί να εξηγήσει τι είναι η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη, περίπου το 95% του περιεχομένου του σύμπαντος. Για να ανακαλύψουν τι κρύβεται πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο οι φυσικοί ψάχνουν για τις ατέλειές του – αβάσιμες υποθέσεις και φαινόμενα τα οποία δεν προβλέπονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Ένα αυξανόμενο σύνολο δεδομένων από την μελέτη των bottom κουάρκ (αλλιώς κουάρκ πυθμένων ή χαμηλών κουάρκ) θα μπορούσε να προσφέρει στους φυσικούς μια τέτοια καλοδεχούμενη ευκαιρία.
Σύμφωνα με τον ιταλό θεωρητικό φυσικό Marco Nardecchia, «ο καλύτερος τρόπος για να κλονιστεί το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι να ελέγξουμε με ακρίβεια τις προβλέψεις του»

Το Καθιερωμένο Πρότυπο κάνει πολλές και ακριβείς προβλέψεις για το πως τα σωματίδια αλληλεπιδρούν και διασπώνται. Kάποιες υποατομικές διαδικασίες είναι τόσο περίπλοκες που ακόμα και οι θεωρητικοί φυσικοί δεν είναι απολύτως βέβαιοι για το πως ακριβώς πρέπει να τις χειριστούν. Για παράδειγμα, τα κουάρκ θα έπρεπε με τον ίδιο τρόπο που αλληλεπιδρούν με το ηλεκτρόνιο, να αλληλεπιδρούν και με τα βαρύτερα ξαδερφάκια του, το μιόνιο και το ταυ.

Υπάρχουν έξι τύποι κουάρκ. Τα πιο κοινά και πιο ελαφρά είναι το πάνω και κάτω κουάρκ , τα συστατικά των πρωτονίων και των νετρονίων. Tα σωματίδια, όπως τα μεσόνια Β, που περιέχουν ένα κουάρκ πυθμένα – το οποίο είναι πολύ βαρύτερο – είναι βραχύβια. Κατά την διάσπασή τους το κουάρκ πυθμένας μεταπίπτει σε ένα ελαφρύτερο κουάρκ, κατά προτίμηση προς ένα γοητευτικό κουάρκ και σπανίως προς ένα πάνω κουάρκ, σχηματίζοντας ένα άλλο γνωστό σωματίδιο. Η υπόλοιπη ενέργεια μεταφέρεται από ένα φορτισμένο λεπτόνιο: ένα ηλεκτρόνιο, ένα μιόνιο ή ένα ταυ, που το καθένα συνοδεύεται από το σχετικό νετρίνο. Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων προβλέπει την πιθανότητα των διαφόρων τρόπων διάσπασης. Η θεωρητική πρόβλεψη είναι ότι, εκτός από μια μικρή και υπολογίσιμη διαφορά λόγω διαφοράς μαζών μιονίων-ηλεκτρονίων- ταυ (για παράδειγμα, η μάζα του ταυ υπερβαίνει την μάζα του ηλεκτρονίου κατά έναν παράγοντα 3500) , αυτά τα λεπτόνια θα πρέπει να παράγονται με την ίδια πιθανότητα. Αυτή η ιδιότητα είναι γνωστή ως lepton universality.
«Οι προβλέψεις αυτές είναι απλές και ακριβείς», λέει η Vera Lüth, μια φυσικός από το πείραμα Babar. «και γι αυτό αποφασίσαμε να πραγματοποιήσουμε αυτές τις μετρήσεις». Οι φυσικοί που εργάζονται σε τρία διαφορετικά πειράματα – BaBar, Belle και LHCb – ερευνούν τις διασπάσεις των μεσονίων Β που περιέχουν το κουάρκ πυθμένα, και σύγκριναν τους ρυθμούς των διασπάσεων που δίνουν αντίστοιχα, ηλεκτρόνιο, μιόνιο ή το βαρύτερο λεπτόνιο ταυ. Και τα τρία πειράματα παρατηρούν υψηλότερους ρυθμούς διάσπασης από το αναμενόμενο όσον αφορά την διάσπαση προς το ταυ.

Η πρώτη απροσδόκητη ένδειξη όσον αφορά την διάσπαση προς το λεπτόνιο ταυ, παρατηρήθηκε το 2012 στο πείραμα BaBar στον επιταχυντή SLAC, όπου διερευνήθηκαν 500 εκατομμύρια γεγονότα που προέκυψαν από συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, καταγράφοντας λιγότερες από 2000 διασπάσεις προς σωματίδια ταυ. Το 2015, το πείραμα Belle στην Ιαπωνία ανέφερε την παρατήρηση υψηλότερου του αναμενομένου ρυθμού διάσπασης προς ταυ, στα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τις συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων στο ίδιο ενεργειακό εύρος.
«Ένας φίλος που εργαζόταν σε άλλο πείραμα ήταν σίγουρος πως κάναμε κάτι λάθος», λέει η Lüth. «Τότε και εκείνοι παρατήρησαν το ίδιο αποτέλεσμα.»
Το 2015 οι φυσικοί που εργάζονται στο πείραμα LHCb που πραγματοποιείται στο CERN παρατήρησαν ενδείξεις του ίδιου φαινομένου σε πολύ μεγάλα δείγματα συγκρούσεων πρωτονίων-πρωτονίων σε πολύ μεγαλύτερες ενέργειες και ρυθμούς συγκρούσεων.
«Όλα αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση», λέει ο Hassan Jawahery, καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Maryland που εργάζεται στο LHCb. «Και αυτό προβληματίζει τον καθένα μας.»

Από μόνα τους, αυτά τα μεμονωμένα αποτελέσματα έχουν μικρή σημασία. Όμως, ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων είναι που κεντρίζει το ενδιαφέρον, σύμφωνα με τον Tom Browder εκπρόσωπο του πειράματος Belle και του διαδόχου πειράματος Belle II. «Είμαστε σίγουροι πως κάτι νέο είναι έξω εκεί. Αποδεικνύοντας ακόμα και μια μικρή απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο, αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια επανάσταση στην φυσική.
Τα αποτελέσματα που έχουν συλλεχθεί μέχρι στιγμής έχουν ήδη εμπνεύσει τους θεωρητικούς να κάνουν υποθέσεις σχετικά με τη νέα φυσική που θα μπορούσε να εξηγήσει αυτές τις αποκλίσεις.
Μερικές θεωρίες υποδεικνύουν ότι ίσως υπάρχει ένα ακόμα άγνωστο μποζόνιο Higgs με ηλεκτρικό φορτίο το οποίο ευνοεί το βαρύ λεπτόνιο ταυ περισσότερο από τα πολύ ελαφρύτερα, μιόνιο και ηλεκτρόνιο. Άλλες θεωρίες προβλέπουν την ύπαρξη τουλάχιστον ενός νέου σωματιδίου πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου. «Μπορεί να χρειαζόμαστε κάτι που αλληλεπιδρά ταυτόχρονα με κουάρκ και λεπτόνια», λέει ο Ιταλός θεωρητικός Marco Nardecchia.
Οι επιστήμονες δεν θα μάθουν τι ακριβώς συμβαίνει χωρίς περαιτέρω μελέτη και συλλογή επιπλέον δεδομένων, τα οποία θα επιτρέψουν ακόμα πιο λεπτομερείς και ακριβείς υπολογισμούς, ώστε να αρθεί το αδιέξοδο και να αποκαλυφθεί η νέα φυσική .
Οι επιστήμονες στο πείραμα του LHCb βρίσκονται στην αρχή αυτής της έρευνας. Σχεδιάζουν την ανάλυση τετραπλάσιων δεδομένων στα επόμενα χρόνια. Ελπίζουν να ολοκληρώσουν τις νέες και πιο βελτιωμένες μετρήσεις μέχρι το καλοκαίρι. Παράλληλα το πείραμα Belle II προγραμμάτισε την έναρξη των πειραμάτων το 2019 και αναμένεται να καταγράψει αρκετά δεδομένα ώστε να επιλυθεί το πρόβλημα στα επόμενα χρόνια.
Και οι θεωρητικοί φυσικοί σε όλο τον κόσμο περιμένουν με ανυπομονησία τα πειραματικά αποτελέσματα για να τα συγκρίνουν με τις σημειώσεις τους.

διαβάστε περισσότερα: https://www.symmetrymagazine.org/article/starting-from-the-bottom
Πηγή: physicsgg.me