Οι επιστήμονες που εργάζονται στο μεγαλύτερο ατομικό πλυντήριο στον κόσμο έχουν εντοπίσει ένα περίεργο μοτίβο στα δεδομένα τους που δεν μπορεί να εξηγηθεί από τους ισχύοντες νόμους της φύσης.
Ένα από τα τέσσερα τεράστια πειράματα collider που εκτελούνται στο Large Hadron Collider (LHC) στη Γενεύη, διαπίστωσε ότι τα λεγόμενα κουάρκ ομορφιάς (ή τα κουάρκ κάτω) δεν συμπεριφέρονται με τον τρόπο που θα έπρεπε σύμφωνα με την καλύτερη θεωρία μας για το δομικά στοιχεία της ύλης.
Εάν η συμπεριφορά των αόριστων σωματιδίων είναι πραγματική και όχι μόνο τυχαία εμφάνιση, έχει τεράστιες επιπτώσεις στην κατανόηση της ύλης από τους φυσικούς και τους βασικούς κανόνες που διέπουν το σύμπαν. Θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανακάλυψη μιας νέας θεμελιώδους δύναμης της φύσης ή στην αντικατάσταση του Standard Model με μια ακόμη βαθύτερη θεωρία.
«Στην πραγματικότητα ταρακουνηθήκαμε όταν κοιτάξαμε για πρώτη φορά τα αποτελέσματα, ήμασταν τόσο ενθουσιασμένοι. Οι καρδιές μας χτύπησαν λίγο πιο γρήγορα», δήλωσε ο Mitesh Patel του Imperial College London, ένας από τους κορυφαίους φυσικούς που εργάζονται στο πείραμα. “Είναι πολύ νωρίς για να πούμε αν αυτό είναι πραγματικά μια απόκλιση από το πρότυπο μοντέλο, αλλά οι πιθανές συνέπειες είναι τέτοιες που αυτά τα αποτελέσματα είναι το πιο συναρπαστικό πράγμα που έχω κάνει σε 20 χρόνια στον τομέα. Ήταν ένα μακρύ ταξίδι για να εδώ.”
Μέσα στο LHC, ένας υπόγειος δακτύλιος με μήκος 27 χιλιόμετρα, τα πρωτόνια φερμουάρ κοντά σε μικρή ταχύτητα φωτός και στη συνέχεια χτυπούν το ένα το άλλο. Το αποτέλεσμα? Νέα και μερικές φορές εξωτικά σωματίδια σχηματίζονται από αυτές τις συγκρούσεις. Όσο πιο γρήγορα πηγαίνουν αυτά τα πρωτόνια, τόσο περισσότερη ενέργεια έχουν. Και όσο περισσότερη ενέργεια έχουν, τόσο πιο μεγάλα είναι τα προκύπτοντα σωματίδια. Τα άτομα που σπάζουν όπως το LHC ανιχνεύουν πιθανά νέα σωματίδια αναζητώντας προϊόντα αποσύνθεσης εντελώς, καθώς τα βαρύτερα σωματίδια είναι γενικά βραχύβια και αμέσως διασπώνται σε ελαφρύτερα σωματίδια.
Ένας από τους στόχους του LHC είναι να δοκιμάσει το πρότυπο μοντέλο, το μαθηματικό πλαίσιο που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να περιγράψουν όλα τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια στο σύμπαν και τις δυνάμεις μέσω των οποίων αλληλεπιδρούν. Αν και το μοντέλο βρίσκεται στην τελική του μορφή από τα μέσα της δεκαετίας του 1970, οι φυσικοί απέχουν πολύ από αυτό και αναζητούν συνεχώς νέους τρόπους για να το δοκιμάσουν και, αν είναι τυχεροί, το κάνουν να αποτύχει.
Αυτό συμβαίνει επειδή το μοντέλο, παρά το ότι είναι το πιο ολοκληρωμένο και ακριβές για τη σωματιδιακή φυσική, περιλαμβάνει τεράστια κενά, καθιστώντας το εντελώς ανίκανο να εξηγήσει από πού προέρχεται η δύναμη της βαρύτητας, από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και γιατί υπάρχει πολλή περισσότερη ύλη από την αντιύλη στο σύμπαν.
Το μοντέλο προβλέπει επίσης ότι όταν τα βαρύτερα σωματίδια διασπώνται, θα πρέπει να διασπώνται σε ηλεκτρόνια τόσο συχνά όσο κάνουν στο βαρύτερο ξάδελφό τους, το μιόνιο. Αυτό συμβαίνει επειδή το πρότυπο μοντέλο θεωρεί ότι το μιόνιο είναι απόλυτα πανομοιότυπο με το ηλεκτρόνιο, εκτός από το γεγονός ότι το μιόνιο είναι περίπου 200 φορές βαρύτερο. Οι δυο τους, μαζί με το σωματίδιο tau, αποτελούν μια οικογένεια πολύ στενών συγγενών στον “κήπο των σωματιδίων” που ονομάζονται λεπτόνια.
Αλλά από το 2014, οι φυσικοί που παρατηρούν την αποσύνθεση σωματιδίων στο LHCb λένε ότι έχουν δημιουργήσει μια εντελώς διαφορετική εικόνα που περιλαμβάνει μία από τις έξι δτοιχεία των κουάρκ (εκείνα τα μικροσκοπικά σωματίδια που απαρτίζουν πρωτόνια και νετρόνια που κόβονται εντός των ατομικών πυρήνων) του σωματιδίου που ονομάζεται αποσύνθεση του κουάρκ, φαίνεται να παράγει ηλεκτρόνια πολύ πιο συχνά από ό, τι τα μιόνια. Αυτή είναι μια μεγάλη αντίφαση του Τυπικού Μοντέλου. Αλλά πρώτα οι φυσικοί θα πρέπει να αποδείξουν αναμφίβολα ότι το εύρημα είναι πραγματικό.
“Είναι ένα πραγματικά ενδιαφέρον αποτέλεσμα, αλλά πρέπει πρώτα να αποδείξουμε ότι είναι στατιστικά σημαντικό”, δήλωσε ο Chris Parkes, ένας πειραματικός φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και εκπρόσωπος της συνεργασίας LHC Beauty (LHCb), που διεξήγαγε το πείραμα. “Αν ρίξετε ένα νόμισμα πέντε φορές στη σειρά και προσγειώνεται στην πλευρα της εικόνας και όχι του αριθμού κάθε φορά, τότε αυτό είναι λίγο περίεργο. Αν το αναστρέψετε 100 φορές περισσότερο και εξακολουθεί να είναι στην ίδια πλευρά προσγείωσης, τότε υπάρχει κάτι περίεργο για αυτό το νόμισμα.”
Ο Parkes πιστεύει ότι η πιθανότητα ότι το αποτέλεσμα είναι απλώς ένα fluke είναι 1 στα 1.000. Προκειμένου η συνεργασία να δηλώσει μια νέα ανακάλυψη, αυτές οι πιθανότητες πρέπει να μειωθούν σε περίπου 1 στις 1.000.000. Αλλά οι ερευνητές λένε ότι θα μπορέσουν να το κάνουν πολύ σύντομα.
“Κανονικά, όταν εντοπίζετε ένα αποτέλεσμα σαν αυτό, σκέφτεστε:” Ναι, πρέπει να φτιάξουμε έναν νέο συγκολλητή “, είπε ο Parkes, αναφερόμενος στο γεγονός ότι για να συνεχίσει να βρίσκει νέα σωματίδια, οι συγκολλητές πρέπει να είναι σε θέση να επιταχύνουν τα σωματίδια σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες. “Το πραγματικά συναρπαστικό πράγμα είναι, τώρα που έχουμε αυτήν την ενδιαφέρουσα υπόδειξη, έχουμε ήδη πολλά δεδομένα που αναλύουμε για να βρούμε περισσότερα σημάδια.”
Το LHCb εγκαθιστά επίσης την έκδοση επόμενης γενιάς του ανιχνευτή του. Όταν αυτός ο ανιχνευτής θα συνδεθεί τον επόμενο χρόνο, ο Parkes αναμένει ότι θα είναι ακόμη πιο ευαίσθητο στην λήψη της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα σωματίδια που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια συγκρούσεων υψηλής ενέργειας.
Παρά την αβεβαιότητα που περιβάλλει αυτό το μοναδικό αποτέλεσμα, ο Parkes είπε ότι όταν συνδυάζεται με άλλα πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα σχετικά με τη φθορά του κουάρκ ομορφιάς, έχει οδηγήσει σε μια ατμόσφαιρα προσεκτικού ενθουσιασμού στο CERN, τον ερευνητικό οργανισμό που διευθύνει το LHC
Αυτό συμβαίνει επειδή εάν το αποτέλεσμα είναι αληθινό, θα μπορούσε να εξηγηθεί από την ύπαρξη σωματιδίων ή δυνάμεων που προηγουμένως ήταν άγνωστες στη φυσική. Ένα παράδειγμα θα μπορούσε να είναι το leptoquark, είπε, το οποίο είναι ένα σωματίδιο ικανό να αλληλεπιδρά και με τα λεπτόνια και τα κουάρκ. Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι θα μπορούσε να υπάρξει μια εντελώς νέα θεμελιώδης δύναμη εντελώς.
“Το σπουδαίο είναι ότι πολλές από αυτές τις αναλύσεις είναι ήδη σε εξέλιξη”, δήλωσε ο Parkes. “Δεν μιλάμε για να έχουμε απαντήσεις τις επόμενες εβδομάδες, αλλά ούτε μιλάμε για αναμονή για χρόνια,”.