Το αόρατο σχέδιο: όταν δεν ξέρεις τι είναι αυτό που ψάχνεις

Posted on 17/07/2017

0


Το να ψάχνει κανείς αόρατα σωματίδια είναι κάτι πολύ δύσκολο.
Τι γίνεται όμως στην περίπτωση που δεν γνωρίζεις καν τι είναι αυτό που ψάχνεις;
Μια νέα δημοσίευση της ερευνητικής ομάδας ATLAS στο CERN ξεδιαλύνει κάπως τα πράγματα.

fig4

Πειραματικά δεδομένα συγκρινόμενα με τις θεωρητικές προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (συνεχής κόκκινη γραμμή), αλλά και τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου συν ένα σύνολο νέων αόρατων φαινομένων κοντά στο όριο της ευαισθησίας του ανιχνευτή ATLAS (διακεκομμένες γραμμές) [arxiv.org/abs/1707.03263]

Στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN συγκρούονται μεταξύ τους πρωτόνια των οποίων η ενέργεια ως προς το κέντρο μάζας φτάνει στα 13 TeV. Από τις συγκρούσεις αυτές παράγεται μια τεράστια ποικιλία σωματιδίων τα οποία αναγνωρίζονται από τις «υπογραφές» που αφήνουν διαμέσου των αλληλεπιδράσεών τους με τον ανιχνευτή ATLAS.

Αλλά τι γίνεται όταν παράγονται κάποια σωματίδια τα οποία διασχίζουν τον ανιχνευτή χωρίς καμία αλληλεπίδραση; Αυτά τα «αόρατα σωματίδια» θα μπορούσαν να δώσουν απαντήσεις σε μερικά από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής.

Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η σκοτεινή ύλη, η οποία φαίνεται πως απαρτίζει το 27% του σύμπαντος, χωρίς όμως να έχει ανιχνευθεί μέχρι σήμερα. Γνωρίζουμε την ύπαρξή της έμμεσα διαμέσου των αστροφυσικών παρατηρήσεων. Χωρίς την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης δεν μπορεί να εξηγηθεί η σταθερότητα των περιστρεφόμενων γαλαξιών, η συμπεριφορά των σμηνών από γαλαξίες ή το φαινόμενο των βαρυτικών φακών.

Ωστόσο, εκτός από το ότι είναι ύλη και διαθέτει μάζα, δεν γνωρίζουμε τι είναι ακριβώς και μέχρι σήμερα δεν υπάρχει μια θεωρία που να εξηγεί αξιόπιστα τι είναι η σκοτεινή ύλη. Οι διάφορες θεωρίες που διατυπώνονται για την σκοτεινή ύλη δίνουν διαφορετικές προβλέψεις όσον αφορά τα χαρακτηριστικά και τις αλληλεπιδράσεις της.

Τα αόρατα σωματίδια που πιθανόν παράγονται από τις συγκρούσεις του LHC, μπορεί μεν να είναι αόρατα και να μην εντοπίζονται από τον ανιχνευτή, αλλά σίγουρα μεταφέρουν ενέργεια. Το αποτέλεσμα θα είναι ένα εμφανές έλλειμμα στην ενέργεια/ορμή των παρατηρούμενων ορατών σωματιδίων. Η σύγκριση του αριθμού των γεγονότων που προβλέπονται από την θεωρία με τον αριθμό των γεγονότων που παρατηρούνται στον ανιχνευτή είναι ένας τρόπος έμμεσης αναζήτησης των αόρατων σωματιδίων.

Ενώ αποδείχθηκε πως αυτή είναι μια επιτυχημένη προσέγγιση, υπάρχουν περιορισμοί. Κι αν όλα τα θεωρητικά μοντέλα της σκοτεινής ύλης είναι λάθος; Τι θα συνέβαινε αν ένα εντελώς διαφορετικό φαινόμενο είναι η αιτία των αόρατων σωματιδίων;

Προς το παρόν, αν τα θεωρητικά μοντέλα αποδειχθούν λανθασμένα, τότε είναι δύσκολο και χρονοβόρο να επαναχρησιμοποιηθούν τα δεδομένα για να ελεγχθούν νέα μοντέλα. Για να γίνει αυτό, απαιτείται η κατανόηση του τρόπου καταγραφής αυτών των σωματιδίων στους ανιχνευτές, του τρόπου με τον οποίο συλλέχθηκαν τα δεδομένα και πως το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει την συμπεριφορά αυτών των σωματιδίων.

Οι φυσικοί του ATLAS ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο μετρήσεων, η οποία σχεδιάστηκε έτσι ώστε να είναι ανεξάρτητη από τους ανιχνευτές και επιτρέπει την επανεξέταση των δεδομένων στο μέλλον. Σε αυτή την προσέγγιση, ορίζεται μια ποσότητα Rmiss η οποία είναι ευαίσθητη στον ρυθμό παραγωγής και τις ιδιότητες κάθε αόρατου σωματιδίου(ων). Η ποσότητα αυτή μετράται συναρτήσει των διαφόρων ιδιοτήτων των γεγονότων της σύγκρουσης και του πόσο διαφοροποιείται η ορμή και η ενέργεια/ορμή των ορατών σωματιδίων. Όχι μόνο η τιμή αυτής της ποσότητας, αλλά και η μεταβολή της συναρτήσει αυτών των μετρούμενων ιδιοτήτων βρέθηκε να εξαρτάται από την παραγωγή των αόρατων σωματιδίων.

Οι γνωστές διασπάσεις των μποζονίων Ζ – που παράγονται στον LHC – προς «αόρατα» νετρίνα κάνουν αυτή την ποσότητα διάφορη του μηδενός ακόμα κι αν απουσιάζει ένα νέο αόρατο φαινόμενο. Αυτή η ποσότητα μπορεί να διορθωθεί ως προς τα σφάλματα του ανιχνευτή απαλλάσσοντας μια μέτρηση από τις πειραματικές αποκλίσεις και είναι ανεξάρτητη από οποιαδήποτε υπόθεση νέας φυσικής. Ο κάθε φυσικός μπορεί στην συνέχεια να συγκρίνει εύκολα τις προβλέψεις του θεωρητικού του μοντέλου με αυτή τη μέτρηση.

Για να αποδειχθεί η νέα προσέγγιση, η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για να τεστάρει τρία διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα της σκοτεινής ύλης, όπου παράγεται είτε (1) μέσω της ισχυρής δύναμης, ή (2) μέσω της διάσπασης των μποζονίων Higgs, είτε (3) μέσω της ηλεκτρασθενούς δύναμης. Οι περιορισμοί είναι συγκρίσιμοι με τις υπάρχουσες προσεγγίσεις που αποσκοπούν στον έλεγχο αυτών των ειδικών θεωριών και συμπληρωματικοί σε μετρήσεις από πειράματα έμμεσης ανίχνευσης στο διάστημα.

Έτσι, ανεξάρτητα από τα «αόρατα» μυστήρια που εξακολουθεί να μας κρύβει η φύση, το πείραμα ATLAS διαθέτει τις τεχνικές που απαιτούνται – και τώρα και στο μέλλον – ώστε να βγάζει από την μύγα ξύγκι και να συνεχίσει να μαθαίνει πολύ περισσότερα για το σύμπαν.

για περισσότερες λεπτομέρειες διαβάστε ΕΔΩ:https://atlas.cern/updates/physics-briefing/invisible-plan

 

Ετικέτα: ,