Το πείραμα CDF (Collider Detector at Fermilab) μέτρησε την μάζα του μποζονίου W και κατέληξε σε μια τιμή που κανείς δεν περίμενε.
Ο καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Ντιούκ, Ashutosh Kotwal, συμβουλεύει πάντα τους φοιτητές του να λύνουν τα προβλήματα των βιβλίων τους μόνοι τους, χωρίς προηγουμένως να τα έχουν συζητήσει με τους συμμαθητές τους. «Αν εξαρχής συζητάτε πάρα πολύ μεταξύ σας, μπορεί να καταλήξετε να αναπαράγετε τις σκέψεις κάποιου άλλου. Προσπαθείστε όσο το δυνατόν περισσότερο μόνοι σας και δείτε πόσο μακριά μπορείτε να φτάσετε. Μόλις τελειώσετε, τότε – και μόνο τότε – συζητείστε με τους συμφοιτητές σας και συγκρίνετε τα αποτελέσματά σας».
Ως ερευνητές, ο Kotwal και οι συνάδελφοί του εφαρμόζουν την ίδια μεθοδολογία. Ανεξάρτητες ομάδες επιστημόνων αντιμετωπίζουν τα ίδια θεμελιώδη προβλήματα χρησιμοποιώντας διαφορετικούς ανιχνευτές και τεχνικές. Μόνο αφού κάνουν την μέτρησή τους, οι φυσικοί συγκρίνουν τη μεθοδολογία και τα αποτελέσματά τους με τα αντίστοιχα άλλων πειραμάτων.
Αλλά σε αντίθεση με τους φοιτητές του Kotwal, η σωστή απάντηση δεν αναγράφεται στο πίσω μέρος κάποιου βιβλίου.
Ο Kotwal συμμετέχει στο πείραμα CDF στον επιταχυντή του Fermilab, στις ΗΠΑ. Τα τελευταία 27 χρόνια, αυτός και οι συνάδελφοί του εργάστηκαν για τη μέτρηση της μάζας του μποζονίου W, του στοιχειώδους σωματιδίου που είναι ο φορέας της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Δημοσίευσαν την πιο πρόσφατη μέτρησή τους στο περιοδικό Science τον Απρίλιο. Η μετρηθείσα μάζα του μποζονίου W σύμφωνα με την δημοσίευση ήταν: mexp=80433,5±9,4 MeV, αρκετά μεγαλύτερη από την θεωρητικά αναμενόμενη τιμή σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο: mth=80357±6 MeV.
Από το 1983, όταν ανακαλύφθηκε το μποζόνιο W, οι φυσικοί σε οκτώ διαφορετικά πειράματα μέτρησαν τη μάζα του συνολικά 10 φορές. Κάθε φορά, η μέτρηση βρίσκονταν κοντά στο εύρος που προβλέπει Καθιερωμένο μοντέλο. Αλλά αυτή τη φορά, προς έκπληξη όλων, η μάζα του βρέθηκε πιο μακριά απ’ ότι αναμενόταν.
«Γνωρίζαμε ότι το πείραμα CDF εργαζόταν πάνω σε αυτό», λέει ο Mika Vesterinen, φυσικός του πανεπιστημίου Warwick. «Θα μπορούσαμε παίρνοντας υπόψιν την παλαιότερη μέτρησή τους το 2012, να μαντέψουμε πόσο μικρότερο θα ήταν το σφάλμα της νέας μέτρησης. Όμως εκέινο που προκάλεσε σοκ ήταν η κεντρική τιμή.. Δεν το περιμέναμε».
Οι θεωρητικοί δημοσίευσαν αμέσως δεκάδες μελέτες όπου εικάζουν ποιά νέα φυσική θα μπορούσε να ενισχύσει τη μάζα του μποζονίου W. «Δεν συμφωνεί με τη θεωρία, επομένως σίγουρα κάτι πάει στραβά», λέει ο Matthias Schott, πειραματικός φυσικός και καθηγητής στο πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg στο Mainz. «Ή η θεωρία μας είναι λάθος, ή η μέτρηση είναι λάθος.»
Μια πράξη εξισορρόπησης
Στην αστρονομία, οι μάζες και οι κινήσεις των διαφόρων ουράνιων σωμάτων επηρεάζουν η μία την άλλη. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επιτρέπουν στους επιστήμονες να χρησιμοποιούν τις γνωστές μετρήσεις για να κάνουν νέες ανακαλύψεις. Οι διαταραχές στην τροχιά του Ουρανού, για παράδειγμα, επέτρεψαν στους επιστήμονες να συμπεράνουν την ύπαρξη του Ποσειδώνα πολύ πριν καταφέρουν να τον παρατηρήσουν με τηλεσκόπιο.
Τα θεμελιώδη σωματίδια συμμετέχουν σε μια παρόμοια πράξη εξισορρόπησης, οι κανόνες της οποίας περιγράφονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο, την καλύτερη περιγραφή που έχουν οι επιστήμονες για τον υποατομικό κόσμο. Όσο καλύτερα κατανοούν οι επιστήμονες ένα σωματίδιο, τόσο καλύτερα μπορούν να εκτιμήσουν και τις ιδιότητες άλλων.
Ο Schott θυμάται ότι εφάρμοσε αυτήν την αρχή στην έρευνά του ως μέλος του ATLAS στο CERN λίγο πριν την έναρξη λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Σύμφωνα με τον Schott: Πριν από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, χρησιμοποιούσαμε τη μάζα του μποζονίου W για να περιορίσουμε το εύρος μάζας όπου θα μπορούσε να βρίσκεται το μποζόνιο Higgs. Μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, οι επιστήμονες έτρεξαν τις εξισώσεις αντίστροφα για να προβλέψουν τη μάζα του μποζονίου W με μεγαλύτερη ακρίβεια. Όταν ανακαλύψαμε το Higgs το 2012, άλλαξε το παιχνίδι. Το Καθιερωμένο Πρότυπο μπορεί να προβλέψει τη μάζα του μποζονίου W με εκπληκτική ακρίβεια. Μετράτε πολλές ποσότητες – μία από τις οποίες είναι το μποζόνιο Higgs – τις βάζετε σε έναν μεγάλο τύπο και παίρνετε πίσω την προβλεπόμενη μάζα του μποζονίου W. Σύμφωνα με τον Schott, εφόσον η νέα μέτρηση του CDF είναι σωστή, τότε κάτι πρέπει να λείπει από τη θεωρία. Επομένως χρειάζεται νέα φυσική.
Ωστόσο, οι επιστήμονες πριν αρχίσουν να υιοθετούν νέες θεωρίες, πρέπει να διερευνήσουν αρκετά πράγματα. Ενώ πολλές μετρήσεις στη φυσική συμφωνούν μεταξύ τους, δεν είναι ασυνήθιστο τα αποτελέσματα διαφορετικών πειραμάτων να διαφωνούν. Η μάζα του μποζονίου W ήταν ιδιαίτερα αινιγματική επειδή τα μποζόνια W είναι δύσκολο να μετρηθούν.
Ο αρχές διατήρησης
Ως υποψήφιος διδάκτορας του Fermilab στα τέλη της δεκαετίας του 2000, ο Vesterinen γοητεύθηκε από την πολυπλοκότητα των μετρήσεων μάζας του μποζονίου W. «Ήταν το αποκορύφωμα των προγραμμάτων CDF και DZero», λέει ο Vesterinen. «Κοίταζα με δέος σε αυτές τις μετρήσεις». Μια δεκαετία αργότερα, αποφάσισε να αντιμετωπίσει την ίδια μέτρηση στο πείραμα LHCb.
Τα μποζόνια W, όπως τα περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια με μεγάλη μάζα, είναι τόσο βραχύβια που οι φυσικοί δεν τα βλέπουν ποτέ απευθείας. Ανιχνεύουν τα προϊόντα διάσπασης του μποζονίου W και μετρούν τη ορμή τους.
«Γνωρίζουμε από τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα ότι η ορμή του αρχικού σωματιδίου πρέπει να είναι ίση με την ορμή των άλλων σωματιδίων στα οποία διασπάται», λέει ο Kotwal. Οι φυσικοί γνωρίζουν ήδη την μάζα των προϊόντων διάσπασης, επομένως χρησιμοποιώντας τις αρχές της διατήρησης της ενέργειας και της ορμής, μπορούν να υπολογίσουν τη μάζα του αρχικού σωματιδίου μετρώντας την ενέργεια και την τροχιά των σωματιδίων-προιόντων της διάσπασης.
Αυτό που κάνει τη μέτρηση της μάζας του μποζονίου W τόσο δύσκολη είναι ότι μόνο τα μισά από τα υποπροϊόντα είναι ορατά. Τα μποζόνια W διασπώνται προς ένα νετρίνο που συνοδεύεται από ένα ηλεκτρόνιο ή ένα μιόνιο. Όμως, δεν μπορούμε να μετρήσουμε τα νετρίνα, κι αυτό δημιουργεί το μεγάλο πρόβλημα.
Τα νετρίνα είναι σωματίδια-φαντάσματα που σπάνια αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη. Το να δούμε ένα νετρίνο που προέρχεται από την διάσπαση μποζονίου W σε έναν ανιχνευτή είναι φυσικώς αδύνατο. Στην άλγεβρα του γυμνασίου, μαθαίνουμε ότι η επίλυση μιας εξίσωσης με δύο αγνώστους είναι αδύνατη. Έτσι, ο προσδιορισμός της ορμής των μποζονίων W πριν την διάσπασή τους, δεν εύκολος.
Πώς το έκαναν
Επειδή τα μισά από τα προϊόντα διάσπασης του μποζονίου W είναι αόρατα, οι επιστήμονες έπρεπε να βεβαιωθούν ότι αυτό που μπορούσαν να μετρήσουν, θα είχε την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Σύμφωνα με τον Kotwal, μια μέτρηση είναι τόσο καλή όσο τα εργαλεία που χρησιμοποιείτε. Αν προσπαθήσω να μετρήσω το ύψος σου με έναν χάρακα, ίσως θα μπορούσα να φτάσω στην ακρίβεια του χιλιοστού. Αλλά πώς μπορώ να ξέρω ότι ο χάρακάς μου είναι σωστά βαθμονομημένος;
Πριν επιχειρήσουν την μέτρηση της μάζας του μποζονίου W, ο Kotwal και οι συνεργάτες του βαθμονόμησαν τον ανιχνευτή τους ξαναμετρώντας την μάζα ενός σωματιδίου που ήδη γνώριζαν με εξαιρετική ακρίβεια: την μάζα του μεσονίου J/ψ, το οποίο ανακαλύφθηκε το 1974 και συνίσταται από δύο γοητευτικά κουάρκ. Αφού λοιπόν επιβεβαίωσαν ξανά τη μάζα του σωματιδίου J/ψ, την χρησιμοποίησαν για να ξαναμετρήσουν τη μάζα ενός άλλου επίσης γνωστού σύνθετου σωματιδίου, του μεσονίου Ύψιλον, το οποίο αποτελείται από δύο κουάρκ πυθμένες. Τέλος, χρησιμοποίησαν και τις δύο μετρήσεις για να ξανα-μετρήσουν την μάζα του μποζονίου Z, ενός στενού συγγγενή του μποζονίου W, επίσης φορέα της ασθενούς αλληλεπίδρασης.
Σύμφωνα με τον Kotwal: Χρησιμοποιήσαμε το πρώτο για να πάρουμε το δεύτερο, μετά το πρώτο και το δεύτερο για να πάρουμε το τρίτο, και τελικά και τα τρία για να πάρουμε την μάζα του μποζονίου W. Με αυτό τον τρόπο ενισχύονται οι έλεγχοι συνέπειας και ακρίβειας. Αναγκάζεσαι να κάνεις εξονυχιστικό έλεγχο σε κάθε βήμα.
Κάθε μικρή λεπτομέρεια έχει σημασία, λέει ο Vesterinen. Για παράδειγμα, αν μετατοπίζαμε τον ανιχνευτή LHCb κατά το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας, θα μετατοπίζαμε τη μάζα του μποζονίου W κατά 50 MeV [50 εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ]».
Εκτός από τη βαθμονόμηση του ανιχνευτή, οι επιστήμονες χρειάστηκε να ξεδιαλύνουν τι συμβαίνει όταν τα μποζόνια W παράγονται μέσα στον επιταχυντή τους.
Τα μποζόνια W παράγονται από τη σύγκρουση κουάρκ και αντικουάρκ, λέει ο Kotwal. Αυτά κινούνται πολύ γρήγορα, οπότε κάθε μποζόνιο W κινείται επίσης πολύ γρήγορα. Έπρεπε να καταλάβουμε πόσο γρήγορα κινούνταν και προς ποιά κατεύθυνση. Αυτό είναι το επίκεντρο όλων των πρόσθετων επιπλοκών που εμφανίζονται.
Για να εκτιμήσουν πόσο γρήγορα κινούνταν κάθε μποζόνιο W πριν διασπαστεί, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν όλες τις διαθέσιμες πληροφορίες σχετικά με τον επιταχυντή, την δομή του πρωτονίου (και του αντι-πρωτονίου), την θεωρία σκέδασης και πολλές άλλες μετρήσεις από τον ανιχνευτή τους. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσαν να διακρίνουν τις ταχύτητες των μποζονίων W από έξω προς τα μέσα.
Όλη η δουλειά απέδωσε: Η νέα μέτρηση του CDF είναι η πιο ακριβής μέτρηση της μάζας του μποζονίου W μέχρι σήμερα. Σύμφωνα με τον Schott, η μέτρηση είναι πραγματικά εντυπωσιακή όσον αφορά την ακρίβεια. Από την άποψη της βαθμονόμησης, είναι πραγματικά υπέροχη.
Ωστόσο, το πιο ακριβές δεν σημαίνει απαραίτητα και το πιο σωστό. Ο Vesterinen το παρομοιάζει με τα σουτ στο μπάσκετ. Υψηλή ακρίβεια σημαίνει ότι πετάτε πάντα την μπάλα στο ίδιο σημείο, αλλά δεν σημαίνει ότι θα βάλετε το καλάθι.
Πριν ξαναγράψει τους νόμους της φυσικής, η επιστημονική κοινότητα αναζητά οποιαδήποτε εναλλακτική εξήγηση στο γιατί αυτή η νέα μέτρηση είναι τόσο διαφορετική από ό,τι προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Συνταγή επιτυχίας
Καμία από τις μετρήσεις που έχουν κάνει οι επιστήμονες για την μάζα του μποζονίου W δεν ήταν ίδιες. Αυτό δεν εκπλήσσει τον Kotwal, ο οποίος παρομοιάζει την μέτρηση της μάζας ενός σωματιδίου με το μαγείρεμα του αγαπημένου του φαγητού, ταϊλανδέζικου κόκκινου κάρυ. Πρεέπει να περιέχει ακριβώς την σωστή ποσότητα μπαχαρικών και φρέσκων λαχανικών, λέει. Ωστόσο, κάθε εστιατόριο το κάνει ελαφρώς διαφορετικά. Το ίδιο συμβαίνει και με τις μετρήσεις του μποζονίου W. Παρόλο που τα χρησιμοποιούμενα συστατικά και οι θεμελιώδεις αρχές είναι οι ίδιες, μικρές διαφορές μπορεί να συσσωρευτούν προκαλώντας σημαντικές αποκλίσεις.
Σύμφωνα με τον Vesterinen, το επόμενο βήμα είναι να εξεταστούν τα συστατικά που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση του CDF και στη συνέχεια να δούμε τι θα προκύψει από τον LHC.
Η επίλυση του προβλήματος δεν είναι εύκολη και θα βασανίσει στο μέλλον αρκετούς ερευνητές. Απαιτήθηκε τεράστια προσπάθεια από την ομάδα του πειράματος CDF για να καταλήξει στο πρόσφατο αποτέλεσμα. Η μέτρηση της μάζας του μποζονίου W θα αποτελέσει ασφαλώς μια από τις βασικές προτεραιότητες του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN.
διαβάστε περισσότερα στο άρθρο της Sarah Charley στο symmetrymagazine.org με τίτλο: What’s up with the W boson mass?
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε