Το πείραμα NA62 στο CERN καταγράφει τις σπανιότατες διασπάσεις των σωματιδίων που ονομάζονται καόνια (), πίσω από τις οποίες μπορεί να κρύβονται άγνωστες μέχρι σήμερα δυνάμεις και σωματίδια

Πριν από 15 περίπου χρόνια δημοσιεύθηκε η εργασία των Joachim Brod, Martin Gorbahn και Emmanuel Stamou με τίτλο «Two-loop electroweak corrections for the  decays» των Joachim Brod, Martin Gorbahn και Emmanuel Stamou. Εκεί παρουσιάζονται βελτιωμένοι θεωρητικοί υπολογισμοί της σπάνιας διάσπασης ενός σωματιδίου που ονομαζεται καόνιο, οι οποίοι είχαν ξεκινήσει από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 να γίνονται όλο και με μεγαλύτερη ακρίβεια. Σκοπός τους ήταν να δώσουν στους πειραματικούς ένα ισχυρό εργαλείο στην αναζήτηση στοιχείων για μια πιο θεμελιώδη θεωρία, πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων. Η διάσπαση ενός μεσονίου Κ (καόνιο) σε πιόνιο, νετρίνο και αντινετρίνο στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου κυριαρχείται από την συμμετοχή των βαρύτερων σωματιδίων (πάνω κουάρκ, μποζόνια W και Ζ) και αυτές οι συνεισφορές μπορούν να υπολογιστούν με πολύ καλή ακρίβεια από τη θεωρία των διαταραχών. Σύμφωνα με τους θεωρητικούς υπολογισμούς, για κάθε δέκα δισεκατομμύρια μεσόνια Κ μόνο ένα θα διασπαστεί προς την συγκεκριμένη τελική κατάσταση. Tα δυο νετρίνα που προκύπτουν από τη διάσπαση είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν, αφού τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη. Για τον λόγο αυτό η πειραματική έρευνα αυτών των διασπάσεων είναι πολύ δύσκολο έργο.

Το εφήμερο σωματίδιο που ονομάζεται κάονιo διασπάται σε τρεις δυσδιάκριτες οντότητες: . Το αν αυτό συμβαίνει ή όχι με έναν συγκεκριμένο τρόπο έχει πολύ μικρή σημασία για τους περισσότερους από εμάς, αφού θα συνεχίσουμε τη ζωή μας χωρίς να το αντιλαμβανόμαστε. Αλλά για τους φυσικούς που αναζητούν αυτή την μυστηριώδη διαδικασία εδώ και δεκαετίες, έχει μεγάλη σημασία. Ανακαλύπτοντας το πόσο συχνά συμβαίνει αυτή η διάσπαση θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν κρυμμένες πτυχές του σύμπαντος μας.

Τον περασμένο Σεπτέμβριο οι φυσικοί του πειράματος NA62 στο CERN ανακοίνωσαν ότι η σπάνια διάσπαση μπορεί να έχει ελαφρώς υψηλότερες πιθανότητες να συμβεί από την προβλεπόμενη θεωρητική πιθανότητα – περίπου ένα στα 10 δισεκατομμύρια. Αν αυτό αποδειχθεί αληθινό, κάποιος αόρατος ηθοποιός πρέπει να παρεμβαίνει στη διάσπαση – ενδεχομένως ένα νέο σωματίδιο ή μια νέα δύναμη που δεν έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα.
«Αυτό είναι σημαντικό», λέει ο Andrzej Buras, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Πριν από τριάντα χρόνια ο Buras, με τον μαθητή του Gerhard Buchalla, έκαναν την πρώτη θεωρητική πρόβλεψη για το πόσο συχνά συμβαίνει η διάσπαση σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της Φυσικής των Σωματιδίων. Είναι «αισιόδοξος», αλλά προειδοποιεί ότι τα ευρήματα του πειράματος δεν είναι ακόμη αρκετά ισχυρά ώστε να είμαστε σίγουροι. «Περιμένω να γίνουν πολλές δημοσιεύσεις [που θα επιχειρούν να εξηγήσουν το αποτέλεσμα] και το καθένα θα ισχυρίζεται κάτι διαφορετικό».

Αυτή η διάσπαση του καονίου είναι τόσο σπάνια διότι απαιτεί «εικονικά σωματίδια». Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής, όσο περίεργοι κι αν είναι, επιτρέπουν στα σωματίδια να δημιουργηθούν από το τίποτα και να εξαφανιστούν αμέσως μετά. Μερικές φορές αυτά τα εικονικά σωματίδια προκύπτουν καθώς ένα σωματίδιο μετασχηματίζεται σε άλλο – και αλλάζουν την πορεία της διάσπασης. Για παράδειγμα, όταν τα καόνια διασπώνται, πολύ περιστασιακά υφίστανται παρεμβολές από εικονικές εκδόσεις των μποζονίων W και Z (τα σωματίδια φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης). Αυτή η ανάμειξη είναι που επιτρέπει στο καόνιο να παράξει ένα πιόνιο και δύο νετρίνα, την διαδικασία που αναζητά το πείραμα NA62. Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει ότι αυτό θα συμβεί ακριβώς οκτώ φορές σε κάθε 100 δισεκατομμύρια διασπάσεις.

Αν συμβαίνει περισσότερο ή λιγότερο συχνά, κάτι άλλο πρέπει να συμβαίνει – κάτι πέρα ​​από αυτό που περιγράφεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο. «Υπάρχουν πολλές ερωτήσεις που δεν μπορούμε να απαντήσουμε», λέει ο Buras. «Τα δύο πιο σημαντικά, κατά την άποψή μου, είναι η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης και η δική μας ύπαρξη: Γιατί κυριαρχεί η ύλη και όχι η αντιύλη στο σύμπαν;»

Αν οι μετρήσεις των διασπάσεων του καονίου δεν ταιριάζουν με το Καθιερωμένο Πρότυπο, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν ότι επιπλέον εικονικά σωματίδια άγνωστης ποικιλίας πρέπει να λασπώνουν αυτές τις διασπάσεις. Η νέα μέτρηση διαπίστωσε ότι η διάσπαση συμβαίνει περίπου 13 φορές σε κάθε 100 δισεκατομμύρια διασπάσεις – με εκτιμώμενη αβεβαιότητα περίπου 25%. Το αποτέλεσμα αυτό είναι πολλά υποσχόμενο. Μας δημιουργεί την ελπίδα ότι μπορεί να ανακαλύψουμε μια απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο, σύμφωνα με φυσικό της πειραματικής ομάδας NA62. Αλλά στατιστικά μιλώντας, δεν είναι απόδειξη. Γι’ αυτό χρειαζόμαστε περισσότερα δεδομένα».

Αν οι μελλοντικές μετρήσεις επιβεβαιώσουν ότι η διάσπαση έρχεται σε αντίθεση με τις προβλέψεις, υπάρχουν πολλά πιθανά εικονικά σωματίδια που θα μπορούσαν να εμφανιστούν. Μια πιθανότητα είναι ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο Z′ (Z prime). Αυτή θα ήταν μια πολύ πιο βαριά εκδοχή του γνωστού μποζονίου Ζ. Αντί να μεταφέρει την ασθενή δύναμη, όπως κάνει το κανονικό Z , το Z′ θα μεταφέρει μια δύναμη που πιθανώς θα μπορούσε να ρίξει λίγο φως στα ανοιχτά ερωτήματα της φυσικής, αλλά δεν έχει άμεσο αντίκτυπο στη ζωή μας, σύμφωνα με τον Buras. Μια άλλη επιλογή είναι ένα υποθετικό προς το παρόν σωματίδιο, το λεπτοκουάρκ, που θα μπορούσε να μετατρέψει τα κουάρκ σε λεπτόνια (την κατηγορία των σωματιδίων στην οποία ανήκουν τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα) και αντιστρόφως.
Αν και κανένα από τα πιθανά νέα σωματίδια δεν θα μπορούσε να εξηγήσει άμεσα τη σκοτεινή ύλη ή άλλα μυστήρια του σύμπαντος, η ανακάλυψή τους θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο προς την απάντηση σε μερικά από τα μεγαλύτερα ερωτήματά μας.

Κι αν αυτά τα νέα σωματίδια υπάρχουν πραγματικά, θα μπορούσαν να αναμειχθούν σε άλλες σπάνιες διασπάσεις σωματιδίων που αναζητούνται σε πειράματα σε όλο τον κόσμο. Σε αυτήν την περίπτωση, πειράματα όπως το beauty (LHCb) στο CERN και τα πειράματα Belle II και Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) στην Ιαπωνία, θα πρέπει επίσης να δουν αποκλίσεις από το Καθιερωμένο Πρότυπο στις μετρήσεις τους.

Το πείραμα NA62 θα συνεχιστεί για αρκετά ακόμη χρόνια. Όταν ολοκληρωθεί, οι ερευνητές θα έχουν συλλέξει περίπου τέσσερις φορές περισσότερα δεδομένα από αυτά που ανέλυσαν για να προκύψει τοτελευταίο αποτέλεσμα, κάτι που θα τους επιτρέψει να αυξήσουν σημαντικά την ακρίβεια της ανίχνευσής τους. Πολλοί φυσικοί θα περιμένουν με ανυπομονησία αυτή τη μελλοντική ανάλυση.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: A One-in-10-Billion Particle Decay Hints at Hidden Physics – https://www.scientificamerican.com/article/first-observation-of-one-in-10-billion-particle-decay-hints-at-hidden/

Κατηγορίες:ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, LHC

Ετικέτες: CERN, ΚΑΟΝΙΟ, PHYSICS