… ενός από τα βαρύτερα στοιχειώδη σωματίδια στο σύμπαν μας
Υπάρχουν δύο τύποι στοιχειωδών σωματιδίων: τα μποζόνια και τα φερμιόνια. Τα «συλλογικά» μποζόνια ευθύνονται για τις δυνάμεις που μας κινούν, ενώ τα «ατομικιστικά» φερμιόνια εμποδίζουν την κατάρρευση των ατόμων της ύλης από την οποία είμαστε φτιαγμένοι. Το σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο W είναι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο (εμφανίζεται με θετικό ή αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο) που μαζί με το ηλεκτρικά ουδέτερο Z μποζόνιο είναι οι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Το μποζόνιο W είναι υπεύθυνο για δύο από τις πιο εκπληκτικές ανακαλύψεις του 20ου αιώνα – ότι η φύση έχει προτίμηση προσανατολισμού δεξιά-αριστερά («χειραλικότητα») και ότι η φυσική της αντι-ύλης είναι ανεπαίσθητα διαφορετική από τη φυσική του κόσμου που βλέπουμε γύρω μας και που αποτελείται από ύλη. Το σωματίδιο W συγκαταλέγεται στα βαρύτερα θεμελιώδη σωματίδια της φύσης, είναι περίπου 80 φορές βαρύτερο από το πρωτόνιο, πράγμα που σημαίνει ότι οι αλληλεπιδράσεις του έχουν πολύ μικρό βεληνεκές και ότι είναι πολύ ασθενείς στη κλίμακα ενεργειών της καθημερινής ζωής. Το σωματίδιο W μπορεί να αλλάξει την φύση αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, π.χ. μετατρέποντας ένα ηλεκτρόνιο σε νετρίνο ή ένα «κάτω» κουάρκ σε ένα «άνω» κουάρκ. Αυτό είναι σημαντικό για την πυρηνική σύντηξη, που δίνει ενέργεια στον ήλιο, αφού αυτή εμπεριέχει τη μετατροπή πρωτονίων σε νετρόνια, όπως συμβαίνει και στη ραδιενεργή διάσπαση β (π.χ. του άνθρακα-14 σε άζωτο-14).
Οι φυσικοί μέτρησαν ξανά την μάζα του μποζονίου W. Ο νέος υπολογισμός, που θα μπορούσε να συμβάλει στη λύση ενός επίμονου μυστηρίου γύρω από τη μάζα αυτού του σωματιδίου, έγινε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) δίνοντας την τιμή 80.360,2 ± 9,9 MeV, μεγαλύτερη ακόμα και από τη μάζα ενός ολόκληρου ατόμου του ισοτόπου Κρυπτό-86!
Μια μέτρηση της μάζας του μποζονίου W που πραγματοποιήθηκε το 2022 από το πείραμα Ανιχνευτή Συγκρούσεων στο Fermilab (CDF) στον επιταχυντή Tevatron του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντών Fermi (Fermilab), ήταν η πιο ακριβής μέχρι σήμερα. Η πειραματική τιμή που βρήκαν mexp=80433,5±9,4 MeV, ήταν αρκετά μεγαλύτερη από την θεωρητικά αναμενόμενη πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής mth=80357±6 MeV. Αν αυτό ίσχυε, θα σήμαινε ότι κάτι παράξενο συνέβαινε με τα σωματίδια που διέπουν τη ραδιενέργεια β καθώς και με τους ίδιους τους κανόνες της φυσικής.
Όμως, ο γρίφος δεν έχει λυθεί πλήρως ακόμα. «Αν και συγχαίρω την ομάδα του CMS για τη φιλότιμη προσπάθειά της, οποιαδήποτε συμπεράσματα σε αυτό το στάδιο είναι σίγουρα πρόωρα», λέει ο φυσικός του Πανεπιστημίου Duke, Ashutosh Kotwal, ο οποίος συμμετείχε στη συγγραφή της ανάλυσης του CDF. «Είναι σαφές ότι δεν γίνεται να είναι σωστά τόσο το CDF όσο και το CMS». Η ομάδα του CDF εξήγαγε τη μέτρηση της μάζας χρησιμοποιώντας έξι διαφορετικές μεθόδους και μελέτησε διάφορους τρόπους με τους οποίους το μποζόνιο W θα μπορούσε να διασπαστεί σε μικρότερα σωματίδια. «Η ομάδα του CMS, από την άλλη πλευρά, μόλις τώρα ξεκινά, με την πρώτη της δημοσίευση να περιλαμβάνει μόνο μία από αυτές τις έξι μεθόδους», αναφέρει ο Kotwal.
Η μέτρηση του 2022 ήταν η πιο ακριβής μέχρι σήμερα. Η νέα μέτρηση, ωστόσο, σχεδόν αγγίζει την ακρίβειά της – αλλά, αντιθέτως συμφωνεί με το Καθιερωμένο Πρότυπο. Οι επικεφαλής της νέας μελέτης, η οποία διεξήχθη στο πείραμα Compact Muon Solenoid (CMS) του LHC, δηλώνουν ότι το αποτέλεσμα τους καθησυχάζει, καθώς δείχνει ότι η βασική μας κατανόηση για το μποζόνιο W βρίσκεται πιθανότατα στον σωστό δρόμο. «Αν και θα ήταν συναρπαστικό να επιβεβαιωθεί το αποτέλεσμα του CDF, αυτό που πραγματικά ήθελα ήταν να δημοσιεύσουμε ένα αποτέλεσμα που θα αντέξει στον χρόνο», αναφέρει ο φυσικός του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT), Kenneth Long, εκ των συγγραφέων της νέας μελέτης. «Νομίζω ότι οι περισσότεροι φυσικοί σήμερα θα στοιχηματίζουν στο Καθιερωμένο Πρότυπο, και θεωρώ πως η μέτρησή μας είναι ένας σημαντικός λόγος για αυτό».
Το Καθιερωμένο Πρότυπο υπήρξε εξαιρετικά επιτυχημένο στην περιγραφή του κόσμου των θεμελιωδών σωματιδίων, αλλά οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι δεν είναι πλήρες. Δεν περιλαμβάνει, για παράδειγμα, την μυστηριώδη σκοτεινή ύλη που οι φυσικοί πιστεύουν ότι είναι πανταχού παρούσα στο σύμπαν, ούτε τη σκοτεινή ενέργεια που φαίνεται να επιταχύνει την διαστολή του σύμπαντος. Αν οι ερευνητές καταφέρουν να εντοπίσουν μια απόκλιση μεταξύ των προβλέψεων του προτύπου και της πραγματικότητας, αυτό θα μπορούσε να δείξει τον δρόμο για την επέκταση της θεωρίας, ώστε να περιγράψει πληρέστερα τη φύση.
«Νομίζω ότι όλοι περιμένουμε πως το Καθιερωμένο Πρότυπο θα καταρρεύσει πραγματικά μια μέρα», σημειώνει ο Long. «Όμως αυτή η μέτρηση υποδηλώνει ότι μία από τις πιο δελεαστικές (και εντυπωσιακές) ενδείξεις ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν λειτουργούσε, μοιάζει πλέον περισσότερο με πειραματική ανωμαλία παρά με θεωρητική ανεπάρκεια. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να συνεχίσουμε να ψάχνουμε πιο εντατικά και ίσως σε διαφορετικά μέρη για να βρούμε αυτές τις ρωγμές».
Σύμφωνα λοιπόν με τη νέα μέτρηση του LHC, το μποζόνιο W έχει μάζα 80.360,2 ± 9,9 μέγα-ηλεκτρονιοβόλτ (MeV), δηλαδή είναι περίπου 160.000 φορές πιο βαρύ από το ηλεκτρόνιο, το οποίο έχει μάζα περίπου 0,5 MeV. Αυτός ο αριθμός βρίσκεται απολύτως μέσα στα όρια των προβλέψεων του Καθιερωμένου Προτύπου.
Ο LHC επιταχύνει πρωτόνια σχεδόν μέχρι την ταχύτητα του φωτός και στη συνέχεια τα συγκρούει μεταξύ τους. Η ενέργεια της σύγκρουσης γεννά πολλά νέα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων – μερικές φορές – των μποζονίων W. Το πείραμα δεν μπορεί να μετρήσει τα μποζόνια W απευθείας, διότι έχουν χρόνο ζωής μόλις 10-24 δευτερόλεπτα. Όμως, συχνά διασπώνται σε ένα ζεύγος σωματιδίων, ένα νετρίνο και ένα μιόνιο (μια πιο βαριά εκδοχή του ηλεκτρονίου).
Το νετρίνο είναι σχεδόν εξίσου ασύλληπτο με το μποζόνιο W, αλλά το πείραμα CMS μπορεί να μελετήσει τα μιόνια με μεγάλη ακρίβεια. Μετρώντας προσεκτικά την ενέργεια και την ορμή των μιονίων που παράγονται σε περίπου 100 εκατομμύρια συγκρούσεις που πιστεύεται ότι δημιούργησαν μποζόνια W, οι φυσικοί κατέληξαν στη νέα τους εκτίμηση μάζας. Το εύρημα δημοσιεύθηκε στις 8 Απριλίου στο περιοδικό Nature.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: New fundamental physics measurement deepens quantum mystery – https://www.scientificamerican.com/article/new-particle-mass-measurement-deepens-quantum-mystery/
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, LHC
physicsgg 
Σχολιάστε