Bόμβα στα θεμέλια του καθιερωμένου μοντέλου

«Τα Β-μεσόνια εξακολουθούν να βγάζουν λιγότερα μιόνια απ' ότι θα έπρεπε. Αν αυτό δεν είναι κάποιου είδους σφάλμα στις μετρήσεις, πρόκειται για βόμβα στα θεμέλια του Καθιερωμένου μοντέλου»

Η σημαντικότερη είδηση στη Φυσική μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου του Χιγκς - Το σημερινό newsletter γράφει ο Αχιλλέας Λαζόπουλος*

Σχεδόν εννιά χρόνια μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγγς, έχουμε αρχίσει να το παίρνουμε απόφαση ότι, αντίθετα με ο,τι ήλπιζε μια ολόκληρη γενιά θεωρητικών, δεν υπάρχει κάτι άλλο να ανακαλυφθεί στις ενέργειες που εξερευνά ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) στο CERN. Σαν τους τοξικοεξαρτημενους που ελπίζουν σε ένα τελευταίο φιξάκι ξεχασμένο κάπου στο σπίτι, ψάχνουμε κάθε τρίμηνο στα πειραματικά αποτελέσματα μπας και βρεθεί καμιά απόκλιση από τα προβλεπόμενα. Κάτι, έστω, που να αφήνει ανοιχτό το ενδεχόμενο άγνωστα ακόμα σωματίδια να έχουν και την παραμικρή επίδραση σε ό,τι βρίσκεται αυτή τη δεκαετία εντός της περιοχής του μετρήσιμου. Ο βαθμός απελπισίας είναι τέτοιος που το ενδιαφέρον στρέφεται ακόμα και σε βορβορώδεις αντιδράσεις όπως οι διασπάσεις Β-μεσονίων, στις χθαμαλές ενέργειες των λίγων γιγαηλεκτρονιοβόλτ, δηλαδή μερικές φορές τη μάζα του πρωτονίου, ένα φάσμα ενεργειών που εξερευνήθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του '70.

Τα μεσόνια είναι σύνθετα σωματίδια φτιαγμένα από δύο κουάρκ. Τα Β-μεσόνια έχουν ένα b-quark ('b' for beauty), το βαρύτερο από τα κουάρκ που φτιάχνει μεσόνια, και άρα οι ιδιότητές τους παρουσιάζουν ενδιαφέρον. Οι αντίστοιχες μελέτες όμως περιπλέκονται από δυσώδεις λεπτομέρειες εξαιτίας των σχετικά χαμηλών ενεργειών, στις οποίες η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι όντως ισχυρή, οι θεωρητικοί υπολογισμοί αδύνατοι (ή έστω πολύ δύσκολοι) και οι μη-υπολογίσιμες από πρώτες αρχές παράμετρες που πρέπει συνεπώς να μοντελοποιηθούν. αρκετές. Παρ' όλα αυτά, υπάρχουν ορισμένες διασπάσεις αυτών των Β-μεσονίων είτε σε ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου, είτε σε ζεύγος μιονίων (βαρύτερη εκδοχή του ηλεκτρονίου), οι οποίες είναι εξαιρετικά σπάνιες, και για αυτό, εν μέρει, εξαιρετικά καθαρές, πάντα για τα λασπώδη μέτρα των Β-μεσονίων. Η θεωρία λέει οτι οι διασπάσεις προς ηλεκτρόνια είναι το ίδιο πιθανές με τις διασπάσεις προς μιόνια.

Το LHCb, ένα πείραμα στο LHC ειδικά φτιαγμένο για τη μελέτη Β-μεσονίων, που δεν έχει την αίγλη των άλλων δυο γενικών πειραμάτων, ATLAS και CMS, παίρνει τώρα την εκδίκησή του: μετράει διασπάσεις σε μιόνια λιγότερες απ' ότι σε ηλεκτρόνια! Η εν λόγω απόκλιση από τα θεωρητικώς προβλεπόμενα είναι γνωστή εδώ και δυο χρόνια, αλλά όλοι κουνούσαν συγκαταβατικά το κεφάλι, χαμογελούσαν και περίμεναν να τη δουν να εξαφανίζεται, καθώς ο όγκος των δεδομένων προς ανάλυση θα αυξανόταν. [Για όσους ξέρουν από στατιστική, αυτό είναι απολύτως αναμενόμενο: όταν κάνεις πολλά πειράματα, είναι αρκετά πιθανό ένα απ' αυτά να δίνει αποτελέσματα που μοιάζουν απίθανο να είναι απλώς στατιστικές διακυμάνσεις, κι όμως είναι].

Την Τρίτη που μας πέρασε, όμως, το LHCb επανήλθε, σαν τον καλό μέρμηγκα, αναλύοντας διπλάσιο όγκο δεδομένων, και βρήκε ότι τα Β-μεσόνια εξακολουθούν να φτύνουν λιγότερα μιόνια απ' ότι θα έπρεπε. Αν αυτό είναι πραγματικότητα, και όχι κάποιου είδους συστηματικό σφάλμα στις μετρήσεις (και υπάρχουν πολλά πιθανά, αλλά χιλιοδιπλοτσεκαρισμένα), πρόκειται για βόμβα στα θεμέλια του Καθιερωμένου Μοντέλου. Οι διασπάσεις αυτές διαμεσολαβούνται από την ηλεκτρασθενή δύναμη, που υποτίθεται ότι δεν κάνει διακρίσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και μιονίων. Σημαίνει λοιπόν σίγουρα καινούρια σωματίδια, καινούρια μοντέλα, μια υπέροχη κατάσταση.

Εννοείται, φυσικά, ότι υπάρχουν τόσα μοντέλα που εξηγούν το φαινόμενο (και μόνο αυτό) όσα και ειδικοί στην κατασκευή νέων μοντέλων. Λεπτοκουάρκς, Ζίτα πράιμς, ο,τι εξωτικό τραβάει η ψυχή του καθενός. [Το πρόβλημα είναι ότι τα περισσότερα από αυτά τα μοντέλα έχουν σωματίδια που θα είχαν ήδη ανακαλυφθεί σε υψηλότερες ενέργειες. Καλούνται λοιπόν τα μοντέλα να εξηγήσουν την ανώμαλη συμπεριφορά των Β-μεσονίων και ταυτόχρονα την απόλυτη απουσία οποιασδήποτε άλλης ένδειξης σε ολόκληρο το ερευνητικό πρόγραμμα του LHC. Δύσκολο εγχείρημα αλλά γίνεται, με κόστος, βέβαια οτι τα εν λόγω μοντέλα δεν διακρίνονται για την απλότητα ή την φυσικότητά τους.] Ο αγώνας δρόμου για να καταλογογραφηθεί κάθε άλλη πιθανή επίδραση των υποθετικών σωματιδίων καθενός απ' αυτά τα μοντέλα, σε οτιδήποτε μετριέται στο LHC, έχει ήδη ξεκινήσει, με καθημερινές δημοσιεύσεις. Πότε θα είμαστε σίγουροι ότι κάτι καινούριο ανατέλλει στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων; Σίγουρα όχι πριν το τέλος της επόμενης σειράς πειραμάτων, στα τέλη του 2024. Είναι οι διασπάσεις Β-μεσονίων η μόνη απόκλιση από τα προβλεπόμενα; Όχι, υπάρχει κι άλλη μια, χρόνια απόκλιση: ο γυρομανητικός λόγος των μιονίων, που μετριέται ξανά στο κέντρο σωματιδιακής φυσικής του Σικάγο, το Fermilab. Και μόλις ανακοινώθηκε η ημέρα παρουσίασης των αποτελεσμάτων τους: 7 Απριλίου.

Σύνδεσμοι:

• Σχετικά ισορροπημένο άρθρο στο Vice: How a ‘Beauty’ Particle Is Challenging Our Understanding of Physics

• Η δημοσίευση του LHCb (για μερακλήδες): https://arxiv.org/abs/2103.11769