Ενδείξεις για μια νέα φυσική σε μια σπάνια διάσπαση σωματιδίου


Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, η ύλη συνίσταται από τρεις “οικογένειες” κουάρκ και λεπτονίων. Κάθε οικογένεια περιλαμβάνει 4 τύπους σωματιδίων: δυο από κουάρκ και δυο από λεπτόνια.
Η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από τα σωματίδια της πρώτης οικογένειας: τα πάνω και κάτω κουάρκ, τα οποία είναι ισχυρά δεσμευμένα μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια, το ηλεκτρόνια καθώς και το νετρίνο του ηλεκτρονίου, το οποίο παράγεται κατά μυριάδες στις αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό των άστρων.
Όπως γνωρίζουμε εδώ και καιρό, τα κουάρκ και τα λεπτόνια της δεύτερης και τρίτης γενιάς είναι πανομοιότυπα αντίγραφα αυτών της πρώτης οικογένειας, αλλά έχουν μεγαλύτερες μάζες. Αυτά τα βαριά κουάρκ και τα φορτισμένα λεπτόνια είναι ασταθή σωματίδια που μπορούν να παραχθούν σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, αλλά διασπώνται εξαιρετικά γρήγορα, διαμέσου της ασθενούς αλληλεπίδρασης, σε σωματίδια που ανήκουν στην πρώτη οικογένεια.
Αυτή η περιγραφή της ύλης είναι συνεπής με ότι έχει παρατηρηθεί στα πειράματα, αλλά το γιατί έχουμε τρία σχεδόν πανομοιότυπα αντίγραφα των κουάρκ και των λεπτονίων (που αναφέρονται και ως 3 “γεύσεις” των κουάρκ και των λεπτονίων), με μόνη διαφορά τις μάζες τους, είναι ένα από τα ανοικτά ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής.
Στο οριακό σημείο που ακόμα δεν έχει σπάσει η ηλεκτρασθενής συμμετρία, κανένα από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου δεν έχει μάζα. Συνεπώς το πρόβλημα με τις μάζες των κουάρκ και των λεπτονίων σχετίζεται στενά με το άλλο μεγάλο ανοικτό ζήτημα στην σωματιδιακή φυσική: γιατί οι φορείς της ασθενούς δύναμης – τα μποζόνια W και Z – έχουν μάζα; Στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου, αυτά τα δυο προβλήματα λύνονται με αυτό που αποκαλείται μηχανισμός Higgs: τα κουάρκ και τα λεπτόνια καθώς επίσης και τα μποζόνια W και Ζ έχουν μάζα διότι αλληλεπιδρούν με ένα νέο είδος πεδίου, που λέγεται πεδίο Higgs. Στην άποψη αυτή το πεδίο Higgs είναι αυτό που σπάει την ηλεκτρασθενή συμμετρία.
Αν τα πειράματα υψηλής ενέργειας στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN καταφέρουν να ανιχνεύσουν μια διέγερση του πεδίου Higgs – το σωματίδιο Higgs – τότε σε αυτά τα πειράματα θα έχει αποδειχθεί ότι ο μηχανισμός αυτός αποτελεί τη βάση για τις μάζες όλων των σωματιδίων.
Πρέπει όμως εδώ να τονίσουμε πως ο μηχανισμός Higgs στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Μοντέλου δεν είναι ικανοποιητικός για διάφορες αιτίες, κυρίως όμως επειδή γίνεται ασταθής στις υψηλές ενέργειες. Αντίθετα, είναι πιθανόν το πεδίο Higgs να είναι στην πραγματικότητα μια προσέγγιση μόνο στις χαμηλές ενέργειες μιας πιο θεμελιώδους θεωρίας. Σημάδια αυτής της “πραγματικής” θεωρίας θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν στις υψηλές ενέργειες, ως νέοι βαθμοί ελευθερίας με τη μορφή νέων βαρέων σωματιδίων.
Οι προσπάθειες να βρεθούν αποδεικτικά στοιχεία γι αυτή τη νέα θεωρία μπορούν να διαιρεθούν σε δυο κύριες κατηγορίες: (i) στις απευθείας αναζητήσεις για τους νέους βαθμούς ελευθερίας, μέσω πειραμάτων στο όριο των υψηλών ενεργειών, ειδικά στον LHC και (ii) στις έμμεσες αναζητήσεις για νέα σωματίδια διαμέσου λεπτομερών μελετών στις χαμηλές ενέργειες, στο όριο της υψηλής έντασης όπως ονομάζεται. Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό στον καθορισμό της δομής της γεύσης των νέων βαθμών ελευθερίας ή στο πως αυτά τα νέα πεδία συνδέουν μαζί τις τρεις διαφορετικές οικογένειες των κουάρκ και των λεπτονίων.
Μέσα σ’ αυτό το δεύτερο πλαίσιο οι Joachim Brod, Martin Gorbahn και Εμμανουήλ Στάμου (Emmanuel Stamou) στο Πανεπιστήμιου του Μονάχου, έχουν επεξεργαστεί μια βελτιωμένη θεωρητική περιγραφή μιας σπάνιας διάσπασης σωματιδίου, που θα δώσει στους πειραματικούς ένα ισχυρό εργαλείο στην αναζήτηση στοιχείων για μια πιο θεμελιώδη θεωρία.
Οι υπολογισμοί τους, που αναφέρονται στην πιθανότητα ένα μεσόνιο Κ (ή καόνιο) να διασπάται σε ένα πιόνιο, ένα νετρίνο και ένα αντινετρίνο (κάτω εικόνα), δημοσιεύονται στο περιοδικό Physical Review D.
Για περισσότερες πληροφορίες εδώ
Δημοσίευση σχολίου