Φανταστείτε έναν κόσμο τόσο απίστευτα μικροσκοπικό, που ακόμη και το πρωτόνιο —το βασικό δομικό στοιχείο της ύλης— φαντάζει γιγάντιο μπροστά του. Εκεί, σε αυτό το απειροελάχιστο σύμπαν, οι νόμοι της Φυσικής που γνωρίζουμε δοκιμάζονται και οι επιστήμονες πιστεύουν ότι κρύβονται τα μεγαλύτερα μυστικά της δημιουργίας.
Μετά από τέσσερις δεκαετίες επίμονων ερευνών, ένα ιστορικό πείραμα στο CERN μάς φέρνει για πρώτη φορά στην «πόρτα» αυτού του άγνωστου κόσμου, καταγράφοντας ένα φαινόμενο τόσο σπάνιο που μοιάζει με το να κερδίζεις το πιο δύσκολο λαχείο του σύμπαντος.
Ένα πείραμα στο CERN εντόπισε τις πρώτες ενδείξεις μιας διάσπασης σωματιδίων τόσο σπάνιας, που υπολογίζεται ότι συμβαίνει μόλις μία φορά σε περίπου 10 δισεκατομμύρια δοκιμές, μετά από μια αναζήτηση που διήρκεσε περισσότερα από 40 χρόνια.
Το αποτέλεσμα αυτό συμφωνεί με την τρέχουσα θεωρία, αλλά περιορίζει τα σημεία όπου θα μπορούσαν να κρύβονται άγνωστα μέχρι στιγμής σωματίδια. Οι φυσικοί κυνηγούν αυτή τη διάσπαση σωματιδίων για περισσότερα από 40 χρόνια. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, συμβαίνει μόλις μία φορά για κάθε 10 δισεκατομμύρια φορές που δημιουργείται ένα συγκεκριμένο σωματίδιο.
Το «κυνήγι» ξεκίνησε πριν ο Τιμ Μπέρνερς-Λι (Tim Berners-Lee) συλλάβει την ιδέα του Παγκόσμιου Ιστού (World Wide Web) στο CERN το 1989. Τώρα, το πείραμα LHCb, ένας από τους τέσσερις μεγάλους ανιχνευτές στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) —τον γιγαντιαίο επιταχυντή του CERN κοντά στη Γενεύη— εντόπισε ενδείξεις ότι η διαδικασία αυτή είναι πραγματική.
Ο Κρις Παρκς (Chris Parkes), επικεφαλής του Τμήματος Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, ηγήθηκε της κοινότητας του LHCb κατά τη διάρκεια της αναβάθμισης του ανιχνευτή. Ο ίδιος παρομοιάζει τις πιθανότητες με το να βγαίνει κανείς ραντεβού και, με την πρώτη κιόλας προσπάθεια, να συναντά το μοναδικό ιδανικό του ταίρι ανάμεσα σε ολόκληρο τον πληθυσμό της Γης.
Μάλιστα, η παρομοίωση αυτή ίσως και να υποτιμά την πραγματικότητα: ο κόσμος έχει σήμερα περίπου 8 δισεκατομμύρια ανθρώπους, ενώ οι πιθανότητες σε αυτή την περίπτωση είναι μία στα 10 δισεκατομμύρια. Το αποτέλεσμα παρουσιάστηκε στις 3 Νοεμβρίου σε σεμινάριο στο CERN.
Φτάνει τα 3,2 «σίγμα» (sigma), ένα μέτρο που δείχνει πόσο απίθανο θα ήταν το σήμα αυτό να αποτελεί μια απλή σύμπτωση. Σε αυτό το επίπεδο, οι φυσικοί κάνουν λόγο για «ενδείξεις» (evidence). Για την ανακοίνωση μιας «ανακάλυψης» απαιτούνται 5 σίγμα —το όριο που χρησιμοποιήθηκε για την ανακοίνωση του μποζονίου Χιγκς (Higgs boson) το 2012— και η επίτευξη αυτού του στόχου θα απαιτήσει περισσότερα δεδομένα.
Η εργασία, η οποία υπογράφεται από ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα του LHCb (με πρώτο συγγραφέα τον R. Aaij), είναι δημόσια διαθέσιμη ως προδημοσίευση (preprint) —ένα προσχέδιο που κοινοποιείται πριν από την αξιολόγηση από ομοτίμους (peer review)— στην πλατφόρμα arXiv από τις 30 Οκτωβρίου.
Αναζητώντας τη «Νέα Φυσική» στα μονοπάτια του απειροελάχιστου
Το εμπλεκόμενο σωματίδιο ονομάζεται Bd και περιέχει ένα «γοητευτικό» κουάρκ (beauty quark). Τα κουάρκ είναι οι θεμέλιοι λίθοι των πρωτονίων και των νετρονίων. Τα πιο κοινά από αυτά, που ονομάζονται «πάνω» (up) και «κάτω» (down) κουάρκ, συνθέτουν την ύλη γύρω μας, ενώ το «γοητευτικό» κουάρκ (γνωστό και ως bottom quark) είναι ένας πολύ βαρύτερος συγγενής τους.
Ο επιταχυντής LHC παράγει «γοητευτικά» κουάρκ σε τεράστιους αριθμούς, αλλά το καθένα από αυτά ζει μόλις για ένα ελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου προτού μετατραπεί σε άλλα σωματίδια. Ένα σωματίδιο Bd συνδυάζει ένα «γοητευτικό» κουάρκ με ένα «κάτω» αντι-κουάρκ (down antiquark), το δίδυμο αντιύλης του «κάτω» κουάρκ.
Αυτό που θέλουν να δουν οι φυσικοί είναι το Bd να μετατρέπεται σε δύο μιόνια (muons), τα οποία είναι βαρύτερα «ξαδέρφια» του ηλεκτρονίου. Γιατί έχει τόσο μεγάλη σημασία κάτι τόσο ασυνήθιστο; Επειδή, σύμφωνα με την κβαντική φυσική, κάθε διάσπαση επηρεάζεται από όλα τα σωματίδια που υπάρχουν στο σύμπαν, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που είναι υπερβολικά βαριά για να δημιουργηθούν απευθείας στον επιταχυντή LHC.
Όσο πιο σπάνια είναι μια διαδικασία, τόσο περισσότερο θα ξεχώριζε η επίδραση ενός κρυμμένου σωματιδίου, καθώς θα έκανε τη διάσπαση να συμβαίνει συχνότερα ή σπανιότερα από ό,τι προβλέπει η θεωρία. Η λογική αυτή θυμίζει την ανακάλυψη του Ποσειδώνα. Οι ανωμαλίες στην τροχιά του Ουρανού οδήγησαν τον Υρμπέν Λε Βεριέ (Urbain Le Verrier) να υπολογίσει πού έπρεπε να βρίσκεται ένας άλλος πλανήτης, και ο αστρονόμος Γιόχαν Γκάλε (Johann Galle) τον εντόπισε τον Σεπτέμβριο του 1846.
Σε αυτή την περίπτωση, οι «πρωταγωνιστές» είναι σωματίδια και όχι πλανήτες, αλλά η μέθοδος παραμένει η ίδια: υπολογίζεις αυτό που δεν μπορείς να δεις, μέσα από την επίδραση που ασκεί σε αυτό που μπορείς να μετρήσεις. Το 2015, μια κοινή ανάλυση από το LHCb και το CMS —ένα άλλο μεγάλο πείραμα του LHC— οδήγησε στην πρώτη παρατήρηση της διάσπασης ενός στενού «συγγενή», του σωματιδίου Bs. Η διάσπαση αυτή είναι περίπου 30 φορές πιο συχνή.
Η τότε ανάλυση έδωσε επίσης μια πρώτη ένδειξη για τη διάσπαση του Bd. Ωστόσο, οι μεταγενέστερες ενημερώσεις με χρήση δεδομένων έως το 2018 δεν επιβεβαίωσαν εκείνη την ένδειξη, όπως υπενθυμίζει το CERN. Το νέο στοιχείο τώρα είναι ότι ένα μεμονωμένο πείραμα βλέπει πλέον το σήμα από μόνο του. Αυτό που άλλαξε στο μεσοδιάστημα είναι το ίδιο το όργανο μέτρησης.
Τα νέα δεδομένα συλλέχθηκαν το 2024 και το 2025 με τον αναβαθμισμένο ανιχνευτή LHCb, ένα έργο διάρκειας 15 ετών το οποίο, σύμφωνα με τον Παρκς, περιλάμβανε μια διεθνή συνεργασία περίπου 1.900 μελών. Ο αναβαθμισμένος ανιχνευτής συλλέγει δεδομένα έως και πέντε φορές ταχύτερα από ό,τι πριν και είναι καλύτερος στο να ξεχωρίζει τους διαφορετικούς τύπους σωματιδίων.
Σε συνδυασμό με τεχνικές μηχανικής μάθησης (machine-learning), μπορεί να φιλτράρει το τεράστιο υπόβαθρο (background) —δηλαδή το πλήθος των άλλων διαδικασιών που μιμούνται το σήμα και οι οποίες, σε διαφορετική περίπτωση, θα το είχαν καλύψει.
Ο Μάρκο Σαντιμαρία (Marco Santimaria), ο οποίος συνδιηύθυνε την ανάλυση, το συνοψίζει ως εξής: Απαιτείται εξαιρετική ακρίβεια για να ξεχωρίσουν τα μιόνια μέσα από αυτόν τον θόρυβο. Τα δεδομένα του 2024 και του 2025 από μόνα τους έφτασαν τα 3 σίγμα, και η προσθήκη των δεδομένων από την πρώτη περίοδο λειτουργίας του LHC (2011 έως 2018) το ανεβάζει στα 3,2, σύμφωνα με το CERN.
Το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ διαδραμάτισε καθοριστικό ρόλο σε αυτή την αναβάθμιση. Η ομάδα του, με τον Στέφανο Ντε Κάπουα (Stefano De Capua) να ηγείται της κατασκευής των ανιχνευτών, εργάστηκε στον Εντοπιστή Κορυφών (Vertex Locator), ένα τμήμα του πειράματος που κατασκευάστηκε στη Βρετανία.
Πρόκειται για έναν ανιχνευτή εικονοστοιχείων πυριτίου (silicon pixel detector), ένα είδος εξαιρετικά γρήγορης κάμερας που ακολουθεί τις τροχιές των σωματιδίων. Βρίσκεται σε απόσταση περίπου 5 χιλιοστών από τις δέσμες πρωτονίων, δηλαδή περίπου όσο το μήκος ενός μικρού κόκκου ρυζιού.
Από εκείνη τη θέση μπορεί να εντοπίσει με ακρίβεια πού δημιουργείται και πού διασπάται ένα σωματίδιο, κάτι που είναι απαραίτητο όταν αυτό ζει για ένα τόσο απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου. Ο Ντε Κάπουα αναφέρει ότι σχεδόν 90 βρετανικές εταιρείες συμμετείχαν στην κατασκευή και ότι, κατά τη διάρκεια του έργου, εκπαιδεύτηκε μια νέα γενιά επιστημόνων και μηχανικών. Το Ηνωμένο Βασίλειο είχε τη μεγαλύτερη εθνική συνεισφορά στο έργο, με ερευνητές από δέκα πανεπιστήμια και το Εργαστήριο Ράδερφορντ Άπλετον (Rutherford Appleton Laboratory).
Η χρηματοδότηση προήλθε από το Συμβούλιο Επιστημονικών και Τεχνολογικών Εγκαταστάσεων (STFC).
Προς το «Ζεπτoσύμπαν»: Το ταξίδι στο απειροελάχιστο
Ο όρος «ζεπτοσύμπαν» (Zeptoverse) αναφέρεται σε εξαιρετικά μικροσκοπικές αποστάσεις. Το πρόθεμα «ζέπτο» (zepto-) αντιπροσωπεύει το ένα δισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του μέτρου, μια κλίμακα περίπου ένα εκατομμύριο φορές μικρότερη από το πρωτόνιο —το σωματίδιο που βρίσκεται στην καρδιά του πυρήνα κάθε ατόμου.
Οι φυσικοί ελπίζουν ότι οι όλο και πιο ακριβείς μετρήσεις διασπάσεων τόσο σπάνιων όσο αυτή θα τους επιτρέψουν να ρίξουν μια ματιά σε αυτόν τον κόσμο, όπου ενδέχεται να κρύβονται άγνωστα σωματίδια και δυνάμεις. Προς το παρόν, η μέτρηση συμφωνεί με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model), της θεωρίας που περιγράφει με τον καλύτερο τρόπο τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια και τον τρόπο που αλληλεπιδρούν.
Δεν υπάρχει καμία ένδειξη για κάτι καινούργιο. Αυτό που κάνει το αποτέλεσμα είναι να περιορίζει το «έδαφος» όπου θα μπορούσαν να κρύβονται σωματίδια πέρα από αυτή τη θεωρία. Ο Κόνορ Φιτζπάτρικ (Conor Fitzpatrick), καθηγητής στο Μάντσεστερ και αναπληρωτής συντονιστής φυσικής του LHCb, αποκαλεί αυτή τη διάσπαση «χρυσό κανάλι» (golden channel) για τον εντοπισμό των επιδράσεων της νέας φυσικής, και σημειώνει ότι οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο την κυνηγούν για περισσότερες από τέσσερις δεκαετίες.
Ο Χάρι Κλιφ (Harry Cliff), υπεύθυνος του πειράματος για τις σπάνιες διασπάσεις, προσθέτει ότι η παρατήρησή της ανοίγει νέους δρόμους για έρευνα πέρα από το άμεσο βέλος εμβέλειας του LHC.
Το επόμενο βήμα: Η αναζήτηση των 5 Σίγμα και το μέλλον της έρευνας
Ο αναβαθμισμένος ανιχνευτής LHCb θα συνεχίσει να συλλέγει δεδομένα μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2030. Αυτό αναμένεται να επιτρέψει μια πιο ακριβή μελέτη της διάσπασης και, με λίγη τύχη, την επίτευξη των 5 σίγμα που θα την καθιστούσαν τη σπανιότερη διάσπαση «γοητευτικού» σωματιδίου που έχει παρατηρηθεί ποτέ, σύμφωνα με το CERN.
Μετά από αυτό, η έναρξη λειτουργίας του High-Luminosity LHC (Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων Υψηλής Φωτεινότητας), η οποία έχει προγραμματιστεί για το 2030, καθώς και μια περαιτέρω αναβάθμιση του LHCb στα μέσα της δεκαετίας του 2030, θα μπορούσαν να αυξήσουν τον ρυθμό συλλογής δεδομένων κατά ακόμη έναν παράγοντα του δέκα. Ο Παρκς αναφέρει ότι υπάρχουν ήδη σχέδια για την κατασκευή ενός πειράματος που θα αξιοποιήσει αυτό το στάδιο και θα εξερευνήσει ακόμη μικρότερες κλίμακες.
Ο Μπράιαν Κοξ (Brian Cox), φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ που δεν συμμετείχε στο πείραμα, θεωρεί το αποτέλεσμα ως ένα καλό παράδειγμα για το πώς προχωρά η επιστήμη: Τα όργανα βελτιώνονται, η φύση παρατηρείται με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και, πού και πού, εμφανίζεται κάτι που κανείς δεν καταλαβαίνει.
Εκεί είναι που ξεκινά η πρόοδος. Ο Κοξ παραδέχεται ότι δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε αν αυτή η πρόοδος θα έρθει με μικρά βήματα ή αν θα αλλάξει τον κόσμο. Μένει να δούμε αν το σήμα θα συνεχίσει να ενισχύεται με τα νέα δεδομένα ή αν θα εξασθενήσει όπως συνέβη με την ένδειξη του 2015, καθώς και αν ο μετρούμενος ρυθμός θα αποκλίνει μια μέρα από αυτό που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Προς το παρόν, τα δύο συμφωνούν.
