Οι φυσικοί αποκάλυψαν ότι η ασυνήθιστη διάσπαση ενός «εξωτικού» υποατομικού σωματιδίου θα μπορούσε να προσφέρει νέα στοιχεία για τη μυστηριώδη δομή του.
Η ανακάλυψη, την οποία ανακοίνωσε ομάδα φυσικών σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, υποστηρίζει ότι προσφέρει την πρώτη «καθοριστική διάκριση» ανάμεσα στα τρέχοντα θεωρητικά μοντέλα για μια κατηγορία υποατομικών σωματιδίων, γνωστή ως μεσόνιο Ds(2317).
Μυστήρια των Εξωτικών Υποατομικών Σωματιδίων
Η νέα έρευνα έχει τις ρίζες της περισσότερα από είκοσι χρόνια πριν, με τον αρχικό εντοπισμό ενός ασυνήθιστου σωματιδίου γνωστού ως μεσόνιο Ds(2317). Ένα από τα στοιχεία που καθιστούν αυτό το σωματίδιο μοναδικό είναι το γεγονός ότι διαθέτει ένα χαριτωμένο κουάρκ (ή «c κουάρκ», ένα είδος στοιχειώδους σωματιδίου) και ένα παράξενο αντικουάρκ —το τρίτο ελαφρύτερο από όλα τα γνωστά κουάρκ.
Θεωρήθηκε σημαντική ανακάλυψη εκείνη την εποχή, και δικαιολογημένα: Φαινόταν να υποδεικνύει μια σημαντική απόκλιση ανάμεσα στη μετρούμενη μάζα του σωματιδίου (2,317 GeV/c²) και στις προβλέψεις που βασίζονταν σε εκτιμήσεις οι οποίες την τοποθετούσαν σημαντικά υψηλότερα, γύρω στα 2,4 GeV/c².
Τώρα, σε μια νέα μελέτη από ερευνητές των επιστημονικών κοινοπραξιών Belle και Belle II, περιγράφονται για πρώτη φορά παρατηρήσεις συμπεριφορών που δεν είχαν εντοπιστεί στο παρελθόν, οι οποίες περιλαμβάνουν εκπομπές φωτός που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ ξανά κατά τη διάρκεια της διάσπασης του σωματιδίου.
Νέα δεδομένα για τη μάζα του σωματιδίου
Με βάση την ανάλυσή τους, η ομάδα πιστεύει ότι τα νέα τους ευρήματα δεν αποτελούν μόνο μια σημαντική πρωτιά στη μελέτη αυτών των σωματιδίων, αλλά ότι μπορούν επίσης να βοηθήσουν τους ερευνητές να λύσουν το μακροχρόνιο μυστήριο που αφορά τις εμφανείς αποκλίσεις μεταξύ των παρατηρούμενων και των αναμενόμενων τιμών μάζας για το μεσόνιο Ds(2317).
Τα ευρήματα αυτά, σύμφωνα με την ομάδα, θα μπορούσαν επίσης να προσφέρουν στους φυσικούς μια βαθύτερη κατανόηση των θεμελιωδών δυνάμεων που συγκρατούν την ύλη.
Λύνοντας ένα αίνιγμα
Η ομάδα προσέγγισε το πρόβλημα προτείνοντας αρχικά μια σειρά από διαφορετικά μοντέλα που θα μπορούσαν ενδεχομένως να περιγράψουν την εσωτερική δομή του μεσονίου Ds(2317). Καθοριστικής σημασίας ήταν το γεγονός ότι κάθε ένα από τα διαφορετικά μοντέλα επιτρέπει στους ερευνητές να προβλέψουν ένα συγκεκριμένο εύρος πιθανών τιμών για τη διάσπαση του σωματιδίου.
Αυτό επιτεύχθηκε με βάση την πιθανότητα να διασπαστεί το μεσόνιο Ds(2317) εκπέμποντας μια ακτίνα γάμμα, η οποία στη συνέχεια διαιρέθηκε με μια εντελώς ξεχωριστή πιθανότητα: Αυτή του να εκπέμψει το σωματίδιο ένα πιόνιο —ένα είδος μεσονίου με μάζα περίπου 270 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του ηλεκτρονίου— αντί για μια ακτίνα γάμμα.
Με βάση αυτές τις δύο πιθανότητες, η ομάδα διαπίστωσε ότι οι μετρήσεις που δείχνουν μια αναλογία μεγαλύτερη από 8,1% θα υπεδείκνυαν την πιθανότητα το μεσόνιο να αντιπροσωπεύει μια συμπαγή κατάσταση που περιλαμβάνει μοντέλα κουάρκ-αντικουάρκ.
Ωστόσο, εάν η υπολογισμένη τιμή αποδεικνυόταν χαμηλότερη —συγκεκριμένα στο εύρος μεταξύ 0,5% και 4,25%— αυτό θα ευνοούσε αντίθετα τα μοντέλα που περιγράφουν το σωματίδιο να λειτουργεί περισσότερο ως μια κατάσταση που μοιάζει με μόριο δύο ξεχωριστών μεσονίων.
Πολύ πάνω από τις τυπικές αποκλίσεις
Έχοντας αυτές τις τιμές κατά νου, η ομάδα έπιασε δουλειά για να προσδιορίσει ποιο σενάριο ήταν το επικρατέστερο, με τη βοήθεια δεδομένων που συγκεντρώθηκαν από τους ιαπωνικούς επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων KEKB και SuperKEKB.
Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, η διάσπαση του σωματιδίου με εκπομπή ακτίνων γάμμα εντοπίστηκε με επιτυχία, αποκαλύπτοντας μια στατιστική σημαντικότητα που ξεπερνά τις δέκα τυπικές αποκλίσεις.
Στη συνέχεια, οι επιστημονικές κοινοπραξίες Belle και Belle II πραγματοποίησαν μετρήσεις οι οποίες έδειξαν ότι η αναλογία διάσπασης μεταξύ φωτονίων και πιονίων ήταν κοντά στο 7%, τοποθετώντας την προσδιορισμένη τιμή χαμηλότερα από την πλειονότητα των μοντέλων κουάρκ-αντικουάρκ, αλλά υψηλότερα από τις τιμές των μοριακών μοντέλων.
«Το αποτέλεσμα αυτό προσφέρει μια καθοριστική διάκριση ανάμεσα στα θεωρητικά μοντέλα για τη δομή του Ds(2317)», γράφει η ομάδα. Κοιτάζοντας μπροστά, οι ερευνητές πιστεύουν ότι πρόσθετα στοιχεία που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην οριστική αποκάλυψη της μυστηριώδους δομής του μεσονίου Ds(2317) μπορούν να επιτευχθούν μέσω πιο ολοκληρωμένων μετρήσεων του ρυθμού διάσπασης του σωματιδίου.
