Αν και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider/LHC) του CERN έχει επηρεάσει καθοριστικά τη φυσική των σωματιδίων, δεν έχει ανοίξει ακόμα ένα ολόκληρο νέο μέτωπο στη φυσική των σωματιδίων, όπως πολλοί επιστήμονες ανέμεναν.
Η ανάγκη για νέες ανακαλύψεις στη Φυσική των Σωματιδίων
Ένας επιστήμονας προτείνει μια θεωρία σύμφωνα με την οποία η νέα φυσική θα μπορούσε να κρύβεται σε αυτό που αποκαλεί «ζεπτοσύμπαν» (zeptouniverse) -το βασίλειο των αντικειμένων στην κλίμακα του ζεπτόμετρου (1 πεντακις εκατομμυριοστό του μέτρου)- και ότι ο καλύτερος τρόπος για να εξερευνήσουμε αυτό το σύμπαν είναι μέσω της παρατήρησης της διάσπασης των καονίων και των B-μεσονίων.
Οι μελλοντικοί επιταχυντές ίσως να είναι ικανοί να παρατηρήσουν άμεσα το ζεπτoσύμπαν, αλλά προς το παρόν, η μελέτη αυτών των διασπάσεων μπορεί να μας βοηθήσει να ανακαλύψουμε νέα φυσική μέσα στην επόμενη δεκαετία.
Οι άνθρωποι έχουν καταφέρει να δουν το αόρατο
Η ανάλυση του LHC και τα όριά του
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων -το κύριο όργανο της ανθρωπότητας για την εξερεύνηση του υποατομικού κόσμου- μπορεί να εξερευνήσει πλήρως τον κόσμο του ατομέτρου, που είναι μόλις το 1 πεντακις εκατομμυριοστό του μέτρου.
Ο LHC επιβεβαίωσε την ύπαρξη του Σωματιδίου Χιγκς το 2012, και οι φυσικοί προετοιμάστηκαν για μια έκρηξη νέων σωματιδίων που θα εξηγούσαν τα παρατηρούμενα άλυτα μυστήρια του σύμπαντος – όπως η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης και η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης.
Αλλά αυτή η έκρηξη ανακαλύψεων δεν πραγματοποιήθηκε τελικά. Αυτό, βέβαια, δεν σημαίνει ότι δεν έχει γίνει τίποτα από τότε, αλλά δεν έχουν ανακαλυφθεί μεγάλες αποκαλύψεις παρόμοιες με του καθηγητή φυσικής Πίτερ Χιγκς.
Η θεωρία του Andrzej Buras και η υποκείμενη δυσκολία
Και τώρα, ένα νέο άρθρο στο New Scientist γραμμένο από τον φυσικό σωματιδίων Harry Cliff, ο οποίος εργάζεται στο πείραμα LHCb, αναλύει μια θεωρία σχετικά με το γιατί δεν έχουμε βρει αυτά που περιμέναμε.
Σύμφωνα με τη θεωρία του, πολλές από αυτές τις αποκαλύψεις θα μπορούσαν να κρύβονται σε αυτό που μερικές φορές αναφέρεται ως το «zeptouniverse», που είναι ένας κόσμος που υπάρχει μόνο στην κλίμακα των 10^-21 μέτρων.
Ο LHC μπορεί να αναλύσει σωματίδια μόνο μέχρι τα 50 ζεπτόμετρα, αλλά ο Cliff αναδεικνύει μια θεωρία -που υποστηρίζεται κυρίως από τον θεωρητικό φυσικό του Πολυτεχνείου του Μονάχου, Andrzej Buras- ότι αυτά τα εξαιρετικά δύσκολα ανιχνεύσιμα σωματίδια μπορεί να είναι απλώς πέρα από τις δυνατότητες ανίχνευσης του LHC.
Σύμφωνα με το περιοδικό Popular Mechanics αν υπήρχε καλύτερος ανιχνευτής, θα μπορούσε ν’ ανοίξει αυτό το μέτωπο.
Η μελέτη για τον Μελλοντικό Κυκλικό Επιταχυντή (FCC)
Το CERN ολοκλήρωσε μια μελέτη σκοπιμότητας για τον Μελλοντικό Κυκλικό Επιταχυντή (Future Circular Collider/FCC) νωρίτερα φέτος.
Αλλά ο Buras πιστεύει ότι μπορούμε να εξερευνήσουμε αυτό το μέτωπο της νέας φυσικής έμμεσα, χωρίς να χρειάζεται να περιμένουμε δεκαετίες μέχρι να ξεκινήσει η λειτουργία του FCC – ο Μελλοντικός Κυκλικός Επιταχυντής δεν θα εκτελέσει φυσική υψηλής ενέργειας πριν το 2070.
Το 2020, ο Buras εξερεύνησε αυτό το ζήτημα σε ένα άρθρο για το Physik Journal.
Σε ένα άρθρο που ανέβηκε στο preprint arXiv το 2024, ο Buras εντόπισε επτά πιθανούς στόχους για αυτήν την έρευνα, τους οποίους αποκάλεσε «τους υπέροχους επτά», , σύμφωνα με το New Scientist.
Και οι επτά στόχοι είναι εξαιρετικά σπάνιες διασπάσεις σωματιδίων που περιέχουν «παράξενα» (strange) και «κάτω» (bottom) κουάρκ, τα οπόια ο Cliff αποκαλεί «αντηχήσεις από το zeptouniverse».
Η εξαιρετική σπανιότητα των διασπάσεων
Ευτυχώς για τον Buras, κάποια πειράματα ήδη αναζητούν αυτές τις υπερ-σπάνιες διασπάσεις σωματιδίων.
Ένα παράδειγμα τέτοιας διάσπασης ξεκινά με το B-μεσόνιο, ένα σύνθετο σωματίδιο φτιαγμένο από διάφορα κουάρκ, όπως εξηγεί ο Cliff.
Διάσπαση Καόνιου: Μια ιστορική ανακάλυψη
Το 2023, το πείραμα Belle II στην Ιαπωνία κατέγραψε αυτή τη διάσπαση σε πραγματικό χρόνο, παράγοντας ένα άλλο σωματίδιο που ονομάζεται καόνιο (ή K-μεσόνιο) και δύο νετρίνα.
Ωστόσο, επειδή το πείραμα δεν είχε ρυθμιστεί για να ανιχνεύσει άμεσα τα νετρίνα, οι πληροφορίες για αυτά είναι περιορισμένες.
Αυτό δεν είναι το μόνο υπερ-σπάνιο φαινόμενο διάσπασης που καταγράφηκε πρόσφατα.
Τον Σεπτέμβριο του 2024, το πείραμα NA62 στο CERN κατέγραψε τη διάσπαση ενός θετικά φορτισμένου καόνιου σε έναν πιόνιο και ένα ζεύγος ύλης-αντιύλης.
Θεωρείται ότι λιγότερο από 1 στα 10 δισεκατομμύρια καόνια θα πρέπει να διασπώνται με αυτόν τον τρόπο.
Επειδή αυτή η αλληλεπίδραση είναι ευαίσθητη σε αποκλίσεις του Καθιερωμένου Προτύπου, αναγνωρίζεται ως ένας από τους κύριους στόχους για την ανακάλυψη νέας φυσικής.
Σήμερα, το πείραμα KOTO στην Ιαπωνία αναζητά μια δεύτερη επιβεβαίωση αυτής της διάσπασης του καόνιου.
Η σημασία των έμμεσων αναζητήσεων
«Η αναζήτηση νέων σωματιδίων και δυνάμεων πέρα από αυτές του Καθιερωμένου Προτύπου ενθαρρύνεται έντονα από την ανάγκη εξήγησης της σκοτεινής ύλης, της τεράστιας ποικιλίας μαζών σωματιδίων από το απειροελάχιστο νετρίνο έως το τεράστιο κουάρκ κορυφής, και της ασυμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης, που είναι υπεύθυνη για την ίδια μας την ύπαρξη», έγραψε ο Buras το 2024 στο περιοδικό CERN Courier.
«Καθώς οι άμεσες έρευνες στον LHC δεν έχουν προσφέρει ακόμα καμία ένδειξη για το ποια μπορεί να είναι αυτά τα νέα σωματίδια και δυνάμεις, οι έμμεσες αναζητήσεις αποκτούν όλο και μεγαλύτερη σημασία».
Η επόμενη γενιά εξερευνήσεων: Στην αναμονή για τη νέα Φυσική
Οι επιστήμονες μόλις αρχίζουν να κοιτούν στο άγνωστο μέτωπο του zeptouniverse, και μέχρι να τεθούν σε λειτουργία οι επιταχυντές επόμενης γενιάς, αυτές οι εξαιρετικά σπάνιες διασπάσεις είναι τα μόνα «παράθυρα» τα οποία μας επιτρέπουν να κοιτάμε σε αυτό το σύμπαν.
