Ενδείξεις για εξαιρετικά σπάνια διάσπαση σωματιδίου μετά από 42 χρόνια αναζητήσεων

Οι φυσικοί βρίσκονται ένα εξαιρετικά μικρό βήμα πιο κοντά στην απάντηση σε μερικά από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα του Σύμπαντος, όπως τι συνέβη αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πού κρύβεται η σκοτεινή ύλη και γιατί υπάρχει καθόλου η συνηθισμένη ύλη.

Η αυξανόμενη ευαισθησία επιταχυντών σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων του CERN, επιτρέπει στους ερευνητές να εξερευνούν όλο και βαθύτερα τη δομή της πραγματικότητας.

Σε αυτό το πλαίσιο, το λεγόμενο «zeptoverse» μπορεί να κρύβει άγνωστα σωματίδια ή δυνάμεις σε κλίμακες ζεπτομέτρου, χιλιάδες τρισεκατομμύρια φορές λεπτότερες από μια ανθρώπινη τρίχα, καθώς και κβαντικές διεργασίες που επηρεάζουν το Σύμπαν σε αδιανόητα μικρά χρονικά διαστήματα.

Ύστερα από περισσότερες από τέσσερις δεκαετίες προσπαθειών, οι επιστήμονες έχουν ουσιαστικά ανοίξει την πόρτα προς αυτό το πεδίο, παρουσιάζοντας πειραματικές ενδείξεις για έναν εξαιρετικά σπάνιο και ασταθή τύπο διάσπασης σωματιδίου.

Σε σεμινάριο που έγινε στις 3 Νοεμβρίου και σε προδημοσίευση στο arXiv, η οποία δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, η συνεργασία LHCb ανακοίνωσε ενδείξεις για αυτό το φαινόμενο.

Εκτιμάται ότι συμβαίνει μόνο μία φορά σε δέκα δισεκατομμύρια γεγονότα που αφορούν τη διάσπαση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου «beauty», πιθανότητα πολύ μικρότερη και από το να κερδίσει κανείς το λαχείο.

Η πιθανή αυτή ανακάλυψη, μαζί με μια πολύ ακριβέστερη μέτρηση μιας συγγενικής διάσπασης που είχε παρατηρηθεί νωρίτερα, προσφέρει «ένα ισχυρό νέο τεστ του Καθιερωμένου Προτύπου και ένα παράθυρο σε πιθανή νέα φυσική», εξηγεί ο Niladri Sahoo, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ και συντονιστής της ομάδας Very Rare Decays της LHCb.

Το πείραμα έγινε στον Large Hadron Collider Beauty, γνωστό ως LHCb, ένα πρόγραμμα αναζήτησης σωματιδίων που βρίσκεται κατά μήκος του εκτεταμένου υπόγειου LHC.

Πλέον μπορεί να εντοπίζει τέτοια εξαιρετικά σπάνια φαινόμενα, που αναζητούνται από τη δεκαετία του 1980, χάρη σε πρόσφατη αναβάθμιση που αύξησε σημαντικά τον ρυθμό ανίχνευσης συγκρούσεων σωματιδίων, αλλά και στη χρήση τεχνικών μηχανικής μάθησης, οι οποίες βελτιώνουν την αναλογία σήματος προς θόρυβο.

Η διάταξη LHCb ανιχνεύει διασπάσεις με όργανα όπως ο υποανιχνευτής VELO, ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση μικρότερη από το πλάτος ενός δαχτύλου από τη δέσμη σωματιδίων, ώστε να παρακολουθεί καλύτερα το πλήθος των εξωτικών σωματιδίων που παράγονται από συγκρούσεις σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Η μεγάλη εξέλιξη των επιστημόνων είναι η πιθανή ανίχνευση της διάσπασης ενός σωματιδίου που ονομάζεται μεσόνιο Bd σε ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο.

Το συγκεκριμένο μεσόνιο αποτελείται από δύο «περίεργα» σωματίδια, ένα quark beauty και ένα antiquark down.

Τα κουάρκ υπάρχουν σε έξι «γεύσεις» και δύο από αυτά, τα up και down, συνδυάζονται σε τριάδες για να σχηματίσουν τα νετρόνια και τα πρωτόνια.

Τα υπόλοιπα κουάρκ είναι πιο εξωτικά, αλλά απαραίτητα για τη διερεύνηση των μεγαλύτερων μυστηρίων του Σύμπαντος.

Αντίστοιχα, τα κουάρκ beauty ήταν συνηθισμένα στο πολτώδες υπόλοιπο της Μεγάλης Έκρηξης, πιθανόν όταν το Σύμπαν ήταν μόλις το ένα εκατοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, αλλά σήμερα απουσιάζουν φυσικά.

Οι ερευνητές δεν βρήκαν έτοιμο ένα beauty quark για να φτιάξουν το μεσόνιο. Το παρήγαγαν οι ίδιοι.

Αρχικά, συγκρούσαν πρωτόνια σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, δημιουργώντας ένα εφήμερο νέφος σωματιδίων, ανάμεσά τους πολλά beauty quarks και down antiquarks. Επειδή αυτά δεν «προτιμούν» να μένουν μόνα, συνδυάζονται σχεδόν ακαριαία μέσω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η οποία συγκρατεί επίσης τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Τα μεσόνια αυτά είναι εξαιρετικά βραχύβια και διασπώνται σε ένα και μισό τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Όμως μόνο μία στις δέκα δισεκατομμύρια από αυτές τις διασπάσεις δίνει το επιθυμητό αποτέλεσμα: ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο εμφανίζονται από την ενέργεια του κβαντικού πεδίου, ώστε να διατηρηθεί η σχέση ενέργειας-μάζας.

Τα ίδια τα μιόνια ζουν μόνο για περίπου δύο εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου πριν διασπαστούν σε σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια.

Για να θεωρηθεί ότι υπάρχει ένδειξη για ένα τέτοιο φαινόμενο, απαιτείται επίπεδο σημαντικότητας τριών τυπικών αποκλίσεων, ή «3 sigma», που αντιστοιχεί σε πιθανότητα 0,3% το αποτέλεσμα να είναι σύμπτωση.

Τα νεότερα στοιχεία, από τη LHCb για το 2024 και το 2025, σε συνδυασμό με παλαιότερα δεδομένα που συλλέχθηκαν μεταξύ 2011 και 2018, δίνουν επίπεδο σημαντικότητας 3,2 sigma.

Για να φτάσει το «χρυσό πρότυπο» των 5 sigma θα χρειαστεί περαιτέρω έρευνα που θα επιβεβαιώσει τη διάσπαση. Μελλοντικές αναβαθμίσεις στη δεκαετία του 2030 αναμένεται να αυξήσουν τον αριθμό συγκρούσεων στο LHC και να ενισχύσουν ξανά τον ρυθμό συλλογής δεδομένων κατά μία τάξη μεγέθους.

Οι ερευνητές συνοψίζουν: «Όλα τα αποτελέσματα είναι συνεπή με τις προσδοκίες του Καθιερωμένου Προτύπου και περιορίζουν τις συνεισφορές της νέας φυσικής σε ενεργειακές κλίμακες πέρα από εκείνες που είναι προσβάσιμες μέσω άμεσης παραγωγής στο LHC».

Αυτό δείχνει ότι τα αποτελέσματα ευθυγραμμίζονται με το Καθιερωμένο Πρότυπο, το οποίο εξηγεί μεγάλο μέρος του Σύμπαντος, αλλά δεν ρίχνει φως στη σκοτεινή ύλη ούτε στη μικρή ασυμμετρία ανάμεσα στη συνηθισμένη ύλη και την αντιύλη, που δεν επέτρεψε να αυτοκαταστραφεί ολόκληρο το Σύμπαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Παράλληλα, αφήνει ανοιχτό το ενδεχόμενο η ανακάλυψη νέας φυσικής να μην έρθει από την άμεση παραγωγή ενός νέου σωματιδίου στον LHC, αλλά από έμμεσες ενδείξεις, ίσως μέσα από άλλους ρυθμούς διάσπασης.

Κάτι τέτοιο έχει συμβεί και στο παρελθόν με τις ανακαλύψεις του κουάρκ charm και του top quark, με το τελευταίο να είναι το βαρύτερο από τα κουάρκ, περίπου όσο ένα ολόκληρο άτομο χρυσού.

«Το να βλέπουμε καθαρές ενδείξεις για αυτή την εξαιρετικά σπάνια διάσπαση για πρώτη φορά ήταν συναρπαστικό», λέει ο Harry Cliff, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Cambridge και επικεφαλής της ομάδας ανάλυσης.

«Χτυπάμε πλέον την πόρτα του zeptoverse. Ανυπομονώ να δούμε τι θα βρούμε καθώς προχωρούμε βαθύτερα».

Η προδημοσίευση της ερευνητικής εργασίας είναι διαθέσιμη στο arXiv.

Πηγή: sciencealert.com.