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.
Πάνω: Η διάσπαση
γίνεται δυνατή χάρις στην αλλαγή της γεύσης s→dνν (s το παράξενο και d το κάτω κουάρκ). Κάτω: Φαίνονται τα διαγράμματα για το τι προβλέπει για την διάσπαση αυτή το Στάνταρτ Μοντέλο (αριστερά) και η Επέκταση του Στάνταρτ Μοντέλου (δεξιά)Αν υποθέσουμε ότι αυτή είναι η σωστή εικόνα της διάσπασης, η παρουσία του πεδίου Higgs αναμιγνύει διαφορετικές οικογένειες κουάρκ κάτω από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις και ορίζει έτσι μια ιεραρχία των διαφόρων τρόπων διάσπασης στα βαρύτερα κουάρκ προς τα ελαφρότερα κουάρκ.
Ειδικότερα, η συνεργασία των ασθενών με των Higgs αλληλεπιδράσεων υπαινίσσεται ότι διαδικασίες στις οποίες ένα κουάρκ αλλάζει την γεύση του αλλά όχι και το φορτίο του (π.χ. το παράξενο κουάρκ που ανήκει στην δεύτερη οικογένεια μετασχηματίζεται στο κάτω κουάρκ της πρώτης οικογένειας, που έχει διαφορετική μάζα αλλά το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο), μπορεί να συμβεί μόνο σε υψηλές τάξεις στις ηλεκτρσθενείς αλληλεπιδράσεις και είναι ισχυρά απαγορευμένες. Αυτές οι διαδικασίες που ονομάζονται μεταβάσεις FCNC (flavor-changing- neutral-current), είναι το ιδανικό μέρος αναζήτησης μιας νέας φυσικής: το σήμα (η νέα φυσική) θα ξεχωρίζει εμφανώς ως προς το μικρό υπόβαθρο που ήδη προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Έχει δε υπολογιστεί με μεγάλη ακρίβεια ότι για κάθε δέκα δισεκατομμύρια μεσόνια Κ μόνο ένα κατά μέσο όρο θα διασπαστεί προς την τελική κατάσταση. Ας σημειωθεί ότι τα δυο νετρίνα στην τελική κατάσταση είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν, διότι τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη. Για τον λόγο αυτό η πειραματική έρευνα αυτών των διασπάσεων είναι πολύ δύσκολο έργο.
Έτσι, πολύ λίγα τέτοια γεγονότα έχουν παρατηρηθεί έως τώρα σε πειράματα στο Εργαστήριο του Brookhaven. Ο συνδυασμός των δεδομένων δείχνει να μην είναι συμβατά με το καθιερωμένο πρότυπο, γιατί η θεωρία δείχνει να είναι πολύ περισσότερο ακριβής σε σχέση μ’ αυτό που είναι σε θέση να μετρήσουν οι πειραματικοί.
Τα καλά νέα είναι ότι προγραμματίζονται νέα πειράματα που έχουν στόχο την ουσιαστική βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων αυτών των σπάνιων διασπάσεων: Το πείραμα ΝΑ62 στο CERN έχει ως στόχο να συγκεντρώσει περίπου 50 τέτοια γεγονότα διασπάσεων Κ ανά έτος, με 20% υπόβαθρο, ξεκινώντας από το 2012. Επίσης, προγραμματίζονται παρόμοια πειράματα στο πείραμα KOTO στο J-PARC (υποθέτοντας ότι το Στάνταρτ Μοντέλο είναι σωστό).
Χάρις, σε αυτή την ακρίβεια αυτά τα μελλοντικά πειράματα θα μας δώσουν βασικές πληροφορίες για την γεύση μιας φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου