«Ενδείξεις» μιας πέμπτης, άγνωστης ως σήμερα θεμελιώδους δύναμης

Το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής θα πρέπει να αναθεωρηθεί εκ βάθρων αν τελικά επιβεβαιωθούν οι «ενδείξεις» μιας πέμπτης, άγνωστης ως σήμερα θεμελιώδους δύναμης. Αν και πολλοί δηλώνουν σκεπτικοί, ο ισχυρισμός θα υποβληθεί σε εξονυχιστικό έλεγχο.

Εδώ και δεκαετίες οι φυσικοί πιστεύουν ότι στο Σύμπαν υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις ή «αλληλεπιδράσεις»: η βαρυτική δύναμη, η ηλεκτρομαγνητική, η ισχυρή πυρηνική (η οποία συγκρατεί τα κουάρκ από τα οποία αποτελούνται σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια) και η ασθενής πυρηνική δύναμη (η οποία ευθύνεται για τη ραδιενεργή διάσπαση).

Τα τελευταία χρόνια, επισημαίνει ο δικτυακός τόπος του περιοδικού Nature, θεωρίες για την ύπαρξη κι άλλων δυνάμεων ξεφυτρώνουν σαν μανιτάρια. Βασικός λόγος είναι η αποτυχία του Καθιερωμένου Μοντέλου να εξηγήσει τη λεγόμενη σκοτεινή ύλη, ένα μυστηριώδες υλικό που αντιστοιχεί στο 80% της μάζας του Σύμπαντος. Διάφορες θεωρίες που έχουν προταθεί για τη σκοτεινή ύλη προβλέπουν την ύπαρξη εξωτικών σωματιδίων, ορισμένα από τα οποία αποτελούν φορείς υποθετικών νέων δυνάμεων. Ένα από αυτά είναι το «σκοτεινό φωτόνιο», σε αντιστοιχία με το συμβατικό φωτόνιο που δρα ως φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.

Οι τελευταίες ενδείξεις μιας πέμπτης δύναμης έρχονται από τον Αττίλα Κραζναχόρκαϊ, ερευνητή στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Έρευνας της Ουγγρικής Ακαδημίας Επιστημών. Τα εργαστηριακά πειράματά του αποκάλυψαν μια ανωμαλία σε αντιδράσεις ραδιενεργού διάσπασης η οποία δείχνει να φέρει την υπογραφή μιας μυστηριώδους δύναμης.

Τα αναπάντεχα συμπεράσματα αναρτήθηκαν το 2015 στην υπηρεσία προδημοσίευσης ArXiv και δημοσιεύτηκαν φέτος στο έγκριτο Physical Review Letters. Τα ευρήματα όμως δεν προσέλκυσαν έντονο ενδιαφέρον μέχρι τα τέλη Απριλίου, οπότε μια αμερικανική ομάδα δημοσίευσε στο ArXiv μια ανεξάρτητη ανάλυση που έδειχνε ότι τα δεδομένα δεν έρχονταν σε αντίθεση με προηγούμενα πειράματα και θα μπορούσαν να αποτελούν ενδείξεις άγνωστης θεμελιώδους δύναμης.

Το πείραμα του Κραζναχόρκαϊ δείχνει να προτείνει την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου, ενός «μποζονίου» με μάζα μόλις 34 φορές μεγαλύτερη από του ηλεκτρονίου.

Η ομάδα του ούγγρου φυσικού βομβάρδισε με πρωτόνια έναν στόχο από λίθιο-7, με αποτέλεσμα να σχηματιστούν ασταθείς πυρήνες βυλληρίου-8. Οι πυρήνες αυτοί διασπώνται αυθόρμητα, εκτοξεύοντας ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υπό γωνίες που επιβάλλονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Το πείραμα αποκάλυψε ζεύγη σωματιδίων που δεν υπάκουαν σε αυτόν τον κανόνα. Οι ερευνητές εικάζουν τώρα ότι ένα απειροελάχιστο ποσοστό των πυρήνων βυρυλλίου-8 απελευθέρωσε ενέργεια υπό τη μορφή ενός μυστηριώδους σωματιδίου, το οποίο στη συνέχεια διασπάστηκε και εκτίναξε ζεύγη σωματιδίων σε μη αναμενόμενες γωνίες.

«Είμαστε πολύ σίγουροι για τα πειραματικά αποτελέσματά μας» λέει ο Κραζναχόρκαϊ, ο οποίος επανέλαβε το πείραμα αρκετές φορές τα τελευταία τρία χρόνια, και προσπάθησε να αποκλείσει κάθε άλλη εξήγηση. Αν πράγματι κατάφερε να αποκλείσει κάθε πηγή λάθους, η πιθανότητα να οφείλονται σε καθαρή τύχη τα αποτελέσματα είναι μόλις 1 στα 200 δισεκατομμύρια.

Σύμφωνα με την αμερικανική ομάδα που ανέλυσε τα δεδομένα, το μυστηριώδες σωματίδιο είναι ένα «πρωτοφοβικό μποζόνιο Χ». Το υποθετικό, εξωτικό σωματίδιο θα λειτουργούσε ως φορέας μιας νέας θεμελιώδους δύναμης, η οποία θα δρούσε μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις, λίγες φορές τη διάμετρο ενός ατομικού πυρήνα.

Οι ασυνήθιστες ιδιότητες του προτεινόμενου σωματιδίου κάνουν άλλους ειδικούς να δηλώνουν σκεπτικοί. Φαίνεται όμως ότι η ερευνητική κοινότητα δεν είναι αρκετά δύσπιστη για να αγνοήσει τα ευρήματα.

Η επιβεβαίωση ή η διάψευση θα μπορούσε να έρθει εντός του έτους από δύο σημαντικές πειραματικές προσπάθειες, το πείραμα DarkLight του Εργαστηρίου Τζέφερσον στις ΗΠΑ, το οποίο αναζητά σκοτεινά φωτόνια, και το πείραμα LHCb του ευρωπαϊκού εργαστηρίου CERN.

Τα αποτελέσματα μπορούν δυνητικά να φέρουν μεγάλες, πραγματικά θεμελιώδεις εκπλήξεις.