Οι μυστικές ζωές των σωματιδίων μακράς διάρκειας

Φυσικοί ψάχνουν για ένα νέο θεωρητικό είδος σωματιδίων που μπορεί να απαντήσει σχεδόν σε κάθε ερώτηση μας για το σύμπαν, αν μπορούν φυσικά να το βρουν.. Αυτά τα υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται «μακρόβια,» γιατί η διάρκεια της ζωής τους θα υπερέβαινε κατά πολύ αυτόν που ο LHC έχει σχεδιαστεί για την ανίχνευση σωματιδίων. Αν ο LHC πράγματι παράγει αυτά τα σωματίδια, τότε είναι πιθανό ότι κάποια από αυτά ξεφεύγουν από το υπόγειο τούνελ του επιταχυντή προς τη γη, και ενδεχομένως γίνεται η έκρηξη τους, σαν τα πυροτεχνήματα στον ουρανό, πάνω από τα κοντινά χωράφια, του LHC, καθώς διασπώνται στη συνηθισμένη ύλη.

 

Ο Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) έχει αποτύχει να βρει οποιοδήποτε νέο σωματίδιο από τα αναμενόμενα, γεγονός που θα οδηγούσε τους φυσικούς έξω από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Αλλά είναι πιθανό ότι ο LHC έχει παράγει τέτοια νέα σωματίδια, αλλά απλά δεν τα βλέπουμε.

 

«Ο πυρήνας της ιστορίας», δήλωσε ο David Curtin , ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, «είναι ότι ο LHC θα μπορούσε να φτιάξει τα σωματίδια τα οποία είναι εντελώς αόρατα, και τα οποία διασπώνται σε κάποια απόσταση από το σημείο παραγωγής τους, είτε πρόκειται για χιλιοστά ή για πολλά χιλιόμετρα , και τα οποία είναι συνδεδεμένα στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, σε μερικά από τα πιο σημαντικά θεωρητικά  μυστήρια που έχουμε.»

 

Το σύμπαν είναι μη ισορροπημένο

Η βαρύτητα είναι εξαιρετικά ασθενής.. Αλλά η ηλεκτρασθενής δύναμη, η οποία επιτρέπει στα σωματίδια να αλληλεπιδρούν και να μετασχηματίζονται, είναι πάρα πολύ ισχυρή. Η μάζα του μποζονίου Higgs είναι ύποπτα μικροκαμωμένη. Και ο κατάλογος του μακιγιάζ του σύμπαντος; είναι κατά 96% ατελής.

 

Σχεδόν κάθε παρατήρηση του υποατομικού σύμπαντος μπορεί να εξηγηθεί από το Καθιερωμένο Μοντέλο των σωματιδίων φυσικής – ένα εύρωστο θεωρητικό πλαίσιο γεμάτο με επαληθεύσιμες προβλέψεις. Αλλά λόγω αυτών των άλυτων παζλ, τα μαθηματικά είναι δύσκολα, ελλιπή και γεμάτα με περιορισμούς.

 

Λίγα περισσότερα σωματίδια θα λύσουν σχεδόν όλα αυτές τα απογοητεύσεις. Η υπερσυμμετρία (SUSY) είναι ένα κολοσσιαίο μοντέλο που εισάγει νέα σωματίδια στις εξισώσεις του Καθιερωμένου μοντέλου. Το μόνο πρόβλημα είναι ότι μετά από δεκαετίες ερευνών, οι φυσικοί δεν έχουν βρει καμία από αυτούς τους νέους τους φίλους.

 

Αλλά ίσως ο λόγος που οι φυσικοί δεν έχουν βρει την SUSY (ή άλλη φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Πρότυπο) είναι επειδή έχουν ψάξει λάθος περιοχή.

 

Η  Jessie Shelton, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις λέει ότι έκαναν ένα νέο βήμα και εξετάζουν τώρα τη διάρκεια ζωής αυτών των σωματιδίων.

 

Στο παρελθόν, οι φυσικοί υπέθεταν ότι τα νέα σωματίδια που παράγονται στις συγκρούσεις σωματιδίων θα διασπαστούν αμέσως, σχεδόν ακριβώς στα σημεία καταγωγής τους. Οι φυσικοί μπορούν να πιάσουν σωματίδια που συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο – για παράδειγμα τα μποζόνια Higgs  στους ανιχνευτές σωματιδίων που είναι χτισμένοι γύρω από τα σημεία σύγκρουσης σωματιδίων. Αλλά τι θα συνέβαινε εάν τα νέα σωματίδια είχαν μακρά διάρκεια ζωής και ταξίδεψαν λίγα εκατοστά, ακόμη και μερικά χιλιόμετρα, πριν από τη μετατροπή τους σε κάτι που οι φυσικοί θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν;

 

Αυτό δεν είναι πρωτοφανές. Τα κουάρκ (Πυθμένιο) Bottom, για παράδειγμα, μπορούν να ταξιδεύουν μερικά δέκατα του χιλιοστού προτού διασπαστούν σε πιο σταθερά σωματίδια. Και τα μιόνια μπορούν να ταξιδέψουν αρκετά χιλιόμετρα (με τη βοήθεια της ειδικής σχετικότητας) πριν από την μετατροπή τους σε ηλεκτρόνια και νετρίνα. Πολλοί θεωρητικοί προβλέπουν τώρα ότι μπορεί να υπάρχουν άγνωστα είδη σωματιδίων που συμπεριφέρονται με παρόμοιο τρόπο. Η μόνη σκέψη είναι ότι ότι αυτά τα μακράς διάρκειας ζωής σωματίδια πρέπει να αλληλεπιδρούν σπάνια με την συνηθισμένη ύλη, εξηγώντας έτσι γιατί έχουν ξεφύγει από την ανίχνευση τους για τόσο πολύ καιρό. Μια πιθανή εξήγηση γι ‘αυτή την υπεροπτική συμπεριφορά είναι ότι τα μακράς διάρκειας ζωής σωματίδια κρύβονται σε ένα κρυφό τομέα της φυσικής.

 

«Τα σωματίδια αυτά του κρυφού τομέα διαχωρίζονται από τη συνηθισμένη ύλη με ένα ενεργειακό φράγμα της κβαντομηχανικής, όπως δύο χωριά που χωρίζονται από μια οροσειρά,» λέει ο Henry Lubatti από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. «Μπορεί να είναι δίπλα το ένα στο άλλο, αλλά χωρίς μια τεράστια ενεργειακή ώθηση για να ξεφύγουν από το εμπόδιο της ενεργειακής “κορυφής”, ποτέ δεν θα είναι σε θέση να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.»

 

Οι υψηλής ενέργειας συγκρούσεις που δημιουργούνται από το Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων θα μπορούσε να αναγκάσει τα σωματίδια κρυφού πεδίου   να ξεφύγουν από αυτό το ενεργειακό φράγμα, προς την δική μας ζωή. Και αν ο LHC μπορεί να τα παράγει, οι φυσικοί θα πρέπει να είναι σε θέση να δουν τα δακτυλικά αποτυπώματα αυτών των μακράς διάρκειας ζωής σωματιδίων, να αποτυπώνεται στα δεδομένα τους.

 

Αυτά τα μακρόβια σωματίδια είναι πολύ πιθανό να πετούν με μια ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός για διάστημα μερικών μικρομέτρων έως μερικών εκατοντάδων χιλιάδων χιλιομέτρων, πριν τη μετατροπή σε κοινή και μετρήσιμη ύλη. Αυτή η απίστευτα μεγάλη γκάμα διάρκειας ζωής, καθιστά δύσκολο για τους επιστήμονες να αντιληφθούν πού και πώς να τα αναζητήσουν.

 

Αλλά η διάρκεια ζωής ενός υποατομικού σωματιδίου είναι όπως κάθε άλλου ζωντανού πλάσματος. Κάθε τύπος σωματιδίου έχει μία μέση διάρκεια ζωής, αλλά η ακριβής διάρκεια ζωής ενός σωματιδίου ποικίλει. Εάν αυτά τα μακρόβια σωματίδια μπορούν να ταξιδέψουν χιλιάδες χιλιόμετρα προτού διασπαστούν, οι επιστήμονες ελπίζουν ότι θα εξακολουθούν να είναι σε θέση να πιάσουν μερικά από αυτά που θα ζήσουν πολύ λίγο, τόσο που δεν θα ξεφύγουν από τον ανιχνευτή”, λέει ο. Lubatti, ενώ αυτός και οι συνεργάτες του έχουν επίσης προτείνει ένα νέο ανιχνευτή στην επιφάνεια του LHC, που θα επεκτείνει έτσι το φάσμα της αναζήτησης τους κατά πολλές τάξεις μεγέθους.

 

Συγχρόνως, αν ανακαλυφθεί αυτή η νέα γενιά της ύλης θα μπορούσε να βοηθήσει να απαντηθούν αρκετές ερωτήσεις που πλανώνται στη φυσική.

 

Εκτός από την ολοκλήρωση του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής, τα αδρανή μακρόβια σωματίδια θα μπορούσαν να είναι ξαδέλφια της σκοτεινής ύλης – μια αόρατη μορφή της ύλης που αλληλεπιδρά μόνο με το ορατό σύμπαν μέσω της βαρύτητας. Θα μπορούσαν, επίσης, να βοηθήσουν στην εξήγηση της προέλευσης της ύλης μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

 

«Έτσι, ενώ πολλοί από εμάς έχουν περάσει μια ζωή μελετώντας ένα τέτοιο μικρό κλάσμα του σύμπαντος», λέει ο Lubatti. «Έχουμε κατανοήσει μεν πολλά, αλλά υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν καταλαβαίνουμε, μια τεράστια ποσότητα που δεν καταλαβαίνουμε.»