Πρόσφατα αποτελέσματα από έρευνα που κάνουμε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN στη Γενεύη υποδηλώνουν ότι μπορεί να συναντάμε σημάδια άγνωστης φυσικής.
Εάν επιβεβαιωθούν, αυτές οι ενδείξεις θα ανέτρεπαν τη θεωρία, που ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο, η οποία κυριαρχεί στη σωματιδιακή φυσική για 50 χρόνια. Τα ευρήματα δείχνουν τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται ορισμένα υποατομικά σωματίδια LHC Διαφωνώ με το τυπικό μοντέλο.
Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα πιο βασικά δομικά στοιχεία της ύλης – υποατομικά σωματίδια που δεν μπορούν να αναλυθούν σε μικρότερες μονάδες. Τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις – η βαρύτητα, ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ασθενής δύναμη και η ισχυρή δύναμη – ελέγχουν τον τρόπο αλληλεπίδρασης αυτών των σωματιδίων.
Ο LHC είναι ένας τεράστιος επιταχυντής σωματιδίων που κατασκευάστηκε σε μια κυκλική σήραγγα μήκους 27 χιλιομέτρων κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα. Ο κύριος σκοπός του είναι η ανίχνευση ρωγμών Τυπικό μοντέλο.
Αυτή η θεωρία είναι η καλύτερη κατανόηση των θεμελιωδών σωματιδίων και της ενέργειας, αλλά γνωρίζουμε ότι δεν μπορεί να είναι ολόκληρη η ιστορία. Δεν εξηγεί τη βαρύτητα ή τη σκοτεινή ύλη — την αόρατη, μέχρι στιγμής αμέτρητη ύλη που αποτελεί περίπου το 25% του σύμπαντος.
Στο LHC, δέσμες σωματιδίων πρωτονίων που ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις προκαλούνται να συγκρούονται, αποκαλύπτοντας υπαινιγμούς άγνωστης φυσικής. Νέα αποτελέσματα προέρχονται από LHCbΈνα πείραμα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων όπου αναλύονται αυτές οι συγκρούσεις.
Τα αποτελέσματα προήλθαν από τη μελέτη της διάσπασης των υποατομικών σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια β – ένας τύπος μετάβασης. Ερευνήσαμε πώς αυτά Β. Τέκτονες Ενώ η διάσπαση εντοπίζεται σε άλλα σωματίδια, ο συγκεκριμένος τρόπος με τον οποίο εμφανίζεται δεν συμφωνεί με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου.
Μια κομψή θεωρία
Το Καθιερωμένο Μοντέλο βασίζεται σε δύο από τις πιο μεταμορφωτικές εξελίξεις στη φυσική του 20ου αιώνα. Κβαντομηχανική και ειδική σχετικότητα του Αϊνστάιν.
Οι φυσικοί μπορούν να συγκρίνουν μετρήσεις που έγιναν σε εγκαταστάσεις όπως ο LHC με προβλέψεις που βασίζονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο για να δοκιμάσουν αυστηρά τη θεωρία.
Αν και γνωρίζουμε ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ατελές, σε περισσότερα από 50 χρόνια όλο και πιο αυστηρών δοκιμών, οι φυσικοί των σωματιδίων δεν έχουν βρει ακόμη ρωγμές στη θεωρία. Δηλαδή, δυνητικά, μέχρι τώρα.
Το μέτρο μας, Αποδεκτό για δημοσίευση σε Επιστολή φυσικής αναθεώρησηςΤα διαγράμματα δείχνουν τέσσερις τυπικές αποκλίσεις από τις προσδοκίες του τυπικού μοντέλου.
Σε πραγματικούς όρους, αυτό σημαίνει ότι, αφού ληφθεί υπόψη η αβεβαιότητα από τα πειραματικά αποτελέσματα και τις θεωρητικές προβλέψεις, η πιθανότητα να συμβεί μια τυχαία διακύμανση σε αυτά τα ακραία δεδομένα είναι μόνο μία στις 16.000 εάν το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι σωστό.
Αν και υπολείπεται του χρυσού κανόνα της επιστήμης – όπως λέγεται Πέντε Σίγμαή πέντε τυπικές αποκλίσεις (μία στις περίπου 1,7 εκατομμύρια πιθανότητες)—τα στοιχεία αρχίζουν να αυξάνονται. Αυτή η συναρπαστική αφήγηση προκύπτει από μια ανεξάρτητη γιόγκα Πείραμα LHC, CMSΤο οποίο δημοσιεύτηκε πριν από το 2025.
Αν και τα αποτελέσματα του CMS δεν είναι τόσο ακριβή όσο τα αποτελέσματα του LHCb, συμφωνούν καλά, ενισχύοντας την υπόθεση Τα νέα μας ευρήματα βασίζονται σε μια μελέτη ενός ειδικού τύπου διαδικασίας γνωστής ως διάβρωση ηλεκτροαδύναμου πιγκουίνου.
Σπάνιο περιστατικό
Η λέξη «πιγκουίνος» αναφέρεται σε ένα συγκεκριμένο είδος αποσύνθεσης (μετατροπής) βραχύβιας σωματιδίων. Σε αυτή την περίπτωση μελετάμε πώς B. Mason Τέσσερα ακόμη υποατομικά σωματίδια διασπώνται – ένα καόνι, ένα πιόνιο και δύο μιόνια.
Με λίγη φαντασία, μπορεί κανείς να φανταστεί τη διάταξη των μπερδεμένων σωματιδίων που μοιάζουν με πιγκουίνο. Είναι σημαντικό ότι η μέτρηση αυτής της διάσπασης μας επιτρέπει να μελετήσουμε πώς ένας τύπος θεμελιώδους σωματιδίου, ένα κουάρκ ομορφιάς, μπορεί να μετατραπεί σε ένα άλλο παράξενο κουάρκ.
Αυτές οι διασπάσεις πιγκουίνων είναι απίστευτα σπάνιες στο Καθιερωμένο Μοντέλο: για κάθε εκατομμύριο μεσόνια Β, μόνο ένα θα αποσυντεθεί με αυτόν τον τρόπο. Έχουμε αναλύσει προσεκτικά τις γωνίες και τις δυνάμεις που παράγονται από αυτά τα σωματίδια καθώς διασπώνται και προσδιορίσαμε με ακρίβεια πόσο συχνά συμβαίνει η διαδικασία. Διαπιστώσαμε ότι οι μετρήσεις μας για αυτήν την ποσότητα δεν συμφωνούν με τις τυπικές προβλέψεις του μοντέλου.
Η ακριβής διερεύνηση μιας τέτοιας διάσπασης είναι ένας από τους πρωταρχικούς στόχους του πειράματος LHCb, και είναι από την έναρξή του το 1994. Οι διεργασίες των πιγκουίνων είναι μοναδικά ευαίσθητες στις επιδράσεις των δυνητικά πολύ βαρέων νέων σωματιδίων που δεν μπορούν να παραχθούν απευθείας στον LHC.
Τέτοια σωματίδια μπορούν ακόμα να έχουν μετρήσιμη επίδραση σε αυτές τις διασπάσεις σε σχέση με τη μικρή συμβολή του Καθιερωμένου Μοντέλου. Τέτοιες έμμεσες παρατηρήσεις δεν είναι καινούριες. Για παράδειγμα, η ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε 80 χρόνια πριν τα θεμελιώδη σωματίδια που είναι υπεύθυνα για αυτήν (το μποζόνιο W) παρατηρηθούν άμεσα.
Μελλοντική κατεύθυνση
Οι μελέτες μας για σπάνιες διεργασίες μας επιτρέπουν να εξερευνήσουμε μέρη της φύσης που διαφορετικά θα ήταν απρόσιτα χρησιμοποιώντας επιταχυντές σωματιδίων που σχεδιάστηκαν για τη δεκαετία του 2070. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα πιθανών νέων θεωριών που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τα ευρήματά μας. Πολλά ουσιαστικά περιέχουν νέα σωματίδια “λεπτοκουάρκ” που συνδυάζει δύο διαφορετικούς τύπους ύλης: «λεπτόνια» και «κουάρκ».
Άλλες πιθανές θεωρίες περιλαμβάνουν σωματίδια που είναι βαρύτερα ανάλογα αυτών που έχουν ήδη βρεθεί στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Τα νέα ευρήματα περιορίζουν τη μορφή αυτών των μοντέλων και θα καθοδηγήσουν τις μελλοντικές εξερευνήσεις τους
Παρά τον ενθουσιασμό μας, παραμένουν ανοιχτά θεωρητικά ερωτήματα που μας εμποδίζουν να ισχυριστούμε με βεβαιότητα ότι παρατηρείται φυσική εκτός του Καθιερωμένου Μοντέλου. Το πιο σοβαρό ερώτημα προκύπτει από τον λεγόμενο «γοητευτικό πιγκουίνο», ένα σύνολο διαδικασιών που υπάρχουν στο Καθιερωμένο Μοντέλο, του οποίου οι συνεισφορές είναι εξαιρετικά δύσκολο να προβλεφθούν. Πρόσφατες εκτιμήσεις αυτών των γοητευτικών πιγκουίνων δείχνουν ότι τα αποτελέσματά τους δεν είναι αρκετά μεγάλα για να εξηγήσουν τα δεδομένα μας.
Επιπλέον, ο συνδυασμός θεωρητικών μοντέλων και πειραματικών δεδομένων από το LHCb υποδηλώνει ότι ενδιαφέροντες πιγκουίνοι (και επομένως, το Καθιερωμένο Μοντέλο) αγωνίζονται να εξηγήσουν τα ασυνήθιστα αποτελέσματα.
Νέα δεδομένα που έχουν ήδη συλλεχθεί θα επιβεβαιώσουν την κατάστασή μας τα επόμενα χρόνια: στην τρέχουσα εργασία μας μελετήσαμε περίπου 650 δισεκατομμύρια διασπάσεις μεσονίων β που καταγράφηκαν μεταξύ 2011 και 2018 για να βρούμε αυτές τις διασπάσεις πιγκουίνων. Από τότε, τρεις φορές περισσότερα μεσόνια Β έχουν καταγραφεί σε πειράματα LHCB.
Περαιτέρω πρόοδοι προγραμματίζονται για χρήση στη δεκαετία του 2030 Μελλοντικές αναβαθμίσεις Μεταβείτε στο LHC και συλλέξτε ξανά ένα 15 φορές μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων. Αυτό το τελευταίο βήμα θα επιτρέψει τη διατύπωση συγκεκριμένων αξιώσεων, δυνητικά ξεκλειδώνοντας μια νέα κατανόηση του πώς λειτουργεί το σύμπαν στα πιο στοιχειώδη επίπεδα.
