25/2/11

Νέα Φυσική μέσα από μια σπάνια διάσπαση σωματιδίου

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 δεσμευμένα ισχυρά μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα του ηλεκτρονίου, τα οποία παράγονται από τις αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό των άστρων. Όσον αφορά τα κουάρκ και τα λεπτόνια της δεύτερης και τρίτης γενιάς εκείνο που γνωρίζουμε είναι ότι 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 3 σχεδόν πανομοιότυπα αντίγραφα κουάρκ και λεπτονίων (αναφέρονται επίσης και ως 3 "γεύσεις" κουάρκ και λεπτονίων), με μόνη διαφορά τις μάζες τους, είναι ένα από τα ανοικτά ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής. Στο όριο που η ηλεκτρσθενής συμμετρία είναι αδιαίρετη 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, το επονομαζόμενο πεδίο Higgs. Στην εικόνα αυτή είναι το πεδίο Higgs που σπάει την ηλεκτρασθενή συμμετρία.
Αν τα πειράματα υψηλών ενεργειών στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή στο CERN καταφέρουν να ανιχνεύσουν μια διέγερση του πεδίου Higgs - το σωματίδιο Higgs - τότε θα έχει αποδειχθεί ότι ο μηχανισμός αυτός αποτελεί τη βάση για τις μάζες όλων των σωματιδίων.
Ωστόσο, ο μηχανισμός Higgs στο πλαίσιο του καθιερωμένου προτύπου δεν είναι ικανοποιητικός για διαφόρους λόγους, αλλά κυρίως επειδή γίνεται ασταθής στις υψηλές ενέργειες. Είναι πιθανόν το πεδίο Higgs να είναι μόνο μια προσέγγιση στις χαμηλές ενέργειες μιας πιο θεμελιώδους θεωρίας. Σημάδια αυτής της "πραγματικής" θεωρίας θα αποκαλυφθούν στις υψηλές ενέργειες ως νέοι βαθμοί ελευθερίας με τη μορφή νέων βαρέων σωματιδίων.
Οι προσπάθειες αναζήτησης αυτής της νέας θεωρίας μπορούν να διαιρεθούν σε δυο κύριες κατηγορίες: (i) απευθείας αναζήτηση των νέων βαθμών ελευθερίας μέσω πειραμάτων στο όριο των υψηλών ενεργειών - κυρίως στον LHC (ii) έμμεση αναζήτηση νέων σωματιδίων διαμέσου λεπτομερούς μελέτης στις χαμηλές ενέργειες, στο αποκαλούμενο όριο υψηλής έντασης. Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό στον καθορισμό της δομής της γεύσης των νέων βαθμών ελευθερίας ή στο πως αυτά τα νέα πεδία συνδέουν τις διαφορετικές οικογένειες των κουάρκ και των λεπτονίων.
Μέσα σ' αυτό το πλαίσιο οι Joachim Brod, Martin Gorbahn και Emmanuel Stamou στο Πανεπιστήμιου του Μονάχου, έχουν επεξεργαστεί μια βελτιωμένη θεωρητική περιγραφή μιας σπάνιας διάσπασης σωματιδίου η οποία θα δώσει στους πειραματικούς ένα ισχυρό εργαλείο στην αναζήτηση στοιχείων για μια πιο θεμελιώδη θεωρία.
Οι υπολογισμοί τους που αναφέρονται στην διάσπαση
ενός μεσονίου Κ (καόνιο) σε πιόνιο, νετρίνο και αντινετρίνο (βλέπε εικόνα στην αρχή) παρουσιάζονται στο Physical Review D.
Υποθέτοντας ότι....
αυτή είναι η σωστή εικόνα, η παρουσία του πεδίου Higgs αναμιγνύει διαφορετικές οικογένειες κουάρκ κάτω από ασθενείς αλληλεπιδράσεις και ορίζει μια ιεραρχία των διαφόρων τρόπων διάσπασης των βαρύτερων κουάρκ προς ελαφρότερα.
Ειδικότερα, η αλληλεπίδραση της ασθενούς δύναμης με το πεδίο Higgs συνεπάγεται ότι οι διαδικασίες κατά τις οποίες ένα κουάρκ αλλάζει την γεύση του αλλά όχι το φορτίο του (π.χ. το παράξενο κουάρκ που ανήκει στη δεύτερη οικογένεια μετασχηματίζεται σε κάτω κουάρκ της πρώτης οικογένειας, που έχει διαφορετική μάζα αλλά το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο) μπορεί να προκύψει μόνο σε υψηλές τάξεις στις ηλεκτρσθενείς αλληλεπιδράσεις και είναι ισχυρά απαγορευμένες. Αυτές οι διαδικασίες που ονομάζονται μεταβάσεις FCNC (Flavor-Changing- Neutral-Current) αποτελούν το ιδανικό μέρος αναζήτησης νέας φυσικής: το σήμα (νέα φυσική) θα ξεχωρίζει εμφανώς από το μικρό υπόβαθρο που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο.
Η διάσπαση
που μελέτησαν ο Brod και οι συνεργάτες του αποτελεί ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον παράδειγμα μετάβασης FCNC: Η πιθανότητα να προκύψουν αυτές οι διαδικασίες μπορεί να υπολογιστεί με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια, σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη διαδικασία FCNC στην οποία συμμετέχουν κουάρκ.
Η εξαιρετική θεωρητική διαύγεια της παραπάνω διάσπασης στα πλαίσια του καθιερωμένου προτύπου έχει μια απλή προέλευση: η πιθανότητα της διάσπασης
κυριαρχείται από την συμμετοχή των βαρύτερων σωματιδίων (πάνω κουάρκ, μποζόνια W και Ζ) και αυτές οι συνεισφορές μπορούν να υπολογιστούν με αξιοπιστία από τη θεωρία των διαταραχών.
Από τις αρχές της δεκαετίας του 90 οι θεωρητικοί άρχισαν να κάνουν αυτούς τους υπολογισμούς όλο και με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Υπάρχει ένα τίμημα για αυτή την υψηλή θεωρητική ακρίβεια. Για κάθε δέκα δισεκατομμύρια μεσόνια Κ μόνο ένα κατά μέσο όρο θα διασπαστεί προς την τελική κατάσταση – και 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.
Μέχρι στιγμής μόνο λίγα τέτοια γεγονότα έχουν παρατηρηθεί σε πειράματα στον εργαστήριο του Brookhaven. Ο συνδυασμός αυτών των δεδομένων δείχνουν να μην είναι συμβατά με το καθιερωμένο πρότυπο. Με άλλα λόγια η θεωρία είναι πολύ περισσότερο ακριβής σε σχέση μ’ αυτό που είναι σε θέση να μετρήσουν οι πειραματικοί.
Τα καλά νέα είναι ότι νέα πειράματα προγραμματίζονται με σκοπό την ουσιαστική βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων αυτών των σπάνιων διασπάσεων: Το πείραμα ΝΑ62 στο CERN έχει ως στόχο να συγκεντρώσει περίπου 50 γεγονότα διασπάσεων Κ ανά έτος, με 20% υπόβαθρο, ξεκινώντας από το 2012. Τα ίδια πάνω κάτω ισχύουν για το πείραμα KOTO στο J-PARC και το project-X στο Fermilab.
Εξαιτίας των υψηλής ακρίβειας θεωρητικών υπολογισμών των πλατών διάσπασης του μεσονίου Κ, αυτά τα μελλοντικά πειράματα θα μας δώσουν πολύτιμες πληροφορίες για τη φυσική πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.
physics.aps.org

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...