Οι επιστήμονες μπορεί να βρίσκονται ένα βήμα πιο κοντά στην επίλυση των πιο θεμελιωδών ερωτημάτων για το Σύμπαν, όπως το τι συνέβη αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πού κρύβεται η σκοτεινή ύλη και γιατί υπάρχει καν η συνηθισμένη ύλη;
Η αυξανόμενη ευαισθησία των επιταχυντών σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) του CERN, επιτρέπει στους ερευνητές να εμβαθύνουν όσο ποτέ άλλοτε στην ίδια τη δομή της πραγματικότητάς μας. Αυτό το πεδίο, που αποκαλείται «ζεπτοσύμπαν» (zeptoverse), ενδέχεται να φιλοξενεί άγνωστα σωματίδια ή δυνάμεις σε κλίμακες ζεπτομέτρων —χιλιάδες τρισεκατομμύρια φορές μικρότερες από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας— καθώς και κβαντικές διεργασίες που διαμορφώνουν το Σύμπαν, σε χρονικά διαστήματα αδιανόητα μικρά.
Έπειτα από περισσότερα από 40 χρόνια προσπαθειών, όπως αναφέρει το Science Alert, οι επιστήμονες κατάφεραν, τρόπον τινά, να χτυπήσουν την πόρτα του «ζεπτοσύμπαντος», παρουσιάζοντας πειραματικά στοιχεία για έναν εξαιρετικά σπάνιο και ασταθή τύπο διάσπασης σωματιδίων.
Σε σεμινάριο που πραγματοποιήθηκε στις 3 Νοεμβρίου, καθώς και σε μια προδημοσίευση στον ιστότοπο arXiv —η οποία δεν έχει ακόμη περάσει από τη διαδικασία αξιολόγησης από ομοτίμους— η ερευνητική ομάδα LHCb ανακοίνωσε στοιχεία που τεκμηριώνουν αυτό το φαινόμενο.
Εκτιμάται ότι το φαινόμενο αυτό συμβαίνει μόλις μία φορά ανά δέκα δισεκατομμύρια γεγονότα που αφορούν τη διάσπαση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου τύπου «beauty» (σωματίδιο «ομορφιάς») — μια πιθανότητα πολύ μικρότερη από το να κερδίσει κανείς το λαχείο.
Αυτή η πιθανή ανακάλυψη, σε συνδυασμό με μια πολύ ακριβέστερη μέτρηση μιας παρεμφερούς διάσπασης που είχε παρατηρηθεί στο παρελθόν, προσφέρουν «ένα ισχυρό νέο τεστ για το Καθιερωμένο Πρότυπο, καθώς και ένα παράθυρο προς μια πιθανή νέα φυσική», εξηγεί ο Νιλάντι Σαχου, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ και επικεφαλής της ομάδας εργασίας «Πολύ Σπάνιες Διαπάσεις» (Very Rare Decays) του πειράματος LHCb.
Το πείραμα διεξάγεται στο Large Hadron Collider Beauty (LHCb) —ένα ερευνητικό πρόγραμμα για τον εντοπισμό σωματιδίων που βρίσκεται κατά μήκος του εκτεταμένου υπόγειου Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Πλέον, το πείραμα είναι σε θέση να εστιάσει σε τέτοια σπάνια φαινόμενα της σωματιδιακής φυσικής —τα οποία αναζητούνται από τη δεκαετία του 1980— χάρη σε μια πρόσφατη αναβάθμιση που αύξησε σημαντικά τον ρυθμό ανίχνευσης συγκρούσεων σωματιδίων.
Επιπλέον, αξιοποιούνται τεχνικές μηχανικής μάθησης για τη βελτίωση του λόγου σήματος προς θόρυβο, ο οποίος στο παρελθόν «έπνιγε» τις προσπάθειες για τέτοιου είδους παρατηρήσεις.
Το πείραμα LHCb ανιχνεύει διασπάσεις σωματιδίων χρησιμοποιώντας όργανα όπως ο υπο-ανιχνευτής VELO —ο οποίος διαθέτει εξαιρετική ακρίβεια και είναι τοποθετημένος σε απόσταση μικρότερη από το πλάτος ενός δαχτύλου από τη δέσμη των σωματιδίων— προκειμένου να παρατηρεί καλύτερα την πληθώρα των εξωτικών σωματιδίων που παράγονται από συγκρούσεις με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός.
Έτσι, η μεγάλη ανακάλυψη των επιστημόνων είναι η πιθανή ανίχνευση της διάσπασης ενός σωματιδίου, γνωστού ως μεσόνιο Bd, σε ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο. Το εν λόγω μεσόνιο αποτελείται από δύο ιδιαίτερα σωματίδια: ένα κουάρκ ομορφιάς (quark beauty) και ένα αντικουάρκ κάτω (antiquark down). Τα κουάρκ εμφανίζονται σε έξι τύπους (που ονομάζονται γευσεις, “flavors‘)), δύο εκ των οποίων —τα κουάρκ πάνω και κάτω — συνδυάζονται σε τριάδες για να σχηματίσουν νετρόνια και πρωτόνια. Τα υπόλοιπα κουάρκ είναι πιο εξωτικά, αλλά απαραίτητα για τη διερεύνηση των μεγαλύτερων μυστηρίων του Σύμπαντος. Συγκεκριμένα, τα κουάρκ ομορφιάς ήταν άφθονα στο «αρχέγονο μείγμα» που ακολούθησε τη Μεγάλη Έκρηξη —ίσως όταν το Σύμπαν είχε ηλικία μόλις το ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου—, ωστόσο σήμερα απουσιάζουν από τη φύση.
Πώς, λοιπόν, βρήκαν οι ερευνητές ένα κουάρκ ομορφιάς για να δημιουργήσουν το μεσόνιο και να ξεκινήσουν όλη αυτή τη διαδικασία; Τα δημιούργησαν από το μηδέν. Αρχικά, προκάλεσαν συγκρούσεις πρωτονίων με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, παράγοντας μια παροδική «βροχή» σωματιδίων. Ανάμεσά τους υπήρχαν πολλά κουάρκ ομορφιάς και αντικουαρκ κάτω. Επειδή τα σωματίδια αυτά δεν «προτιμούν» να παραμένουν μόνα τους, συνδυάζονται σχεδόν ακαριαία μέσω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης —της ίδιας δύναμης που συγκρατεί τα κουάρκ στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων.
Αυτά τα μεσόνια είναι εξαιρετικά βραχύβια, καθώς διασπώνται σε ενάμισι τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Ωστόσο, μόνο μία στις δέκα δισεκατομμύρια από αυτές τις διασπάσεις —που σχετίζονται με τα λεγόμενα κουάρκ ομορφιάς — αποδίδει το επιθυμητό αποτέλεσμα: ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο αναδύονται από την ενέργεια του κβαντικού πεδίου, προκειμένου να ικανοποιηθεί ο νόμος διατήρησης ενέργειας-μάζας. Τα ίδια τα μιόνια «ζουν» μόλις για περίπου δύο εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, προτού διασπαστούν σε σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια.
Για να τεκμηριωθεί ένα φαινόμενο όπως αυτό, απαιτείται επίπεδο σημαντικότητας τριών τυπικών αποκλίσεων —ή «3 σίγμα» (3 sigma)—, το οποίο αντιστοιχεί σε πιθανότητα 0,3% το αποτέλεσμα να οφείλεται στην τύχη. Τα νέα αυτά στοιχεία, που προέρχονται από το πείραμα LHCb κατά τα έτη 2024 και 2025, σε συνδυασμό με παλαιότερα δεδομένα που συλλέχθηκαν μεταξύ 2011 και 2018, δίνουν ένα ικανοποιητικό επίπεδο σημαντικότητας της τάξης των 3,2 σίγμα. Για την επίτευξη του «χρυσού κανόνα» των 5 σίγμα, απαιτείται περαιτέρω έρευνα που θα επιβεβαιώσει τη συγκεκριμένη διάσπαση.
Μελλοντικές αναβαθμίσεις, που προγραμματίζονται για τη δεκαετία του 2030, θα αυξήσουν τον αριθμό των συγκρούσεων στον LHC, ενισχύοντας παράλληλα τον ρυθμό συλλογής δεδομένων κατά μία τάξη μεγέθους.
Όπως συνοψίζουν οι ερευνητές: «Όλα τα αποτελέσματα είναι συμβατά με τις προβλέψεις του [Καθιερωμένου Προτύπου] και θέτουν περιορισμούς στη συνεισφορά νέας φυσικής σε ενεργειακές κλίμακες πέρα από εκείνες που είναι προσβάσιμες μέσω της άμεσης παραγωγής σωματιδίων στον LHC».
Αυτό υπογραμμίζει ότι τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης ευθυγραμμίζονται με το Καθιερωμένο Πρότυπο —το οποίο εξηγεί ένα μεγάλο μέρος του Σύμπαντος, αλλά δεν ρίχνει φως στη σκοτεινή ύλη ούτε στη μικρή ασυμμετρία μεταξύ κανονικής ύλης και αντιύλης, η οποία απέτρεψε την ολοκληρωτική αυτοεξαΰλωση του σύμπαντος σε μια έκρηξη ενέργειας αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Παράλληλα, ανοίγει μια συναρπαστική προοπτική: η ανακάλυψη νέας φυσικής ενδέχεται να μην προκύψει από την άμεση παραγωγή ενός νέου σωματιδίου στον LHC, αλλά από έμμεσες ενδείξεις, οι οποίες ίσως αποτυπώνονται σε διαφορετικούς ρυθμούς διάσπασης.
Κάτι αντίστοιχο είχε συμβεί και κατά τις παλαιότερες ανακαλύψεις του κουάρκ γοητείας (charm quark) και του κορυφαίου κουάρκ (top quark) —το τελευταίο εκ των οποίων είναι το βαρύτερο από όλα τα κουάρκ, με μάζα περίπου ίση με εκείνη ενός ολόκληρου ατόμου χρυσού. «Ήταν συναρπαστικό να βλέπουμε για πρώτη φορά σαφείς ενδείξεις αυτής της εξαιρετικά σπάνιας διάσπασης», καταλήγει ο Χάρι Κλιφ, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.
«Βρισκόμαστε πλέον προ των πυλών του “ζεπτοσύμπαντος” (zeptoverse). Ανυπομονώ να δω τι θα ανακαλύψουμε καθώς εμβαθύνουμε στην έρευνά μας».
Προδημοσίευση της ερευνητικής εργασίας διαθέσιμη στον ιστότοπο arXiv.
