Η μάζα σπάνιων σωματιδίων μπορεί να έρχεται σε σύγκρουση με το «τυποποιημένο μοντέλο», σηματοδοτώντας τη νέα φυσική

Οι φυσικοί των σωματιδίων μπορεί τελικά να άνοιξαν μια τρύπα στην κατανόησή τους για το υποατομικό βασίλειο - κάτι που θα τους άρεσε. Μια νέα ματιά σε παλιά δεδομένα υποδηλώνει ένα εφήμερο σωματίδιο που ονομάζεται W Το μποζόνιο είναι βαρύτερο από ό,τι προβλέπεται από το «τυποποιημένο μοντέλο» σωματιδίων και δυνάμεων των φυσικών. Η ασυμφωνία θα μπορούσε να υποδηλώνει σωματίδια που δεν περιλαμβάνονται στην 40χρονη θεωρία, λέει η Doreen Wackeroth, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο στο Buffalo που δεν συμμετείχε στην εργασία. «Είμαι πολύ ενθουσιασμένος με το αποτέλεσμα!»

Αλλά το εύρημα, αναφέρθηκε σήμερα στο Science , επίσης συγκρούεται με προηγούμενες μετρήσεις, δίνοντας σε κάποιους φυσικούς παύση. «Όλες αυτές οι μετρήσεις ισχυρίζονται ότι μετρούν την ίδια ποσότητα», λέει ο Martin Grünewald, ένας πειραματικός φυσικός στο University College του Δουβλίνου. "Κάποιος πρέπει να είναι, δεν θα πω λάθος, αλλά ίσως έκανε λάθος ή ώθησε την αξιολόγηση του σφάλματος πολύ επιθετικά."

Εξαιρετικά επιτυχημένο, το τυπικό μοντέλο ολοκληρώθηκε το 2012, όταν ο μεγαλύτερος θρυμματιστής ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής CERN, ανακάλυψε το τελευταίο του κομμάτι που έλειπε, το από καιρό προβλεπόμενο μποζόνιο Χιγκς. Η θεωρία αντιπροσωπεύει κάθε αλληλεπίδραση σωματιδίων που έχει παρατηρηθεί μέχρι τώρα, αλλά υποφέρει από προφανείς ελλείψεις. Περιλαμβάνει τρεις δυνάμεις - ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή και ασθενή - αλλά αφήνει έξω τη βαρύτητα. Επίσης, δεν περιέχει σκοτεινή ύλη, το αόρατο υλικό που αποτελεί το 85% της ύλης του σύμπαντος.

Τώρα που όλα τα τυπικά σωματίδια του μοντέλου είναι γνωστά, οι φυσικοί μπορούν να δοκιμάσουν την εσωτερική συνέπεια της θεωρίας, επειδή οι ιδιότητες κάθε σωματιδίου εξαρτώνται από αυτές των άλλων. Για παράδειγμα, η μάζα του W Το μποζόνιο —το οποίο μεταφέρει την ασθενή πυρηνική δύναμη ακριβώς όπως το φωτόνιο μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη—εξαρτάται από αυτές του Higgs και από ένα βαρύ αλλά φευγαλέο υποατομικό σωματίδιο που ονομάζεται top quark. Έτσι, από αυτές τις μετρήσεις εισόδου, οι φυσικοί μπορούν να προβλέψουν τη μάζα του W και να αναζητήσουν μια απόκλιση με τη μετρούμενη τιμή.

Η μέτρηση είναι δύσκολη. Δημιουργήθηκε σε μια σύγκρουση σωματιδίων υψηλής ενέργειας, ένα W γρήγορα διασπάται είτε σε ηλεκτρόνιο είτε σε βαρύτερο ξάδερφό του, ένα σωματίδιο που ονομάζεται μιόνιο και σε αντινετρίνο. Το αντινετρίνο δεν μπορεί να ανιχνευθεί, επομένως οι φυσικοί πρέπει να συμπεράνουν την παρουσία του αθροίζοντας τη ροπή και τις ενέργειες όλων των άλλων σωματιδίων που εκτοξεύονται από κάθε σύγκρουση και αναζητώντας γεγονότα στα οποία κάτι αόρατο φαίνεται να πετάει έξω από την πλευρά του κυλινδρικού ανιχνευτή. Από την ενέργεια και την ορμή των σωματιδίων διάσπασης, που αναλύονται στατιστικά σε πολλά γεγονότα, μπορούν να εκτιμήσουν το W μάζα του.

Τώρα, μια ομάδα λέει ότι η ανάγνωση έρχεται σε αντίθεση με την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου. Τα δεδομένα προέρχονται από τον ανιχνευτή Collider στο Εθνικό Επιταχυντικό Εργαστήριο Fermi (CDF), έναν ανιχνευτή σωματιδίων που τροφοδοτείται από τον επιταχυντή Tevatron, ο οποίος λειτουργούσε στο Fermilab από το 1984 έως το 2011. Μετά από μια δεκαετία εργασίας, ο Ashutosh Kotwal, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο Duke, και οι 397 συνεργάτες του στο CDF βρίσκουν το W Το μποζόνιο έχει μάζα 80.443,5 μεγαηλεκτρονίων βολτ—86 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός πρωτονίου. Η μέτρηση διαφέρει από την προβλεπόμενη μάζα κατά επτά φορές την πειραματική αβεβαιότητα.

"Τι σημαίνει? Αυτό είναι το επόμενο μεγάλο ερώτημα», λέει ο Wackeroth. Οι φυσικοί έχουν εντοπίσει μερικές άλλες μικρές ανωμαλίες που υποδηλώνουν ότι το τυπικό μοντέλο μπορεί τελικά να σπάει, λέει. Για παράδειγμα, σημειώνει ότι το μιόνιο φαίνεται να είναι ελαφρώς πιο μαγνητικό από το προβλεπόμενο.

Ωστόσο, παλαιότερες μετρήσεις του W Η μάζα του είναι γενικά συμφωνημένη με το τυπικό μοντέλο (βλ. διάγραμμα, παρακάτω). Το νέο αποτέλεσμα έρχεται σε αντίθεση με το προηγούμενο αποτέλεσμα του CDF, που δημοσιεύθηκε το 2012, το οποίο βασίστηκε στο πρώτο τρίμηνο του τρέχοντος συνόλου δεδομένων, σημειώνει ο Dmitri Denisov, ένας φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven που εργάστηκε στο D0, έναν αντίπαλο ανιχνευτή Tevatron. «Αυτή είναι η πρώτη μου ανησυχία», λέει.

Αλλά οι ερευνητές του CDF έκαναν αρκετές βελτιώσεις στην ανάλυση που εξηγούν τη διαφορά, λέει ο Kotwal. «Είμαστε σίγουροι για τις τεχνικές που έχουμε χρησιμοποιήσει», λέει. "Είναι μια ευδιάκριτη πιθανότητα να υπάρχει κάτι νέο στη φύση που το τυπικό μοντέλο δεν αποτυπώνει."

Οι φυσικοί θα λάβουν σύντομα ένα ακόμη W μέτρηση μάζας μποζονίων. Οι επιστήμονες με το Compact Muon Solenoid, έναν ανιχνευτή στο LHC, ελπίζουν να δημοσιεύσουν έναν στις αρχές του επόμενου έτους, λέει ο Guillelmo Gomez-Ceballos, φυσικός CMS στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Είναι επίσης μέλος του CDF και παρόλο που δεν εργάστηκε στη νέα μελέτη, λέει, "Δεν θυμάμαι καμία ανάλυση που να έχει γίνει με τόση προσοχή."

Μπορεί να χρειαστούν χρόνια για να συνδυαστούν οι μετρήσεις. Αλλά οι φυσικοί δεν θα μείνουν χωρίς πηδάλιο στο μεταξύ. Από το 1957, η Ομάδα Δεδομένων Σωματιδίων (PDG) στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (LBNL) έχει διατηρήσει μια συλλογή σωματιδίων και διαιτησία διαφωνιών σχετικά με τις μετρούμενες ιδιότητές τους. Το νέο W Η τιμή μάζας μποζονίου έρχεται καθώς το PDG προετοιμάζει την τελευταία του ετήσια ενημέρωση, λέει ο Michael Barnett, ένας συνταξιούχος φυσικός LBNL που ηγήθηκε του PDG από το 1990 έως το 2015 και εξακολουθεί να εργάζεται σε αυτό. «Θα πρέπει να σταματήσουμε τα πιεστήρια, όπως ακριβώς κάναμε όταν ανακαλύφθηκε το Higgs», λέει.

Για μια παράμετρο όπως το W τη μάζα του μποζονίου, το PDG υπολογίζει κατά μέσο όρο τις πιο πρόσφατες και αξιόπιστες μετρήσεις. Εάν διαφωνούν πολύ πέρα ​​από τις αβεβαιότητές τους, η ομάδα εφαρμόζει έναν συγκεκριμένο μαθηματικό αλγόριθμο που διευρύνει αποτελεσματικά τις γραμμές σφάλματος για να συμπεριλάβει τα ασυμβίβαστα μεμονωμένα αποτελέσματα, λέει ο Barnett. Κατά ειρωνικό τρόπο, παρόλο που το CDF έχει πλέον αναφέρει την πιο ακριβή μέτρηση του W μάζα, η επίσημη τιμή πιθανότατα θα γίνει ακόμη λιγότερο βέβαιη από πριν.