Τα κουάρκ γνωρίζουν την αριστερά τους από τα δεξιά
Το πώς ένα ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρά με άλλη ύλη εξαρτάται από τον τρόπο που περιστρέφεται καθώς φερμουάρει - προς τα δεξιά όπως ένα ποδόσφαιρο που το πετάει ένας δεξιόχειρας στρατηγός ή προς τα αριστερά σαν ένα δέρμα χοίρου που το πετάει ένας αριστερός. Τώρα, οι φυσικοί έχουν επιβεβαιώσει ότι τα κουάρκ - τα σωματίδια που ενώνονται σε τρίο για να σχηματίσουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια στους ατομικούς πυρήνες - παρουσιάζουν την ίδια ασυμμετρία.
Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να δώσει στη φυσική ένα νέο όπλο στο μεγάλο κυνήγι νέων σωματιδίων και δυνάμεων. Αυτή τη στιγμή, οι επιστήμονες μπορούν να προσπαθήσουν να εκτοξεύσουν τεράστια νέα σωματίδια στην ύπαρξη, όπως κάνουν στον μεγαλύτερο θρυμματιστή ατόμων στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στην Ελβετία. Ή μπορούν να αναζητήσουν λεπτές υποδείξεις εξωτικών νέων πραγμάτων πέρα από το δοκιμασμένο και αληθινό πρότυπο μοντέλο τους, μελετώντας οικεία σωματίδια με μεγάλη λεπτομέρεια. Στην τελευταία προσέγγιση, το νέο πείραμα δίνει στους φυσικούς έναν τρόπο να διερευνήσουν ορισμένα είδη νέων δυνάμεων, λέει ο Frank Maas, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz και στο Κέντρο Έρευνας Βαρέων Ιόντων GSI Helmholtz στη Γερμανία. "Για έναν συγκεκριμένο τύπο μοντέλου, αυτός ο τύπος πειράματος είναι πολύ, πολύ πιο ευαίσθητος από τα πειράματα στο LHC", λέει ο Maas.
Η ύλη αλληλεπιδρά μέσω τεσσάρων δυνάμεων:την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που δημιουργεί φως και χημικούς δεσμούς, τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις που δεσμεύουν τα κουάρκ και τους πυρήνες, την ασθενή πυρηνική δύναμη που παράγει έναν τύπο ραδιενεργού διάσπασης που ονομάζεται βήτα διάσπαση και τη βαρύτητα. (Θα μπορούσαν να υπάρχουν και άλλοι· ορισμένοι θεωρητικοί έχουν υποθέσει ότι μπορεί επίσης να υπάρχει μια δεύτερη εκδοχή της ασθενούς δύναμης.) Κάποτε, οι φυσικοί υπέθεσαν ότι όλες οι δυνάμεις υπάκουαν σε μια χούφτα συμμετρίες. Έτσι, για παράδειγμα, ένα φυσικό σύστημα θα πρέπει να συμπεριφέρεται ακριβώς όπως η κατοπτρική του εικόνα, μια συμμετρία γνωστή ως ισοτιμία.
Ωστόσο, το 1957, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι η ισοτιμία δεν ισχύει στις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων που διαμεσολαβούνται από την ασθενή δύναμη. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι στοχεύετε ηλεκτρόνια που περιστρέφονται δεξιά σε πυρήνες και τα παρακολουθείτε να αναπηδούν. Αν κοιτάξετε τη μικροσκοπική γκαλερί σκοποβολής σε έναν καθρέφτη, θα δείτε ηλεκτρόνια που περιστρέφονται αριστερά να αναπηδούν από τον στόχο. Έτσι, εάν η αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίου και πυρήνα ήταν κατοπτρική συμμετρική, τότε η σκέδαση των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται δεξιά και αριστερά θα πρέπει να είναι η ίδια. Και, πράγματι, αυτό ακριβώς θα συνέβαινε εάν τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούσαν με τους θετικά φορτισμένους πυρήνες μόνο μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.
Αλλά τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν επίσης με τους πυρήνες μέσω της ασθενούς δύναμης, η οποία παραβιάζει την ισοτιμία και δεν είναι κατοπτρική συμμετρική. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται δεξιά και αριστερά εκτοξεύονται διαφορετικά από τον στόχο, δημιουργώντας μια μικρή ασυμμετρία στο σχέδιο σκέδασής τους. Αυτό το φαινόμενο φάνηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC στο Μένλο Παρκ της Καλιφόρνια το 1978 σε ένα πείραμα που ονομάζεται E122 που βοήθησε το αναδυόμενο τότε πρότυπο μοντέλο των φυσικών του τσιμέντου. Μια δεύτερη αδύναμη δύναμη, αν υπάρχει, θα έπρεπε να δίνει παρόμοια μονόπλευρα αποτελέσματα.
Τι γίνεται όμως με τα κουάρκ; Όπως τα ηλεκτρόνια, μπορούν να περιστρέφονται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο καθώς κουμπώνουν μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Και, σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο, τα κουάρκ που περιστρέφονται δεξιά και αριστερά θα πρέπει να αλληλεπιδρούν ελαφρώς διαφορετικά με ένα εισερχόμενο ηλεκτρόνιο, παράγοντας μια πρόσθετη ασυμμετρία ή παραβίαση ισοτιμίας, όταν το σπιν των εισερχόμενων ηλεκτρονίων αναστρέφεται. Τώρα, ο Xiaochao Zheng, ένας πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville, και οι συνεργάτες του παρατήρησαν αυτή τη μικρότερη συνεισφορά, όπως αναφέρουν σήμερα στο Nature .
Αυτό δεν ήταν κακό κατόρθωμα. Για να δείτε την επιπλέον ασυμμετρία, το εισερχόμενο ηλεκτρόνιο πρέπει να χτυπήσει τον πυρήνα αρκετά δυνατά για να εκτινάξει ένα μόνο κουάρκ, προκαλώντας μια βροχή σωματιδίων, όπως έγινε στο E122 αλλά όχι σε επόμενα πειράματα. Οι ερευνητές πρέπει να μεριμνήσουν πολύ για να διασφαλίσουν ότι εκπέμπουν εναλλάξ εξίσου έντονες δέσμες ηλεκτρονίων που περιστρέφονται δεξιά και αριστερά στον στόχο. Χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή ηλεκτρονίων στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson στο Newport News της Βιρτζίνια, οι ερευνητές έριξαν 170 δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια σε έναν στόχο υγρού δευτερίου σε διάστημα 2 μηνών το 2009. Αφού συνέταξαν τα δεδομένα, κατάφεραν να μετρήσουν το ποσοστό των 10.000 διασκορπίζοντας ασυμμετρία με αρκετή ακρίβεια για να αποσπάσει τη συμβολή από τα κουάρκ, αν και με μεγάλη αβεβαιότητα. Το αποτέλεσμα συμφωνεί με την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου.
«Έχουν μετρήσει κάτι θεμελιώδες σε επίπεδο κουάρκ που δεν είχε μετρηθεί πριν», λέει ο William Marciano, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Upton της Νέας Υόρκης. Ωστόσο, ο Μάας σημειώνει ότι το αποτέλεσμα δεν είναι τόσο συναρπαστικό όσο θα μπορούσε να είναι. «Δεν έχουν παρατηρήσει καμία νέα φυσική στο επίπεδο της ακρίβειάς τους», λέει. Το νέο αποτέλεσμα θέτει αυστηρότερα όρια σε μοντέλα που υποθέτουν ότι υπάρχει μια δεύτερη ασθενής δύναμη, λέει ο Maas.
Η μέτρηση δεν είναι το τέλος του δρόμου. Τα 101 μέλη της πειραματικής ομάδας σκοπεύουν να επαναλάβουν τη μέτρησή τους και ελπίζουν να βελτιώσουν την ακρίβειά τους τουλάχιστον κατά 5, λέει ο Zheng. Αυτό θα τους επιτρέψει να δοκιμάσουν νέες δυνάμεις με πολύ μεγαλύτερη ευαισθησία, λέει. Ο Μαρτσιάνο συμφωνεί ότι «αυτό είναι μόνο το πρώτο βήμα». Σημειώνει ότι μπορεί να είναι ωφέλιμο το γεγονός ότι η ασυμμετρία από τα κουάρκ είναι τόσο μικρή στο τυπικό μοντέλο, καθώς αυτό θα κάνει οποιαδήποτε απόκλιση να φαίνεται σχετικά μεγάλη.
