Ιάπωνες φυσικοί παίρνουν τον ανανεωμένο επιταχυντή για περιστροφή
Για πρώτη φορά εδώ και 5 χρόνια, οι φυσικοί των σωματιδίων βρίσκονται στο κατώφλι της λειτουργίας δύο μεγάλων εγκαταστάσεων επιταχυντών. Ερευνητές κατάφεραν να κυκλοφορήσουν δέσμες σε έναν επιταχυντή που ονομάζεται SuperKEKB, ανακοίνωσαν σήμερα αξιωματούχοι του Ιαπωνικού Οργανισμού Έρευνας Επιταχυντών Υψηλής Ενέργειας (KEK) στην Τσουκούμπα. Εάν όλα πάνε όπως είχαν προγραμματιστεί, οι ερευνητές που χρησιμοποιούν το SuperKEKB θα αρχίσουν να συνθλίβουν ηλεκτρόνια σε ποζιτρόνια τον επόμενο χρόνο και θα ενωθούν με τους ομολόγους τους που εργάζονται στον μεγαλύτερο θρυμματιστή ατόμων στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στην Ελβετία, στο κυνήγι της νέας φυσικής. (Ένας τρίτος επιταχυντής, ο Σχετικιστικός Επιταχυντής Βαρέων Ιόντων στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Άπτον της Νέας Υόρκης, εστιάζει περισσότερο σε έναν τύπο πυρηνικής φυσικής.)
«Είναι ο πρώτος νέος επιταχυντής από το 2008», όταν ο LHC ενεργοποιήθηκε, λέει ο Thomas Browder, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης, Manoa, και εκπρόσωπος των 600 φυσικών που εργάζονται στον ανιχνευτή σωματιδίων Belle II, ο οποίος θα τροφοδοτείται από το SuperKEKB. . Ο LHC είναι ο μοναδικός επιταχυντής των σωματιδίων των φυσικών από τότε που οι Ηνωμένες Πολιτείες έκλεισαν τον επιταχυντή Tevatron στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi στη Μπαταβία του Ιλινόις, το 2011.
Τόσο το LHC όσο και το SuperKEKB ελπίζουν να ανακαλύψουν φυσικά φαινόμενα που δεν ταιριάζουν με το καλά δοκιμασμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Αλλά το SuperKEKB θα ακολουθήσει μια στρατηγική διαφορετική από αυτή του LHC. Ο LHC στοχεύει να εκτοξεύσει βαριά νέα θεμελιώδη σωματίδια σε φευγαλέα ύπαρξη, συνθλίβοντας πρωτόνια στις υψηλότερες ενέργειες που έχουν επιτευχθεί ποτέ. Αυτό το τακ πέτυχε θεαματικά το 2012, όταν έρευνα στο LHC ανακάλυψε το πολυπόθητο μποζόνιο Higgs. Αντίθετα, το SuperKEKB θα συγκρούσει ποζιτρόνια και ηλεκτρόνια σε πολύ χαμηλότερες ενέργειες για να παράγει τεράστιους αριθμούς γνωστών σωματιδίων και να μελετήσει τις ιδιότητές τους με μεγάλη λεπτομέρεια για υπαινιγμούς νέων σωματιδίων και άλλων φαινομένων.
Συγκεκριμένα, η ενέργεια του SuperKEKB θα συντονιστεί για να παράγει άφθονα σωματίδια γνωστά ως μεσόνια Β, καθένα από τα οποία περιέχει ένα τεράστιο σωματίδιο που ονομάζεται κουάρκ βυθού και ένα ελαφρύ αντικουάρκ. Χάρη στο παράξενο της κβαντικής μηχανικής, οι ιδιότητες ενός μεσονίου Β εξαρτώνται από άλλα σωματίδια που πετάνε μέσα και έξω από την «εικονική» ύπαρξη μέσα σε αυτό. Έτσι, εάν υπάρχουν νέα σωματίδια πέρα από το τυπικό μοντέλο, τότε η απόκοσμη παρουσία τους μέσα στο μεσόνιο Β μπορεί να παραμορφώσει τις ιδιότητες του μεσονίου από τις προβλέψεις του τυπικού μοντέλου—ακόμα κι αν αυτά τα νέα σωματίδια είναι πολύ βαριά για να παραχθούν απευθείας στον LHC.
Το SuperKEKB είναι στην πραγματικότητα μια αναβάθμιση 275 εκατομμυρίων δολαρίων του παλαιότερου εργοστασίου ΚΕΚ Β (KEKB), το οποίο λειτουργούσε από το 1999 έως το 2010. Αποτελείται από δύο δακτυλίους, ο καθένας με περιφέρεια 3 χιλιομέτρων. Τα ηλεκτρόνια που κυκλοφορούν σε έναν δακτύλιο θα επιταχυνθούν σε ενέργεια 7 γιγαηλεκτρονιοβολτ (GeV). Τα ποζιτρόνια, τα αντίστοιχα της αντιύλης των ηλεκτρονίων, θα ταξιδέψουν στον άλλο δακτύλιο με ενέργεια έως και 4 GeV. Για να ενισχύσουν τον ρυθμό σύγκρουσης πολύ πάνω από τον καλύτερο του ΚΕΚΒ, οι φυσικοί αντικατέστησαν σημαντικό ποσοστό των μαγνητών του επιταχυντή καθώς και μεγάλο μέρος των σωληνώσεων της δέσμης και έκαναν πολλές άλλες τροποποιήσεις. «Ο στόχος ήταν να γίνει η δέσμη μικρότερη αυξάνοντας παράλληλα το ρεύμα», λέει ο Kazunori Akai, φυσικός του ΚΕΚ. Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια θα συντριβούν μεταξύ τους μέσα στον ανιχνευτή Belle II, ο οποίος είναι ακόμη υπό κατασκευή.
Οι φυσικοί του ΚΕΚ έχουν ήδη γευτεί τη δόξα. Σε πειράματα στο ΚΕΚ και σε μια αντίπαλη εγκατάσταση στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC στο Menlo Park της Καλιφόρνια, οι επιστήμονες αναζήτησαν μια λεπτή διαφορά μεταξύ της συμπεριφοράς των μεσονίων Β και των αντίστοιχων αντιύλης τους, γνωστή ως παραβίαση ισοτιμίας φορτίου (CP). Το 2001, το KEK και το SLAC μέτρησαν και τα δύο την ποσότητα παραβίασης CP στις διασπάσεις των μεσονίων Β και διαπίστωσαν ότι ταίριαζε με την πρόβλεψη των Ιάπωνων θεωρητικών Makoto Kobayashi και Toshihide Maskawa. Αυτή η επιβεβαίωση κέρδισε το ζευγάρι ένα μερίδιο από το Νόμπελ Φυσικής του 2008.
Οι φυσικοί τώρα θέλουν να αναζητήσουν φυσική και σωματίδια πέρα από το τυπικό μοντέλο. «Η αναζήτηση νέων σωματιδίων είναι ένας από τους κύριους στόχους αυτής της αναβάθμισης», λέει ο φυσικός του ΚΕΚ Yutaka Ushiroda. Αν και έχουν περάσει ένα ορόσημο, «θα χρειαστεί χρόνος για να αξιοποιηθεί πλήρως το δυναμικό του επιταχυντή», λέει ο Seiya Yamaguchi, διευθυντής του εργαστηρίου επιταχυντών του ΚΕΚ. Η Ushiroda λέει ότι αναμένουν ότι ο ανιχνευτής θα λαμβάνει προκαταρκτικά δεδομένα στα τέλη του 2017 ή στις αρχές του 2018 με πλήρεις παρατηρήσεις να ξεκινούν στα τέλη του 2018. Μετά από αυτό θα χρειαστούν ακόμα αρκετά χρόνια για να λειτουργήσουν τόσο ο επιταχυντής όσο και ο ανιχνευτής με μέγιστη απόδοση.
Η συνεργασία σηματοδοτεί επίσης ένα ορόσημο στη διεθνοποίηση των επιστημονικών προσπαθειών της Ιαπωνίας. Συγκεντρώνει ερευνητές από 98 ιδρύματα σε 23 χώρες. Από αυτούς μόνο το ένα τέταρτο έχει έδρα στην Ιαπωνία. "Το αξιοθέατο (για τους ξένους ερευνητές) είναι ότι αυτό είναι το παγκόσμιο κέντρο έρευνας για τα κουάρκ βυθού και η κορυφαία εγκατάσταση στα όρια της έντασης", λέει ο Browder, "και οι 600 από εμάς πιστεύουμε ότι αυτός θα είναι ο τρόπος για να ανακαλύψουμε νέα φυσική. πέρα από το τυπικό μοντέλο."
Με αναφορά από τον Adrian Cho.
