Βρέθηκαν στοιχεία για ένα νέο θεμελιώδες σωματίδιο

Ανατυπώθηκε με άδεια από το ιστολόγιο Abstractions του Quanta Magazine.

Οι φυσικοί είναι ενθουσιασμένοι και μπερδεμένοι από μια νέα αναφορά από ένα πείραμα νετρίνων στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Φέρμι κοντά στο Σικάγο. Το πείραμα MiniBooNE ανίχνευσε πολύ περισσότερα νετρίνα ενός συγκεκριμένου τύπου από ό,τι αναμενόταν, ένα εύρημα που εξηγείται πιο εύκολα από την ύπαρξη ενός νέου στοιχειώδους σωματιδίου:ένα «στείρο» νετρίνο που είναι ακόμη πιο περίεργο και πιο απομονωμένο από τους τρεις γνωστούς τύπους νετρίνων. Το αποτέλεσμα φαίνεται να επιβεβαιώνει τα ανώμαλα αποτελέσματα ενός πειράματος δεκαετιών ότι το MiniBooNE κατασκευάστηκε ειδικά για να το ελέγξει.

Η εμμονή της ανωμαλίας των νετρίνων είναι εξαιρετικά συναρπαστική, είπε ο φυσικός Scott Dodelson του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon. «Θα έδειχνε ότι κάτι συμβαίνει όντως», πρόσθεσε η Anže Slosar του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven.

Όσο για το τι, κανείς δεν μπορεί να πει.

«Είμαι πολύ ενθουσιασμένη με αυτό το αποτέλεσμα, αλλά δεν είμαι έτοιμη να πω «Εύρηκα!»» είπε η Janet Conrad, φυσικός νετρίνων στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και μέλος της συνεργασίας MiniBooNE.

Η ύπαρξη ενός στείρου νετρίνου θα έφερε επανάσταση στη φυσική από τη μικρότερη έως τη μεγαλύτερη κλίμακα. Θα έσπασε τελικά το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής που βασιλεύει από τη δεκαετία του 1970. Θα απαιτούσε επίσης «ένα νέο πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας», είπε ο Dodelson. «Υπάρχουν και άλλες πιθανές ρωγμές στην τυπική εικόνα», πρόσθεσε. "Το παράδοξο των νετρίνων θα μπορούσε να μας δείξει το δρόμο προς ένα νέο, καλύτερο μοντέλο."

Τα νετρίνα είναι μικροσκοπικά σωματίδια που περνούν από το σώμα μας κατά δισεκατομμύρια κάθε δευτερόλεπτο αλλά σπάνια αλληλεπιδρούν. Ταλαντώνονται συνεχώς μεταξύ τριών γνωστών τύπων ή «γεύσεων», που ονομάζονται ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ. Το πείραμα MiniBooNE εκτοξεύει μια δέσμη νετρίνων μιονίων προς μια γιγάντια δεξαμενή πετρελαίου. Στο δρόμο προς τη δεξαμενή, μερικά από αυτά τα νετρίνα μιονίων θα πρέπει να μετατραπούν σε νετρίνα ηλεκτρονίων με ρυθμό που καθορίζεται από τη διαφορά μάζας μεταξύ των δύο. Στη συνέχεια, το MiniBooNE παρακολουθεί την άφιξη των νετρίνων ηλεκτρονίων, τα οποία παράγουν χαρακτηριστικές λάμψεις ακτινοβολίας στις σπάνιες περιπτώσεις όταν αλληλεπιδρούν με μόρια ελαίου. Στη 15ετή πορεία του, το MiniBooNE έχει καταγράψει μερικές εκατοντάδες περισσότερα ηλεκτρονικά νετρίνα από ό,τι αναμενόταν.

Η απλούστερη εξήγηση για τον εκπληκτικά υψηλό αριθμό είναι ότι ορισμένα νετρίνα μιονίων ταλαντώνονται σε ένα διαφορετικό, βαρύτερο, τέταρτο είδος νετρίνου - ένα στείρο, που σημαίνει ότι δεν αλληλεπιδρά ποτέ με οτιδήποτε δεν είναι νετρίνο - και ότι μερικά από αυτά τα βαριά στείρα τα νετρίνα στη συνέχεια ταλαντώνονται σε νετρίνα ηλεκτρονίων. Η μεγαλύτερη διαφορά μάζας προδιαγράφει υψηλότερο ρυθμό ταλαντώσεων και περισσότερες ανιχνεύσεις.

Ο Ανιχνευτής Νετρίνων Liquid Scintillator Neutrino (LSND) στο Los Alamos εντόπισε μια παρόμοια ανωμαλία τη δεκαετία του 1990, προκαλώντας την κατασκευή του MiniBooNE. Ωστόσο, άλλα πειράματα νετρίνων που λειτουργούν διαφορετικά από το LSND και το MiniBooNE απέτυχαν να παράγουν ένα σαφές σημάδι του υποτιθέμενου στείρου νετρίνου. "Είναι κατάρα αυτής της επιχείρησης ότι ορισμένα πειράματα βλέπουν κάτι ενώ άλλα όχι", είπε ο Werner Rodejohann του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας.

Εάν τα στείρα νετρίνα εξηγούν τα νέα αποτελέσματα, οι φυσικοί αγωνίζονται να δουν πώς οι ιδιότητες αυτών των νέων σωματιδίων μπορούν να είναι συμβατές με οτιδήποτε άλλο γνωρίζουμε. Ίσως το πιο ανησυχητικό από όλα, οι κοσμολογικές παρατηρήσεις του φωτός από το πρώιμο σύμπαν δείχνουν ότι μόνο τρεις γεύσεις νετρίνων υπήρχαν τότε. Για να κατανοήσουμε τα LSND, MiniBooNE και όλα τα άλλα πειράματα μέχρι σήμερα, "χρειάζεται κάποιο εντελώς νέο θεωρητικό πλαίσιο", είπε ο Slosar.

Επιπλέον, το συγκεκριμένο αποστειρωμένο νετρίνο που θα μπορούσε υποθετικά να ταιριάζει στα δεδομένα του MiniBooNE δεν λύνει κανένα από τα μυστήρια που οδήγησαν τους φυσικούς να διατυπώσουν θεωρίες για τέτοια σωματίδια εξαρχής. Αν είναι αρκετά βαριά, τα στείρα νετρίνα θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως η αόρατη «σκοτεινή ύλη» που φαινομενικά καταβροχθίζει τους γαλαξίες. Και θα εξηγούσαν γιατί τα νετρίνα ηλεκτρονίων, μιονίων και ταυ είναι τόσο ελαφριά, μέσα από ένα μαθηματικό τέχνασμα που ονομάζεται μηχανισμός τραμπάλας. Αλλά σε λιγότερο από 1 ηλεκτρον βολτ, το υποτιθέμενο αποστειρωμένο νετρίνο MiniBooNE δεν έχει το βάρος για αυτούς τους άλλους σκοπούς. «Δεν θα είχαμε κανένα λόγο να περιμένουμε στείρα νετρίνα 1-eV», είπε ο Μάθιου Μπάκλεϊ, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Ράτγκερς. "Όχι ότι αυτό εμπόδισε το σύμπαν να προσθέτει νέα σωματίδια στο παρελθόν."

Η σύγχυση έχει οδηγήσει πολλούς ειδικούς να περιορίσουν την αισιοδοξία τους και να υποψιαστούν ότι τόσο το MiniBooNE όσο και το LSND έχουν πέσει θύματα κάποιου άγνωστου σφάλματος. Η Freya Blekman, ένας φυσικός στο Ελεύθερο Πανεπιστήμιο των Βρυξελλών, υποστηρίζει ότι τα πειράματα μπορεί να υποτίμησαν συστηματικά τον ρυθμό με τον οποίο τα σωματίδια που ονομάζονται ουδέτερα πιόνια διασπώνται μέσα στη δεξαμενή πετρελαίου του MiniBooNE—γεγονότα που μιμούνται το σήμα από νετρίνα ηλεκτρονίων.

«Είναι σαφές ότι υπάρχει κάτι που πρέπει να γίνει κατανοητό και σίγουρα ελπίζω ότι είναι ένα τέταρτο νετρίνο», είπε ο Νιλ Γουάινερ, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. «Τούτου λεχθέντος, αυτό θα ήταν το πρώτο σωματίδιο που ανακαλύφθηκε πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο, επομένως το όριο για τα στοιχεία είναι προφανώς πολύ υψηλό». Προς το παρόν, είπε, «Ακολουθώ μια μικρή προσέγγιση αναμονής και δω».

Μια πιο οριστική απάντηση θα έρθει με μελλοντικά πειράματα, συμπεριλαμβανομένου ενός που ονομάζεται IsoDAR, που προτείνεται από την Conrad και πολλούς από τους συναδέλφους της. Αντί να μετράει τον αριθμό των νετρίνων μιας δεδομένης γεύσης στο τέλος μιας δέσμης, θα αντιληφθεί τα νετρίνα που κουνιούνται μεταξύ διαφορετικών γεύσεων καθώς ταξιδεύουν, κάτι που θα δώσει μια πληρέστερη εικόνα των ταλαντώσεων. «Δεν είμαι έτοιμος να στοιχηματίσω ακόμα τα χρήματά μου γιατί το πλεόνασμα είναι ένα είδος σταγόνας» σε μια πλοκή, είπε ο Κόνραντ. «Κι αν κάτι άλλο μπορεί να κάνει μια σταγόνα; Για να είμαι πραγματικά πεπεισμένος, θέλω να δω, με μεγάλη σημασία, αυτό το προβλεπόμενο κούνημα."

Η Natalie Wolchover είναι ανώτερη συγγραφέας στο  Quanta Περιοδικό που καλύπτει τις φυσικές επιστήμες. Προηγουμένως, έγραψε για το Popular Science, το LiveScience και άλλες εκδόσεις. Έχει πτυχίο στη φυσική από το Πανεπιστήμιο Tufts, σπούδασε φυσική σε μεταπτυχιακό επίπεδο στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και συνέγραψε αρκετές ακαδημαϊκές εργασίες στη μη γραμμική οπτική. Η γραφή της εμφανίστηκε στο The Best Writing on Mathematics 2015. Είναι νικήτρια του Βραβείου Αριστείας στη Στατιστική Αναφορά 2016 και του Βραβείου Evert Clark/Seth Payne 2016 για νέους επιστημονικούς δημοσιογράφους. @NattyOver