Καινούργια αποτελέσματα από ένα πείραμα μιονίων στο Αμερικανικό εργαστήριο Fermilab [1] έχουν βάλει δύσκολα στην πιο τέλεια θεωρία στην ιστορία της ανθρωπότητας, το Standard Model (ή Καθιερωμένο Πρότυπο), που εξηγεί τους νόμους της σωματιδιακής φυσικής. Αν δεν έχετε ακούσει προηγουμένως τι είναι το μιόνιο ή το Standard Model, μην ανησυχείτε, θα τα εξηγήσουμε πιο κάτω.
Τι είναι το Standard Model;
Το Standard Model είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει με εξαιρετική ακρίβεια τα 17 στοιχειώδη σωματίδια. Στοιχειώδη ονομάζονται τα σωματίδια τα οποία δεν αποτελούνται από άλλα μικρότερα σωματίδια και αποτελούν τους δομικούς λίθους του κόσμου στον οποίο ζούμε. Πέρα από την αξεπέραστη ακρίβεια με την οποία περιγράφει τα στοιχειώδη σωματίδια, το εκπληκτικό με το Standard Model είναι ότι είχε προβλέψει με εξαιρετική ακρίβεια την ύπαρξη πολλών από αυτών πριν ακόμα ανακαλυφθούν, ενώ είχε προβλέψει και την ύπαρξη του μποζονίου του Higgs που ανακαλύφθηκε το 2012. Για να τελειοποιηθεί το Standard Model χρειάστηκαν πάνω από 100 χρόνια μαθηματικών υπολογισμών και δεκάδων πειραμάτων σε διάφορα εργαστήρια ανά την υφήλιο. Μέχρι σήμερα, κανένα από αυτά τα πειράματα δεν είχε έρθει σε αντίθεση με την μαθηματική περιγραφή και τις προβλέψεις του Standard Model!
Στο πιο κάτω σχήμα μπορείτε να δείτε τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, τα οποία χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες, τα φερμιόνια (fermions) και τα μποζόνια (bosons). Τα φερμιόνια αποτελούνται από έξι κουαρκς (quarks) και έξι λεπτόνια (leptons). Τα κουάρκ μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους σε ομάδες των δυο ή τριών και να σχηματίσουν αντίστοιχα τα μεσόνια (mesons) και τα βαρυόνια (baryons). Τα πιο ελαφριά βαρυόνια είναι τα γνωστά μας πρωτόνια και τα νετρόνια. Αντίθετα, τα λεπτόνια δεν αναμιγνύονται μεταξύ τους. Τρία από αυτά, το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο (muon) και το ταυ (tau) έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Τα άλλα τρία λεπτόνια ονομάζονται νετρίνο (neutrino) και δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με την ύλη και είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευτούν.
Όπως ακριβώς οι ανθρώπινες γενεές αποτελούνται από παιδιά, γονείς και παππούδες, τα φερμιόνια σχηματίζουν και αυτά τρείς “γενεές”. Με εξαίρεση τα νετρίνο, οι δεύτερες και τρίτες γενεές των λεπτονίων και των κουάρκ διασπώνται πολύ γρήγορα στα στοιχειώδη σωματίδια της πρώτης γενεάς. Σαν αποτέλεσμα, ο κόσμος στον οποίο ζούμε αποτελείτε μόνο από τα κουάρκ u (up) και d (down), τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνο. Εκτός από τα νετρίνο, τα στοιχειώδη σωματίδια της δεύτερης και τρίτης γενεάς, μπορούμε να τα βρούμε στην κοσμική ακτινοβολία αλλά ο πιο συνηθισμένος τρόπος να τα μελετήσουμε είναι να τα παράγουμε σε εργαστήρια με επιταχυντές σωματιδίων.
Αφού είδαμε τι είναι τα φερμιόνια, ας πάμε τώρα να δούμε τι είναι τα μποζόνια. Στο κόσμο που ζούμε υπάρχουν 4 θεμελιώδης δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική, η ισχυρή πυρηνική, η ασθενής πυρηνική και η βαρυτική. Το Standard Model έχει καταφέρει να περιγράψει με μεγάλη επιτυχία τις τρείς από τις θεμελιώδης δυνάμεις, μέχρι στιγμής δεν έχει καταφέρει να ενσωματώσει την βαρυτική δύναμη. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταδίδεται μέσο του φωτονίου μεταξύ σωματιδίων που έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Το φωτόνιο δεν έχει μάζα. Η ασθενής πυρηνική δύναμη μεταδίδεται μεταξύ κουάρκ και λεπτονίων από τα μποζόνια W+, W- και Z, τα οποία έχουν μάζα. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη μεταδίδεται μέσο των γλουονίων (gluons) μεταξύ των κουάρκ. Υπάρχουν
8 γλουόνια τα οποία δεν έχουν μάζα. Η ασθενής και ισχυρή πυρηνική δύναμη έχουν πολύ μικρή εμβέλεια και είναι σημαντικές μόνο σε υποατομική κλίμακα.
Το μποζόνιο του Higgs είναι αυτό που προσδίδει μάζα στα κουάρκς και στα λεπτόνια (με εξαίρεση τα νετρίνο) και έχει μάζα περίπου 133 φορές την μάζα του πρωτονίου. Επειδή διασπάται πάρα πολύ γρήγορα, το μποζόνιο του Higgs μπορεί να δημιουργηθεί και να ανιχνευτεί σε πάρα πολύ υψηλές ενέργειες που παράγονται μόνο σε επιταχυντές σωματιδίων.
Εφαρμογές σωματιδιακής φυσικής
Αξίζει εδώ να κάνουμε μια παρένθεση και να αναφέρουμε ότι οι νόμοι της σωματιδιακής φυσικής, όπως καθορίζονται από το Standard Model, έχουν ευρείες εφαρμογές και σημαντικές επιπτώσεις στον άνθρωπο. Μερικές από αυτές είναι στην ιατρική με την χρησιμοποίηση των επιταχυντών σωματιδίων (σήμερα περισσότεροι από 30000 επιταχυντές σωματιδίων λειτουργούν σε όλο τον κόσμο), στην καρκινοθεραπεία, στην λειτουργία των MRI και PET και στην φαρμακοβιομηχανία. Άλλες εφαρμογές είναι στην κρατική και ανθρώπινη ασφάλεια με την ανίχνευση επικίνδυνων ραδιενεργών υλικών, στην ασφαλή λειτουργία των πυρηνικών σταθμών, στην βιομηχανία πυρηνικών αποβλήτων και αποστείρωσης φαγητών, στην αρχαιολογία, στην αναβάθμιση της τεχνολογίας υπολογιστών (ας μην ξεχνάμε ότι η γέννηση του διαδικτύου προήλθε από την σωματιδιακή φυσική). Επιπλέον, αρκετές από τις στατιστικές μεθόδους, λογισμικά και μαθηματικά μοντέλα που αναπτύσσονται στην σωματιδιακή φυσική έχουν ευρείες εφαρμογές σε άλλες επιστήμες, όπως στην βιολογία, ιατρική και τις μηχανικές επιστήμες.
Το πείραμα g-2 στο Fermilab
Τα πρόσφατα αποτελέσματα από το πείραμα μιονίων g-2 στο Fermilab, που βρίσκεται λίγο έξω από το Σικάγο, έχουν προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον αφού φαίνεται ότι έρχονται σε αντίθεση με το τι προβλέπει το Standard Model. Όπως είδαμε, τα μιόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια που φέρουν ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό σημαίνει πως όταν εισέλθουν σε μαγνητικό πεδίο θα αρχίσουν να “στροβιλίζονται”. Η συχνότητα περιστροφής των μιονίων καθορίζεται από τις αντιδράσεις τους με
τα άλλα σωματίδια και τις δυνάμεις, αυτό ονομάζεται g-factor. Αυτή η κίνηση των μιονίων γύρω από τον άξονα περιστροφής τους, μπορεί να παρομοιαστεί σαν την περιστροφή της γης γύρω από τον άξονα της. Το g-factor των μιονίων είχε μετρηθεί πριν από περίπου 20 χρόνια σε ένα άλλο πείραμα στο εργαστήριο του Brookhaven στη Νέα Υόρκη, με κάποιες ενδείξεις ότι δεν είναι συμβατό με αυτό που προβλέπει το Standard Model. Το g-2 πείραμα στο Fermilab παράγει μιόνια στο εργαστήριο και τα χρησιμοποιεί για να μετρήσει το g-factor με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια. Τα αποτελέσματά του συμφωνούν με αυτά του πειράματος στο Brookhaven. Το περιθώριο στατιστικού σφάλματος είναι της τάξης του 1:43000. Φαίνεται λοιπόν ότι το Standard Model δεν μπορεί να περιγράψει ακριβώς αυτή την περιστροφική κίνηση των μιονίων.
Άλλα πειραματικά δεδομένα τα οποία το Standard Model αδυνατεί να ερμηνεύσει
Τα τελευταία χρόνια κάποια επιπλέον πειραματικά δεδομένα έχουν έρθει σε αντίθεση με το τι προβλέπει το Standard Model. Για παράδειγμα, πρόσφατα οι επιστήμονες στο CERN, που βρίσκεται στην Γενεύη της Ελβετίας, ανακάλυψαν ότι οι διασπάσεις των b (bottom) κουάρκ σε ηλεκτρόνια και μιόνια δεν είναι αυτές που προβλέπονται από το Standard Model [2].
Άλλο ένα παράδειγμα είναι τα νετρίνο, τα οποία σύμφωνα με το Standard Model δεν μπορούν να έχουν καθόλου μάζα. Παρόλα αυτά, μια σειρά από πειραμάτων τα τελευταία χρόνια σε ΗΠΑ, Ευρώπη, Κίνα και Ιαπωνία έχουν μελετήσει μια πολύ ιδιαίτερη και σπάνια ιδιότητα των νετρίνο, τις ταλαντώσεις τους. Με άλλα λόγια, τα τρία είδη νετρίνο όπως τα είδαμε πιο πάνω μπορούν μυστηριωδώς να μεταμορφώνονται από το ένα είδος στο άλλο. Για να συμβεί αυτό, απαραίτητη προϋπόθεση είναι τα νετρίνο να έχουν μια πολύ μικρή μάζα, σε αντίθεση με τις προβλέψεις του Standard Model το οποίο καθορίζει ότι τα νετρίνο πρέπει να είναι εντελώς άμαζα. Επιπλέον, η μελέτη των ταλαντώσεων νετρίνο και των αντι-σωματιδίων τους μπορούν δώσουν σημαντικές απαντήσεις όσον αφορά την εξέλιξη του σύμπαντος, κάτι που το αδυνατεί να προβλέψει το Standard Model. Αυτό ώθησε μια καινούργια γενιά πειραμάτων σε ΗΠΑ [3] και Ιαπωνία [4], που θα κατασκευάσουν τους μεγαλύτερους σε μέγεθος ανιχνευτές του ανθρωπίνου γένους με κόστος μεγαλύτερο από ένα 1.5 δισεκατομμύρια αμερικάνικα δολάρια. Τα πειράματα αυτά έχουν ως σκοπό να μελετήσουν τις αποκλίσεις των ταλαντώσεων νετρίνων από το Standard Model. Θα χρειαστούν σχεδόν μια δεκαετία για να σχεδιαστούν και κατασκευαστούν αυτά τα πειράματα, και άλλα 15 χρόνια για να έχουμε αποτελέσματα. Χρειάζονται πάρα πολλά χρόνια για να μελετήσουμε τα νετρίνο επειδή αλληλεπιδρούν πάρα πολύ σπάνια με την ύλη. Ως αποτέλεσμα, χρειάζεται να παράγουμε τρισεκατομμύρια νετρίνο στο εργαστήριο, να τα στείλουμε μέσο της Γης εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά για να δούμε μερικά από αυτά να ταλαντώνονται και να αλληλεπιδρούν με τους πελώριους ανιχνευτές που βρίσκονται εκατοντάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης και να μπορέσουμε έτσι να μελετήσουμε.
Εν κατακλείδι, το Standard Model είναι η πιο πετυχημένη θεωρία στην ιστορία της ανθρωπότητας αφού μπορεί να ερμηνεύσει όλες τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις τους. Παρόλα αυτά, έχουν παρατηρηθεί κάποιες μικρές αποκλίσεις από το Standard Model οι οποίες δεν μπορούν να ερμηνευθούν. Επιπλέον, κάποια φαινόμενα που έχουν να κάνουν με την εξέλιξη και επιτάχυνση του σύμπαντος, την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης (dark matter) και σκοτεινής ενέργειας (dark energy) δεν μπορούν να εξηγηθούν από το Standard Model, ενώ και η δύναμη της βαρύτητας δεν έχει ακόμα ενσωματωθεί στην μαθηματική περιγραφή του Standard Model. Τα επόμενα χρόνια, με καινούργια, μεγαλύτερα και καλύτερα πειράματα στην σωματιδιακή φυσική, αναμένεται να βρούμε αρκετές απαντήσεις στα πιο πάνω ερωτήματα. Ενώ ποιος ξέρει, ίσως βρεθούμε για ακόμη φορά προ εκπλήξεως και να παρατηρήσουμε καινούργια φαινόμενα που θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε ακόμη περισσότερο τον κόσμο στον οποίο ζούμε και πως φτάσαμε ως εδώ.
Για επιπλέον πληροφορίες μπορείτε να δείτε τα παρακάτω:
[1] Τα αποτελέσματα του πειράματος μιονίων στο Fermilab ανακοινώθηκαν εδώ https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/
[2] http://lhcb-public.web.cern.ch/
[3] https://lbnf-dune.fnal.gov/ [4] http://www.hyper-k.org/en/
