Οι φυσικοί των σωματιδίων είναι ένα περίεργο μάτσο. Ο στόχος τους είναι ένα λειτουργικό, πλήρες μοντέλο των σωματιδίων και των δυνάμεων που συνθέτουν το Σύμπαν, και επιδιώκουν αυτόν τον στόχο με σθένος που ταιριάζει με λίγα άλλα επαγγέλματα.
ο Τυποποιημένο Μοντέλο Φυσικής είναι το αποτέλεσμα των προσπαθειών τους, και για 25 περίπου χρόνια, καθοδηγεί τη σκέψη και την κατανόησή μας για τη σωματιδιακή φυσική. Το καλύτερο εργαλείο που έχουμε για περαιτέρω μελέτη της φυσικής είναι το Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), κοντά στη Γενεύη, στην Ελβετία. Και μερικά πρόσφατα, ενδιαφέροντα αποτελέσματα από τον LHC δείχνουν την ύπαρξη ενός σωματιδίου που ανακαλύφθηκε πρόσφατα.
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων είναι ο πιο ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο. Εικόνα: CERN
Το LHC διαθέτει τέσσερις ξεχωριστούς ανιχνευτές. Δύο από αυτούς είναι ανιχνευτές «γενικής χρήσης», που ονομάζονται ATLAS και CMS. Πέρυσι, ξεχωριστά πειράματα τόσο στους ανιχνευτές ATLAS όσο και στους ανιχνευτές CMS παρήγαγαν αυτό που καλείται καλύτερα να ονομαστεί «χτυπημένο» στα δεδομένα τους. Αρχικά, οι δύο ομάδες που διεξήγαγαν τα πειράματα μπερδεύτηκαν με τα δεδομένα. Όταν όμως τα συνέκριναν, διαπίστωσαν ότι τα εξογκώματα στα δεδομένα τους ήταν τα ίδια και στα δύο πειράματα, και υπαινίχθηκε ποιος θα μπορούσε να είναι ένας νέος τύπος σωματιδίου, που δεν είχε ανιχνευθεί ποτέ πριν.
Τα δύο πειράματα περιελάμβαναν τη συντριβή πρωτονίων μεταξύ τους με σχεδόν σχετικιστικές ταχύτητες. Οι συγκρούσεις παρήγαγαν περισσότερα φωτόνια υψηλής ενέργειας από όσα προβλέπει η θεωρία. Όχι πολλά περισσότερα, αλλά η φυσική είναι μια λεπτομερής προσπάθεια, επομένως ακόμη και μια ελαφρά αύξηση στην ποσότητα των φωτονίων που παράγονται είναι μεγάλη υπόθεση. Στη φυσική όλα γίνονται για κάποιο λόγο.
Για να είμαστε πιο συγκεκριμένοι, το ATLAS και το CMS κατέγραψαν αυξημένη δραστηριότητα σε επίπεδο ενέργειας περίπου 750 giga ηλεκτρονιοβολτ (GeV). Αυτό σημαίνει, για όλους εσάς τους μη σωματιδιακούς φυσικούς, ότι το νέο σωματίδιο διασπάται σε δύο φωτόνια στο σημείο της σύγκρουσης πρωτονίου-πρωτονίου. Αν υπάρχει το νέο σωματίδιο, δηλαδή.
Ένα νέο σωματίδιο θα ήταν μια τεράστια ανακάλυψη. Το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει περιγράψει αρκετά καλά όλα τα σωματίδια που υπάρχουν στη φύση. Προέβλεψε μάλιστα την ύπαρξη ενός τύπου σωματιδίου, του Μποζόνιο Χιγκς , πολύ πριν ο LHC επαληθεύσει πραγματικά την ύπαρξή του. Η ανακάλυψη ενός νέου τύπου σωματιδίου θα ήταν πράγματι πολύ συναρπαστικά νέα και θα μπορούσε να σπάσει το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Από τότε που κυκλοφόρησαν αυτά τα δεδομένα από τα πειράματα στο LHC πέρυσι, ο κόσμος της φυσικής έχει βουίξει. Έχουν γραφτεί πάνω από 100 εργασίες για να προσπαθήσουν να εξηγήσουν τι μπορεί να σημαίνουν τα αποτελέσματα. Απαιτείται όμως λίγη προσοχή.
Το πρώτο πράγμα που κάνουν οι επιστήμονες όταν έρχονται αντιμέτωποι με αποτελέσματα σαν αυτό είναι να προσπαθήσουν να ποσοτικοποιήσουν την πιθανότητα ότι θα μπορούσε να είναι τυχαίο. Αν μόνο ένα πείραμα είχε αυτό το χτύπημα στα δεδομένα του, τότε η πιθανότητα να ήταν απλώς μια τυχαία εμφάνιση είναι αρκετά υψηλή. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τους οποίους ένα πείραμα μπορεί να έχει ένα αποτέλεσμα όπως αυτό, γι' αυτό η επαναληψιμότητα είναι τόσο μεγάλη υπόθεση στην επιστήμη. Αλλά όταν δύο ανεξάρτητα, ξεχωριστά, πειράματα έχουν το ίδιο αποτέλεσμα, τα αυτιά των ανθρώπων ενθουσιάζονται.
Έχουν περάσει μερικοί μήνες από τη διεξαγωγή των πειραμάτων και σε αυτό το διάστημα, οι πειραματιστές προσπάθησαν να προσδιορίσουν ακριβώς ποια είναι η πιθανότητα να προκύψουν αυτά τα αποτελέσματα τυχαία. Αφού δουλέψαμε με τα δεδομένα, συνέβη ένα αστείο πράγμα. Η σημασία των επιπλέον φωτονίων που ανιχνεύονται από το CMS έχει αυξηθεί, ενώ η σημασία των επιπλέον φωτονίων που ανιχνεύονται από το ATLAS έχει μειωθεί. Αυτό σίγουρα έχει αφήσει τους φυσικούς να ξύνουν τα κεφάλια τους.
Επίσης σε εκείνο το διάστημα, περίπου τέσσερις κύριες εξηγήσεις για τα πειραματικά αποτελέσματα έχουν διεισδύσει στην επιφάνεια. Το ένα δηλώνει ότι το νέο σωματίδιο, εάν υπάρχει, αποτελείται από μικρότερα σωματίδια, παρόμοια με το πώς ένα πρωτόνιο αποτελείται από κουάρκ. Αυτά τα μικρότερα σωματίδια θα μπορούσαν να συγκρατηθούν μαζί με μια άγνωστη δύναμη. Ορισμένοι θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν ότι αυτό είναι το καλύτερο που ταιριάζει με τα δεδομένα.
Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι το νέο σωματίδιο είναι μια βαρύτερη εκδοχή του μποζονίου Higgs. Περίπου 12 φορές βαρύτερο. Ή θα μπορούσε να είναι ότι το ίδιο το μποζόνιο Χιγκς αποτελείται από μικρότερα σωματίδια, και αυτό εντόπισε το πείραμα.
Το Καθιερωμένο Μοντέλο των Στοιχειωδών Σωματιδίων. Εικόνα: By MissMJ – Δική δουλειά από τον χρήστη, PBS NOVA [1], Fermilab, Γραφείο Επιστημών, Υπουργείο Ενέργειας Ηνωμένων Πολιτειών, Ομάδα Δεδομένων Σωματιδίων, CC BY 3.0
Ή, θα μπορούσε να είναι η πολυπόθητη υπόθεση graviton , το θεωρητικό σωματίδιο που φέρει τη βαρυτική δύναμη. Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στο Σύμπαν είναι ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η ασθενής πυρηνική δύναμη και η βαρύτητα. Μέχρι στιγμής, έχουμε ανακαλύψει τα σωματίδια που μεταδίδουν όλες αυτές τις δυνάμεις, εκτός από τη βαρύτητα. Εάν ανιχνευόταν ένα νέο σωματίδιο, και εάν αποδεικνυόταν ότι ήταν το γκραβιτόν, θα ήταν τεράστια, συνταρακτικά νέα. Τουλάχιστον για όσους είναι παθιασμένοι με την κατανόηση της φύσης.
Αυτά είναι πολλά «αν» όμως.
Υπάρχουν πολλές τρύπες στη γνώση μας για το Σύμπαν και οι φυσικοί είναι πρόθυμοι να καλύψουν αυτά τα κενά. Η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου θα μπορούσε κάλλιστα να απαντήσει σε ορισμένες βασικές ερωτήσεις σχετικά με τη σκοτεινή ύλη, τη σκοτεινή ενέργεια ή ακόμα και την ίδια τη βαρύτητα. Αλλά υπάρχουν πολύ περισσότεροι πειραματισμοί που πρέπει να γίνουν πριν ανακοινωθεί η ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου.