Ρωγμή στην θεωρία της Φυσικής εξ'αιτίας του μιονίου.
Αναδύεται η υπερσυμμετρία;

Από σελίδα των New York Times 8-Φεβρουαρίου-2001

fermi labΟι νέες παρατηρήσεις των υποατομικών σωματιδίων δεν εμφανίζονται να ταιριάζουν στο Καθιερωμένο Πρότυπο που εξηγεί την ύλη καθώς και τις δυνάμεις που διαμορφώνουν το Σύμπαν, αναφέρουν οι επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven.
Τα απροσδόκητα συμπεράσματα, που γίνονται σε έναν επιταχυντή σωματιδίων στο Brookhaven, μπορούν να είναι η πρώτη λάμψη ενός απαρατήρητου μέχρι τώρα είδους της ύλης. Εάν τα συμπεράσματα επιβεβαιωθούν, η καρδιά της υποατομικής θεωρίας, που αποκαλείται "Καθιερωμένο Μοντέλο", θα είναι "ανεπαρκής για να περιγράψει τον κόσμο μας," είπε ο Dr Thomas B. Kirk, συνεργαζόμενος διευθυντής του Brookhaven για την υψηλή ενέργεια και την πυρηνική φυσική.

Αν και τα αποτελέσματα που αναγγέλθηκαν στις 8 Φεβρουαρίου καταρρίπτουν τις καθιερωμένες ιδέες στο ζήτημα, οι φυσικοί σωματιδίων περίμεναν χρόνια για μια τέτοια ένδειξη επειδή ανοίγει μια πόρτα στους νέους κόσμους της θεωρίας και του πειραματισμού.

Οι επιστήμονες, από δώδεκα ιδρύματα στη Γερμανία, την Ιαπωνία, τη Ρωσία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, που προέβησαν σε μια διάσκεψη έδωσαν στη συνέχεια την είδηση σήμερα στη Νέα Υόρκη ότι υπάρχει μια μικρή πιθανότητα τα αποτελέσματα να ήταν μια στατιστική παραβίαση και το Standard Model, που στέκεται ψηλά για 30 έτη τώρα, να παραμείνει αδιαφιλονίκητο.

Αλλά είπαν πως τα πειράματα, που εμπλέκουν προσεκτικές μετρήσεις περίπου ενός δισεκατομμυρίου σπάνιων σωματιδίων που αποκαλούνται muons (μιόνια), έχουν καθορίσει μέχρι τώρα με 99% πιθανότητα ότι η αποδεκτή σημερινή θεωρία των σωματιδίων παραβιάστηκε. Λένε επίσης ότι έχουν συγκεντρώσει ήδη και ανέλυσαν πολλά στοιχεία που θα μπορούσαν να αποβάλουν τη πιθανότητα του 1% ότι τα αποτελέσματά τους ήταν ένα στατιστικό λάθος.

Οι φυσικοί ενέχυσαν μια έντονη δέσμη μιονίων σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο και μέτρησαν την αποκαλούμενη τιμή g-2. Ο παράγοντας g ενός σωματιδίου σχετίζεται με την μαγνητική ορμή του προς την εγγενή στροφορμή του ή το spin του.

Έτσι, μετά από μετρήσεις στον επιταχυντή του Brookhaven παρατηρήθηκε ότι η τιμή g-2 είναι θεμελιωδώς διαφορετική από αυτήν που είχε μετρηθεί έως τώρα. Η διαφοροποίηση θα μπορούσε να σημαίνει ότι, πιθανώς, το μιόνιο δεν είναι στοιχειώδες.  Ο παράγοντας g και του μιονίου αλλά και του ελαφρύτερου από αυτό "ετεροθαλή αδελφού" του , το ηλεκτρόνιο, είναι ελαφρώς μεγαλύτερος από 2 που οφείλεται σε διάφορες "διορθώσεις της ακτινοβολίας". Οι ακριβείς μετρήσεις για τον παράγοντα g-2 αποτελούν ισχυρές δοκιμές της θεωρίας του Καθιερωμένου Προτύπου.

Τα μιόνια είναι υποατομικά σωματίδια της οικογένειας των λεπτονίων (που ανήκει και το ηλεκτρόνιο). Στα πειράματα που περιγράφονται σήμερα, οι φυσικοί υπολόγισαν τις αποκρίσεις των μιονίων στα μαγνητικά πεδία. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια μεγάλη ασυμφωνία με τις προβλέψεις, που βασίζονται στο καθιερωμένο πρότυπο, στον τρόπο που τα spin των μιονίων ταλαντεύονται μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, είπε ο Dr Kirk.

Τα νέα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν στις 8 Φεβρουαρίου 2001 σε ένα επιστημονικό συνέδριο από τον Dr William M. Morse, έναν φυσικό του Brookhaven που είναι μέλος της πειραματικής ομάδας και εκπρόσωπος του. Τα πειράματα άρχισαν όταν πρωτόνια, που βρίσκονται κανονικά στους ατομικούς πυρήνες, οδηγήθηκαν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και συνεθλίβησαν σε ένα κομμάτι νικελίου. Από τα συντρίμμια που δημιουργούνται από εκείνες τις συγκρούσεις, οι φυσικοί εξάγουν τις δέσμες που περιέχουν τις χιλιάδες των μιονίων.

Στο πείραμα του Brookhaven, που αποκαλείται E821, τα μιόνια που δημιουργήθηκαν από ένα σωματιδιακό επιταχυντή γνωστό ως Alternating Gradient Synchroton εγχύθηκαν σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο πλάτους 14 μέτρων που δημιουργούσε ένας υπεραγώγιμος μαγνήτης. Οι επιστήμονες επέλεξαν μιόνια επειδή, όντας πιό ογκώδη από τα ηλεκτρόνια, είναι πιθανότερο να αλληλεπιδράσουν με τα σχετικά ογκώδη σωματίδια που προβλέπονται από την υπερσυμμετρία (supersymmetry).

Για να κάνουν τις μετρήσεις, οι επιστήμονες στηρίχθηκαν σε μια κβαντο-μηχανική ιδιότητα, που αποκαλείται spin, η οποία είναι μια κοινή ιδιότητα των μιονίων και άλλων σωματιδίων. Εξαιτίας του spin τα μιόνια έχουν μαγνητική ροπή. Οι ισχυρές λοιπόν δυνάμεις του πεδίου εξαναγκάζουν τα μιόνια να διαγράφουν κυκλικές τροχιές ενώ συγχρόνως ο άξονας του spin τους ταλαντεύεται ή περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του μαγνητικού πεδίου εφόσον δεν είναι αρχικά ευθυγραμμισμένος μαζί του.

Οι επιστήμονες του Brookhaven ανέλυσαν τα προϊόντα στα οποία διασπάστηκαν στη συνέχεια τα μιόνια και από εκεί συμπέραναν πόση περιστροφή του άξονα της μαγνητικής ροπής είχε συμβεί στο πεδίο. Στη συνέχεια από εκεί συμπέραναν το μέγεθος της μαγνητικής ροπής των μιονίων με μια ακρίβεια της τάξης των 1,3 μερών στο 1.000.000. Τελείως αναπάντεχα παρουσιάστηκε μια απόκλιση με την πρόβλεψη της θεωρητικής τιμής κατά 4 μέρη στο 1.000.000. Ο Dr Morse είπε ότι η ομάδα του είχε κάνει ήδη τις παρατηρήσεις αρκετών δισεκατομμυρίων μιονίων, αλλά είχαν τελειώσει την ανάλυση των αποτελεσμάτων από τότε που ήταν μόνο έναν δισεκατομμύριο.

Κριτική των αποτελεσμάτων

Ο Dr Gerald Gabrielse, ένας καθηγητής και πρόεδρος του τμήματος φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, αποκάλεσαν τα αποτελέσματα "παρά πολύ συναρπαστικά" λόγω των πιθανών εξηγήσεων για την αυτήν την απόκλιση. "Θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια ολοκληρωτική κατανόηση για το πώς συνυπάρχουν με την πραγματικότητα," είπε ο Dr Gabrielse. Μεταξύ των κύριων πιθανών λόγων για αυτή τη διαφορά, οι φυσικοί είπαν, πως θα ήταν η ύπαρξη των μη ανιχνευθέντων μέχρι σήμερα σωματιδίων, με παράξενες ιδιότητες, που έχουν επιπτώσεις στον τρόπο που τα μιόνια ταλαντεύονται στο μαγνητικό πεδίο.

Οι φυσικοί από καιρό ξέρουν ότι το ποσοστό της ταλάντευσης ή της περιστροφής επηρεάζεται από τις ιδιότητες του ιδίου του χώρου. Βάσει των νόμων της κβαντικής μηχανικής, που κυβερνούν την υποατομική κλίμακα, το προφανώς κενό διάστημα είναι στην πραγματικότητα μια θάλασσα αυτού που οι επιστήμονες καλούν "virtual particles" που εμφανίζονται και εξαφανίζονται σε σύντομο χρονικό διάστημα και μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα μιόνια.

Το καθιερωμένο πρότυπο δείχνει στους επιστήμονες πώς να υπολογίσουν την επίδραση που όλα τα γνωστά σωματίδια σε εκείνη την θάλασσα των σωματιδίων, πρέπει να είχαν στη συχνότητα ταλάντευσης του spin. Εκείνες οι προβλεφθείσες από το γνωστό πρότυπο, μετατοπίσεις έχουν μετρηθεί και έχουν ελεγχθεί με μεγάλη ακρίβεια. Αλλά οι νέες μετρήσεις διαφέρουν από εκείνες των προβλέψεων, προτείνοντας ότι άγνωστα σωματίδια μέχρι τώρα κρύβονται επίσης σε εκείνη την υποατομική θάλασσα, είπε ο Dr Lee Roberts, ένας καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης που είναι ένας από τους εκπροσώπους για αυτό το πείραμα. "Ολόκληρο το πείραμα είναι βασισμένο στη μέτρηση της επίδρασης αυτών των εικονικών σωματιδίων", είπε ο Dr Roberts. "Υπάρχει μια δυνατότητα πως νέα σωματίδια που δεν έχουν παρατηρηθεί θα μπορούσαν να αλληλεπιδρούν με τα μιόνια"

Ενώ εκείνα τα σωματίδια δεν προβλέπονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο και δεν έχουν φανεί ποτέ άμεσα σε ένα πείραμα, η ύπαρξή τους δεν θα εξέπλησσε τους θεωρητικούς φυσικούς. Παρά την επιτυχία του προτύπου στην εξήγηση επί δεκαετιών πειραματικών στοιχείων, οι θεωρητικοί θεωρούν ότι παρουσιάζει λογικές και αισθητικές ρωγμές και ότι η περίπλοκη δομή της είναι απίθανο να αντιπροσωπεύσει την φυσική πραγματικότητα στο πιό θεμελιώδες επίπεδό της.

Για να λύσουν εκείνα τα προβλήματα, μερικοί φυσικοί έχουν αναπτύξει μια μεγαλύτερη θεωρία που ονόμασαν υπερσυμμετρία. Η θεωρία αυτή λύνει πολλά από εκείνα τα προβλήματα (του καθιερωμένου προτύπου), με την προϋπόθεση της ύπαρξης νέων σωματιδίων, που αποκαλούνται υπερσυμμετρικοί συνεργάτες (partners), και αντιστοιχούν ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο για κάθε ένα από τα γνωστά σωματίδια.

Γνωστά σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις, και οι πιθανοί τους υπερσυνεργάτες (superpartners)

Ονομα Spin Superpartner Spin
Γκραβιτόνιο 2 Gravitino 3/2
Φωτόνιο 1 Photino 1/2
Γκλουόνιο 1 Gluino 1/2
W+,- 1 Wino+,- 1/2
Z0 1 Zino 1/2
Higgs 0 Higgsino 1/2

Γνωστά σωματίδια που φτιάχνουν την ύλη, και οι πιθανοί τους υπερσυνεργάτες (superpartners)

Όνομα Spin Superpartner Spin
Ηλεκτρόνιο 1/2 Selectron 0
Μιόνιο 1/2 Smuon 0
Tau 1/2 Stau 0
Νετρίνο 1/2 Sneutrino 0
Quark 1/2 Squark 0

Οι συνεργάτες των γνωστών σωματιδίων προβλέπονται να είναι σχετικά μεγάλης μάζας και να αλληλεπιδρούν ασθενώς με την συνηθισμένη ύλη, πράγμα που καθιστά δύσκολη την παραγωγή και την ανίχνευσή τους. Αλλά η ύπαρξή τους θα μπορούσε να αποτελέσει το κλειδί στην ανεξήγητη μετατόπιση στη συχνότητα ταλάντευσης, είπε ο Dr William J. Marciano, ένας θεωρητικός φυσικός στο Brookhaven. "Η φυσικότερη εξήγηση αυτού του είδους ένδειξης," είπε ο Dr Marciano," θα ήταν η υπερσυμμετρία." Η παρατηρηθείσα αλλαγή στη συχνότητα, συνέχισε, "ταιριάζει με την υπερσυμμετρία όπως ένα γάντι."

Ο Dr Frank Wilczek, ένας καθηγητής της φυσικής στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ), είπε ότι το νέο αποτέλεσμα, αν και όχι στατιστικά ασφαλές, έδωσε την ευκαιρία να θεωρηθεί η υπερσυμμετρία πως είναι ο σωστός τρόπος να επεκταθεί και να υποβοηθηθεί το Καθιερωμένο Πρότυπο.

"Θα σήμαινε ότι στην περιγραφή του κόσμου, θα πρέπει να προσθέσουμε στις εξισώσεις του καθιερωμένου προτύπου και την υπερσυμμετρία," είπε ο Dr Wilczek. "Και εκείνες οι προσθήκες καθιστούν την όλη υπόθεση πολύ κομψή, ενοποιημένη και ομορφότερη."

Εάν τα πειράματα Brookhaven είναι μια έμμεση ένδειξη ότι τα supersymmetric σωματίδια υπάρχουν, κατόπιν το μέγεθος της παρατηρηθείσας επίδρασης προτείνει ότι θα μπορούσαν να παραχθούν και να ανιχνευθούν άμεσα σε μια νέα γενεά των επιταχυντών σωματιδίων που θα αρχίσει σύντομα να συλλέγει στοιχεία, δήλωσαν διάφοροι θεωρητικοί.

Η πρώτη νέα μηχανή για να πάει σε λειτουργία θα είναι ο αναβαθμισμένος επιταχυντής Tevatron στο Fermi National Accelerator Laboratory, έξω από το Σικάγο, η οποία θα αρχίσει να συλλέγει στοιχεία αυτήν την Άνοιξη.

"Βεβαίως οι υψηλότερες ενεργειακές μηχανές θα ψάξουν σε αυτές τις ενεργειακές περιοχές για αυτά τα νέα σωματίδια," είπε ο Dr Vernon Hughes, ένας φυσικός από το Yale που είναι εκπρόσωπος για το πείραμα.

Οι θεωρητικοί είπαν ότι θα ερευνήσουν επίσης άλλους τρόπους για να εξηγήσουν τα στοιχεία, όπως τη δυνατότητα ότι τα σωματίδια που θεωρούνται στοιχειώδη και αδιαίρετα να αποτελούνται από ακόμη μικρότερες οντότητες, και ότι η δομή του χώρου του ιδίου, μπορεί να είναι πιό σύνθετη από ό,τι η επικρατούσα φυσική υποθέτει.

Από σύμπτωση, ο Dr Hughes εργάστηκε παλιά κάτω από την καθοδήγηση του Isidor Ι. Rabi, νικητή των βραβείων Nobel που είχε εκφράσει μια αξιοσημείωτη απορία όταν το μιόνιο ανακαλύφθηκε αιφνιδιαστικα στη δεκαετία του '30.

"Ποιος το παράγγειλε αυτό;" αναρωτήθηκε τότε ο καθηγητής Rabi.

Όταν ρωτιέται για μια αντίστοιχη αντίδραση στα νέα ευρήματα, ο Dr Hughes σκέφτεται για μια στιγμή και λέει, "Οι άνθρωποι που ασχολούνται με την υπερσυμμετρία το διέταξαν αυτό."

Υπερσυμμετρία

Η υπερσυμμετρία επινοήθηκε γιά να συγχωνευτούν σε μία ενιαία περιγραφή τα δύο είδη των στοιχειωδών σωματιδίων: τα μποζόνια με άρτιο πολλαπλάσιο του 1/2 και τα φερμιόνια με περιττό πολλαπλάσιο του 1/2. Αποτελεί την ελπίδα της επίλυσης πολλών προβλημάτων στην σωματιδιακή θεωρία αλλά απαιτεί ίσο αριθμό φερμιονίων και μποζονίων. Αν η υπερσυμμετρία είναι μια συμμετρία των φυσικών νόμων τότε τα φαινομενικά διαφορετικά σωματίδια στην πραγματικότητα αποτελούν τις διαφορετικές όψεις του ιδίου πράγματος.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Θεωρία των χορδών - Kalusa-Klein
Σωματιδιακή Φυσική
Ενδιαφέρουσες ιστοσελίδες
The Brookhaven experiment's page
University of Illinois' collaboration
Boston University's collaboration
Home