Νέο σωματίδιο μπλέκει τους φυσικούς

Από το PhysicsWeb, 18 Ιουνίου 2004

Η πειραματική συνεργασία SELEX στο εργαστήριο Fermilab στις ΗΠΑ έχει ανακαλύψει ένα νέο υποατομικό σωματίδιο, που αποτελείται από ένα παράξενο κουάρκ και ένα γοητευτικό αντικουάρκ. Το νέο σωματίδιο, που ανήκει σε μια οικογένεια υποατομικών σωματιδίων που λέγονται 'βαρέα-ελαφρά'' μεσόνια, διασπάται με τρόπους που δεν προβλέπονται από τη θεωρία.

Συγκεκριμένα οι επιστήμονες στο SELEX είδαν το νέο μεσόνιο να διασπάται περίπου έξι φορές συχνότερα από αυτό που αναμενόταν. Και επειδή όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του μεσονίου, τόσο μικρότερη είναι η διάρκεια ζωής του πριν διασπαστεί σε άλλα σωματίδια, οι ερευνητές είδαν να συμβαίνει το αντίθετο. Αυτό το βαρύ μεσόνιο ζει τρεις φορές περισσότερο από τους ελαφρύτερους συγγενείς του.

"Είναι σαν να υπάρχει μια μεγάλη και μια μικρή τρύπα στον πυθμένα ενός δοχείου με νερό και για κάποιους λόγους, το νερό χύνεται από τη μικρή τρύπα έξι φορές γρηγορότερα από ότι βγαίνει από τη μεγάλη. Κάτι ασυνήθιστο πρέπει να υπάρχει μέσα στο δοχείο", λέει το μέλος της ερευνητικής ομάδας και φυσικός του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon, James RussRuss.

Τα μεσόνια είναι σωματίδια που περιέχουν ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ, που μπορούν να βρίσκονται μαζί  λόγω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Υπάρχουν έξι διαφορετικές "γεύσεις" του κουάρκ -- πάνω (up), κάτω (down), παράξενο (strange), γοητευτικό (charm), κορυφαίο (top) και πυθμένιο (bottom) -- έτσι είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών μεσόνιων. Το νέο μεσόνιο που βρέθηκε από το SELEX (Segmented Large X baryon Spectrometer) περιέχει ένα παράξενο κουάρκ, που είναι ένα ελαφρύ κουάρκ, και ένα πολύ βαρύτερο γοητευτικό αντικουάρκ. Γι' αυτό και τα σωματίδια αυτά λέγονται "βαρέα-ελαφρά".

Οι φυσικοί του SELEX ανέλυσαν τα στοιχεία που συλλέχθηκαν από τις συγκρούσεις πρωτονίου-αντιπρωτονίου στο συγκρουστή δεσμών Tevatron στο Fermilab. Και έμειναν έκπληκτοι όταν διαπίστωσαν ότι το νέο μεσόνιο τους -- που έχει μάζα 2.635 MeV -- είχε μια διάρκεια ζωής που ήταν τρεις φορές πιο μεγάλη από αυτή των ελαφρύτερων μεσονίων. Κανονικά, ο χρόνος ημίσειας ζωής ενός μεσονίου γίνεται πιο μικρός καθώς η μάζα αυξάνεται. Επιπλέον, το νέο μεσόνιο διασπάστηκε σε ένα άλλο μεσόνιο, γνωστό ως μεσόνιο eta έξι φορές συχνότερα από ό,τι προβλέπει η θεωρία.

"Το νέο σωματίδιο παρουσιάζει μια πιθανή απόκλιση από την αναμενόμενη πορεία, που συναντάμε στα περισσότερα μεσόνια", λέει ο Christopher Hill , ένας θεωρητικός στο Fermilab. "Αυτό δείχνει ότι κάποια ενδιαφέρουσα νέα δυναμική πτυχή της ισχυρής δύναμης βρίσκεται μπροστά μας, και ανοίγει την πόρτα για πολλές μελλοντικές εξερευνήσεις, στο Fermilab και σε όλο τον κόσμο".

Η ισχυρή δύναμη, που διατηρεί σταθερούς τους πυρήνες των ατόμων για να μην διασπαστούν, επίσης, ελέγχει τους ρυθμούς διάσπασης των σωματιδίων. Γιατί όμως το νέο μεσόνιο δεν ακολουθεί το ιδιαίτερα προβλέψιμο μοντέλο της διάσπασης άλλων μεσονίων;

Τα μεσόνια είναι βραχύβια σωματίδια. Η διάρκεια ζωής τους είναι τόσο σύντομη που παρουσιάζονται με ένα εύρος μάζας, αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν το πλάτος του σωματιδίου. Αυτό το ασυνήθιστο φαινόμενο -- η μάζα ενός σωματιδίου να είναι αβέβαιη επειδή ζει έναν πολύ σύντομο χρόνο -- είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα της αρχής αβεβαιότητας του Heisenberg. Είναι μια ζωντανή επίδειξη ότι αυτά τα σωματίδια ζουν σε έναν κβαντικό κόσμο. Η διάρκεια ζωής των μεσονίων είναι 10^-24 δευτερόλεπτα, ή για να δώσουμε ένα μέτρο του χρόνου, είναι ο χρόνος που θέλει το φως για να διασχίσει ένα πρωτόνιο.

Το νέο μεσόνιο είναι το τελευταίο σε έναν κατάλογο πρόσφατων εκπληκτικών ανακαλύψεων στη φυσική σωματιδίων. Μεταξύ των άλλων είναι τα πεντακουάρκ, που περιέχουν πέντε κουάρκ, ένα σωματίδιο που ονομάστηκε Χ (3872), που εμφανίζεται να αποτελείται από τέσσερα κουάρκ, και ένα άλλο μεσόνιο που ονομάστηκε Ds (2317), που δεν συμπεριφέρεται όπως προβλέπεται.

Οι ερευνητές την εργασία τους την περιγράφουν ως "η πρώτη παρατήρηση ενός μεσονίου Charm-Strange DsJ+(2632)->Ds(eta)+ και D0K¨". Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν την περασμένη Παρασκευή, 18 Ιουνίου σε ένα σεμινάριο στο Fermilab από το φυσικό Anatoly Evdokimov του Ινστιτούτου Θεωρητικής και Πειραματικής Φυσικής στη Μόσχα.

Η συνεργασία SELEX είναι ένα σχετικά μικρό πείραμα για τα στάνταρτ της φυσικής σωματιδίων, και αποτελείται περίπου από 125 φυσικούς από 21 Ιδρύματα σε όλο τον κόσμο. Περιλαμβάνονται έξι ιδρύματα στις ΗΠΑ, τέσσερα στη Ρωσία, τρία στη Νότια Αμερική, δύο στην Ιταλία, και από ένα στην Τουρκία, τη Γερμανία, το Μεξικό, το Ηνωμένο Βασίλειο, το Ισραήλ και την Κίνα.