Πώς λειτουργεί ο κόσμος γύρω μας; Τι είναι το Καθιερωμένο Πρότυπο; Μπορεί ένα «ανυπάκουο» σωματίδιο να ανατρέψει την αντίληψή μας για το Σύμπαν; Τις τελευταίες μέρες ο διεθνής τύπος φιλοξενεί αρκετά δημοσιεύματα τα οποία αναφέρονται στις νέες μετρήσεις από το πείραμα Muon g−2 στο Εθνικό Εργαστήριο του Επιταχυντή Fermilab του Ιλινόι.
Σ’ αυτό συμμετείχαν επιστήμονες από επτά χώρες και επιβεβαίωσαν ότι κάτι απρόσμενο συμβαίνει με τα μιόνια, μια εξέλιξη που πιθανώς καταδεικνύει την ύπαρξη άγνωστων σωματιδίων και φυσικών δυνάμεων και ότι ίσως έχουμε φτάσει πολύ κοντά σε μία ιστορική ανακάλυψη.
Πολλοί επιστήμονες αναφέρουν ότι είναι πολύ νωρίς για να πούμε εάν πρόκειται όντως για απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο αλλά σημειώνουν ότι αναμφίβολα πρόκειται για μια συναρπαστική ένδειξη. Για περισσότερες διευκρινίσεις απευθυνθήκαμε στον καθηγητή του τομέα Φυσικής της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, Νίκο Τράκα, τα ερευνητικά ενδιαφέροντα του οποίου εστιάζουν στη Θεωρητική Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων.
Οι μετρήσεις του πειράματος δείχνουν μια παράξενη (εκτός του Καθιερωμένου Προτύπου) συμπεριφορά του μιονίου που πιθανόν να μπορεί να εξηγηθεί από την παρουσία νέων στοιχειωδών σωματιδίων.
— Ποια είναι η αντίληψη της σύγχρονης έρευνας για τη βασική δομή της ύλης; Και ποια είναι τα στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία συγκροτείται;
Η προσπάθεια κατανόησης της βασικής δομής της ύλης απασχολεί την ανθρωπότητα από «αρχαιοτάτων χρόνων», για να χρησιμοποιήσουμε ένα γνωστό κλισέ. Στην αρχαία ελληνική φιλοσοφία είχαμε τον αέρα, τη φωτιά, το νερό και τη γη ως βασικά συστατικά της ύλης. Ο Δημόκριτος είναι γνωστός για τη φιλοσοφική του θεώρηση ότι η ύλη απαρτίζεται από αόρατα και αδιάσπαστα στοιχεία, τα άτομα.
Κάνοντας ένα μεγάλο χρονικό άλμα, φτάνουμε στον 18ο αιώνα, όπου ο Άγγλος Τζ. Ντάλτον, στηριζόμενος σε πειράματα με αέρια, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα διάφορα χημικά στοιχεία συγκροτούνται από άτομα. Ο Ρώσος Μεντελέγιεφ παρουσιάζει τον περιοδικό πίνακα των (έως τότε γνωστών) χημικών στοιχείων, που θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ο πρώτος πίνακας των θεμελιωδών (ή στοιχειωδών) σωματιδίων της ύλης. Στις αρχές του 20ού αιώνα, με τα πειράματά του ο Άγγλος Ράδερφορντ έδειξε ότι το ίδιο το άτομο συγκροτείται από ένα πολύ μικρό (σχετικά με το μέγεθος του ατόμου) πυρήνα (με θετικό ηλεκτρικό φορτίο) και ηλεκτρόνια (με αρνητικό φορτίο).
Κατά τη δεκαετία του 1930, νέα πειράματα έδειξαν ότι ο πυρήνας του ατόμου συγκροτείται από δύο ειδών σωματίδια: πρωτόνια και νετρόνια. Το 1964, ο Αμερικανός Μάρεϊ Γκελ-Μαν και ο Ρωσο-Αμερικανός Τζορτζ Τσβάιχ παρουσιάζουν τη θεωρία ότι το πρωτόνιο και το νετρόνιο –που συγκροτούν τους πυρήνες των ατόμων όλων των χημικών στοιχείων– και άλλα πολλά σωματίδια που είχαν ανακαλυφθεί σε σχετικά πειράματα, συγκροτούνται με τη σειρά τους από πιο θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία ο Γκελ-Μαν ονόμασε κουάρκ (quark). Πειράματα στις δεκαετίες 1960 και 1970, τόσο σε εργαστήρια της Ευρώπης (CERN στη Γενεύη της Ελβετίας και DESY στο Αμβούργο της Γερμανίας) όσο και της Αμερικής (SLAC και Fermilab στις ΗΠΑ) επιβεβαίωσαν τις θεωρητικές προβλέψεις των Γκελ-Μαν και Τσβάιχ.
Αρχικά τριών ειδών (πολλές φορές αναφέρονται ως γεύσεις, flavour) κουάρκ, με τα ονόματα: άνω (up), κάτω (down) και παράξενο (strange), ήταν αρκετά για την περιγραφή των σωματιδίων που «βλέπανε» τα πειράματα. Ανακάλυψη και νέων σωματιδίων έχει οδηγήσει στον σημερινό πίνακα των στοιχειωδών σωματιδίων όπου εμφανίζονται έξι γεύσεις κουάρκ. Τα νέα κουάρκ είναι τα: χαριτωμένο (charm), υψηλό (top) και χαμηλό (bottom). Τα έξι αυτά κουάρκ αποτελούν την ομάδα των αδρονίων (hadron).
Ο πίνακας συμπληρώνεται από τα διάφορα «αδελφάκια» του ηλεκτρονίου (ας μην το ξεχνάμε αφού σ’ αυτό οφείλονται οι χημικές ιδιότητες των στοιχείων!) που έχουν παρατηρηθεί στα πειράματα: το μιόνιο (muon), το σωματίδιο ταυ (tau) και τα τρία νετρίνα (neutrino) που συσχετίζονται με τα ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ. Τα έξι τελευταία σωματίδια αποτελούν την ομάδα των λεπτονίων (lepton).
Ο πίνακας συμπληρώνεται από τα αντίστοιχα σωματίδια αντιύλης. Το 1928 ο Άγγλος Π. Ντιράκ προέβλεψε θεωρητικά την ύπαρξη του αντι-ηλεκτρονίου (το αποκαλούμε ποζιτρόνιο) το οποίο παρατηρήθηκε το 1932 από τον Άντερσον. Τώρα γνωρίζουμε ότι κάθε σωματίδιο έχει το δικό του αντι-σύντροφο με κύριο χαρακτηριστικό το αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.
— Και το περίφημο σωματίδιο χιγκς;
Στον πίνακα αυτό θα πρέπει να προσθέσουμε πλέον και το σωματίδιο χιγκς (higgs), το οποίο προβλέφθηκε θεωρητικά τη δεκαετία του 1960 από τους Φ. Ενγκλέρ, Ρ. Μπράουτ, Π. Χιγκς και αρκετούς άλλους επιστήμονες. Την πρώτη πειραματική παρατήρησή του ανακοίνωσε το CERN το 2012. Η παρουσία του σωματιδίου αυτού επιτρέπει τη σωστή θεωρητική περιγραφή της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων.
— Πώς αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια συγκροτούν αυτό που βλέπει ο καθένας μας γύρω του; Υπάρχουν δυνάμεις μεταξύ τους που τα «καθοδηγούν»;
Τα σωματίδια αυτά αλληλοεπιδρούν με τεσσάρων ειδών δυνάμεις: τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ισχυρή πυρηνική δύναμη και την ασθενή πυρηνική δύναμη. Οι δυο πρώτες έχουν άπειρη εμβέλεια ενώ οι δυο τελευταίες δρουν μόνο στην περιοχή του πυρήνα του ατόμου. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων πραγματοποιείται με ανταλλαγή των λεγομένων σωματιδίων-φορέων που «μεταφέρουν» την αλληλεπίδραση: το φωτόνιο για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, τα W+, W- και Z για την ασθενή και 8 γκλουόνια (gluon) για την ισχυρή. Η βαρύτητα παραμένει ακόμα μια δύναμη (αλληλεπίδραση) που είναι δύσκολο να περιγράφει με σύγχρονο (κβαντικό) τρόπο ενώ η έρευνα στον τομέα αυτό είναι πολύ έντονη.
— Αυτό είναι το λεγόμενο «Καθιερωμένο Πρότυπο» των σωματιδίων;
Πράγματι. Ο πίνακας των σωματιδίων και το σωματίδιο χιγκς, με τις τρεις αλληλεπιδράσεις τους μαζί με τα σωματίδια-φορείς τους (αλλά χωρίς τη βαρυτική αλληλεπίδραση), συγκροτούν το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) που συμφωνεί σε μεγάλη ακρίβεια με όλα τα πειράματα που έχουν πραγματοποιηθεί στα διάφορα σχετικά εργαστήρια ανά τον κόσμο.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο, παρ’ όλη την επιτυχία του δεν αποτελεί το «τέλος του δρόμου». Αρκετά σημαντικά στοιχεία δεν προβλέπονται απ’ αυτό και πρέπει να εισαχθούν με το «χέρι», ουσιαστικά από το πείραμα. Επίσης υπάρχουν και μερικές άλλες θεωρητικές ατέλειες που δεν «αρέσουν» στους θεωρητικούς φυσικούς.
Οπότε, παρ’ όλη την αναμφισβήτητη επιτυχία του, το Καθιερωμένο Πρότυπο θεωρείται ότι αποτελεί τμήμα ενός πιο πλήρους προτύπου το οποίο αναζητείται από την σύγχρονη έρευνα.
— Ποια είναι αυτές οι ατέλειες και τα στοιχεία που δεν προβλέπει το ΚΠ;
Ανάμεσα στα προβλήματα που ζητούν λύση είναι η κοσμολογική παρατήρηση ότι το σύμπαν κατά ένα τεράστιο ποσοστό (96%) αποτελείται από μια άγνωστης μορφής ύλη (την επονομαζόμενη σκοτεινή ύλη, dark matter) και από μια άγνωστης μορφής ενέργεια (την σκοτεινή ενέργεια, dark energy) για τις οποίες το ΚΠ δεν έχει να «πει» τίποτα. Άλλο ένα πρόβλημα, που και πάλι συνδέεται με την κοσμολογία, είναι ότι η πολύ επιτυχής θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang), ως «αρχικής στιγμής» του Σύμπαντος, ξεκινά με ίση ποσότητα ύλης και αντιύλης. Σήμερα όμως, δεν παρατηρείται καθόλου ελεύθερη αντιύλη στο Σύμπαν. Βέβαια, σωματίδια αντιύλης παράγουμε στα πειράματά μας, όπου ελέγχουμε τις ιδιότητές τους.
— Θα θέλατε να μας εξηγήσετε τα δεδομένα σχετικά με τις τελευταίες εξελίξεις ως προς την κατάρρευση του Καθιερωμένου Προτύπου;
Τον Μάρτη του 2021, το πείραμα LHCb –ένα από τα τέσσερα μεγάλα πειράματα που διεξάγονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN– ανακοίνωσε στο Διεθνές Συνέδριο του Moriond ότι υπάρχουν ενδείξεις διαφοράς στη συμπεριφορά μεταξύ του ηλεκτρονίου και του μιονίου, σε αντίθεση με τη θεμελιώδη πρόταση του ΚΠ περί «παγκοσμιότητας των λεπτονικών γεύσεων» (lepton flavor universality), που στην περίπτωσή μας λέει ότι οι τρεις λεπτονικές γεύσεις (ηλεκτρόνιο, μιόνιο και σωματίδιο τ) έχουν την ίδια πιθανότητα να εμφανιστούν σε διασπάσεις του χαμηλού κουάρκ, αντίθετα από τις παρατηρήσεις του πειράματος LHCb.
Αν επιβεβαιωθεί αυτή η παραβίαση της παγκοσμιότητας, θα πρέπει να εισαχθούν νέα σωματίδια ή/και νέες αλληλεπιδράσεις, πέραν αυτών που παρουσιάζονται στο ΚΠ. Η μελέτη και άλλων πειραματικών δεδομένων από το εν λόγω πείραμα συνεχίζεται και θα είναι ενδιαφέρον να δούμε κατά πόσο τα νέα αποτελέσματα θα είναι στην ίδια κατεύθυνση με τις έως τώρα ενδείξεις.
— Από τα πειράματα στην Αμερική έχει προκύψει κάτι καινούργιο;
Οι ενδείξεις από το LHCb είναι συνεπείς και με άλλες παρόμοιες που έχουν αναφερθεί και από άλλα πειράματα, όπως αυτό στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi (Fermi National Accelerator Laboratory, Fermilab) στις ΗΠΑ και πιο συγκεκριμένα από το πείραμα «Muon g−2». Στο πείραμα αυτό εξετάζεται η συμπεριφορά του μιονίου σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αυτή περιγράφεται από το ΚΠ και σχετίζεται με την παρουσία των υπολοίπων στοιχειωδών σωματιδίων.
Οι μετρήσεις του πειράματος δείχνουν μια παράξενη (εκτός του ΚΠ) συμπεριφορά του μιονίου που πιθανόν να μπορεί να εξηγηθεί από την παρουσία νέων στοιχειωδών σωματιδίων. Αυτές οι μετρήσεις συμφωνούν με αντίστοιχες ενός παλαιότερου πειράματος (που ολοκληρώθηκε το 2001) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, στις ΗΠΑ.
Το πείραμα «Muon g−2» ξεκίνησε το 2018 και έως σήμερα έχουν αναλυθεί δεδομένα από την πρώτη περίοδο λειτουργίας του. Τώρα μελετώνται τα δεδομένα της δεύτερης και τρίτης περιόδου λειτουργίας, η τρέχουσα είναι η τέταρτη περίοδος και η πέμπτη σχεδιάζεται. Αποτελέσματα και από τις πέντε περιόδους λειτουργίας του πειράματος (αυτό θα συμβεί στα επόμενα δύο χρόνια) θα δείξουν πολύ καθαρά αν πράγματι βρισκόμαστε μπροστά σε μια «νέα φυσική» των στοιχειωδών σωματιδίων.
— Τι προβλέπετε για το άμεσο μέλλον;
Τα επόμενα χρόνια προαλείφονται συναρπαστικά στον ερευνητικό τομέα της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων, τόσο στο πειραματικό όσο και στο θεωρητικό πεδίο. Πόσο καλά κρατιέται το Καθιερωμένο Πρότυπο στον (προσωρινό) θρόνο του; Ανοίγονται νέοι δρόμοι στην πληρέστερη κατανόηση και περιγραφή της ύλης και του σύμπαντος;
