Τι είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο;

Στην φαινομενικά απλούστατη ερώτηση «τι είναι ένα σωματίδιο;», έχουν δοθεί διάφορες απαντήσεις όπως: ένα σημειακό αντικείμενο, μια διέγερση ενός πεδίου, μια έννοια καθαρών μαθηματικών που διεισδύει στην πραγματικότητα. Όμως η σημερινή αντίληψη των φυσικών για το τι είναι ένα σωματίδιο έχει αλλάξει κατά πολύ.

Δεδομένου ότι τα πάντα στο σύμπαν ανάγονται σε σωματίδια, προκύπτει αβίαστα η ερώτηση: τι είναι τα σωματίδια;

Μια απλή απάντηση, ότι δηλαδή: τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, τα κουάρκ και άλλα «στοιχειώδη» σωματίδια δεν έχουν δομή ή φυσική έκταση, φαίνεται εκ των πραγμάτων μη ικανοποιητική. Σύμφωνα με την Mary Gaillard, που προέβλεψε τις μάζες δυο τύπων κουάρκ στην δεκαετία του 1970, «βασικά πιστεύουμε ότι ένα σωματίδιο είναι ένα σημειακό αντικείμενο». Ωστόσο τα σωματίδια έχουν διακριτά χαρακτηριστικά, όπως φορτίο και μάζα. Πώς μπορεί ένα σημείο χωρίς διαστάσεις να έχει βάρος;

Λέμε ότι είναι «στοιχειώδη», λέει ο Xiao-Gang Wen, θεωρητικός φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Αλλά αυτός είναι απλώς ένας [τρόπος για να πεις] στους φοιτητές, «Μην ρωτάτε! Δεν ξέρω την απάντηση. Είναι στοιχειώδη, μην ξαναρωτήσετε».

Για οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο, οι ιδιότητες του αντικειμένου εξαρτώνται από τη φυσική του σύνθεση – και τελικά, από τα συστατικά του σωματίδια. Όμως οι ιδιότητες αυτών των σωματιδίων δεν προέρχονται από συστατικά τους αλλά από μαθηματικά πρότυπα. Ως σημεία επαφής μεταξύ μαθηματικών και πραγματικότητας, τα σωματίδια εκτείνονται και στους δύο κόσμους σε μια αβέβαιη βάση.

Όταν ρώτησα πρόσφατα δώδεκα φυσικούς σωματιδίων «τι είναι ένα σωματίδιο;», έδωσαν εντελώς διαφορετικές περιγραφές. Τόνισαν ότι οι απαντήσεις τους δεν έρχονται σε σύγκρουση, αλλά καταγράφουν διαφορετικές πτυχές της αλήθειας. Περιέγραψαν επίσης δύο πρόσφατες σημαντικές ερευνητικές ιδέες στη θεμελιώδη φυσική οι οποίες επιδιώκουν μια πιο ικανοποιητική και ολοκληρωμένη εικόνα των σωματιδίων.

«Τι είναι ένα σωματίδιο;» είναι πράγματι μια πολύ ενδιαφέρουσα ερώτηση, λέει ο Wen.»Σήμερα υπάρχει πρόοδος όσον αφορά την απάντηση. Δεν πρέπει να πω ότι υπάρχει μια ενιαία άποψη, αλλά υπάρχουν πολλές διαφορετικές απόψεις και όλες φαίνονται ενδιαφέρουσες.»

Σωματίδιο είναι μια «κατάρρευση κυματοσυνάρτησης»

“Την στιγμή που το ανιχνεύω, καταρρέει η κυματοσυνάρτηση και γίνεται σωματίδιο… [Το σωματίδιο είναι] η κυματοσυνάρτηση που κατέρρευσε».

—Δημήτρης Νανόπουλος

Ο προβληματισμός για κατανόηση των θεμελιωδών δομικών στοιχείων της φύσης ξεκίνησε με τον ισχυρισμό του αρχαίου Έλληνα φιλόσοφου Δημόκριτου περί ατόμων. Δύο χιλιετίες μετά, ο Isaac Newton και ο Christiaan Huygens διαφώνησαν για το αν το φως συνίσταται από σωματίδια ή κύματα. Η ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής μετά από περίπου 250 χρόνια απέδειξε πως και οι δυο αυθεντίες είχαν δίκιο: Το φως συνίσταται από πακέτα ενέργειας γνωστά ως φωτόνια, τα οποία συμπεριφέρονται τόσο ως σωματίδια όσο και ως κύματα.

Η δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων κατέληξε να είναι ένα σύμπτωμα μιας βαθύτερης σπανιότητας. Η κβαντομηχανική αποκάλυψε στους θεμελιωτές της την δεκαετία του 1920 ότι τα φωτόνια και άλλα κβαντικά αντικείμενα περιγράφονται καλύτερα όχι ως σωματίδια ή κύματα αλλά από αφηρημένες «κυματοσυναρτήσεις» – εξελισσόμενες μαθηματικές συναρτήσεις που δείχνουν την πιθανότητα ενός σωματιδίου να έχει διάφορες ιδιότητες. Για παράδειγμα, η κυματοσυνάρτηση που αντιπροσωπεύει ένα ηλεκτρόνιο απλώνεται χωρικά, έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να έχει πιθανές θέσεις και όχι μια συγκεκριμένη. Αλλά κατά κάποιο παράξενο τρόπο, όταν χρησιμοποιείτε έναν ανιχνευτή για να προσδιορίσετε την θέση του ηλεκτρονίου, η κυματοσυνάρτηση ξαφνικά «καταρρέει» σε ένα σημείο και το σωματίδιο κάνει κλικ σε αυτήν τη θέση στον ανιχνευτή.Ένα σωματίδιο είναι μια κυματοσυνάρτηση που κατέρρευσε. Αλλά τι σημαίνει αυτό στον κόσμο; Γιατί η παρατήρηση προκαλεί την κατάρρευση μιας «απλωμένης» μαθηματικής συνάρτησης και την εμφάνιση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου; Και ποιός αποφασίζει το αποτέλεσμα της μέτρησης; Εδώ και σχεδόν έναν αιώνα, οι φυσικοί δεν έχουν ιδέα.

Σωματίδιο είναι μια ‘Κβαντική Διέγερση ενός Πεδίου’

«Τι είναι ένα σωματίδιο για έναν φυσικό; Είναι μια κβαντική διέγερση ενός πεδίου. Γράφουμε την φυσική σωματιδίων σε μια μαθηματική γλώσσα που ονομάζεται κβαντική θεωρία πεδίου. Δεδομένου ότι υπάρχουν πολλά διαφορετικά πεδία, με κάθε πεδίο να έχει διαφορετικές ιδιότητες και διαφορετικές διεγέρσεις ανάλογα με τις ιδιότητες, αυτές τις διεγέρσεις μπορούμε να τις θεωρήσουμε ως σωματίδια.»

—Helen Quinn

Στη δεκαετία του 1930 η εικόνα έγινε ακόμη πιο παράξενη. Οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι οι κυματοσυναρτήσεις πολλών μεμονωμένων φωτονίων συμπεριφέρονται συλλογικά σαν ένα μόνο κύμα που διαδίδεται μέσω σύμφωνων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων – ακριβώς όπως η κλασική εικόνα του φωτός που ανακαλύφθηκε τον 19ο αιώνα από τον James Clerk Maxwell. Αυτοί οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι θα μπορούσαν να «κβαντώσουν» την κλασική θεωρία πεδίων, περιορίζοντας τα πεδία, ώστε να μπορούν να ταλαντώνονται μόνο σε διακριτές ποσότητες γνωστές ως «κβάντα» των πεδίων. Εκτός από τα φωτόνια – τα κβάντα του φωτός – ο Paul Dirac και άλλοι ανακάλυψαν ότι η ιδέα θα μπορούσε να επεκταθεί σε ηλεκτρόνια και σε οτιδήποτε άλλο: Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, τα σωματίδια είναι διεγέρσεις των κβαντικών πεδίων που γεμίζουν όλο το χώρο.

Θεωρώντας την ύπαρξη αυτών των πιο θεμελιωδών πεδίων, η κβαντική θεωρία πεδίου απογύμνωσε την κατάσταση των σωματιδίων, χαρακτηρίζοντάς τα ως απλά μπιτ ενέργειας που θέτουν τα πεδία σε «παφλασμό». Ωστόσο, παρά το οντολογικό φορτίο των πανταχού παρόντων πεδίων, η κβαντική θεωρία πεδίου έγινε η κοινή γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής, επειδή επιτρέπει στους ερευνητές να υπολογίζουν με ακρίβεια τι συμβαίνει όταν αλληλεπιδρούν σωματίδια – οι αλληλεπιδράσεις σωματιδίων είναι, σε βασικό επίπεδο, ο τρόπος με τον οποίο ο κόσμος συναρμολογείται.

Καθώς οι φυσικοί ανακάλυπταν όλο και περισσότερα σωματίδια και τα σχετικά πεδία τους, αναπτύχθηκε μια παράλληλη προοπτική. Οι ιδιότητες αυτών των σωματιδίων και πεδίων φαίνονταν να ακολουθούν αριθμητικά μοτίβα. Επεκτείνοντας αυτά τα μοτίβα, οι φυσικοί μπόρεσαν να προβλέψουν την ύπαρξη περισσότερων σωματιδίων. «Άπαξ και κωδικοποιήσετε τα μοτίβα που παρατηρείτε στα μαθηματικά, τα μαθηματικά διαθέτουν προβλεπτικότητα. Σου λένε περισσότερα πράγματα από αυτά που μπορείς να παρατηρήσεις, επισημαίνει η Helen Quinn, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Τα μοτίβα υποδεικνύουν επίσης μια πιο αφηρημένη και ενδεχομένως βαθύτερη οπτική για το τι είναι στ’ αλήθεια τα σωματίδια.

Ένα σωματίδιο είναι μια «μη-αναγώγιμη αναπαράσταση ομάδας»

«Τα σωματίδια περιγράφονται στο ελάχιστο από μη αναγώγιμες αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré.»

— Sheldon Glashow

Ο Mark Van Raamsdonk θυμάται το ξεκίνημα του πρώτου μαθήματος της κβαντικής θεωρίας πεδίου, ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Ο καθηγητής μπήκε στην αίθουσα, κοίταξε τους μαθητές και ρώτησε: «Τι είναι ένα σωματίδιο;»

«Μια μη αναγωγίσιμη αναπαράσταση της ομάδας Poincaré», απάντησε ένας διαβασμένος συμφοιτητής.

Λαμβάνοντας τον προφανώς σωστό ορισμό ως γενική γνώση, ο καθηγητής παρέλειψε οποιαδήποτε εξήγηση και άρχισε μια ακατανόητη σειρά διαλέξεων. «Όλο αυτό το εξάμηνο δεν έμαθα τίποτα από το μάθημα», δήλωσε ο Van Raamsdonk, ο οποίος είναι πλέον ένας αναγνωρισμένος θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Βανκούβερ.

Είναι μια βαθύτερη συνηθισμένη απάντηση των ανθρώπων που γνωρίζουν: Τα σωματίδια είναι «αναπαραστάσεις» των «ομάδων συμμετρίας», οι οποίες είναι σύνολα μετασχηματισμών που μπορούν να εφαρμοστούν σε αντικείμενα.

Πάρτε, για παράδειγμα, ένα ισόπλευρο τρίγωνο. Περιστρέφοντάς το κατά 120 ή 240 μοίρες, ή ανακλώντας ως προς την ευθεία που διέρχεται από κάποιο ύψος του, ή μη κάνοντας τίποτα, όλα αφήνουν το τρίγωνο αναλλοίωτο να φαίνεται όπως ήταν πριν. Αυτές οι έξι συμμετρίες σχηματίζουν μια ομάδα. Η ομάδα μπορεί να εκφραστεί ως ένα σύνολο μαθηματικών πινάκων – διατάξεις αριθμών που, όταν πολλαπλασιαστούν με τις συντεταγμένες ισόπλευρου τριγώνου, δίνουν τις ίδιες συντεταγμένες. Ένα τέτοιο σύνολο πινάκων είναι μια «αναπαράσταση» της ομάδας συμμετρίας.

Με παρόμοιο τρόπο, τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και άλλα στοιχειώδη σωματίδια είναι αντικείμενα που ουσιαστικά παραμένουν τα ίδια όταν δρα σ’ αυτά μια συγκεκριμένη ομάδα. Δηλαδή, τα σωματίδια είναι αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré: η ομάδα των 10 (μετασχηματισμών) τρόπων μετακίνησης στο χωροχρονικό συνεχές. Τα αντικείμενα μπορούν να μετακινηθούν σε τρεις χωρικές κατευθύνσεις ή να μετατοπιστούν χρονικά. Μπορούν επίσης να περιστραφούν σε τρεις κατευθύνσεις ή να αποκτήσουν ορμή σε οποιαδήποτε από αυτές τις κατευθύνσεις. Το 1939, ο φυσικο-μαθηματικός Eugene Wigner όρισε τα σωματίδια ως τα απλούστερα δυνατά αντικείμενα που μπορούν να μετατοπιστούν, να περιστραφούν και να ωθηθούν.

Για να μετασχηματιστεί σωστά ένα αντικείμενο κάτω από αυτούς τους 10 μετασχηματισμούς Poincaré, συνειδητοποίησε ότι πρέπει να έχει ένα ορισμένο ελάχιστο σύνολο ιδιοτήτων και τα σωματίδια να έχουν αυτές τις ιδιότητες. H μια είναι η ενέργεια. Κατά βάθος, η ενέργεια είναι απλά η ιδιότητα που παραμένει ίδια όταν το αντικείμενο μετατοπίζεται χρονικά. Η ορμή είναι η ιδιότητα που παραμένει ίδια όταν το αντικείμενο μετατοπίζεται στον χώρο.

Μια τρίτη ιδιότητα απαιτείται για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο τα σωματίδια αλλάζουν κάτω από τον συνδυασμό μετασχηματισμών χωρικών περιστροφών και μετατοπίσεων (που, μαζί, είναι περιστροφές στο χωροχρόνο). Αυτή η ιδιότητα-κλειδί είναι το «σπιν». Την εποχή της εργασίας του Wigner, οι φυσικοί γνώριζαν ήδη ότι τα σωματίδια έχουν σπιν, ένα είδος εσωτερικής στροφορμής που καθορίζει πολλές πτυχές της συμπεριφοράς των σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου του εάν συμπεριφέρονται ως ύλη (όπως τα ηλεκτρόνια) ή ως φορείς αλληλεπιδράσεων (όπως τα φωτόνια). Ο Wigner έδειξε ότι, κατά βάθος, «το σπιν είναι απλώς μια ετικέτα που έχουν τα σωματίδια επειδή στον κόσμο υπάρχουν περιστροφές», δήλωσε η Nima Arkani-Hamed, φυσικός σωματιδίων στο Princeton.

Διαφορετικές αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré είναι σωματίδια με διαφορετικό αριθμό ετικετών σπιν ή βαθμούς ελευθερίας που επηρεάζονται από περιστροφές. Υπάρχουν, για παράδειγμα, σωματίδια με σπιν τριών βαθμών ελευθερίας. Αυτά τα σωματίδια περιστρέφονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα οικεία μας τρισδιάστατα αντικείμενα. Όλα τα σωματίδια της ύλης, εν τω μεταξύ, έχουν σπιν με δύο βαθμούς ελευθερίας, που ονομάζονται «σπιν πάνω» και «σπιν κάτω», τα οποία περιστρέφονται διαφορετικά. Εάν περιστρέψετε ένα ηλεκτρόνιο κατά 360 μοίρες, η κατάστασή του θα αντιστραφεί, ακριβώς όπως ένα βέλος, όταν μετακινείται πάνω σε μια δισδιάστατη ταινία Möbius και επιστρέφει στην αρχική θέση δείχνοντας προς την αντίθετη φορά:

Στη φύση εμφανίζονται επίσης στοιχειώδη σωματίδια με μία και πέντε ετικέτες σπιν. Φαίνεται να λείπει μόνο μια αναπαράσταση της ομάδας Poincaré με τέσσερις ετικέτες σπιν.

”Η αντιστοιχία μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων και των αναπαραστάσεων είναι τόσο ξεκάθαρη που ορισμένοι φυσικοί – όπως ο καθηγητής του Van Raamsdonk – τα εξισώνουν με αυτές. Άλλοι το βλέπουν ως ενοποίηση. «Η αναπαράσταση δεν είναι το σωματίδιο. Η αναπαράσταση είναι ένας τρόπος περιγραφής ορισμένων ιδιοτήτων του σωματιδίου», δήλωσε ο Sheldon Glashow, ένας βραβευμένος με Νόμπελ θεωρητικός στοιχειωδών σωματιδίων. «Ας μην συγχέουμε αυτά τα δύο.»

«Τα σωματίδια έχουν πολλές εσωτερικές καταστάσεις»

— Xiao-Gang Wen

Είτε υπάρχει διάκριση είτε όχι, η σχέση μεταξύ σωματιδιακής φυσικής και θεωρίας ομάδων έγινε τόσο πιο πλούσια όσο και πιο περίπλοκη κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα. Οι ανακαλύψεις έδειξαν ότι τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν μόνο το ελάχιστο σύνολο ετικετών που απαιτούνται για την πλοήγηση στο χωροχρόνο. Έχουν επιπλέον και κάποιες περιττές ετικέτες.

Σωματίδια με την ίδια ενέργεια, ορμή και σπιν συμπεριφέρονται πανομοιότυπα κάτω από τους 10 μετασχηματισμούς Poincaré, αλλά μπορεί να διαφέρουν με άλλους τρόπους. Για παράδειγμα, μπορούν να φέρουν διαφορετικές ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου. Καθώς «ολόκληρος ο ζωολογικός κήπος σωματιδίων» (όπως το έθεσε ο Quinn) ανακαλύφθηκε στα μέσα του 20ου αιώνα, αποκαλύφθηκαν πρόσθετες διακρίσεις μεταξύ των σωματιδίων, απαιτώντας νέες ετικέτες που ονομάστηκαν «χρώμα» και «γεύση».

Ακριβώς όπως τα σωματίδια είναι αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré, οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν ότι οι επιπλέον ιδιότητές τους αντικατοπτρίζουν πρόσθετους τρόπους με τους οποίους αυτά μπορούν να μετασχηματιστούν. Αλλά αντί να μετακινούν αντικείμενα στο χωροχρόνο, αυτοί οι νέοι μετασχηματισμοί είναι πιο αφηρημένοι. Λέμε, λόγω έλλειψης καλύτερης λέξης, ότι αλλάζουν τις «εσωτερικές» καταστάσεις των σωματιδίων.

Πάρτε την ιδιότητα που είναι γνωστή ως χρώμα: Στη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι τα κουάρκ, τα στοιχειώδη συστατικά των ατομικών πυρήνων, υπάρχουν σε έναν τυχαίο συνδυασμό τριών πιθανών καταστάσεων, τις οποίες ονόμαζαν «κόκκινο», «πράσινο» και «μπλε». Αυτές οι καταστάσεις δεν έχουν καμία σχέση με το πραγματικό χρώμα ή οποιαδήποτε άλλη ιδιότητα που μπορούμε να αντιληφθούμε. Είναι ο αριθμός των ετικετών που έχει σημασία: Τα κουάρκ, με τις τρεις ετικέτες τους, είναι αναπαραστάσεις μιας ομάδας μετασχηματισμών που ονομάζεται SU(3) που αποτελείται από το άπειρο πλήθος τρόπων μαθηματικής μίξης των τριών ετικετών.

Ενώ τα σωματίδια με χρώμα είναι αναπαραστάσεις της ομάδας συμμετρίας SU(3), τα σωματίδια με τις εσωτερικές ιδιότητες της γεύσης και του ηλεκτρικού φορτίου είναι αναπαραστάσεις των ομάδων συμμετρίας SU(2) και U(1), αντίστοιχα. Έτσι, το καθιερωμένο πρότυπο της φυσικής σωματιδίων – η κβαντική θεωρία πεδίου όλων των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων και οι αλληλεπιδράσεις τους – λέμε συχνά ότι αντιπροσωπεύει την ομάδα συμμετρίας SU(3)×SU(2)×U(1), που συνίσταται από όλους τους συνδυασμούς των πράξεων συμμετρίας στις τρεις υποομάδες. (Ότι τα σωματίδια μετασχηματίζονται επίσης και από την ομάδα Poincaré είναι προφανώς πολύ προφανές για να αναφερθεί.)

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων βασιλεύει μισό αιώνα μετά την εμφάνισή του. Ωστόσο, είναι μια ατελής περιγραφή του σύμπαντος. Κυρίως, του «διαφεύγει» η δύναμη της βαρύτητας, την οποία η κβαντική θεωρία πεδίου δεν μπορεί να χειριστεί πλήρως. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein περιγράφει ανεξάρτητα την βαρύτητα ως καμπύλωση του χωροχρόνου. Επιπλέον, η δομή των τριών τμημάτων του Καθιερωμένου Προτύπου SU(3)×SU(2)×U(1) εγείρει ερωτήματα. Δηλαδή: «Από πού στο διάολο προήλθαν όλα αυτά;» όπως το έθεσε ο Δημήτρης Νανόπουλος. «Εντάξει, ας υποθέσουμε ότι λειτουργεί», συνέχισε ο Νανόπουλος, ο οποίος είχε συνεισφέρει σημαντικά στις πρώτες μέρες του Καθιερωμένου Προτύπου. «Αλλά τι είναι αυτό το πράγμα; Δεν μπορεί να είναι τρεις ομάδες εκεί. Θέλω να πω, ο «Θεός» είναι καλύτερος από αυτό – ο Θεός σε εισαγωγικά.»

Τα σωματίδια «μπορεί να είναι ταλαντούμενες χορδές»

—Mary Gaillard

Στη δεκαετία του 1970, οι Glashow, Nανόπουλος και άλλοι προσπάθησαν να προσαρμόσουν τις ομάδες SU(3), SU(2) και U(1) μέσα σε μια μεγαλύτερη ομάδα μετασχηματισμών, με την υπόθεση ότι τα σωματίδια ήταν αναπαραστάσεις μιας ενιαίας ομάδας συμμετρίας στην αρχή του σύμπαντος. (Καθώς στη συνέχεια έσπασαν οι συμμετρίες, χάθηκε η ενοποιημένη απλότητα). Ο πιο φυσικός υποψήφιος για μια τέτοια «μεγάλη ενοποιημένη θεωρία» ήταν μια ομάδα συμμετρίας που ονομάζεται SU(5), αλλά τα πειράματα απέκλεισαν σύντομα αυτήν την επιλογή. Άλλες, λιγότερο ελκυστικές δυνατότητες παραμένουν στο παιχνίδι.

Οι ερευνητές επένδυσαν ακόμη μεγαλύτερες ελπίδες στη θεωρία χορδών: την ιδέα ότι αν μεγεθύνατε αρκετά σε σωματίδια, δεν θα βλέπετε σημεία αλλά μονοδιάστατες χορδές. Θα δείτε επίσης έξι επιπλέον χωρικές διαστάσεις, οι οποίες σύμφωνα με την θεωρία χορδών είναι κουλουριασμένες σε κάθε σημείο του οικείου μας τετραδιάστατου χωροχρόνου. Η γεωμετρία των μικρών διαστάσεων καθορίζει τις ιδιότητες των χορδών και επομένως τον μακροσκοπικό κόσμο. Οι «εσωτερικές» συμμετρίες σωματιδίων, όπως οι μετασχηματισμοί SU(3) που μετασχηματίζουν το χρώμα των κουάρκ, αποκτούν φυσική σημασία: Αυτοί οι μετασχηματισμοί αντιστοιχούν, στην εικόνα των χορδών, σε περιστροφές στις μικρές χωρικές διαστάσεις, ακριβώς όπως το σπιν εκφράζει περιστροφές στις μεγάλες διαστάσεις. «Η γεωμετρία σου δίνει συμμετρία η οποία σου δίνει σωματίδια, και όλα αυτά συμβαδίζουν», λέει ο Νανόπουλος.

Ωστόσο, εάν υπάρχουν χορδές ή επιπλέον διαστάσεις, είναι πολύ μικρές για να εντοπιστούν πειραματικά. Έτσι, εξαιτίας της βέβαιης απουσίας τους από τα πειράματα, αναπτύχθηκαν άλλες ιδέες. Στην τελευταία δεκαετία, δύο προσεγγίσεις έχουν προσελκύσει τα λαμπρότερα μυαλά στη σύγχρονη θεμελιώδη φυσική. Και οι δύο προσεγγίσεις ανανεώνουν ξανά την εικόνα των σωματιδίων.

Ένα σωματίδιο είναι μια «παραμόρφωση του ωκεανού κβαντοδυφίων (qubits)»

«Κάθε σωματίδιο είναι ένα κβαντικό κύμα. Το κύμα είναι μια παραμόρφωση του ωκεανού κβαντοδυφίων. »

—Xiao-Gang Wen

Η πρώτη από αυτές τις ερευνητικές προσπάθειες ξεκινάει από το σύνθημα «it-from-qubit (είναι από κβαντοδυφία)», το οποίο εκφράζει την υπόθεση ότι τα πάντα στο σύμπαν – όλα τα σωματίδια, καθώς και ο χωροχρονικός ιστός που αυτά τα σωματίδια είναι διασπαρμένα σαν βατόμουρα σε ένα σταφιδόψωμο – οφείλονται στα κβαντικά bit πληροφοριών, ή κβαντοδυφία (qubits).

Τι είναι το κβαντοδυφίο (qubit);

Έτσι ονομάζεται η βασική μονάδα μνήμης των κβαντικών υπολογιστών.

Στους γνωστούς κλασικούς υπολογιστές η βασική μονάδα πληροφορίας εγγραφής και επεξεργασίας της πληροφορίας στο δυαδικό σύστημα, με τα γνωστά ψηφία 0 και 1, χρησιμοποιείται ο όρος δυφίο (bit=binary digit). Το bit, στοιχειώδης μονάδα πληροφορίας, αποθηκεύεται σε κάποιο κλασικό φυσικό σύστημα που μπορεί να βρίσκεται σε δυο καταστάσεις όπως: οι δυο κατευθύνσεις μαγνήτισης, οι δυο θέσεις ενός διακόπτη, δυο τάσεις ηλεκτρικού ρεύματος κ.λπ.

Στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής δεν είναι ένα κλασικό σύστημα αλλά κβαντικό. Για παράδειγμα ένα άτομο υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση, όπου το μηδέν αντιπροσωπεύεται από την ηλεκτρονιακή κατάσταση με σπιν πάνω και το ένα από την κατάσταση με σπιν κάτω.

Συμβολίζουμε την κατάσταση με σπιν πάνω με |0> και την κατάσταση με σπιν κάτω με |1˃. Εφόσον το άτομο είναι ένα κβαντικό σύστημα, εκτός από τις δυο καταστάσεις |0> και |1>, θα είναι επίσης μια πραγματοποιήσιμη κατάσταση και κάθε γραμμικός συνδυασμός της μορφής |ψ> = α |0> + β |1>. όπου α2+ β2=1.

Και εδώ βρίσκεται η πηγή της θεμελιώδους διαφοράς μεταξύ ενός κλασικού και ενός κβαντικού υπολογιστή. Ότι στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα μνήμης μπορεί να βρίσκεται όχι μόνο στις καταστάσεις 0 και 1 αλλά και σε κάθε δυνατή επαλληλία (υπέρθεση) τους. Γι αυτό, στην περίπτωση των κβαντικών υπολογιστών μιλάμε για κβαντοδυφία (qubit=quantum bit).

Τα qubits μπορούν να αποθηκευτούν σε φυσικά συστήματα όπως τα bits μπορούν να αποθηκευτούν σε τρανζίστορ, αλλά μπορείτε να τα θεωρείτε πιο αφηρημένα, σαν την ίδια την πληροφορία.

Όταν υπάρχουν πολλά qubits, οι πιθανές καταστάσεις τους μπορούν να συμπλεχθούν, έτσι ώστε η κατάσταση του καθενός να εξαρτάται από τις καταστάσεις όλων των άλλων. Διαμέσου αυτών των ενδεχομένων ένας μικρός αριθμός συν-πλεγμένων qubits μπορεί να κωδικοποιήσει μια τεράστια ποσότητα πληροφοριών.

Στην έννοια it-from-qubit του σύμπαντος, εάν θέλετε να καταλάβετε τι είναι τα σωματίδια, πρέπει πρώτα να καταλάβετε τον χωροχρόνο. Το 2010, ο Van Raamsdonk, μέλος του στρατοπέδου it-from-qubit, έγραψε μια σημαντική εργασία, παρουσιάζοντας με τόλμη τι έδειχναν διάφοροι υπολογισμοί. Υποστήριξε ότι τα συν-πλεγμένα qubits μπορεί να ράβουν το ύφασμα χωροχρόνου.

Οι υπολογισμοί, τα νοητικά πειράματα και τα παραδείγματα απλών προσομοιώσεων των τελευταίων δεκαετιών δείχνουν ότι ο χωροχρόνος έχει «ολογραφικές» ιδιότητες: Είναι δυνατόν να κωδικοποιηθούν όλες οι πληροφορίες σχετικά με μια περιοχή χωροχρόνου σε βαθμούς ελευθερίας σε ένα χώρο με μία διάσταση λιγότερη – συχνά στην επιφάνεια της περιοχής. «Τα τελευταία 10 χρόνια, μάθαμε πολλά περισσότερα για το πώς λειτουργεί αυτή η κωδικοποίηση», υποστηρίζει ο Van Raamsdonk.

Το πιο εντυπωσιακό και συναρπαστικό για τους φυσικούς σχετικά με αυτήν την ολογραφική σχέση είναι ότι ο χωροχρόνος είναι καμπυλωμένος επειδή περιλαμβάνει τη βαρύτητα. Όμως, το σύστημα των λιγότερων διαστάσεων, που κωδικοποιεί τις πληροφορίες του καμπύλου χωροχρόνου, είναι ένα καθαρά κβαντικό σύστημα που δεν έχει καμία αίσθηση καμπυλότητας, βαρύτητας ή ακόμη και γεωμετρίας. Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα συν-μπλεγμένων qubits (κβαντοδυφίων).

Σύμφωνα με την υπόθεση it-from-qubit, οι ιδιότητες του χωροχρόνου προέρχονται ουσιαστικά από τον τρόπο με τον οποίο τα 0 και 1 εμπλέκονται μεταξύ τους. Η μακροχρόνια αναζήτηση για μια κβαντική περιγραφή της βαρύτητας γίνεται ζήτημα αναγνώρισης του μοτίβου σύμπλεξης των qubits που κωδικοποιούν το συγκεκριμένο είδος της χωροχρονικής δομής που συναντάμε στο πραγματικό σύμπαν.

Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές γνωρίζουν πολύ περισσότερα για το πώς αυτό λειτουργεί σε απλοποιημένες προσομοιώσεις συμπάντων με αρνητικό καμπύλο χωροχρόνο, σαν σέλα – κυρίως επειδή είναι σχετικά εύκολη η μαθηματική επεξεργασία. Το σύμπαν μας, αντίθετα, έχει θετική καμπυλότητα. Αλλά, οι ερευνητές έχουν βρει, προς μεγάλη έκπληξή τους, ότι ανά πάσα στιγμή ο αρνητικός καμπύλος χωροχρόνος φαίνεται σαν ένα ολόγραμμα όπου εμφανίζονται σωματίδια. Δηλαδή, κάθε φορά που ένα σύστημα qubits κωδικοποιεί ολογραφικά μια περιοχή χωροχρόνου, υπάρχουν πάντα δομές συμπλεκομένων qubits που αντιστοιχούν σε τοπικά bits ενέργειας που επιπλέουν σε έναν υψηλότερων διαστάσεων κόσμο.

Κυρίως, οι αλγεβρικές πράξεις στα qubits, όταν μεταφράζονται σε όρους χωροχρόνου, «συμπεριφέρονται όπως οι περιστροφές που δρουν στα σωματίδια», δήλωσε ο Van Raamsdonk. «Συνειδητοποιείς ότι υπάρχει αυτή η εικόνα που κωδικοποιείται από αυτό το μη βαρυτικό κβαντικό σύστημα. Και κατά κάποιο τρόπο αυτός ο κώδικας, αν μπορείτε να τον αποκωδικοποιήσετε, σας λέει ότι υπάρχουν σωματίδια σε κάποιον άλλο χώρο.

Το γεγονός ότι ο ολογραφικός χωροχρόνος έχει πάντα αυτές τις καταστάσεις σωματιδίων είναι «στην πραγματικότητα ένα από τα πιο σημαντικά πράγματα που ξεχωρίζει αυτά τα ολογραφικά συστήματα από άλλα κβαντικά συστήματα». «Νομίζω ότι κανείς δεν καταλαβαίνει πραγματικά τον λόγο για τον οποίο τα ολογραφικά μοντέλα έχουν αυτήν την ιδιότητα.»

Είναι δελεαστικό να απεικονίζετε τα qubits με κάποιο είδος χωρικής διάταξης που δημιουργεί το ολογραφικό σύμπαν, ακριβώς όπως τα οικεία ολογράμματα που προέρχονται από χωρικές δομές. Αλλά στην πραγματικότητα, οι σχέσεις και οι αλληλεξαρτήσεις των qubits θα μπορούσαν να είναι πολύ πιο αφηρημένες, χωρίς καμία πραγματική φυσική ρύθμιση. «Δεν χρειάζεται να μιλάτε για αυτά τα 0 και 1 που ζουν σε έναν συγκεκριμένο χώρο», δήλωσε η Netta Engelhardt, φυσικός στο MIT, που κέρδισε πρόσφατα το βραβείο New Horizons στη Φυσική για τον υπολογισμό του κβαντικού περιεχομένου πληροφοριών των μαύρων οπών. «Μπορείτε να μιλήσετε για την αφηρημένη ύπαρξη των 0 και 1, και το πώς ένας τελεστής μπορεί να δράσει στα 0 και 1, και αυτές είναι πολύ πιο αφηρημένες μαθηματικές σχέσεις.»

Υπάρχουν σαφώς περισσότερα να καταλάβουμε. Αλλά αν η εικόνα «it-from-qubit (είναι από κβαντοδυφία)» είναι σωστή, τότε τα σωματίδια είναι ολογράμματα, όπως και ο χωροχρόνος. Ο πιο ακριβής ορισμός τους είναι σε όρους qubits (κβαντοδυσίων).

«Τα σωματίδια είναι αυτό που μετράμε στους ανιχνευτές»

—Nima Arkani-Hamed

Ένα άλλο στρατόπεδο ερευνητών που αυτοαποκαλούνται “amplitudeologists (πλατολόγοι;; )” επιδιώκει να στρέψει τους προβολείς στα ίδια τα σωματίδια.

Αυτοί οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η κβαντική θεωρία πεδίου, η τρέχουσα γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής, «μας μιλάει πολύ περίπλοκα». Οι φυσικοί χρησιμοποιούν την κβαντική θεωρία πεδίου για να υπολογίσουν τους βασικούς τύπους που ονομάζονται πλάτη σκέδασης, που ανήκουν στα βασικότερα υπολογιστικά χαρακτηριστικά της πραγματικότητας. Όταν τα σωματίδια συγκρούονται, τα πλάτη δείχνουν πώς σκεδάζονται ή μορφοποιούνται τα σωματίδια. Οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων φτιάχνουν τον κόσμο, οπότε ο τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί ελέγχουν την περιγραφή τους για τον κόσμο, είναι να συγκρίνουν τους τύπους πλάτους σκέδασης με τα αποτελέσματα των συγκρούσεων των σωματιδίων σε επιταχυντές όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων.

Κανονικά, για να υπολογίσουν τα πλάτη, οι φυσικοί υπολογίζουν συστηματικά όλους τους πιθανούς τρόπους, με τους οποίους οι συγκρουόμενοι κυματισμοί ενδέχεται να αντηχούν διαμέσου των κβαντικών πεδίων που διαποτίζουν το σύμπαν, προτού παράξουν τα σταθερά σωματίδια που κινούνται μακριά από το σημείο σύγκρουσης. Περιέργως, οι υπολογισμοί που περιλαμβάνουν εκατοντάδες σελίδες άλγεβρας συχνά αποδίδουν, στο τέλος, έναν τύπο μιας γραμμής.

Οι amplitudeologists (πλατολόγοι) υποστηρίζουν ότι η εικόνα του πεδίου αποκρύβει απλούστερα μαθηματικά πρότυπα. Ο Arkani-Hamed, που ηγείται της της προσπάθειας, χαρακτήρισε τα κβαντικά πεδία «μια βολική φαντασία». «Στη φυσική πολύ συχνά μπαίνουμε σε ένα λάθος δίνοντας σάρκα και οστά σε έναν φορμαλισμό», είπε. «Αρχίζουμε τα ολισθήματα στη γλώσσα λέγοντας ότι τα κβαντικά πεδία είναι πραγματικά, και τα σωματίδια είναι διεγέρσεις. Μιλάμε για εικονικά σωματίδια κι όλα αυτά τα πράγματα – που όμως δεν κάνουν κλικ, κλικ, κλικ στον ανιχνευτή κανενός. »

Οι amplitudeologists (πλατολόγοι) πιστεύουν ότι υπάρχει μια μαθηματικά απλούστερη και πιο αληθινή εικόνα για τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων. Σε ορισμένες περιπτώσεις, διαπιστώνουν ότι η προοπτική της θεωρίας ομάδων του Wigner για τα σωματίδια μπορεί να επεκταθεί ώστε να περιγράψει και τις αλληλεπιδράσεις τους, χωρίς καμία από τις συνηθισμένες ασυναρτησίες των κβαντικών πεδίων.

Ο Lance Dixon, ένας διακεκριμένος πλατολόγος στον επιταχυντή SLAC, εξήγησε ότι οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει τις περιστροφές Poincaré που μελετήθηκαν από τον Wigner για να υπολογίσουν άμεσα το «πλάτος τριών σημείων» – έναν τύπο που περιγράφει ένα σωματίδιο που διασπάται σε δύο σωματίδια. Έχουν δείξει επίσης ότι τα πλάτη τριών σημείων χρησιμεύουν ως δομικά στοιχεία των πλατών τεσσάρων και πλέον σημείων, που περιλαμβάνουν όλο και περισσότερα σωματίδια. Αυτές οι δυναμικές αλληλεπιδράσεις φαίνονται να οικοδομούνται εξ’ αρχής από τις βασικές συμμετρίες.

«Το πιο ωραίο», σύμφωνα με τον Dixon, είναι ότι τα πλάτη σκέδασης που εμπλέκουν τα βαρυτόνια, οι υποτιθέμενοι φορείς της βαρυτικής δύναμης, αποδεικνύεται ότι είναι το τετράγωνο πλάτους που περιλαμβάνει γλοιόνια, τα σωματίδια που συνδέουν μεταξύ τους τα κουάρκ. Η βαρύτητα συνδέεται με το ίδιο το ύφασμα του χωροχρόνου, ενώ τα γλοιόνια κινούνται στο χωροχρόνο. Ωστόσο, τα βαρυτόνια και τα γλοιόνια προέρχονται φαινομενικά από τις ίδιες συμμετρίες. «Αυτό είναι πολύ περίεργο και φυσικά δεν είναι ακόμα κατανοητό με ποσοτική λεπτομέρεια, επειδή οι εικόνες είναι τόσο διαφορετικές», λέει ο Dixon.

Ο Arkani-Hamed και οι συνεργάτες του, εν τω μεταξύ, έχουν βρει εντελώς νέες μαθηματικές «διατάξεις» που φτάνουν απευθείας στην απάντηση, όπως το amplituhedron (πλατύεδρο) – ένα γεωμετρικό αντικείμενο που κωδικοποιεί πλάτη σκέδασης σωματιδίων στον όγκο του. Διώχνει την εικόνα των σωματιδίων που συγκρούονται στο χωροχρόνο και προκαλούν αλυσιδωτές αντιδράσεις αιτίας και αποτελέσματος. «Προσπαθούμε να βρούμε αυτά τα αντικείμενα εκεί έξω στον πλατωνικό κόσμο των ιδεών, που μας δίνουν τις [αιτιώδεις] ιδιότητες αυτόματα», δήλωσε ο Arkani-Hamed. «Τότε θα μπορούμε να πούμε, Αχα, τώρα μπορώ να δω γιατί αυτή η εικόνα μπορεί να ερμηνευθεί ως εξέλιξη.»

Το «It-from-qubit (Είναι από κβαντοδυφία)» και η amplitudeology (πλατολογία) προσεγγίζουν τα μεγάλα ερωτήματα τόσο διαφορετικά που είναι δύσκολο να πούμε αν αυτές οι δύο εικόνες αλληλοσυμπληρώνονται ή έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους.

Σύμφωνα με την Netta Engelhardt, μια πιο σύνθετη διατύπωση της ερώτησης του τίτλου, «Τι είναι ένα σωματίδιο;» τίθεται ως «Ποια είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία του σύμπαντος στις πιο θεμελιώδεις του κλίμακες;»

Και μέχρι να βρεθεί μια πλήρης κβαντική θεωρία της βαρύτητας και του χωροχρόνου, η σύντομη απάντηση είναι: «Δεν γνωρίζουμε».

https://physicsgg.me/2021/02/05/%cf%84%ce%b9-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%ce%ad%ce%bd%ce%b1-%cf%83%cf%84%ce%bf%ce%b9%cf%87%ce%b5%ce%b9%cf%8e%ce%b4%ce%b5%cf%82-%cf%83%cf%89%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%af%ce%b4%ce%b9%ce%bf/

Ένας διπλά παράξενος πυρήνας.

Τα βαρυόνια είναι σωματίδια σαν τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συνίστανται από τρία κουάρκ, όπως επίσης και τα λιγότερο γνωστά υπερόνια, τα οποία περιέχουν τουλάχιστον ένα παράξενο κουάρκ. Οι φυσικοί μελετούν τα υπερόνια για να κατανοήσουν τις αλληλεπιδράσεις των βαρυονίων. Ένα πείραμα, γνωστό ως πείραμα J-PARC E07, αποκάλυψε μια πολύ σπάνια αλληλεπίδραση στην οποία ένα υπερόνιο με δύο παράξενα κουάρκ συνδέεται με έναν κανονικό πυρήνα. Μετρώντας με ακρίβεια πώς διασπάται αυτός ο «υπερπυρήνας», προσδιορίστηκε η ενέργεια σύνδεσης των σωματιδίων.

Στο εν λόγω πείραμα, χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) δημιουργήθηκε μια δέσμη μεσονίων Κ η οποία συγκρούστηκε με στόχο από διαμάντι (άνθρακα). Οι συγκρούσεις με τον στόχο παρήγαγαν υπερόνια, συγκεκριμένα Ξ− υπερόνια που αποτελούνται από δύο παράξενα και ένα κάτω κουάρκ. Αυτά τα υπερόνια διέσχιζαν μια σειρά από φωτογραφικά φύλλα που κατέγραφαν τις διαδρομές των σωματιδίων. Χρησιμοποιώντας ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ταυτοποίησης ίχνους, οι πειραματιστές εξήγαγαν ένα γεγονός στο οποίο ένα υπερόνιο Ξ− συνδέθηκε με έναν πυρήνα αζώτου, σχηματίζοντας έναν διπλά παράξενο υπερπυρήνα.

Πολύ λίγοι διπλά παράξενοι υπερπυρήνες είχαν παρατηρηθεί στο παρελθόν—στην πραγματικότητα τα γεγονότα είναι τόσο σπάνια που συχνά παίρνουν τα δικά τους ονόματα. Έτσι, ομάδα του επιταχυντή J-PARC E07 βάφτισε το γεγονός που ανίχνευσε, IBUKI, από το όνομα ενός βουνού που βρίσκεται στο μεγαλύτερο νησί της Ιαπωνίας. Αναγνωρίζοντας τα προϊόντα διάσπασης σε αυτό το γεγονός, η ομάδα διαπίστωσε ότι τα υπερόνια Ξ− συνδέονται με πυρήνες αζώτου σε μια ενέργεια 1,27 MeV, η οποία συμφωνεί με τις θεωρητικές προβλέψεις. Καθώς επεξεργάζονται περισσότερα δεδομένα, οι ερευνητές αναμένουν να βρουν περίπου δέκα ακόμη γεγονότα Ξ-υπερονίων, τα οποία θα μπορούσαν να δώσουν πληροφορίες για την πυρηνική φυσική καθώς και για τις θεωρίες των μοντέλων που περιγράφουν τους αστέρες νετρονίων.

https://physicsgg.me/2021/02/12/%ce%ad%ce%bd%ce%b1%cf%82-%ce%b4%ce%b9%cf%80%ce%bb%ce%ac-%cf%80%ce%b1%cf%81%ce%ac%ce%be%ce%b5%ce%bd%ce%bf%cf%82-%cf%80%cf%85%cf%81%ce%ae%ce%bd%ce%b1%cf%82/

Νέο τετρακουάρκ ανιχνεύθηκε σε συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων.

Η δημιουργία σωματιδίων αποτελούμενων από νέους συνδυασμούς κουάρκ σε συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας επιτρέπει στους φυσικούς να αναπτύξουν θεωρίες κβαντικής χρωμοδυναμικής, οι οποίες περιγράφουν την αλληλεπίδραση μεταξύ κουάρκ και γλοιονίων. Η ερευνητική ομάδα BESIII στον Beijing Electron Positron Collider στην Κίνα, ανίχνευσε άλλο ένα παράδειγμα τέτοιου συνδυασμού – ένα «τετρακάρκ» που ονομάζεται Zcs. Το αποτέλεσμα δίνει πληροφορίες για το πώς κατανέμονται τα κουάρκ μέσα σε ένα αδρόνιο.

Το τετρακουάρκ Zcs είναι ένα φορτισμένο σωματίδιο που αποτελείται από τέσσερα κουάρκ: ένα γοητευτικό κουάρκ, ένα γοητευτικό αντικουάρκ, ένα παράξενο κουάρκ και ένα παράξενο αντικουάρκ. Θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν την ύπαρξη αυτού του σωματιδίου δείχνουν ότι τα κουάρκ που το συνιστούν θα μπορούσαν να παράγουν περισσότερους συνδυασμούς κβαντικών καταστάσεων σε σχέση με άλλα γνωστά σωματίδια. Αυτό συμβαίνει διότι σε σύγκριση, για παράδειγμα, με τα βαρυόνια που περιέχουν τρία κουάρκ ή τα μεσόνια που συνίστανται από δυο κουάρκ, το Zcs διαθέτει περισσότερες πιθανές εσωτερικές διαμορφώσεις: τα κουάρκ μπορούν να κατανέμονται ισότιμα, ως ζεύγος δικουάρκ-αντιδικουάρκ, ή θα μπορούσαν να βρίσκονται σε μια χαλαρή δέσμια «μοριακή» κατάσταση.

Οι ερευνητές εντόπισαν το νέο τετρακουάρκ μετρώντας τις ορμές των πρωτογενών σωματιδίων και των προϊόντων διάσπασης που παράγονται στις συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις Monte Carlo για την αναπαραγωγή των διαδρομών διάσπασης από αυτές τις μετρήσεις. Έτσι, κατάφεραν να επιλέξουν ένα σήμα που αντιστοιχεί στη προβλεπόμενη μάζα του τετρακουάρκ Zcs, περίπου 3,98GeV∕c2 ή 4 φορές μεγαλύτερη από την μάζα του πρωτονίου. Αυτό το σήμα εντοπίστηκε με ακρίβεια 5,3 σίγμα, το οποίο είναι πέρα από το όριο βεβαιότητας που καθορίζει μια ανακάλυψη (5 σίγμα σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα 1 στα 3,5 εκατομμύρια το σήμα να μην είναι πραγματικό).

Για να κατανοήσουν καλύτερα το τετρακουάρκ Zcs, οι φυσικοί της ερευνητικής ομάδας BESIII σχεδιάζουν την συλλογή περισσότερων δεδομένων στην ενεργειακή περιοχή των 3,98GeV. Αυτές οι μετρήσεις θα τους βοηθήσουν στην εξερεύνηση των μηχανισμών παραγωγής και αποσύνθεσης του σωματιδίου και να αναζητήσουν τις διεγερμένες καταστάσεις του, καθώς και το ηλεκτρικά ουδέτερο αντίστοιχό του.

Οι τρεις ερευνητικές ομάδες του CERN, ATLAS, CMS και LHCb έχουν ανακαλύψει την τελευταία δεκαετία τις 59 αδρονικές καταστάσεις που περιλαμβάνει ο παρακάτω πίνακας. Οι τελευταίες τέσσερις είναι τα τετρακουάρκ που αναφέρονται στην πρόσφατη δημοσίευση του LHCb με τίτλο «Observation of new resonances decaying to J/ψK+ and J/ψφ» .

Δεν είναι σαφές εάν το τετρακουάρκ Zcs (4000)+ μπορεί να ταυτιστεί με το τετρακουάρκ Zcs (3985)+ που αναφέρει η ερευνητική ομάδα BESIII. Αν και οι μάζες τους είναι πολύ κοντά, το εύρος του συντονισμού του σωματιδίου BESIII είναι δέκα φορές μικρότερο. Έτσι το τετρακουάρκ Zcs (3985)+που είναι μακροβιότερο, μπορεί να έχει διαφορετική εσωτερική δομή.

Στην φωτογραφία τα 59 νέα αδρόνια που ανακαλύφθηκαν στον LHC την τελευταία δεκαετία.

https://physicsgg.me/2021/03/16/%ce%bd%ce%ad%ce%bf-%cf%84%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%b1%ce%ba%ce%bf%cf%85%ce%ac%cf%81%ce%ba-%ce%b1%ce%bd%ce%b9%cf%87%ce%bd%ce%b5%cf%8d%ce%b8%ce%b7%ce%ba%ce%b5-%cf%83%ce%b5-%cf%83%cf%85%ce%b3%ce%ba%cf%81/

Ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του σωματιδίου Odderon

Επί 50 χρόνια, η επιστημονική κοινότητα αναζητούσε ανεπιτυχώς το ‘σωματίδιο’ Odderon. Πριν από ένα μήνα περίπου, μια σουηδo-ουγγρική ερευνητική ομάδα υποστήριξε σε δημοσίευσή της, ότι ανακάλυψε το μυθικό σωματίδιο, μετά από διεξοδική ανάλυση πειραματικών δεδομένων από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), όπου πραγματοποιούνται συγκρούσεις πρωτονίων.

Το σωματίδιο Odderon σχηματίζεται όταν τα πρωτόνια συγκρούονται ελαστικά μεταξύ τους σε υψηλές ενέργειες, δηλαδή δεν «σπάνε σε κομμάτια», αλλά μεταβάλλουν μόνο την κατεύθυνσή τους. Τα πρωτόνια αποτελούνται από κουάρκ και γλοιόνια, που σχηματίζουν για λίγο τα σωματίδια που ονομάστηκαν Odderon και Pomeron.

Στην δεκαετία του 1960 οι φυσικοί χρησιμοποίησαν την θεωρία Regge για να κατανοήσουν τις ελαστικές αλληλεπιδράσεις των πρωτονίων. Η θεωρία Regge παρουσίασε μερικές νέες ιδέες: ένα φαινόμενο που ονομάστηκε Pomeron (από το όνομα του φυσικού Isaak Pomeranchuk) και ένα άλλο που ονομάστηκε Odderon (διότι συνίσταται από περιττό αριθμό γλοιονίων). Το Pomeron είχε σκοπό να εξηγήσει γιατί τα εκτρεπόμενα πρωτόνια είναι πιο πιθανό να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε υψηλότερες ενέργειες. Οι φυσικοί ερμήνευσαν με επιτυχία την ελαστική σκέδαση σε υψηλές ενέργειες και μικρή μεταφορά ορμής, με την ανταλλαγή ενός Pomeron, το οποίο στην σύγχρονη γλώσσα είναι μια κατάσταση δυο συσσωματωμένων γλοιονίων. Το Odderon, που μελετήθηκε θεωρητικά στις αρχές της δεκαετίας του 1970, βοήθησε στην ερμηνεία της διαφοράς μεταξύ σκέδασης πρωτονίων-πρωτονίων και αντιπρωτονίων-πρωτονίων (διαβάστε περισσότερα ΕΔΩ: Το πείραμα TOTEM δείχνει την ύπαρξη του Odderon).

https://physicsgg.me/2018/02/10/%CF%84%CE%BF-%CF%80%CE%B5%CE%AF%CF%81%CE%B1%CE%BC%CE%B1-totem-%CE%B4%CE%B5%CE%AF%CF%87%CE%BD%CE%B5%CE%B9-%CF%84%CE%B7%CE%BD-%CF%8D%CF%80%CE%B1%CF%81%CE%BE%CE%B7-%CF%84%CE%BF%CF%85-odderon/

Η ερευνητική ομάδα με τη συμμετοχή φυσικών από το Πανεπιστήμιο Lund, κατάφερε να εντοπίσει το Odderon με ακρίβεια μεγαλύτερη από 5 σίγμα, αφού ολοκλήρωσε μια εξονυχιστική ανάλυση δεδομένων από τον LHC. Σύμφωνα με τον Roman Pasechnik, που συμμετείχε στην έρευνα, «η ανακάλυψή τους αποτελεί ένα ορόσημο για την σωματιδιακή φυσική!»

https://physicsgg.me/2021/03/22/%ce%b7-%ce%b1%ce%bd%ce%b1%ce%ba%ce%ac%ce%bb%cf%85%cf%88%ce%b7-%cf%84%ce%bf%cf%85-%cf%83%cf%89%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b9%ce%b4%ce%af%ce%bf%cf%85-odderon/

Πόσα είδη σωματιδίων Higgs υπάρχουν;

Στην θεωρία της φυσικής των σωματιδίων (ή Καθιερωμένο Πρότυπο) απαιτείται τουλάχιστον ένα μποζόνιο Higgs για να εξηγήσει τις μάζες των θεμελιωδών σωματιδίων. Ωστόσο, δεν υπάρχει κανένας λόγος για τον οποίο πρέπει να υπάρχει ακριβώς ένα σωματίδιο Higgs. Αντιθέτως, πολλές θεωρίες φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο απαιτούν την ύπαρξη επιπλέον μποζονίων Higgs. Για παράδειγμα, πολλές δημοφιλείς μέθοδοι για την επίλυση ανοιχτών ερωτήσεων, όπως «Τι είναι η σκοτεινή ύλη;» ή «Πώς μπορούμε να συμπεριλάβουμε την βαρύτητα στο Καθιερωμένο Πρότυπο;» προβλέπουν τουλάχιστον πέντε μποζόνια Higgs.

Από τα έναρξη λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, έχουν πραγματοποιηθεί πολλές αναζητήσεις για αυτά τα επιπλέον μποζόνια Higgs. Συνήθως, διερευνάται η άμεση διάσπαση ενός νέου μποζονίου σε κουάρκ ή λεπτόνια. Γιατί λοιπόν δεν βρέθηκαν αυτά τα μποζόνια Higgs μέχρι τώρα; Η απάντηση μπορεί να είναι ότι το νέο μποζόνιο συμπεριφέρεται διαφορετικά από το μποζόνιο Higgs που έχουμε ήδη ανακαλύψει. Μπορεί να αλληλεπιδρά διαφορετικά με τα κουάρκ ή τα λεπτόνια ή και τα δύο. Ίσως δεν μπορεί να παραχθεί εύκολα κατά τη διάρκεια συγκρούσεων πρωτονίων-πρωτονίων στον LHC.

Αυτά τα επιπλέον μποζόνια Higgs μπορεί στην πραγματικότητα να έχουν παρόμοια μάζα με το μποζόνιο Higgs που ανακαλύφθηκε, αλλά εξακολουθούν να μην έχουν ανιχνευθεί μόνο και μόνο επειδή παράγονται πολύ πιο σπάνια στον LHC. Το κλειδί για την εύρεση τους θα μπορούσε να βρίσκεται στην σύζευξη αυτών των μποζονίων μεταξύ τους, η οποία είναι η μόνη σύζευξη που αναμένεται να είναι ισχυρή.

Μια νέα αναζήτηση που πραγματοποιήθηκε από την ερευνητική ομάδα CMS αναζητά μια υπογραφή στην οποία το γνωστό μποζόνιο Higgs παράγεται μαζί με ένα νέο μποζόνιο Higgs. Τα δύο μποζόνια προκύπτουν από ένα τρίτο μποζόνιο Higgs, το οποίο δεν έχει ανιχνευθεί και είναι πολύ βαρύ – με μάζα από τρεις έως είκοσι φορές μεγαλύτερη από το μποζόνιο Higgs που γνωρίζουμε.

Η ομάδα CMS διερεύνησε για το αν αυτά τα δύο νέα μποζόνια Higgs δημιουργήθηκαν στον LHC. Tα μποζόνια Higgs διασπώνται πολύ συχνά προς ένα ζεύγος b και \bar{b} κουάρκ – αντικουάρκ, γνωστά ως κουάρκ πυθμένες. Aυτή η διάσπαση είναι ένας από τους καλύτερους τρόπους ανίχνευσης μποζονίων Higgs. Ο μόνος περιορισμός είναι ότι αυτά τα κουάρκ είναι δύσκολο να βρεθούν, διότι δημιουργούν πίδακες σωματιδίων με πολλά συστατικά, παρόμοια με τα προϊόντα από τις συγκρούσεις των πρωτονίων. Από την άλλη, η διάσπαση του μποζονίου Higgs σε λεπτόνια ταυ, συμβαίνει πιο σπάνια και οδηγεί σε μια πιο ξεκάθαρη υπογραφή γεγονότων. Τα λεπτόνια \tau^{+}, \, \tau^{-} διασπώνται σε ηλεκτρόνια, μιόνια ή σε ένα μικρό αριθμό πιονίων, τα οποία εντοπίζονται εύκολα από τον ανιχνευτή CMS.

Επομένως, ο συνδυασμός αυτών των δύο περιπτώσεων είναι ένας πολύ καλός τρόπος αναζήτησης γεγονότων που περιλαμβάνουν και το νέο και το γνωστό μποζόνιο Higgs.

Έτσι, πραγματοποιήθηκε μια κοπιώδης ανάλυση που περιλάμβανε την προσομοίωση πάνω από 200 εκατομμύρια γεγονότων και την σύγκριση με παρόμοιες αναζητήσεις, για να εκτιμηθεί πώς θα φαίνονταν οι υπογραφές στον ανιχνευτή CMS των δυο νέων και άγνωστης μάζας μποζονίων Higgs. Κι αυτό έγινε για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς μαζών των δυο επιπλέον Higgs. Όμως, η αναζήτηση νέων μποζονίων Higgs με μάζες κάτω των 600 GeV (πέντε φορές τη μάζα του μποζονίου Higgs που ανακαλύφθηκε), δεν έδωσε αποτελέσματα.

Τα γεγονότα που παρουσιάζουν ενδιαφέρον σ’ αυτή την ανάλυση περιέχουν τόσο το ζεύγος λεπτονίων ταυ όσο και ζεύγος κουάρκ-πυθμένων, είναι πολύ σπάνια στον LHC. Έτσι, η αναζήτηση εξακολουθεί να περιορίζεται από την ποσότητα των διαθέσιμων δεδομένων και θα εμπλουτιστεί σημαντικά από τα δεδομένα των επόμενων ετών. Η αναζήτηση θα συνεχιστεί και στα πειράματα του αναβαθμισμένου LHC μετά το 2022, όπου ο ανιχνευτής CMS θα καταγράφει περίπου δέκα φορές περισσότερες συγκρούσεις από ότι στο παρελθόν. Η ανάλυση όλων των δεδομένων θα οδηγήσει σε μια οριστική απάντηση, είτε στην επιβεβαίωση της ύπαρξης των νέων μποζονίων Higgs ή στην οριστική και αμετάκλητη απόρριψη της ύπαρξή τους.

https://physicsgg.me/2021/03/22/%cf%80%cf%8c%cf%83%ce%b1-%ce%b5%ce%af%ce%b4%ce%b7-%cf%83%cf%89%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b9%ce%b4%ce%af%cf%89%ce%bd-higgs-%cf%85%cf%80%ce%ac%cf%81%cf%87%ce%bf%cf%85%ce%bd/

Βρέθηκε η 5η δύναμη στο πείραμα LHCb;

Φαίνεται πιθανή η παραβίαση της διατήρησης λεπτονικής γεύσης – που σημαίνει την ύπαρξη νέας δύναμης (και νέων σωματιδίων) στη φύση.

Χτες, το πείραμα LHCb (Large Hadron Collider Beauty) ανακοίνωσε νέα αποτελέσματα, τα οποία εφόσον επιβεβαιωθούν, θα αποδεικνύουν την παραβίαση της αποδεκτής μέχρι σήμερα θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων, του Καθιερωμένου Προτύπου. Τα αποτελέσματα επικεντρώνονται στην πιθανή παραβίαση της παγκοσμιότητας λεπτονικής γεύσης και ανακοινώθηκαν στο επιστημονικό συνέδριο Moriond για τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις και τις ενοποιημένες θεωρίες

Η ανάλυση των φυσικών του LHCb, συγκρίνει δύο τύπους διάσπασης του κουάρκ b (ομορφιά ή πυθμένας). Η πρώτη διάσπαση περιλαμβάνει το ηλεκτρόνιο και η δεύτερη το μιόνιο, ένα άλλο στοιχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο αλλά περίπου 200 φορές βαρύτερο. Το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, μαζί με ένα τρίτο σωματίδιο που ονομάζεται ταυ, ανήκουν στην κατηγορία των σωματιδίων που ονομάζονται λεπτόνια και η διαφορά μεταξύ τους αναφέρεται ως «γεύσεις». Το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των σωματιδίων προβλέπει ότι οι διασπάσεις που περιλαμβάνουν διαφορετικές γεύσεις λεπτονίων, όπως αυτή της μελέτης LHCb, θα πρέπει να εμφανίζονται με την ίδια πιθανότητα. Το χαρακτηριστικό αυτό είναι γνωστό ως παγκοσμιότητα της λεπτονικής γεύσης και μετράται από την αναλογία μεταξύ των πιθανοτήτων διάσπασης που συμβολίζεται με RK. Στην αποδεκτή μέχρι σήμερα θεωρία ο λόγος αυτός πρέπει να είναι ισούται με την μονάδα.

Τα ασταθή φορτισμένα αδρόνια B+ (που αποτελούνται από τα κουάρκ u και \bar{b}), διασπώνται σε φορτισμένα καόνια και φορτισμένα λεπτόνια B^{+} \rightarrow K^{+}\ell^{+} \ell^{-}. Ενώ, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων είναι εξίσου πιθανό να διασπαστούν σε ηλεκτρόνια ή μιόνια, τα αποτελέσματα των αναλύσεων δείχνουν ότι η φύση προτιμά τα ηλεκτρόνια από τα βαρύτερα μιόνια. Έτσι, η τιμή του λόγου RK βρέθηκε μικρότερη της μονάδας:

R_{K}=0.846^{+0.044}_{-0.041}

Η ακρίβεια της ανακάλυψης είναι στα 3,1 σίγμα, δηλαδή υπάρχει μια πιθανότητα στις 1000 να πρόκειται για τυχαίο εύρημα. Η στατιστική επιβεβαιώνει το εύρημα στα 5σ (μία στο εκατομμύριο να πρόκειται για κάτι συμπτωματικό) Αν αυτό το αποτέλεσμα επιβεβαιωθεί τότε στη φύση υπάρχει μια επιπλέον δύναμη (εκτός από τις ήδη γνωστές (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή πυρηνική, ασθενής πυρηνική). Μια δύναμη που συγκρατεί τα στοιχειώδη σωματίδια (κουάρκ) τα οποία συνθέτουν τα μεσόνια και τα εμποδίζει να διασπαστούν σε μιόνια.

Η απόκλιση που παρουσιάστηκε είναι σύμφωνη με ένα μοτίβο ανωμαλιών που μετρήθηκε σε παρόμοιες διεργασίες από τον LHCb και άλλα πειράματα την τελευταία δεκαετία. Τα νέα αποτελέσματα καθορίζουν την αναλογία μεταξύ των πιθανοτήτων διάσπασης με μεγαλύτερη ακρίβεια από όλες τις προηγούμενες μετρήσεις (π.χ. το 2014 ή το 2017).

https://physicsgg.me/2021/03/24/%ce%b2%cf%81%ce%ad%ce%b8%ce%b7%ce%ba%ce%b5-%ce%b7-5%ce%b7-%ce%b4%cf%8d%ce%bd%ce%b1%ce%bc%ce%b7-%cf%83%cf%84%ce%bf-%cf%80%ce%b5%ce%af%cf%81%ce%b1%ce%bc%ce%b1-lhcb/

Το πείραμα ATLAS ψάχνει για ζεύγη σωματιδίων Higgs.

Ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν γνώρισε μια μετατροπή φάσης προς μια κατάσταση ελάχιστης ενέργειας, όπου τα σωματίδια της ύλης αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs για να αποκτήσουν μάζα. Έκτοτε, ζούμε σ’ αυτήν την ενεργειακή κατάσταση.

Πολύ πριν την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) το 2012, οι φυσικοί είχαν μελετήσει θεωρητικά τις ιδιότητες του σωματιδίου που έψαχναν οι πειραματικοί. Μια από αυτές τις ιδιότητες προέβλεπαν ότι το πεδίο Higgs μπορεί να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό του. Μια τέτοια ιδιο-αλληλεπίδραση που ονομάζεται και «αυτo-σύζευξη Higgs» , θα συνέβαλε στην παραγωγή ενός ζεύγους μποζονίων Higgs και θα καθόριζε το σχήμα του δυναμικού Higgs. H παρατήρηση αυτής της ιδιο-αλληλεπίδρασης, θα ήταν η απόλυτη επιβεβαίωση της θεωρίας γέννησης της μάζας, ενώ κάθε απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο θα άνοιγε ένα παράθυρο για νέες θεωρίες φυσικής.

Σχήμα 1: Τα διαγράμματα Feynman για τους δυο βασικούς μηχανισμούς παραγωγής ζευγών Higgs και η καμπύλη που δείχνει την αντίστοιχη πιθανότητα παραγωγής. Το κόκκινο χρώμα αντιστοιχεί στην αυτοαλληλεπίδραση Higgs (Image: F. Cairo/ATLAS Collaboration)

Δυστυχώς όμως, η θεωρία προβλέπει πως ο αριθμός παραγωγής των ζευγών Higgs είναι πολύ σπάνιος όταν συγκρούονται πρωτόνια – περίπου χίλιες φορές μικρότερος από τον ρυθμό παραγωγής ενός μόνο μποζονίου Higgs. Και τα πράγματα γίνονται χειρότερα, διότι δεν προκύπτουν όλα τα ζεύγη Higgs μόνο εξαιτίας της «αυτo-σύζευξης Higgs». Η ερευνητική ομάδα ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) στο CERN που ψάχνει ζεύγη μποζονίων Higgs (HH) ανακοίνωσε ένα νέο αποτέλεσμα σχετικό με τις πιο συνηθισμένες διαδικασίες παραγωγής HH που θα έπρεπε να υπάρχουν στις συγκρούσεις πρωτονίων του επιταχυντή LHC, οι οποίες απεικονίζονται ως διαγράμματα Feynman στο Σχήμα 1. Μόνο το (κόκκινο) διάγραμμα περιλαμβάνει την αυτοζεύξη Higgs και συμβάλλει κυρίως στην παραγωγή ζευγών Higgs σε εύρος μικρότερων μαζών (κοκκινωπό χρώμα κάτω από την καμπύλη του σχήματος 1).

Το πιο ισχυρό κανάλι διάσπασης HH στη σημαντική περιοχή χαμηλής μάζας είναι εκείνο στο οποίο παράγονται δυο κουάρκ πυθμένες συν δύο φωτόνια, HH→bbɣɣ. Οι φυσικοί της ATLAS ανέπτυξαν νέες τεχνικές ανάλυσης για να αναζητήσουν αυτήν τη σπάνια διαδικασία. Αρχικά, χώρισαν τα γεγονότα σε περιοχές χαμηλής και υψηλής μάζας για να στοχεύσουν καλύτερα την αυτο-σύζευξη του Higgs. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν την μέθοδο ανάλυσης δεδομένων Boosted Decision Tree για να αποκλείσουν τα γεγονότα που μοιάζουν με την αυτοσύζευξη HH→bbɣɣ.

Σχήμα 2: Όρια στην ενεργό διατομή παραγωγής HH ως συνάρτηση του κλ. Η διακεκομμένη γραμμή δείχνει τα αναμενόμενα όρια και η συμπαγής γραμμή τα παρατηρούμενα όρια. Οι θεωρητικές προβλέψεις εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα και το σημείο του Καθιερωμένου Προτύπου υποδεικνύεται από το άστρο. Το επιτρεπόμενο εύρος για το κλ ορίζεται από την τομή μεταξύ των παρατηρούμενων ορίων και της θεωρητικής καμπύλης. (Image: ATLAS Collaboration/CERN)

Οι φυσικοί έχουν εισάγει τον παράγοντα κλ, που μας δείχνει αν η αυτο-σύζευξη Higgs διαφέρει από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου. Οι παλαιότερες αναζητήσεις ζευγών HH του ATLAS περιόριζε την τιμή κλ μεταξύ -5,0 και +12,1. Χρησιμοποιώντας τις νέες τεχνικές, το τελευταίο αποτέλεσμα του ATLAS είναι υπερδιπλάσιό σε σχέση με το προηγούμενο αποτέλεσμα στο ίδιο κανάλι! Το Σχήμα 2 δείχνει όρια στην πιθανότητα παραγωγής ζευγών HH (ενεργός διατομή σ) ως συνάρτηση του κλ. Το επιτρεπόμενο εύρος για την αυτοσύζευξη Higgs φαίνεται από την τομή του παρατηρούμενου εύρους των τιμών κλ με την θεωρητική πρόβλεψη, μεταξύ -1,5 και 6,7 φορές της πρόβλεψης του Πρότυπου Μοντέλου. Οι φυσικοί μπόρεσαν να θέσουν ένα όριο στην ενεργό διατομή παραγωγής ζευγών HH 4,1 φορές μεγαλύτερη από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου. Ορίζονται επίσης όρια στην παραγωγή ΗΗ μέσω της διάσπασης ενός υποθετικού νέου βαθμωτού σωματιδίου. Αν και αυτό το αποτέλεσμα θέτει τα καλύτερα όρια για το μέγεθος της αυτο-σύζευξης Higgs, η εργασία δεν έχει ολοκληρωθεί. Απαιτούνται πολύ περισσότερα δεδομένα για τον ακριβή προσδιορισμό της για να δούμε αν υπάρχει οριστική συμφωνία με την πρόβλεψη της καθιερωμένης θεωρίας. Κι αυτό θα γίνει, δεδομένης της σχεδιαζόμενης αναβάθμισης του LHC, από την οποία θα προκύψει ένα σύνολο δεδομένων 20 φορές μεγαλύτερο από αυτό που χρησιμοποιήθηκε μέχρι σήμερα. Και αν η παραγωγή ζευγών HH συμπεριφέρεται όπως προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο, θα διαπιστωθεί μέσα από αυτό το τεράστιο σύνολο δεδομένων.

https://physicsgg.me/2021/03/30/%cf%84%ce%bf-%cf%80%ce%b5%ce%af%cf%81%ce%b1%ce%bc%ce%b1-atlas-%cf%88%ce%ac%cf%87%ce%bd%ce%b5%ce%b9-%ce%b3%ce%b9%ce%b1-%ce%b6%ce%b5%cf%8d%ce%b3%ce%b7-%cf%83%cf%89%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b9%ce%b4%ce%af/

Ψύξη αντιύλης με λέιζερ.

Καναδοί και άλλοι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν να «χειραγωγήσουν» για πρώτη φορά την αντιύλη με τη βοήθεια ενός ειδικά κατασκευασμένου λέιζερ, ώστε να την ψύξουν σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, κοντά στο απόλυτο μηδέν. Οι ερευνητές της διεθνούς κοινοπραξίας ALPHA και του καναδικού Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας, οι οποίοι έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Nature», αισιοδοξούν ότι το επίτευγμά τους θα αποτελέσει ορόσημο στο πεδίο της έρευνας πάνω στην αντιύλη και θα ανοίξει τον δρόμο για μία νέα γενιά πιο προχωρημένων πειραμάτων. Στόχος είναι να πέσει περισσότερο φως σε σημαντικά ερωτήματα, όπως κατά πόσο η αντιύλη αντιδρά στη βαρύτητα ή γιατί το σύμπαν αποτελείται κυρίως από ύλη και όχι από ίσες ποσότητες ύλης/αντιύλης, όπως προβλέπουν τα θεωρητικά μοντέλα της «Μεγάλης Έκρηξης» (Μπιγκ Μπανγκ).

Η αντιύλη είναι το «εξωτικό καθρέφτισμα» της ύλης, διαθέτοντας σχεδόν ταυτόσημα χαρακτηριστικά με την τελευταία, αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Επειδή η αντιύλη εξαϋλώνεται όταν έρχεται σε επαφή με την ύλη, είναι τρομερά δύσκολο να δημιουργηθούν και να τεθούν υπό έλεγχο τα άτομα της αντιύλης, ενώ μέχρι σήμερα δεν είχε καταστεί εφικτό να «χειραγωγηθούν» μέσω λέιζερ.

Το 1995, για πρώτη φορά, 11 άτομα αντι-υδρογόνου είχαν παραχθεί σε έναν επιταχυντή του CERN και είχαν επιβιώσει για κλάσματα του δευτερολέπτου. Σήμερα, η ερευνητική κοινοπραξία ALPHA στο CERN μπορεί να παγιδεύσει 1.000 άτομα αντι-υδρογόνου για πολλές ώρες. Όμως, έως τώρα, μολονότι αυτά τα άτομα της αντιύλης κινούνται πολύ πιο αργά από ό,τι πριν 25 χρόνια, συνεχίζουν να κινούνται με τυχαίο τρόπο μέσα στη μαγνητική παγίδα τους με ταχύτητες έως 300 χιλιόμετρα την ώρα. Το νέο πείραμα επέτρεψε, για πρώτη φορά, με τη βοήθεια του λέιζερ, να «παγώσει» αυτή η κίνηση σε ταχύτητες κάτω των 50 χλμ/ώρα, οι οποίες αντιστοιχούν στην ψύξη των ατόμων.

Η εφαρμογή των λέιζερ, εδώ και περίπου 40 χρόνια, για τη μεταχείριση και την ψύξη των ατόμων της κανονικής ύλης, έχει φέρει μία επανάσταση στη Φυσική και έχει χαρίσει αρκετά Νόμπελ σε επιστήμονες. Είναι η πρώτη φορά που αυτές οι τεχνικές εφαρμόζονται πλέον και στην αντιύλη.

«Είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να μπορέσουμε να δημιουργήσουμε τα πρώτα στον κόσμο μόρια αντιύλης, ενώνοντας αντι-άτομα (άτομα αντιύλης) με τη βοήθεια της τεχνολογίας λέιζερ», δήλωσαν οι ερευνητές. Στο νέο πείραμά τους, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ακτίνες υπεριώδους φωτός λέιζερ για να επιβραδύνουν δραστικά την κίνηση των ατόμων αντι-υδρογόνου, των απλούστερων ατόμων αντιύλης, που αποτελούνται από ένα αντι-πρωτόνιο και ένα αντι-ηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο).

Στα μελλοντικά πειράματά τους, οι ερευνητές θα επιδιώξουν να επιταχύνουν την όλη διαδικασία χρησιμοποιώντας ισχυρότερα λέιζερ και να αυξήσουν την ακρίβεια των μετρήσεών τους.

https://physicsgg.me/2021/03/31/%cf%88%cf%8d%ce%be%ce%b7-%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%b9%cf%8d%ce%bb%ce%b7%cf%82-%ce%bc%ce%b5-%ce%bb%ce%ad%ce%b9%ce%b6%ce%b5%cf%81/

Φυσικοί ίσως ανακάλυψαν μια νέα θεμελιώδη δύναμη της φύσης.

Οι δυνάμεις τις οποίες βιώνουμε καθημερινά υπάγονται σε τέσσερις κατηγορίες: Βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητική δύναμη, ισχυρή πυρηνική, ασθενής πυρηνική. Ωστόσο, φυσικοί θεωρούν ότι έχουν βρει πιθανά σημάδια μιας πέμπτης θεμελιώδους δύναμης της φύσης, στο πλαίσιο ερευνών που έγιναν σε εργαστήριο κοντά στο Σικάγο των ΗΠΑ.

Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις/ βασικές αλληλεπιδράσεις στη φύση διέπουν τους τρόπους με τους οποίους τα αντικείμενα και σωματίδια στο σύμπαν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους- για παράδειγμα η βαρύτητα κάνει τα πράγματα να πέφτουν στο έδαφος και τα βαριά αντικείμενα συμπεριφέρονται σαν να είναι κολλημένα στο έδαφος.

Όπως αναφέρει το BBC, το βρετανικό STFC (Science and Technology Facilities Council) εκτιμά πως τα νέα αποτελέσματα παρέχουν ισχυρά στοιχεία για την ύπαρξη ενός άγνωστου υποατομικού σωματιδίου ή νέας δύναμης.

Παρόλα αυτά, τα αποτελέσματα από το πείραμα Muon f-2 δεν οδηγούν σε ακλόνητο, επιβεβαιωμένο συμπέρασμα ακόμα, καθώς υπάρχει 1 πιθανότητα στις 40.000 να πρόκειται για στατιστικό λάθος.

Ο καθηγητής Μαρκ Λάνκαστερ, επικεφαλής του πειράματος για το Ηνωμένο Βασίλειο, είπε στο BBC News πως «διαπιστώσαμε ότι η αλληλεπίδραση των μιονίων δεν συνάδει με το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)».

Όπως πρόσθεσε ο καθηγητής του University of Manchester, «ξεκάθαρα αυτό είναι πολύ συναρπαστικό, επειδή εν δυνάμει υποδεικνύει ένα μέλλον με νέους νόμους της Φυσικής, νέα σωματίδια και μια νέα δύναμη που δεν έχουμε δει ως τώρα».

Η νέα αυτή ανακάλυψη είναι η πιο πρόσφατη σε μια σειρά από πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα πειραμάτων σωματιδιακής φυσικής σε ΗΠΑ, Ιαπωνία και τον LHC στα σύνορα Γαλλίας- Ελβετίας.

Το εν λόγω πείραμα, που βασίζεται στο Fermilab στις ΗΠΑ (στην Μπατάβια του Ιλινόι, κοντά στο Σικάγο) αναζητεί ίχνη νέων φαινομένων στη Φυσική μελετώντας τη συμπεριφορά υποατομικών σωματιδίων, των μιονίων.

Υπάρχουν δομικά στοιχεία του κόσμου μας, ακόμα μικρότερα από το άτομο. Κάποια υποατομικά σωμταίδια αποτελούνται από ακόμα μικρότερα κομμάτια, ενώ άλλα δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω (θεμελιώδη σωματίδια). Το μιόνιο είναι ένα από αυτά τα θεμελιώδη σωματίδια: Είναι σαν το ηλεκτρόνιο, μα πάνω από 200 φορές βαρύτερο.

Το συγκεκριμένο πείραμα έχει να κάνει με την αποστολή των σωματιδίων σε έναν δακτύλιο 14 μέτρων και την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου. Στο πλαίσιο των υπαρχόντων νόμων της Φυσικής (Καθιερωμένο Πρότυπο), αυτό θα έπρεπε να κάνει τα μιόνια να ταλαντεύονται σε συγκεκριμένο ρυθμό. Ωστόσο, όπως διαπιστώθηκε, ταλαντεύονταν ταχύτερα, και αυτό μπορεί να προκαλείται από μια δύναμη της φύσης που είναι εντελώς νέα στην επιστήμη.

Μια πέμπτη θεμελιώδης αλληλεπίδραση θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθούν κάποια από τα μεγάλα αινίγματα του σύμπαντος, που απασχολούν τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες.

https://www.naftemporiki.gr/story/1711924/fusikoi-isos-anakalupsan-mia-nea-themeliodi-dunami-tis-fusis

Μπορεί ένα «ανυπάκουο» σωματίδιο να ανατρέψει την αντίληψή μας για το Σύμπαν;

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.

— 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;

https://physicsgg.blogspot.com/2021/04/blog-post_18.html

Πόσο μεγάλα είναι τα σωματίδια άλφα;

Το μέγεθος των σωματιδίων α (πυρήνες ατόμων ηλίου) προσδιορίστηκε με εξαιρετική ακρίβεια χρησιμοποιώντας εξωτικά άτομα ηλίου, όπου ένα ηλεκτρόνιο του ατόμου του ηλίου αντικαθίσταται με τον βαρύτερο ξάδελφό του, ένα μιόνιο.

Το άτομο ηλίου

Το ήλιο-4 (^{4}_{2}He) είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν, μετά το υδρογόνο. Ο πυρήνας του ατόμου του ηλίου συνίσταται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια και απογυμνωμένος από τα δύο ηλεκτρόνια, ονομάζεται σωματίδιο α. Αυτό το σωματίδιο είναι συμπαγέστερο σε σχέση με άλλους ελαφρούς πυρήνες – για παράδειγμα, είναι περίπου 20% μικρότερο από τον πυρήνα του δευτερίου (^{2}_{1}H), ενός ισοτόπου του υδρογόνου, το οποίο περιέχει μόνο ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Το ακριβές μέγεθος του σωματιδίου α παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον εξαιτίας ενός παλαιότερου πειράματος που έδειχνε ότι η ακτίνα του πρωτονίου είναι σημαντικά μικρότερη από την θεωρούμενη τιμή. Αυτό το αποτέλεσμα οδήγησε σε πολλές εικασίες σχετικά με τις πιθανές ατέλειες του καθιερωμένου προτύπου της φυσικής των σωματιδίων. Οι Krauth et al δημοσίευσαν στο περιοδικό Nature, την εργασία τους όπου περιγράφεται η μέτρηση του μεγέθους των σωματιδίων α που θέτει όρια σ’ αυτές τις εικασίες και αποτελεί σημείο αναφοράς για την θεωρία της πυρηνικής δομής.

Οι συγγραφείς της εν λόγω εργασίας μέτρησαν το μέγεθος των σωματιδίων α χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία λέιζερ. Αυτή η προσέγγιση βασίζεται στο γεγονός ότι τα άτομα μπορούν να εκπέμπουν και να απορροφούν φως μόνο σε διακριτές συχνότητες, οι οποίες καθορίζονται από τις λεπτομέρειες της ατομικής δομής – δηλαδή, την αλληλεπίδραση των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων με τον θετικά φορτισμένο πυρήνα, αλλά και μεταξύ τους. Τα πρωτόνια αποτελούν το θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα. Ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει το στοιχείο και η έκτασή τους στον χώρο χαρακτηρίζεται από μια ιδιότητα που ονομάζεται ακτίνα πυρηνικού φορτίου. Αυτή η ακτίνα καθορίζει το μέγεθος του πυρήνα.

Οι τιμές των συχνοτήτων απορρόφησης και εκπομπής εξαρτώνται ελαφρώς και από την ακτίνα του ηλεκτρικού φορτίου. Επομένως, αυτή η ακτίνα μπορεί να προσδιοριστεί εφόσον η ατομική δομή είναι πολύ καλά γνωστή για έναν επαρκώς ακριβή υπολογισμό όλων των άλλων παραγόντων που επηρεάζουν τις συχνότητες. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα, τέτοιοι προσδιορισμοί είναι επί του παρόντος δυνατοί μόνο για συστήματα δύο σωμάτων – δηλαδή, ένα μόνο ηλεκτρόνιο ή παρόμοιο σωματίδιο που συνδέεται με έναν πυρήνα. Η προσθήκη ενός επιπλέον σωματιδίου οδηγεί σε μια τεράστια αύξηση της πολυπλοκότητας και τέτοιοι κβαντομηχανικοί υπολογισμοί είναι προς το παρόν αδύνατοι. Γι αυτό, η φασματοσκοπία λέιζερ είχε χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα για την άμεση εξαγωγή των μεγεθών μόνο του πρωτονίου και του πυρήνα δευτερίου.

Ο Krauth και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια έξυπνη μέθοδο για να εφαρμόσουν αυτήν την μέθοδο στο σωματίδιο α. Τοποθέτησαν αρνητικά φορτισμένα μιόνια – τα βαρύτερα ξαδέλφια των ηλεκτρονίων – σε αέριο ήλιο μικρής πυκνότητας. Οι συγκρούσεις μεταξύ των μιονίων και των ατόμων του αερίου προκάλεσαν την απώλεια ενέργειας στα μιόνια και επέτρεψαν σε ένα μιόνιο να αντικαταστήσει ένα από τα δύο ηλεκτρόνια σε ένα άτομο ηλίου (βλέπε σχήμα). Στη συνέχεια, αυτό το μιόνιο χάνει περισσότερη ενέργεια και πλησιάζει πιο κοντά στον ατομικό πυρήνα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το δεύτερο ηλεκτρόνιο αποβάλλεται από το άτομο, και έτσι δημιουργείται ένα θετικά φορτισμένο ιόν αποτελούμενο από ένα σωματίδιο α και ένα μιόνιο.

α. Ο πυρήνας του ατόμου του ηλίου, γνωστός και ως σωματίδιο α, περιλαμβάνει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Το άτομο του ηλίου περιβάλλεται από δύο ηλεκτρόνια. Ο Krauth και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν ένα πείραμα στο οποίο ένα μιόνιο αντικατέστησε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο ηλίου. b. Αυτό το μιόνιο σταδιακά πλησιάζει πιο κοντά στον πυρήνα και διώχνει το δεύτερο ηλεκτρόνιο από το άτομο. c. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ένα μιονικό ιόν ηλίου – ένα θετικά φορτισμένο ιόν αποτελούμενο από ένα σωματίδιο α και ένα μιόνιο. Οι ερευνητές έριξαν φως με λέιζερ σ’ αυτό το ιόν λίγο μετά το σχηματισμό του. Τότε σε μερικές περιπτώσεις, το μιόνιο κινήθηκε ακόμα πιο κοντά στον πυρήνα, παράγοντας έτσι ένα φωτόνιο ακτίνων Χ. Αναλύοντας αυτήν την εκπομπή ακτίνων Χ, καθόρισαν το μέγεθος του πυρήνα ηλίου με πρωτοφανή ακρίβεια.

Η ατομική δομή αυτού του μιονικού ιόντος ηλίου μπορεί να προσδιοριστεί θεωρητικά με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Επιπλέον, επειδή το μιόνιο έχει περίπου 200 φορές την μάζα ενός ηλεκτρονίου, βρίσκεται περίπου 200 φορές πιο κοντά στον πυρήνα του ηλίου από ένα ηλεκτρόνιο. Ως αποτέλεσμα, η φασματοσκοπία λέιζερ είναι περίπου οκτώ εκατομμύρια φορές πιο ευαίσθητη στο μέγεθος των σωματιδίων α όταν χρησιμοποιείται ένα μιονικό ιόν ηλίου, σε σχέση με ένα συνηθισμένο φορτισμένο ιόν ηλίου.

Τελικά ο προσδιορισμός της ακτίνας των σωματιδίων α έγινε με ακρίβεια μόλις ενός attometre (10-18m), το οποίο είναι περίπου 1.000 το μέγεθος της ακτίνας πρωτονίων. Η ακτίνα που προέκυψε είναι rα=1,66824(83) femtometres, και είναι περίπου πέντε φορές ακριβέστερη σε σχέση με τις μετρήσεις που βασίζονται στη σκέδαση ηλεκτρονίων με ήλιο-6 (^{6}_{2}He). Για πρώτη φορά, τα αποτελέσματα από τη φασματοσκοπία λέιζερ των μιονικών ατόμων και της σκέδασης ηλεκτρονίων βρίσκονται σε εξαιρετική συμφωνία, κάτι που δεν ισχύει για τις αντίστοιχες μετρήσεις με πρωτόνια ή πυρήνες δευτερίου.

https://physicsgg.me/2021/05/05/%cf%80%cf%8c%cf%83%ce%bf-%ce%bc%ce%b5%ce%b3%ce%ac%ce%bb%ce%b1-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%b1-%cf%83%cf%89%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%af%ce%b4%ce%b9%ce%b1-%ce%ac%ce%bb%cf%86%ce%b1/

Φωτογράφιση ατόμων με την υψηλότερη δυνατή ανάλυση.

Το 2018, οι ερευνητές του Cornell κατασκεύασαν έναν ανιχνευτή ο οποίος, σε συνδυασμό με μια διαδικασία που ονομάζεται πτυχογραφία, έκανε παγκόσμιο ρεκόρ τριπλασιάζοντας την ανάλυση ενός υπερσύγχρονου μικροσκοπίου ηλεκτρονίων. Παρά την επιτυχία της αυτή η μέθοδος είχε μια αδυναμία. Δούλευε μόνο για εξαιρετικά λεπτά δείγματα, πάχους μερικών μόνο ατόμων. Οτιδήποτε παχύτερο χειροτέρευε την διακριτική ικανότητα.

Πριν από λίγες μέρες οι ερευνητές Zhen Chen et al δημοσίευσαν την εργασία τους με τίτλο “Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations” όπου περιγράφουν πως πέτυχαν το δικό τους ρεκόρ αυξάνοντας κι άλλο την ανάλυση του μικροσκοπίου ξεπερνώντας τις προηγούμενες αδυναμίες. Η ανάλυση είναι τόσο βελτιωμένη, ώστε η μόνη ασάφεια στην εικόνα οφείλεται στην θερμική κίνηση των ατόμων! Θα μπορούσε να πει κανείς πως η μέθοδος αυτή μετράει τις θερμικές ταχύτητες των ατόμων.

Αν τα άτομα είχαν μεγαλύτερη μάζα η ταχύτητα των θερμικών ταλαντώσεων θα ήταν μικρότερη και η ανάλυση της εικόνας πολύ καλύτερη. Ελαττώνοντας κι άλλο την θερμοκρασία του δείγματος, φτάνοντας σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα άτομα εξακολουθούν να έχουν κβαντικές διακυμάνσεις, οπότε η βελτίωση δεν θα ήταν πολύ μεγάλη.

Η μορφή της ηλεκτρονικής πτυχογραφίας που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές θα τους επιτρέψει να κάνουν τρισδιάστατη απεικόνιση μεμονωμένων ατόμων, να εντοπίζουν άτομα προσμείξεων, να τα απεικονίζουν και να μελετούν τις ταλαντώσεις τους. Όλα αυτά θα ήταν πολύ χρήσιμα στην απεικόνιση ημιαγωγών, καταλυτών, κβαντικών υλικών – συμπεριλαμβανομένων αυτών που χρησιμοποιούνται στους κβαντικούς υπολογιστές – και γενικότερα στην επιστήμη υλικών. Η εν λόγω μέθοδος απεικόνισης θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε βιολογικά κύτταρα ή ιστούς ή ακόμη και στις συνδέσεις συνάψεων στον εγκέφαλο.

https://physicsgg.me/2021/05/23/%CF%86%CF%89%CF%84%CE%BF%CE%B3%CF%81%CE%AC%CF%86%CE%B9%CF%83%CE%B7-%CE%B1%CF%84%CF%8C%CE%BC%CF%89%CE%BD-%CE%BC%CE%B5-%CF%84%CE%B7%CE%BD-%CF%85%CF%88%CE%B7%CE%BB%CF%8C%CF%84%CE%B5%CF%81%CE%B7-%CE%B4/

H γοητευτική διάσπαση του μποζονίου Higgs.

Το κλειδί για την κατανόηση του μποζονίου Higgs και ο ρόλος του στο Καθιερωμένο Πρότυπο είναι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρά με σωματίδια της ύλης, τα κουάρκ και τα λεπτόνια. Υπάρχουν τρεις γενιές σωματιδίων ύλης, από την πρώτη γενιά με τα ελαφρύτερα σωματίδια έως την τρίτη γενιά με τα βαρύτερα. Αν και εμφανίζονται ενδείξεις αλληλεπιδράσεων με δεύτερης γενιάς λεπτόνια, οι φυσικοί έχουν επιβεβαιώσει πειραματικά ότι μόνο οι μάζες των βαρύτερων κουάρκ προέρχονται από τις αλληλεπιδράσεις τους με το πεδίο Higgs. Μέχρι στιγμής, δεν έχει παρατηρηθεί αλληλεπίδραση ελαφρών κουάρκ με το μποζόνιο Higgs.

Παράδειγμα σύγκρουσης πρωτονίων στον ανιχνευτή ATLAS όπου ένα παραγόμενο σωματίδιο Higgs διασπάται σε δύο γοητευτικά © κουάρκ. Το καθένα από αυτά παράγει έναν πίδακα σωματιδίων (μπλε κώνοι). Με κόκκινο παριστάνονται τα ίχνη των παραγόμενων μιονίων.

Στο συνέδριο LHCP2021, η συνεργασία ATLAS παρουσίασε την έρευνα για μια νέα άμεση αναζήτηση της διάσπασης του μποζονιού Higgs προς γοητευτικά κουάρκ. Η παρατήρηση αυτής της διάσπασης θα έδινε στους φυσικούς νέα στοιχεία σχετικά για την σχέση του μποζονίου Higgs με την δεύτερη γενιά σωματιδίων ύλης. Επιπλέον, σημαντική θα ήταν για τους φυσικούς και η μέτρηση της ισχύος (ή «σύζευξης») της αλληλεπίδρασης του μποζονίου Higgs.

Αλλά ο εντοπισμός αυτής της διάσπασης αποδεικνύεται αρκετά δύσκολος. Αντιπροσωπεύει μόλις το 3% των διασπάσεων του μποζονίου Higgs στο Καθιερωμένο Πρότυπο και το πιο σημαντικό, η αναζήτησή του κυριαρχείται σε μεγάλο βαθμό από άσχετες διαδικασίες υποβάθρου. Για το νέο τους αποτέλεσμα, οι ερευνητές του ATLAS ξεκίνησαν εντοπίζοντας γεγονότα σύγκρουσης με πίδακες σωματιδίων που προέρχονταν από την αδρονικοποίηση των γοητευτικών κουάρκ.

Οι φυσικοί προς το παρόν δεν έχουν εντοπίσει κάποια διάσπαση του μποζονίου Higgs προς γοητευτικά κουάρκ. Όμως αυτό το μη-αποτέλεσμα χρησιμοποιήθηκε για να θέσει ένα όριο στον ρυθμό της διαδικασίας.

Στο συνέδριο LHCP2021 ανακοινώθηκε ότι η σύζευξη δεν μπορεί να είναι πάνω από 8,5 φορές μεγαλύτερη από την τιμή που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Κι αυτό είναι το πρώτο άμεσο όριο για την διάσπαση των μποζονίων Ηiggs προς γοητευτικά κουάρκ που μετρήθηκε ποτέ από πείραμα. Αυτό το όριο δείχνει ότι δεν μπορούν να υπάρξουν τεράστιες αποκλίσεις από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αποδεικνύεται επίσης ότι η εν λόγω σύζευξη είναι τουλάχιστον 100 φορές μικρότερη από τη σύζευξη του μποζονίου Higgs με το βαρύτερο κουάρκ, το κορυφαίο (top) κουάρκ. Kι αυτό συμφωνεί με την θεωρία του μηχανισμού Higgs. Ταυτόχρονα, οι μετρήσεις ανέδειξαν για πρώτη φορά και τον προβλεπόμενο σχηματισμό μποζονίων W και Z (που ανακαλύφθηκαν τον προηγούμενο αιώνα) αποδεικνύοντας ότι η εφαρμοζόμενη τεχνική λειτουργεί σωστά στον επιταχυντή αδρονίων LHC.

https://physicsgg.me/2021/06/08/h-%ce%b3%ce%bf%ce%b7%cf%84%ce%b5%cf%85%cf%84%ce%b9%ce%ba%ce%ae-%ce%b4%ce%b9%ce%ac%cf%83%cf%80%ce%b1%cf%83%ce%b7-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%bc%cf%80%ce%bf%ce%b6%ce%bf%ce%bd%ce%af%ce%bf%cf%85-higgs/

To LHCb μέτρησε την πιο μικρή διαφορά μαζών μεταξύ σωματιδίων.

Η ερευνητική ομάδα του LHCb (το b από το beauty) κατάφερε να μετρήσει μια ελάχιστη διαφορά μάζας μεταξύ δύο σωματιδίων, ίση με 0,00000000000000000000000000000000000001 γραμμάρια – ή συντομογραφικά 10-38g (ή 6,4×10-6 eV). Το αποτέλεσμα αποτελεί ορόσημο στην μελέτη του τρόπου με τον οποίο το μεσόνιο D0 μετατρέπεται στο αντισωματίδιό του (στο αντίστοιχο σωματίδιο αντιύλης) και αντιστρόφως.

Το μεσόνιο D0 είναι ένα από τα τέσσερα μόρια σωματίδια Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των σωματιδίων που μπορούν να μετατραπούν, ή να «ταλαντωθούν», προς τα σωματίδια αντιύλης τους. Τα άλλα τρία είναι το μεσόνιο Κ0 και δύο τύποι μεσονίων Β.

Τα μεσόνια ανήκουν σε μια μεγάλη κατηγορία σωματιδίων που αποτελούνται από κουάρκ και αντι-κουάρκ. Το μεσόνιο D0 συνίσταται από ένα γοητευτικό κουάρκ και ένα πάνω αντι-κουάρκ, ενώ το αντι-D0, από ένα γοητευτικό αντικουάρκ και ένα πάνω κουάρκ.

Στον παράξενο κόσμο της κβαντικής φυσικής, όπως o περιβόητoς γάτος του Schrödinger μπορεί να είναι νεκρός και ζωντανός ταυτόχρονα, έτσι και το σωματίδιο D0 μπορεί να είναι ταυτόχρονα ένα μείγμα του εαυτού του και του αντισωματίδίου του. Αυτή η κβαντική «υπέρθεση» οδηγεί σε δύο σωματίδια, το καθένα με την δική του μάζα – ένα ελαφρύτερο και ένα βαρύτερο μεσόνιο D (αναφέρονται ως D1 και D2). Είναι αυτή η υπέρθεση που επιτρέπει το D0 να ταλαντώνεται προς το αντισωματίδιο και αντιστρόφως.

Τα σωματίδια D0 παράγονται σε συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) και διανύουν κατά μέσο όρο μόνο μερικά χιλιοστά πριν μετασχηματιστούν ή «διασπαστούν» σε άλλα σωματίδια. Συγκρίνοντας τα σωματίδια D0 που διασπώνται μετά από μια μικρή απόσταση με αυτά που φτάνουν λίγο πιο μακριά, η ερευνητική ομάδα LHCb μέτρησε το φυσικό μέγεθος από το οποίο εξαρτάται ταχύτητα της ταλάντωσης από D0 σε αντι-D0 – την διαφορά μάζας μεταξύ του βαρύτερου σωματιδίου D2 και του ελαφρύτερου D1.

Το πειραματικό αποτέλεσμα τη διαφοράς μαζών m1-m2=10-38 g, διαθέτει την στατιστική ακρίβεια των 5σ που απαιτείται για να γίνει αποδεκτή μια μέτρηση στην φυσική των σωματιδίων. Συγκριτικά αν η μάζα του μεσονίου D0 αντιστοιχεί στην μάζα του ψηλότερου βουνού στην Ευρώπη το Mont Blanc, τότε η μετρηθείσα διαφορά μαζών αντιστοιχεί στην μάζα μιας χιονόμπαλας!

Με την μέτρηση μιας τόσο μικρής διαφοράς μάζας, μπορεί να ξεκινήσει μια νέα φάση μελέτης σωματιδίων. Οι φυσικοί μπορούν να κάνουν περαιτέρω μετρήσεις των διασπάσεων του D0 για να αποκτήσουν μια ακόμα πιο ακριβή διαφορά μάζας και να αναζητήσουν την επίδραση στην ταλάντωση του D0 άγνωστων σωματιδίων που δεν προβλέπονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Τέτοια νέα σωματίδια θα μπορούσαν να αυξήσουν τη μέση ταχύτητα της ταλάντωσης ή την διαφορά μεταξύ της ταχύτητας της ταλάντωσης ύλης-προς-αντιύλη και της ταλάντωσης αντιύλης-προς-ύλη. Εάν παρατηρηθεί, μια τέτοια διαφορά θα μπορούσε να ρίξει φως στο γιατί το σύμπαν συνίσταται αποκλειστικά από ύλη, παρόλο που η ύλη και η αντιύλη θα έπρεπε να έχουν δημιουργηθεί σε ίσες ποσότητες κατά την Μεγάλη Έκρηξη.

https://physicsgg.me/2021/06/10/to-lhcb-%ce%bc%ce%ad%cf%84%cf%81%ce%b7%cf%83%ce%b5-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%cf%80%ce%b9%ce%bf-%ce%bc%ce%b9%ce%ba%cf%81%ce%ae-%ce%b4%ce%b9%ce%b1%cf%86%ce%bf%cf%81%ce%ac-%ce%bc%ce%b1%ce%b6%cf%8e%ce%bd-%ce%bc/

Μια πρόταση υπερπαραγωγής αντινετρονίων και υπερονίων.

Τα αντινετρόνια και τα υπερόνια είναι δύσκολο να παραχθούν και να μελετηθούν, αλλά οι ερευνητές προτείνουν μια νέα μέθοδο παραγωγής αυτών των σωματιδίων χρησιμοποιώντας τους υπάρχοντες επιταχυντές.

Για να μελετήσουν σωματίδια που δεν υπάρχουν ελεύθερα στη φύση, οι φυσικοί πρέπει να τα παράγουν σε επιταχυντές. Ωστόσο, ορισμένα σωματίδια έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολο να δημιουργηθούν. Ο Chang-Zheng Yuan του Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλών Ενεργειών της Κίνας και ο Marek Karliner από το Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ, προτείνουν έναν τρόπο δημιουργίας αυτών των σωματιδίων – αντινετρονίων και υπερονίων – χρησιμοποιώντας τους επιταχυντές που οι πειραματικοί φυσικοί έχουν ήδη στην διάθεσή τους. Η άμεση δυνατότητα παραγωγής και μελέτης αυτών των σωματιδίων θα μπορούσε να βοηθήσει την έρευνα στην πυρηνική και σωματιδιακή φυσική, όπως τις αλληλεπιδράσεις υπερονίων-νουκλεονίων και τον ρόλο των υπερονίων στα άστρα νετρονίων.

Οι τωρινές μέθοδοι παράγουν αυτά τα σωματίδια μόνο σε σχετικά μικρές ποσότητες. Επιπλέον, ορισμένοι τρόποι παραγωγής – όπως οι αντιδράσεις εξαύλωσης πρωτονίων-αντιπρωτονίων που παράγουν αντινετρόνια – δημιουργούν σωματίδια των οποίων η ορμή είναι δύσκολο να μετρηθεί, και επομένως ‘άχρηστα’ στην περαιτέρω έρευνα. Με τη νέα τους προσέγγιση, οι Yuan και Karliner προτείνουν τη δημιουργία αντινετρονίων και υπερονίων από μεσόνια J/ψ. Αυτά τα σωματίδια πολύ συχνά διασπώνται σε αντινετρόνια ή υπερόνια και αποτελούν ένα συνηθισμένο προϊόν των εξαυλώσεων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Επιπλέον, οι ερευνητές θα μπορούσαν να προσδιορίσουν την ορμή των αντινετρονίων ή υπερονίων που παράγονται με αυτόν τον τρόπο, μετρώντας τις ανακρούσεις που υφίστανται εξαιτίας τους άλλα σωματίδια που παράγονται από τις αντιδράσεις διάσπασης.

Σαν απόδειξη της ιδέας, οι ερευνητές θεωρούν το πείραμα στο Φασματόμετρο του Πεκίνου (BESIII), μια εγκατάσταση που χρησιμοποιείται για την μελέτη των γοητευτικών κουάρκ, των λεπτονίων ταυ και άλλων σωματιδίων. Σε τέσσερις πρόσφατες πειραματικές δοκιμές, το BESIII παρήγαγε συνολικά 10 δισεκατομμύρια γεγονότα μεσονίων J ∕ ψ . Οι Yuan και Karliner εκτιμούν ότι αν εφαρμοζόταν η νέα τους προσέγγιση, αυτό το δείγμα J/ψ μεσονίων θα παρήγαγε περίπου οκτώ εκατομμύρια αντινετρόνια κατάλληλα για μελέτη. Τα μελλοντικά «εργοστάσια σωματιδίων» J ∕ ψ θα δημιουργήσουν τάξεις μεγέθους περισσότερα από αυτά τα σωματίδια.

(*) Το αντινετρόνιο είναι το αντισωματίδιο του νετρονίου και συμβολίζεται με \bar{n} . Συνίσταται από ένα πάνω και δυο κάτω αντικουάρκ. Επειδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερο όπως και το νετρόνιο, είναι δύσκολο να ανιχνευθεί.

(**) Τα υπερόνια είναι βαρυόνια που περιέχουν ένα ή περισσότερα παράξενα κουάρκ, αλλά όχι γοητευτικά, πυθμένες ή κορυφαία κουάρκ. Αυτή η μορφή της ύλης μπορεί να υπάρχει σε σταθερή μορφή στους πυρήνες ορισμένων άστρων νετρονίων

(***) Tο σωματίδιο J/ψ ανακαλύφθηκε τον Νοέμβριο του 1974 ταυτόχρονα στο Εθνικό Εργαστήριο του Μπρουκχέϊβεν και στο Κέντρο Γραμμικού Επιταχυντή στο Στάνφοντ. Το νέο σωματίδιο ονομάστηκε J στην ανατολική ακτή και ψ στην δυτική. Το σημερινό του όνομα J/Ψ, φέρει εμφανή τα σημεία του συμβιβασμού. Αποτελείται από ένα γοητευτικό κουάρκ και ένα γοητευτικό αντικουάρκ. Ο Glashow και οι επικεφαλείς των δυο ομάδων που ανακάλυψαν το σωματίδιο J/Ψ τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ.

https://physicsgg.me/2021/07/04/%ce%bc%ce%b9%ce%b1-%cf%80%cf%81%cf%8c%cf%84%ce%b1%cf%83%ce%b7-%cf%85%cf%80%ce%b5%cf%81%cf%80%ce%b1%cf%81%ce%b1%ce%b3%cf%89%ce%b3%ce%ae%cf%82-%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%b9%ce%bd%ce%b5%cf%84%cf%81%ce%bf/

H ακριβέστερη μέτρηση του χρόνου ζωής των νετρονίων.

Tα νετρόνια είναι ασταθή σωματίδια όταν βρίσκονται έξω από τον πυρήνα των ατόμων. Όταν ένα νετρόνιο διασπάται, μεταπίπτει σε πρωτόνιο εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντι-νετρίνο:

n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}

Ο ακριβής προσδιορισμός του χρόνου ζωής των νετρονίων είναι μια από τις δυσκολότερες μετρήσεις στην πυρηνική φυσική.

Πριν από λίγες μέρες, η συνεργασία UCNτ από το εργαστήριο του Los Alamos δημοσίευσε την ακριβέστερη μέτρηση του χρόνου ζωής των νετρονίων που έγινε μέχρι σήμερα:

τn = 877,75 ± 0,36 s

Παραδόξως, δεν συγκρίνουν το αποτέλεσμα με προηγούμενες μετρήσεις, οπότε το έκανε αντ’ αυτών ο Martín González Alonso, δημοσιεύοντας το παρακάτω διάγραμμα στο Twitter:Φωτ.

Η γκρίζα ζώνη εκφράζει το εύρος του νέου μέσου όρου (878,64) που προκύπτει λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις μετρήσεις και τα σφάλματά τους.

Tα μπλε σημεία προέρχονται από μετρήσεις με την ‘μέθοδο της φιάλης’, ενώ τα πράσινα από μετρήσεις με την ‘μέθοδο της δέσμης’. Οι πρώτη μετράει «ζωντανά νετρόνια», η δεύτερη «νεκρά».

Στην μέθοδο της φιάλης, υπερ-ψυχρά νετρόνια (UCN) με ενέργειες της τάξης των νανο-ηλεκτρονιοβόλτ, περιορίζονται σε μια παγίδα ή φιάλη που σχηματίζεται από συνδυασμούς μαγνητικών πεδίων, βαρύτητας και τοιχωμάτων. Ο χρόνος ζωής των νετρονίων προκύπτει μετρώντας τον αριθμό των σωματιδίων που επιβιώνουν στην παγίδα μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Με την μέθοδο της δέσμης, μια δέσμη νετρονίων γνωστής έντασης οδηγείται μέσα σε ηλεκτρομαγνητική παγίδα και μετρώνται τα πρωτόνια που προκύπτουν σε δεδομένο χρονικό διάστημα από την διάσπαση των νετρονίων.

Η ακριβής τιμή του χρόνου ζωής των νετρονίων παίζει σημαντικό ρόλο στην κοσμολογία και στην φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων όπου καθορίζει παραμέτρους του Καθιερωμένου Προτύπου (στοιχείο Vud πίνακα Cabibbo–Kobayashi–Maskawaυ).

https://physicsgg.me/2021/07/07/h-%ce%b1%ce%ba%cf%81%ce%b9%ce%b2%ce%ad%cf%83%cf%84%ce%b5%cf%81%ce%b7-%ce%bc%ce%ad%cf%84%cf%81%ce%b7%cf%83%ce%b7-%cf%84%ce%bf%cf%85-%cf%87%cf%81%cf%8c%ce%bd%ce%bf%cf%85-%ce%b6%cf%89%ce%ae%cf%82-%cf%84/

Ανακαλύφθηκε ένα σπάνιο «εξωτικό» σωματίδιο με τέσσερα κουάρκ.

Οι φυσικοί ανακάλυψαν, με τη βοήθεια του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN), ακόμη ένα σπάνιο σωματίδιο που αποτελείται από τέσσερα κουάρκ. Πρόκειται για το 62ο σωματίδιο (αδρόνιο) που ανακαλύπτεται στον μεγάλο επιταχυντή.

Η ανακοίνωση έγινε προ ημερών από τον σωματιδιακό φυσικό Ιβάν Πολιάκοφ του Πανεπιστημίου Syracuse της Νέας Υόρκης στη διάρκεια διαδικτυακού συνεδρίου της Ευρωπαϊκής Φυσικής Εταιρείας, σύμφωνα με το «Nature». Η ανακάλυψη έγινε από τον ίδιο, σε συνεργασία με τον Βάνια Μπελιάγιεφ του Ινστιτούτου Θεωρητικής και Πειραματικής Φυσικής στη Μόσχα.

Ο μεγαλύτερος επιταχυντής του κόσμου έχει γίνει διάσημος για την ανακάλυψη του σωματιδίου (μποζονίου) του Χιγκς το 2012, όμως έχει βρει επίσης δεκάδες μη στοιχειώδη υποατομικά σωματίδια που λέγονται αδρόνια, τα οποία – όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια- αποτελούνται από κουάρκ.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (ή Μοντέλο) της σωματιδιακής Φυσικής, το οποίο περιγράφει τους θεμέλιους «λίθους» της ύλης και τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που δρουν πάνω τους, περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, έξι «γεύσεις» κουάρκ, τα οποία σχηματίζουν σύνθετα σωματίδια (αδρόνια). Τα κουάρκ συγκρατούνται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη, μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Τα δύο συχνότερα κουάρκ είναι το «άνω» και το «κάτω», οι συνδυασμοί των οποίων δημιουργούν τα νετρόνια (ένα «άνω» και δύο «κάτω» κουάρκ) και τα πρωτόνια (δύο «άνω» και ένα «κάτω» κουάρκ).

Τα πρωτόνια είναι τα μοναδικά αδρόνια που από μόνα τους παραμένουν σταθερά, ενώ τα νετρόνια είναι σταθερά μόνο όταν βρίσκονται μέσα σε ατομικούς πυρήνες. Όλα τα άλλα αδρόνια σχηματίζονται μόνο παροδικά, από τη σύγκρουση άλλων σωματιδίων, και διασπώνται σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Ο επιταχυντής LHC δημιουργεί νέα είδη αδρονίων προκαλώντας συγκρούσεις υψηλής ενέργειας μεταξύ πρωτονίων.

Τα περισσότερα νέα αδρόνια – όπως και το νέο που βρέθηκε- έχουν ανακαλυφθεί από τον LHCb, έναν από τους τέσσερις γιγάντιους ανιχνευτές που βρίσκονται στο κυκλικό τούνελ μήκους 27 χιλιομέτρων του μεγάλου επιταχυντή. Το νέο σωματίδιο -ένα αδρόνιο με τέσσερα κουάρκ- ονομάστηκε Tcc+. Έχει μάζα περίπου τετραπλάσια από ένα πρωτόνιο.

Τα σωματίδια με τέσσερα κουάρκ είναι πολύ ασυνήθιστα, καθώς τα περισσότερα γνωστά αδρόνια διαθέτουν δύο ή τρία κουάρκ. Το πρώτο σωματίδιο τεσσάρων κουάρκ είχε ανακαλυφθεί στην Ιαπωνία το 2003, ενώ στη συνέχεια βρέθηκαν περισσότερα στο CERN.

Το νέο σωματίδιο φαίνεται να είναι ακόμη πιο ξεχωριστό: Ενώ τα προηγούμενα αδρόνια με τέσσερα κουάρκ ήταν πιθανότατα δύο ζεύγη διπλών κουάρκ προσκολλημένα μεταξύ τους, το νέο αδρόνιο φαίνεται να αποτελείται από τέσσερα ξεχωριστά κουάρκ, κάτι που -εφόσον όντως ισχύει- θα είναι μία πρωτιά για τους επιστήμονες. Τέτοια αυθεντικά «τετρακουάρκ», σύμφωνα με τον Μπελιάγιεφ, πιθανώς υπήρχαν μόνο στη διάρκεια των πρώτων στιγμών του σύμπαντος, όταν όλη η ύλη ήταν συμπιεσμένη σε έναν υπερβολικά μικρό χώρο.

Η αναζήτηση νέων αδρονίων θα συνεχιστεί, καθώς δεκάδες διαφορετικοί συνδυασμοί κουάρκ μπορούν να «γεννήσουν» νέα αδρόνια. Εκτιμάται ότι υπάρχουν 50 πιθανά αδρόνια με δύο κουάρκ (έχουν βρεθεί όλα εκτός από ένα) και 75 με τρία κουάρκ (έχουν βρεθεί σχεδόν 50).

Τα στοιχειώδη σωματίδια διακρίνονται στα αδρόνια και στα λεπτόνια. Τα πρώτα μπορούν να μετέχουν και σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, ενώ τα λεπτόνια όχι. Τα αδρόνια πήραν το όνομά τους από τη λέξη αδρός (δυνατός), ενώ τα λεπτόνια από τη λέξη λεπτός (αδύνατος). Τα αδρόνια χωρίζονται στα βαρυόνια που είναι φερμιόνια και στα μεσόνια που είναι μποζόνια.

https://physicsgg.me/2021/08/11/%ce%b1%ce%bd%ce%b1%ce%ba%ce%b1%ce%bb%cf%8d%cf%86%ce%b8%ce%b7%ce%ba%ce%b5-%ce%ad%ce%bd%ce%b1-%cf%83%cf%80%ce%ac%ce%bd%ce%b9%ce%bf-%ce%b5%ce%be%cf%89%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%cf%83%cf%89/

Επιστήμονες μετρούν με ακρίβεια το χρόνο ζωής ενός νετρονίου.

Πλέον ξέρουμε με ακρίβεια 99.9% τη διάρκεια ζωής ενός νετρονίου έξω από τον ατομικό πυρήνα, πριν μετατραπεί σε πρωτόνιο.

Πρόκειται για την πιο ακριβή μέτρηση που έχουμε έως σήμερα και αποτελεί βελτίωση κατά δύο φορές σε σχέση με προηγούμενες τεχνικές. Αυτό με τη σειρά του θα μας βοηθήσει να καταλάβουμε πώς δημιουργήθηκε η πρώτη ύλη στο σύμπαν από μία καυτή σούπα πρωτονίων και νετρονίων στα πρώτα λεπτά του Big Bang.

Η διαδικασία όπου ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο – με την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου και ενός νετρίνου σχεδόν χωρίς μάζα – είναι μία από τις πιο εντυπωσιακές διεργασίες για τους φυσικούς. Η προσπάθεια να το μετρήσουμε αυτό με μεγάλη ακρίβεια είναι σημαντική, επειδή το να καταλάβουμε την ακριβή διάρκεια ζωής ενός νετρονίου μπορεί να μας διαφωτίσει στον τρόπο με τον οποίο αναπτύχθηκε το σύμπαν – ενώ θα επιτρέψει και στους φυσικούς να ανακαλύψουν τα ψεγάδια του μοντέλου μας για το υποατομικό σύμπαν που ξέρουμε ότι υπάρχει αλλά κανείς δεν μπόρεσε ακόμα να βρει.

Με επανειλημμένα πειράματα μεταξύ του 2017 και 2019, οι επιστήμονες μέτρησαν πάνω από 40 εκατομμύρια νετρόνια, συγκεντρώνοντας αρκετά στατιστικά δεδομένα για να διαπιστώσουν το χρόνο ζωής του νετρονίου.

Η διάρκεια ζωής του λοιπόν είναι 14 λεπτά και 38 δευτερόλεπτα.

Όταν τα νετρόνια βρίσκονται στους πυρήνες των ατόμων, μπορεί να παραμείνουν εκεί ακόμα και για δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά όταν τα νετρόνια είναι ελεύθερα εκτός ατόμου μετατρέπονται σε πρωτόνια και άλλα σωματίδια. Τις στιγμές μετά το Big Bang, η καυτή πυκνή ύλη που κατέκλυσε το σύμπαν ψύχθηκε σε quarks και ηλεκτρόνια. Εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου αργότερα, τα quarks δημιούργησαν τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Το να γνωρίζουμε τη διάρκεια ζωής του νετρονίου θα βοηθήσει τους φυσικούς να καταλάβουν αν παίζουν κάποιο ρόλο τα νετρόνια στη δημιουργία της μυστηριώδους μάζας του σύμπαντος που ονομάζουμε σκοτεινή ύλη.

https://www.pronews.gr/epistimes/1027478_epistimones-metroyn-me-akriveia-hrono-zois-enos-netronioy

Πολυσύμπαν και σωματίδιο Higgs.

Μια νέα θεωρία που πρϋποθέτει την δημιουργία πολλών συμπάντων μαζί με το δικό μας σύμπαν, θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί η μάζα του σωματιδίου Higgs είναι μικρότερη σε σχέση με αυτή που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων.Το καθιερωμένο πρότυπο ήταν δυσανάλογα επιτυχημένο, παρέχοντας προβλέψεις που περιγράφουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις και σωματίδια του σύμπαντος μας, οι οποίες επιβεβαιώθηκαν με μεγάλη πειραματική ακρίβεια. Ταυτόχρονα, όμως εμφανίζει και μερικές κραυγαλέες ‘τρύπες’. Δεν προβλέπει σωματίδια που να αντιστοιχούν στην σκοτεινή ύλη, δεν εξηγεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος και προβλέπει τουλάχιστον τριπλάσια μάζα για το σωματίδιο Higgs σε σχεση με την τιμή που μετρήθηκε πειραματικά.Ο Raffaele Tito D’Agnolo (πανεπιστήμιο Paris-Saclay) και ο Daniele Teresi (CERN) διατύπωσαν μια θεωρία που εξηγεί την ελαφρότητα του σωματιδίου Higgs. Το μοντέλο τους που επικαλείται το πολυσύμπαν φιλοδοξεί να εξηγήσει επίσης κι άλλα προβλήματα, όπως το γιατί η ύλη και η αντιύλη βιώνουν παρόμοια τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις.Ως σημείο εκκίνησης στο μοντέλο τους υποθέτουν ότι στις πρώτες στιγμές της ύπαρξης του σύμπαντός μας υπήρχε ένα πλήθος συμπάντων. Κάθε σύμπαν περιείχε μποζόνια Higgs με διάφορες μάζες: ορισμένα από αυτά περιείχαν ένα βαρύ μποζόνιο Higgs, ενώ άλλες περιείχαν μια πολύ ελαφρύτερη εκδοχή.Παρακολουθώντας την εξέλιξη του λεγόμενου πολυσύμπαντος, οι ερευνητές βρήκαν ότι τα σύμπαντα που περιείχαν μεγάλης μάζας σωματίδια Higgs ήταν ασταθή και κατέρρευσαν σε χρόνους μικρότερους από 10⁻⁵ δευτερόλεπτα. Αυτή η κατάρρευση, γνωστή και ως σύνθλιψη, κατέστρεψε τις συγκεκριμένες συνιστώσες του πολυσύμπαντος. Και το μόνο εναπομείναν σύμπαν—το δικό μας—περιείχε ένα πολύ ελαφρύ μποζόνιο Higgs. Οι D’Agnolo και Teresi βρήκαν επίσης έναν ακόμα παράγοντα στο μοντέλο τους που εμπόδισε το σύμπαν μας να συνθλιβεί: μια συμμετρική ισχυρή αλληλεπίδραση – μια θεμελιώδη δύναμη της φύσης που εμφανίζεται μεταξύ υποατομικών σωματιδίων – για την ύλη και την αντιύλη. Αυτή η συμμετρία είναι άλλη μια ‘τρύπα’ στο καθιερωμένο πρότυπο.Το βέβαιο είναι πως όλα τα παραπάνω θα ξεχαστούν πολύ σύντομα. Θα επανέλθουν στο προσκήνιο, μόνο αν στο μέλλον συσχετιστούν με τα αποτελέσματα πειραμάτων σκοτεινής και αδρονικής ύλης.

https://physicsgg.me/2022/01/13/πολυσύμπαν-και-σωματίδιο-higgs/

Σχετικά με το εξωτικό σωματίδιο Χ(3872)

Το σωματίδιο X(3872) είναι ένα εξωτικό μεσόνιο με μάζα 3871,68 MeV/c² που δεν ταιριάζει με το μοντέλο των κουάρκ εξαιτίας των κβαντικών του αριθμών. Ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά το 2003 από το πείραμα Belle στην Ιαπωνία και αργότερα επιβεβαιώθηκε και από άλλα πειράματα. Προσδιορισμός κβαντικών αριθμών του X(3872) έγινε σε πειράματα του LHCb τον Μάρτιο του 2013 (J^PC= 1⁺⁺). Έχουν προταθεί αρκετές θεωρίες για τη φύση του, όπως η θεωρία του μεσονικού μορίου ή του ζεύγους δικουάρκ-αντιδικουάρκ (τετρακουάρκ).Πριν από μερικές μέρες δημοσιεύθηκαν και τα πρώτα πειραματικά δεδομένα που δείχνουν την παραγωγή του X(3872) σε πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων που προκύπτει από τις συγκρούσεις ιόντων μολύβδου [Evidence for X(3872) in Pb-Pb collisions]. Ανιχνεύθηκαν περίπου 100 από τα βραχύβια σωματίδια X(3872). Ο εντοπισμός τους μέσα σε έναν ωκεανό άσχετων σωματιδίων αποτελεί τρομερό επίτευγμα.Τέτοια σωματίδια εμφανίστηκαν κλάσματα του δευτερολέπτου αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, τότε που κυριαρχούσε το πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων, από την ψύξη του οποίου προέκυψαν τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Λίγο πριν από αυτή την ταχεία ψύξη, ένα μικρό κλάσμα των γλοιονίων και κουάρκ σχημάτισαν τα βραχύβια σωματίδια Χ. Αυτές οι συνθήκες αναπαράγονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων κατά την σύγκρουση ιόντων μολύβδου.Οι φυσικοί δεν γνωρίζουν πως ακριβώς τα στοιχειώδη σωματίδια σχηματίζουν την δομή του σωματιδίου Χ. Κατανοώντας περισσότερες λεπτομέρειες της δομής των σωματιδίων X(3872), ελπίζουν να ανασκευάσουν μια ακριβέστερη εικόνα των πρώτων στιγμών του σύμπαντος.Το νέο σωματίδιο θα μπορούσε να είναι ένα τετρακουάρκ ή να συνίσταται από δύο ζεύγη κουάρκ (μεσόνια) – χαλαρά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Προς το παρόν, τα μικρής στατιστικής πειραματικά δεδομένα είναι συνεπή και με τις δύο πιθανές δομές. Στα επόμενα χρόνια, η συγκέντρωση περισσότερων δεδομένων θα επιβεβαιώσει την οριστική δομή του X(3872), κάτι που με τη σειρά του θα μας διαφωτίσει για τα σωματίδια και τις συνθήκες που κυριαρχούσαν στο αρχέγονο σύμπαν.

https://physicsgg.me/2022/01/27/σχετικά-με-το-εξωτικό-σωματίδιο-χ3872/

Πώς η φυσική του συντονισμού διαμορφώνει την ύπαρξή μας.

Το φαινόμενο του συντονισμού είναι γνωστό από την φυσική των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων. Όταν συμβαίνει συντονισμός τότε έχουμε ταλάντωση με το μέγιστο πλάτος. Γι αυτό ένας τραγουδιστής της όπερας μπορεί να σπάσει ένα ποτήρι κρασιού με την φωνή του, αρκεί η συχνότητα του ήχου που παράγει να συμπίπτει με κάποια ιδιοσυχνότητα του ποτηριού. Το ίδιο φαινόμενο που σπάει το ποτήρι ή ‘συντονίζει’ το ραδιόφωνο με συγκεκριμένους σταθμούς, καθορίζει επίσης και την ύπαρξη των υποατομικών σωματιδίων!Σχεδόν κάθε φορά που οι φυσικοί ανακοινώνουν ότι ανακάλυψαν ένα νέο σωματίδιο, είτε πρόκειται για το μποζόνιο Χιγκς είτε για κάποιο νέο τετρακουάρκ, αυτό που στην πραγματικότητα ενοπίζουν είναι ένα μικρό ‘καρούμπαλο’ που αναδύεται από μια κατά τα άλλα ομαλή καμπύλη σε μια γραφική παράσταση. Ένα τέτοιο εξόγκωμα είναι η αναμφισβήτητη υπογραφή του «συντονισμού», ενός από τα πιο πανταχού παρόντα φαινόμενα στη φύση.

Ο συντονισμός κρύβεται πίσω από εντελώς διαφορετικές πτυχές του κόσμου, στις ραδιοτηλεοπτικές εκπομπές και λήψεις, στα μουσικά όργανα, στις πυρηνικές αντιδράσεις π.χ. στο εσωτερικό των άστρων, στην απορρόφηση και εκπομπή της ακτινοβολίας από την ύλη κ.ά.Στην απλούστερη μορφή του, ο συντονισμός εμφανίζεται όταν ένα αντικείμενο εξαναγκάζεται να ταλαντωθεί από εξωτερική δύναμη κοντά σε μία από τις «φυσικές» συχνότητές του (όταν ένα σώμα αφήνεται να ταλαντωθεί ελεύθερα, τότε ταλαντώνεται με μια από τις φυσικές του συχνότητες). Το ότι τα αντικείμενα έχουν φυσικές συχνότητες ‘είναι μία από τις θεμελιώδεις ιδιότητες τόσο των μαθηματικών όσο και του σύμπαντος’. Η κούνια στην παιδική χαρά είναι ένα γνώριμο παράδειγμα: ‘Δώστε της μια ώθηση και αυτή θα επιλέξει αυτόματα την συχνότητα συντονισμού της’. Ή, χτυπήστε ένα ποτήρι κρασιού και αυτό θα δονείται με συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz, δημιουργώντας έναν χαρακτηριστικό τόνο καθώς οι δονήσεις μεταφέρονται στον περιβάλλοντα αέρα. Οι φυσικές συχνότητες ενός συστήματος εξαρτώνται από τις εγγενείς του ιδιότητες: Για παράδειγμα, σε ένα φλάουτο είναι οι συχνότητες των ηχητικών κυμάτων που ταιριάζουν ακριβώς στην κυλινδρική του γεωμετρία.Ο Ελβετός μαθηματικός Leonhard Euler έλυσε την εξίσωση που περιγράφει ένα σύστημα που εκτελεί εξαναγκασμένη ταλάντωση κοντά στην συχνότητα συντονισμού το 1739. Διαπίστωσε ότι το σύστημα έκανε ‘διάφορες και υπέροχες κινήσεις’, όπως το διατύπωνε σε μια επιστολή προς τον μαθηματικό Johann Bernoulli, και ότι όταν το σύστημα ταλαντώνεται ακριβώς με την συχνότητα συντονισμού, η απόσταση από τη θέση ισορροπίας ή το πλάτος της κίνησης ‘αυξάνεται συνεχώς τείνοντας στο άπειρο’.Η εξαναγκασμένη ταλάντωση ενός συστήματος στην συχνότητα συντονισμού μπορεί να έχει δραματικά αποτελέσματα: ένας υψίφωνος τραγουδιστής, για παράδειγμα, μπορεί να σπάσει ένα ποτήρι αναπαράγοντας επίμονα μια νότα στην συχνότητα συντονισμού του ποτηριού. Μια γέφυρα που συντονίζεται στον βηματισμό των των στρατιωτών που βαδίζουν πάνω της μπορεί να καταρρεύσει. Αλλά συχνά, η απώλεια ενέργειας, την οποία παρέλειπε η ανάλυση του Euler, εμποδίζει την ανεξέλεγκτη εξέλιξη της κίνησης ενός φυσικού συστήματος. Αν ο τραγουδιστής αναπαράγει την συχνότητα με μικρή ένταση, οι δονήσεις στο ποτήρι θα αυξηθούν στην αρχή, αλλά οι μεγαλύτερες δονήσεις προκαλούν την ακτινοβολία περισσότερης ενέργειας προς τα έξω ως ηχητικά κύματα από ό,τι πριν, οπότε τελικά θα επιτευχθεί μια ισορροπία που οδηγεί σε ταλαντώσεις με σταθερό πλάτος.

Τώρα ας υποθέσουμε ότι ο τραγουδιστής ξεκινά με χαμηλή συχνότητα και διαδοχικά την αυξάνει. Καθώς ο τραγουδιστής ξεπερνά την συχνότητα συντονισμού του ποτηριού, ο ήχος στιγμιαία γίνεται πολύ πιο δυνατός. Αυτή η αύξηση προκύπτει επειδή τα ηχητικά κύματα που φτάνουν στο ποτήρι σε συγχρονισμό με τους κραδασμούς που ήδη υπάρχουν, όπως ακριβώς το σπρώξιμο μιας κούνιας την σωστή στιγμή μπορεί να αύξήσει το πλάτος της ταλάντωσης.Μια γραφική παράσταση του πλάτους του ήχου ως συνάρτηση της συχνότητας θα αποκαλύψει μια καμπύλη με ένα χαρακτηριστικό καρούμπαλο στην περιοχή της συχνότητας συντονισμού, μια καμπύλη που είναι εντυπωσιακά παρόμοια με τα’καρούμπαλα’ που αποκαλύπτουν νέα σωματίδια. Το εύρος της ‘καμπανοειδούς’ καμπύλης στην περίπτωση του ποτηριού είναι αντιστρόφως ανάλογο με τον χρόνο που θα δονείται αν διεγερθεί στιγμιαία, ενώ στην περίπτωση του μικρόκοσμου των σωματιδίων είναι αντιστρόφως ανάλογο με το χρόνο ζωής του σωματιδίου μέχρι να διασπαστεί.

Η καμπύλη συντονισμού – το πλάτος της εξαναγκασμένης ταλάντωσης ενός συστήματος συναρτήσει της συχνότητας του εξωτερικού διεγέρτη γύρω από την συχνότητα συντονισμού ω₀. Παρατηρείστε ότι το εύρος της καμπανοειδούς καμπύλης είναι ανάλογο με τον συντελεστή απόσβεσης (γ=b/2m). Συνήθως μεγάλη απόσβεση σημαίνει περισσότερες τριβές. Αν το σύστημα διεγερθεί στιγμιαία και αφεθεί να ταλαντωθεί ελεύθερα, τότε ο χρόνος ταλάντωσης τ είναι αντιστρόφως ανάλογος του γ (τ~1/γ), επομένως και του εύρους της καμπύλης συντονισμού.

Ο χρόνος ζωής ενός σωματίδίου είναι αντιστρόφως ανάλογος με το εύρος του συντονισμού ο οποίος αποκαλύπτει το σωματίδιο στα πειραματικά δεδομένα (η παραπάνω καμπύλη μας αποκάλυψε το σωματίδιο Higgs για πρώτη φορά τo 2012)

Γιατί όμως τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν ποτήρια κρασιού που βουίζουν; Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο συντονισμός εθεωρείτο ως μια ιδιότητα των δονούμενων και ταλαντούμενων συστημάτων. Τα σωματίδια, που κινούνταν σε ευθείες γραμμές και συμπεριφέρονται σαν μπάλες του μπιλιάρδου, φαίνονταν άσχετα με αυτόν τον κλάδο της φυσικής.Όμως η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής έδειξε το αντίθετο. Τα πειράματα απέδειξαν ότι το φως, το οποίο εθεωρείτο ηλεκτρομαγνητικό κύμα, μερικές φορές συμπεριφέρεται σαν να συνίσταται από σωματίδια, τα ‘φωτόνια’, καθένα από τα οποία διαθέτει μια ποσότητα ενέργειας ανάλογη με την συχνότητα του σχετικού ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Αντίστοιχα και τα σωματίδια ύλης όπως τα ηλεκτρόνια παρατηρήθηκε ότι μερικές φορές εμφανίζουν κυματική συμπεριφορά με την ίδια σχέση μεταξύ συχνότητας και ενέργειας.Το 1925, εμπνευσμένος από αυτή την συσχέτιση, ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger διατύπωσε μια εξίσωση για το άτομο υδρογόνου του οποίου οι λύσεις είναι κύματα που ταλαντώνονται με διάφορες φυσικές συχνότητες, όπως και οι λύσεις εξισώσεων που διέπουν την κυματική (ακουστική) των πνευστών ή των εγχόρδων. Κάθε λύση της εξίσωσης Schrödinger παριστάνει μια πιθανή κατάσταση του ηλεκτρονίου του ατόμου σε τροχιά. Το ηλεκτρόνιο μπορεί να μεταπηδήσει σε μια κατάσταση υψηλότερης ενέργειας απορροφώντας ένα φωτόνιο του οποίου η συχνότητα αποτελεί τη διαφορά μεταξύ των φυσικών συχνοτήτων των δύο καταστάσεων.Τέτοιες μεταβάσεις είναι από μόνες τους μια μορφή συντονισμού: Ακριβώς όπως στον συντονισμό του ποτηριού κρασιού, έτσι και ένα άτομο απορροφά ενέργεια μόνο από κύματα με συγκεκριμένες συχνότητες, και μπορεί επίσης να αποβάλλει ενέργεια εκπέμποντας κύματα με τις ίδιες συχνότητες. (Όταν διεγείρονται ακριβώς με την σωστή συχνότητα, ορισμένα άτομα θα ταλαντωθούν για περισσότερες από 10 τετράκις εκατομμύρια φορές πριν απελευθερώσουν την ενέργειά τους ως φωτόνια — πρόκειται για εξαιρετικά μικρού εύρους ατομικούς συντονισμούς που αποτελούν την βάση για τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια στον κόσμο.)Η κβαντική θεωρία αποκάλυψε ότι η δομή των ατόμων, όχι λιγότερο από τη δομή της μουσικής, είναι στενά συνδεδεμένη με τον συντονισμό. Τα ηλεκτρόνια που συνδέονται με τα άτομα μοιάζουν με ηχητικά κύματα παγιδευμένα μέσα σε φλαόυτο. Όσον αφορά τους ατομικούς πυρήνες, η εξέλιξη της πυρηνικής φυσικής στην δεκαετία του 1930 έδειξε ότι πολλοί ατομικοί πυρήνες υπάρχουν στο σύμπαν σήμερα εξαιτίας του φαινομένου του συντονισμού. Οι μεταπτώσεις συντονισμού είναι κρίσιμες στις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης που μετουσιώνουν έναν τύπο ατομικού πυρήνα σε έναν άλλο. Ο πιο διάσημος από αυτούς τους πυρηνικούς συντονισμούς επιτρέπει την σύντηξη τριών πυρήνων ηλίου σε έναν πυρήνα άνθρακα. Χωρίς αυτόν, τα άστρα δεν θα μπρούσαν να σχηματίσουν άνθρακα ή βαρύτερα στοιχεία και η ζωή όπως την ξέρουμε δεν θα ήταν δυνατή.Αλλά οι ρίζες του συντονισμού στην θεμελιώδη φυσική βρίσκονται βαθύτερα. Στα τέλη της δεκαετίας του 1920 οι φυσικοί άρχισαν να αναπτύσσουν ένα ισχυρό μαθηματικό εργαλείο γνωστό ως κβαντική θεωρία πεδίου που παραμένει η γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής μέχρι σήμερα. Στην κβαντική θεωρία πεδίου, οι πραγματικά στοιχειώδεις οντότητες του σύμπαντος είναι πεδία που γεμίζουν όλο το σύμπαν. Τα σωματίδια είναι εντοπισμένα, διεγέρσεις συντονισμού αυτών των πεδίων, που δονούνται σαν ελατήρια σε ένα άπειρο υπόστρωμα. Οι συχνότητες στις οποίες τα κβαντικά πεδία προτιμούν να δονούνται προκύπτουν από θεμελιώδεις σταθερές των οποίων η προέλευση παραμένει ασαφής. Αυτές οι συχνότητες καθορίζουν με τη σειρά τους τις μάζες των αντίστοιχων σωματιδίων. ‘Διαταράξτε το κενό του άδειου χώρου αρκετά δυνατά στην σωστή συχνότητα’ και θα δημιουργηθεί πλήθος σωματιδίων.Υπό αυτή την έννοια, ο συντονισμός είναι υπεύθυνος για την ύπαρξη των σωματιδίων. Ήταν και εξακολουθεί να είναι το υποζύγιο της πειραματικής σωματιδιακής φυσικής. Όταν μετρούν πόσο συχνά παράγονται συγκεκριμένοι συνδυασμοί σωματιδίων σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, οι φυσικοί βλέπουν κορυφές που εξέχουν στα δεδομένα του ρυθμού ανίχνευσης καθώς μεταβάλλουν την ενέργεια της σύγκρουσης: πρόκειται για καμπύλες συντονισμού παρόμοιες με τις αντίστοιχες των μηχανικών ταλαντώσεων.Τις δεκαετίες του 1950 και του 1960, οι φυσικοί είδαν πολύ περισσότερες καμπύλες συντονισμού σε σχέση με αυτές που περίμεναν. Αρχικά, κανείς δεν ήξερε πως να τις εξηγήσει. Πολλά από τα ‘καρούμπαλα’ είχαν μεγάλο εύρος, υποδηλώνοντας την ύπαρξη σωματιδίων που έζησαν ελάχιστα, λίγο περισσότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου. Σε αντίθεση με τα πιο γνωστά σωματίδια που μπορούν να ανιχνευθούν άμεσα, αυτά τα νεοφερμένα σωματίδια θα μπορούσαν να παρατηρηθούν μόνο μέσω φαινομένου του του συντονισμού.Οι φυσικοί αναγνώρισαν αργότερα πως αυτά τα νέα εφήμερα σωματίδια δεν διέφεραν ουσιαστικά από τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, εκτός από την σύντομη διάρκεια της ζωής τους. Ακόμα κι έτσι, τα βραχύβια σωματίδια συχνά αναφέρονται απλώς ως «συντονισμοί» – μια απόδειξη ενός φαινομένου που έχει παίξει έναν εντυπωσιακά κεντρικό ρόλο στην διεύρυνση της κατανόησης του σύμπαντός μας.

https://physicsgg.me/2022/02/01/πώς-η-φυσική-του-συντονισμού-διαμορφώ/

Τα πρωτόνια είναι μικρότερα απ’ ότι νομίζαμε.

Ερευνητές των πανεπιστημίων της Βόννης και του Ντάρμστατ αναδεικνύει τα σφάλματα των παλαιότερων μετρήσεων

To πρωτόνιο (κόκκινο) έχει ακτίνα 0.84 femtometers (fm). Στην εικόνα φαίνονται τα τρία κουάρκ από τα οποία συνίστατα ένα πρωτόνιο και τα γλοιόνια που τα συνδέουν μεταξύ τους. © Figure: Dr. Yong-Hui Lin/University of Bonn

Πριν από μερικά χρόνια, μια νέα τεχνική μέτρησης έδειξε ότι τα πρωτόνια έχουν μικρότερο μέγεθος σε σχέση με τις εκτιμήσεις της δεκαετίας του 1990. Η ασυμφωνία εξέπληξε την επιστημονική κοινότητα. Μερικοί ερευνητές θεώρησαν ότι ακόμη και το Καθιερωμένο Πρότυπο της Φυσικής των Σωματιδίων θα έπρεπε να αλλάξει. Οι φυσικοί των πανεπιστημίων της Βόννης και του Ντάρμσταντ ανέπτυξαν μια μέθοδο που τους επιτρέπει να αναλύουν τα αποτελέσματα παλαιότερων και πιο πρόσφατων πειραμάτων πολύ πιο ολοκληρωμένα σε σχέση με το παρελθόν. Το αποτέλεσμα της μεθόδου που εφαρμόστηκε στα παλαιότερα δεδομένα ήταν επίσης μια μικρότερη ακτίνα πρωτονίου. Επομένως, μάλλον δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ των τιμών – ανεξάρτητα από την μέθοδο μέτρησης με την οποία προέκυψαν. Η μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters με τίτλο ‘New Insights into the Nucleon’s Electromagnetic Structure‘. Σύμφωνα με την παραπάνω εργασία η ακτίνα του πρωτονίου (συνοδευόμενη με το τυχαίο και το συστηματικό σφάλμα) είναι:

 femtometers (1 fm=10^-15m)

Ωστόσο, πριν από λίγα χρόνια η ακτίνα θεωρούνταν ότι ήταν 0,88 femtometers – μια μικρή διαφορά που προκάλεσε μεγάλη αναταραχή στους ειδικούς. Όμως σύμφωνα με τον Ulf Meißner, έναν από τους συγγραφείς της παραπάνω εργασίας, η διαφορά μεταξύ των παλαιών και των νέων μετρούμενων τιμών δεν υφίσταται. Και τούτο διότι οι παλαιότερες μετρήσεις περιείχαν ένα συστηματικό σφάλμα που δεν είχε ληφθεί υπόψη.

Παίζοντας μπιλιάρδο με πρωτόνια

Ένας τρόπος προσδιορισμού της ακτίνας ενός πρωτονίου γίνεται με τον βομβαρδισμό πρωτονίων με μια δέσμη ηλεκτρονίων σε έναν επιταχυντή. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συγκρούεται με το πρωτόνιο αλλάζουν την κατεύθυνση της κίνησής τους – όπως όταν συγκρούονται δύο μπάλες του μπιλιάρδου. Στη φυσική, αυτή η διαδικασία ονομάζεται ελαστική σκέδαση. Όσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα του πρωτονίου, τόσο πιο συχνά συμβαίνουν τέτοιες συγκρούσεις. Επομένως, μελετώντας την ελαστική σκέδαση ηλεκτρονίου – πρωτονίου θα μπορούσε να εκτιμηθεί το μέγεθος του πρωτονίου.Αλλά αν η ταχύτητα της δέσμης ηλεκτρονίων γίνει μεγαλύτερη, τόσο πιο ακριβείς είναι γίνονται οι μετρήσεις. Όμως, αυτό αυξάνει την πιθανότητα το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο να σχηματίσουν νέα σωματίδια όταν συγκρούονται και έτσι μειώνονται τα γεγονότα της ελαστικής σκέδασης. Για μετρήσεις της ακτίνας του πρωτονίου, μέχρι τώρα, έχουν χρησιμοποιηθεί μόνο δεδομένα στα οποία τα ηλεκτρόνια είχαν σχετικά χαμηλή ενέργεια.Ωστόσο, οι συγκρούσεις που παράγουν άλλα σωματίδια παρέχουν επίσης σημαντικές πληροφορίες για το σχήμα του πρωτονίου. Το ίδιο ισχύει και για ένα άλλο φαινόμενο που εμφανίζεται σε υψηλές ταχύτητες των ηλεκτρονίων – η εξαύλωση ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Έχει αναπτυχθεί μια θεωρητική βάση σύμφωνα με την οποία τέτοια γεγονότα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στον υπολογισμό της ακτίνας των πρωτονίων.

5% μικρότερο

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι φυσικοί ανέλυσαν εκ νέου τις παλαιότερες μετρήσεις, καθώς και πολύ πρόσφατα πειράματα – συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που είχαν υπολογίσει την ακτίνα του πρωτονίου ή 0,88 femtometers. Τελικά, με τη νέα μέθοδό τους, οι ερευνητές κατέληξαν στην τιμή 0,84 femtometers.Έτσι, το πρωτόνιο φαίνεται στην πραγματικότητα να είναι περίπου 5% μικρότερο σε σχέση με το μέγεθος που θεωρούσαμε στις δεκαετίες του 1990 και του 2000. Ταυτόχρονα, η μέθοδος των ερευνητών αποκαλύπτει νέες πληροφορίες και για την δομή των πρωτονίων, αλλά και των ουδέτερων αδερφικών σωματιδίων τους, των νετρονίων. Επομένως, μας βοηθά να κατανοήσουμε λίγο καλύτερα την δομή του κόσμου μας.

https://physicsgg.me/2022/02/08/τα-πρωτόνια-είναι-μικρότερα-απ-ότι-νομ/

Η πειραματική επιβεβαίωση του κβαντικού σπιν.

Πριν από 100 χρόνια, τις πρώτες πρωινές ώρες της 8ης Φεβρουαρίου 1922, οι Stern και Gerlach διοχέτευσαν μια δέσμη ατόμων αργύρου σε ένα μαγνητικό πεδίο και παρατήρησαν τον διαχωρισμό της. Χωρίς να συνειδητοποιούν αρχικά τι έβλεπαν, οι Otto Stern και Walther Gerlach ανακάλυψαν το σπιν των ηλεκτρονίων.Όπως θα εξηγούσε ο φυσικός Wolfgang Pauli το 1927, το σπιν είναι εντελώς διαφορετικό φυσικό μέγεθος σε σχέση με άλλα μεγέθη. Μπορεί να απεικονίζεται συχνά ως βέλος, αλλά είναι ένα βέλος που δεν ‘ζει’ στις τρεις διαστάσεις του χώρου. Αντίθετα, βρίσκεται σε μια τετραδιάστατη μαθηματική οντότητα που ονομάζεται χώρος Hilbert.

Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα Stern-Gerlach το 1922, με κάποιες τροποποιήσεις που έγιναν λίγα χρόνια μετά. Τα άτομα αργύρου εξέρχονται από τον κλίβανο (Ο) και όσα από αυτά διέρχονται διέρχονται από την οπή (S₁) και την ορθογώνια σχισμή (S₂), σχηματίζουν μια ευθύγραμμη δέσμη. Στη συνέχεια, η δέσμη των ατόμων εισέρχεται σε ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο μεταξύ δυο πόλων (Ρ), την κατεύθυνση του οποίου δείχνει το βέλος, και τελικά φτάνουν στον ανιχνευτή (Α). [Credit: “Otto Stern’s Molecular Beam Method and Its Impact on Quantum Physics,” by Bretislav Friedrich and Horst Schmidt-Böcking, in Molecular Beams in Physics and Chemistry. Edited by Bretislav Friedrich and Horst Schmidt-Böcking. Springer, 2021 (CC BY 4.0)]

Το άτομο του αργύρου στην εξωτερική του στιβάδα (5s) διαθέτει ένα ηλεκτρόνιο και η μαγνητική ροπή των ατόμων του αργύρου οφείλεται αποκλειστικά στο σπιν αυτού του ηλεκτρονίου. Οι Stern και Gerlach παρατήρησαν ότι τα άτομα αργύρου στην δέσμη τους συμπεριφέρονταν σαν μικροσκοπικοί ραβδόμορφοι μαγνήτες αλληλεπιδρώντας με το μαγνητικό πεδίο. Όταν το μαγνητικό πεδίο ήταν απενεργοποιημένο, η δέσμη κινούνταν ευθύγραμμα σχηματίζοντας απλώς στην ίδια ευθεία μια αχνή κουκκίδα στην οθόνη. ‘Οταν ενεργοποιούσαν το μαγνητικό πεδίο η δέσμη διαχωρίζονταν σχηματίζοντας δυο κηλίδες πάνω και κάτω, συμμετρικά ως προς την προηγούμενη.Στο βίντεο που ακολουθεί περιγράφεται σχηματικά το πείραμα Stern-Gerlach και μας δείχνει τι έπρεπε να συμβεί στην περίπτωση που το σπιν των ηλεκτρονίων τα έκανε να συμπεριφέρονται σαν κλασικοί ραβδόμορφοι μαγνήτες και πως συμπεριφέρονται στην πραγματικότητα αποδεικνύοντας ότι είναι κβαντικό μέγεθος:

Επιπλέον, το πείραμα μας δείχνει κι άλλη μια ιδιομορφία του σπιν των ηλεκτρονίων. Ότι η μαγνητική ροπή του σπιν είναι δυο φορές μεγαλύτερη σε σχέση με εκείνη της τροχιακής στροφορμής. Κι αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι η απόσταση των κηλίδων στο πείραμα είναι διπλάσια από την αναμενόμενη.Ο Stern αντιπαθούσε την κβαντική θεωρία και μαζί με τον φίλο του Max von Laue, είχαν δεσμευτεί ότι «αν αυτή η ανοησία του Bohr αποδειχτεί τελικά σωστή, θα εγκαταλείψουν τη φυσική». Τελικά ο Stern δεν εγκατέλειψε την φυσική, αλλά βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1943, ενώ μαινόταν ο Β’ Παγκόσμιος Πόλεμος όχι για το πείραμα που έκανε με τον Gerlach αποκαλύπτοντας το σπιν των ηλεκτρονίων, αλλά για την ανακάλυψη της μαγνητικής ροπής του πρωτονίου.Ο Stern είχε εγκαταλείψει από το 1933 την Γερμανία λόγω της εβραϊκής καταγωγής του. Ο Gerlach δεν κέρδισε ποτέ βραβείο Νόμπελ, ίσως λόγω της συμμετοχής του στην προσπάθεια του ναζιστικού καθεστώτος να κατασκευάσει πυρηνική βόμβα.

https://physicsgg.me/2022/02/09/η-πειραματική-επιβεβαίωση-του-κβαντι/

Μίκρυνε το μέγιστο όριο στη μάζα των νετρίνων.

Σύμφωνα με το πείραμα KATRIN η μάζα ενός νετρίνου είναι μικρότερη από 0,85 ηλεκτρονιοβόλτ (eV)

Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια με πολύ μικρή μάζα και ανήκουν στην κατηγορία των λεπτονίων. Νετρίνα, εκτός από το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων της Μεγάλης Έκρηξης, δημιουργούνται συνεχώς διαμέσου των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό άστρων όπως ο ήλιος, κατά την έκρηξη των σουπερνόβα, στις αντιδράσεις των πυρηνικών εργοστασίων και κατά τη διάρκεια των φυσικών ραδιενεργών διασπάσεων. Στο εσωτερικό του σώματός μας σε κάθε δευτερόλεπτο απελευθερώνονται περίπου 5000 νετρίνα εξαιτίας των ραδιενεργών διασπάσεων του καλίου. Τα νετρίνα καταλαμβάνουν τη δεύτερη θέση, όσον αφορά τον αριθμό σωματιδίων σε ολόκληρο το σύμπαν, μετά τα σωματίδια του φωτός τα φωτόνια, που καταλαμβάνουν την πρώτη θέση. Αλληλεπιδρούν με την ύλη πολύ σπάνια, μόνο διαμέσου των ασθενών δυνάμεων και για τον λόγο αυτό μπορούν να διασχίσουν ανεπηρέαστα ανθρώπους, τοίχους, ακόμη και πλανήτες ολόκληρους. Γι αυτό η ανίχνευσή τους είναι πολύ δύσκολη.

Το σύμπαν είναι γεμάτο από νετρίνα, αλλά παρά την αφθονία τους οι φυσικοί εξακολουθούν να γνωρίζουν ελάχιστα για αυτά τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενέστατα με την ύλη και επομένως είναι δύσκολο να εντοπιστούν και να μελετηθούν.Το σίγουρο είναι ότι τα νετρίνα έχουν μάζα. Τούτο προκύπτει από την ανακάλυψη των ταλαντώσεών τους το 1998 – μια αλλαγή της «γεύσης» τους, που είναι δυνατή μόνο εφόσον η μάζα τους δεν είναι μηδενική. Αλλά ακόμη και η μάζα, το βασικότερο χαρακτηριστικό τους, παραμένει άγνωστη. Το μόνο που μπορεί προς το παρόν να εκτιμηθεί είναι το όριο κάτω από το οποίο βρίσκεται η πολύ μικρή μάζα των νετρίνων.Το πείραμα Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) στη Γερμανία διαπίστωσε ότι η μάζα των νετρίνων είναι μικρότερη από 0,85 ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Σε σχολικές μονάδες μέτρησης η μάζα αυτή αντιστοιχεί σε ≈1,5·10^–36 χιλιόγραμμα (kg). H τιμή αυτή είναι κατά 25% μικρότερη σε σχέση με την προηγούμενη εκτίμηση του μέγιστου ορίου που ήταν 1,1 ηλεκτρονιοβόλτ (eV) ή περίπου 2·10^–36 χιλιόγραμμα (kg).Οι φυσικοί του KATRIN θα είναι σύντομα σε θέση να ελέγξουν πολύ χαμηλότερες πιθανές τιμές μάζας, όχι πολύ μακριά από αυτές που προτείνουν οι κοσμολογικές παρατηρήσεις, σύμφωνα με τις οποίες η μάζα των νετρίνων είναι μικρότερη από 0,6 eV.Η μάζα των νετρίνων παίζει σημαντικό ρόλο στην κοσμολογία της Μεγάλης ‘Εκρηξης και την εξέλιξη του σύμπαντος. Μαζί με το κοσμικό υπόβαθρο της μικροκυματικής ακτινοβολίας υπάρχει και το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων, που συνίσταται από τα νετρίνα που περίσσεψαν από την Μεγάλη Έκρηξη και κυκλοφορούν μέχρι σήμερα ανάμεσά μας. Το αρχέγονο σύμπαν περιείχε ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, φωτόνια και νετρίνα σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.  Ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη, πραγματοποιήθηκε η αποδέσμευση των νετρίνων από την ύλη καθώς στο σύμπαν βίωνε την λεγόμενη εποχή της ακτινοβολίας, όταν η θερμοκρασία του ήταν 10¹⁰Kelvin (που ισοδυναμεί με ενέργεια περίπου 1 MeV). Σήμερα εξαιτίας της διαστολής και της αντίστοιχης ψύξης του σύμπαντος η θερμοκρασία στην οποία αντιστοιχούν τα αρχέγονα νετρίνα είναι περίπου 1,95 Kelvin και η μέση πυκνότητά τους είναι 340 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό ή 56 νετρίνα του ηλεκτρονίου ανά κυβικό εκατοστό. Η πειραματική ανακάλυψη του κοσμικού υποβάθρου των νετρίνων θα είναι ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά επιτεύγματα στην ιστορία της επιστήμης. Η μάζα των νετρίνων υπεισέρχεται στα κοσμολογικά μοντέλα ως παράμετρος και έτσι προκύπτει η θεωρητική κοσμολογική εκτίμηση του άνω ορίου των 0,6 eV.Η μέτρηση της μάζας του νετρίνου δεν είναι εύκολη υπόθεση. Η τωρινή μέθοδος μέτρησης προέρχεται από μια πρόταση του 1934 του Enrico Fermi που εκμεταλλεύεται την ραδιενεργή διαδικασία που ονομάζεται πυρηνική διάσπαση βήτα. Σε αυτή τη διάσπαση (συγκεκριμένα στην β^–) ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο, απελευθερώνοντας ένα ηλεκτρόνιο και έναν τύπο νετρίνου που ονομάζεται αντινετρίνο: . Αν το νετρίνο έχει μάζα, θα λάβει μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται από τη διάσπαση, περιορίζοντας τη μέγιστη ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου.

Αυτό το φαινόμενο θα πρέπει να επιδρά την ουρά της υψηλής ενέργειας του φάσματος ηλεκτρονίων, δίνοντας έτσι έναν τρόπο προσδιορισμού της μάζας των νετρίνων.Στο πείραμα KATRIN χρησιμοποιούνται: μια ισχυρή πηγή ραδιενέργειας βήτα από το ισότοπο του υδρογόνου τρίτιο (), ένα γιγάντιο φασματόμετρο σε σχήμα αερόπλοιου με εξαιρετική ανάλυση της ενέργειας ηλεκτρονίων και οι κατάλληλες ρυθμίσεις για την μείωση των ανεπιθύμητων γεγονότων υποβάθρου.

Καλλιτεχνική αναπαράσταση του πειράματος KATRIN. Τα ισότοπα τριτίου υφίστανται βήτα διάσπαση και εκπέμποντας ηλεκτρόνια και νετρίνα. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται σε ένα τεράστιο φασματόμετρο που καταγράφει το ενεργειακό τους φάσμα. Το σχήμα αυτού του φάσματος εξαρτάται από τη μάζα των νετρίνων

Η μείωση του άνω ορίου από 1eV σε 0,8eV μπορεί να ακούγεται μικρή, αλλά στην πραγματικότητα είναι εντυπωσιακό κατόρθωμα αφού οι φυσικοί του KATRIN μείωσαν τα στατιστικά σφάλματα κατά 3 φορές – κάτι που ισοδυναμεί με την λήψη 9 φορές περισσότερων δεδομένων- και τα συστηματικά σφάλματα κατά 2. Κι αυτή η βελτίωση είναι η μεγάλη είδηση. Το ζητούμενο είναι να βελτιωθεί κι άλλο αυτό το περίπλοκο πείραμα,μέχρι τον τελικό στόχο του – την επίτευξη ευαισθησίας μάζας έως τα 0,2 eV μέχρι το 2024.Ποιά είναι λοιπόν η μάζα των νετρίνων; Οι θεωρητικοί φυσικοί υποψιάζονται ότι το νετρίνο έχει μάζα λίγο μικρότερη από 0,2 eV, αλλά ο τελευταίος λόγος ανήκει πάντα στους πειραματικούς.

https://physicsgg.me/2022/02/15/μίκρυνε-το-μέγιστο-όριο-στη-μάζα-των-νε/