CERN: Ευρωπαϊκος Οργανισμος Στοιχειωδών Σωματιδίων

[Δροσος Γεωργιος]

Μέσα στα πρωτόνια.

H διερεύνηση της εσωτερικής δομής των δεσμευμένων πρωτονίων σε πυρήνες, μελετώντας τα βραχύβια σωματίδια που δημιουργούνται όταν φωτόνια υψηλής ενέργειας βομβαρδίζουν πυρήνες.Πώς επηρεάζονται τα συστατικά ενός πρωτονίου – κουάρκ και γλοιόνια – από το περιβάλλον τους όταν το πρωτόνιο είναι δεσμευμένο σε έναν πυρήνα; Φυσικοί από το MIT διερεύνησαν αυτό το θεμελιώδες και ανοιχτό ερώτημα εκτοξεύοντας δέσμες φωτονίων υψηλής ενέργειας σε διάφορους πυρήνες και αναλύοντας τα εκπεμπόμενα σωματίδια. Τα νέα αποτελέσματα δίνουν τις ισχυρότερες μέχρι στιγμής ενδείξεις ότι η κατανομή των γλοιονίων στα δεσμευμένα πρωτόνια διαφέρει από αυτήν στα ελεύθερα πρωτόνια.Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε μια διαδικασία κατά την οποία ένα φωτόνιο χτυπά ένα πρωτόνιο σε έναν πυρήνα με αρκετή ενέργεια για να εκτοξεύσει το πρωτόνιο. Η αλληλεπίδραση παράγει επίσης ένα J/ψ σωματίδιο – μια δεσμευμένη κατάσταση ενός γοητευτικού κουάρκ και ενός γοητευτικού αντικουάρκ – που διασπάται γρήγορα σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Για ένα ελεύθερο πρωτόνιο, η αντίστοιχη αλληλεπίδραση θα απαιτούσε η ενέργεια του εισερχόμενου φωτονίου να υπερβαίνει τα 8,2 γιγαηλεκτρονιοβολτ (GeV). Αλλά για ένα δεσμευμένο πρωτόνιο, η διαδικασία μπορεί μερικές φορές να συμβεί σε ενέργειες κάτω από αυτό το όριο. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις κάτω από το όριο είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στην κατανομή των γλοιονίων στα δεσμευμένα σε πυρήνες πρωτόνια.Οι ερευνητές εκτόξευαν σχετικιστικά ηλεκτρόνια προς έναν στόχο διαμαντιού για να παράγουν φωτόνια με ενέργειες από 7 έως 10,8 GeV. Αυτά τα φωτόνια στη συνέχεια συγκρούονταν με πυρήνες δευτερίου, ηλίου και άνθρακα για να παράγουν σωματίδια J/ψ σωματίδια, των οποίων τα προϊόντα διάσπασης ανίχνευσαν οι ερευνητές. Συγκρίνοντας τις μετρήσεις με διάφορα μοντέλα πυρηνικής φυσικής, η ομάδα συμπέρανε ότι τα δεσμευμένα πρωτόνια έχουν πυκνότερη ή πιο συμπαγή δομή γλοιονίων. Για να αναλύσουν τα δεδομένα τους, οι ερευνητές εισήγαγαν νέες μεθόδους, οι οποίες θα είναι χρήσιμες για μελλοντικές μετρήσεις του σωματιδίου J/ψ στον επερχόμενο Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ιόντων στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στη Νέα Υόρκη και σε άλλες εγκαταστάσεις.

πηγή: Ryan Wilkinson, ‘Peering into Protons’ – https://physics.aps.org/articles/v18/s61

[Δροσος Γεωργιος]

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη ήταν ισχυρότερη.

Μια νέα θεωρητική προσέγγιση πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων βρίσκει ότι η ισχυρή πυρηνική δύναμη ήταν πιο δραστική στο αρχέγονο σύμπαν απ‘ ό,τι πιστευόταν παλαιότερα.Η ισχυρή πυρηνική δύναμη δεν είναι τόσο ασθενής σε ηλεκτρασθενείς θερμοκρασίες.Λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν μια θερμή σούπα σωματιδίων στην οποία κυκλοφορούσαν ελεύθερα κουάρκ και γλοιόνια μεταξύ των συστατικών της. Καθώς το σύμπαν ψυχόταν, η ισχυρή δύναμη ενισχυόταν διαρκώς έως ότου σε θερμοκρασία 2×1013 K (ή σε μονάδες ενέργειας περίπου 0,15 GeV), κατάφερε να συνδέσει τα κουάρκ και τα γλοιόνια σε πρωτόνια, νετρόνια και άλλα αδρόνια. Ένας νέος υπολογισμός [QCD Equation of State with Nf=3 Flavors up to the Electroweak Scale] διερεύνησε αυτή τη θερμική ιστορία των κουάρκ και των γλοιονίων για να εκτιμήσει το πόσο σημαντική ήταν η ισχυρή δύναμη πριν από την εμφάνιση των αδρονίων.Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια υπολογιστική τεχνική που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική ανάλυση πλέγματος. Η μέθοδος διακριτοποιεί τον συνεχή χωροχρόνο στο μεγαλύτερο και λεπτότερο πλέγμα σημείων που μπορεί να χωρέσει στη μνήμη ενός υπερυπολογιστή. Στο τέλος της προσομοίωσης, η απόσταση μεταξύ των σημείων προεκτείνεται στο μηδέν. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι διατηρώντας μια συγκεκριμένη σταθερά σύζευξης κουάρκ-γλοιονίου αμετάβλητη καθώς έκαναν το πλέγμα του χωροχρόνου λεπτότερο, τα ψευδή φαινόμενα του πλέγματος μειώνονταν σημαντικά, επιτρέποντας ελεγχόμενες προεκτάσεις σε υψηλές θερμοκρασίες.Εφαρμόζοντας τη νέα τους μέθοδο, οι ερευνητές υπολόγισαν την πίεση του πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων που συνίσταται από πάνω, κάτω και παράξενα κουάρκ για θερμοκρασίες από 3 έως 165 GeV. Παραδόξως, οι πιέσεις ακόμη και σε αυτές τις υψηλές αρχέγονες θερμοκρασίες δεν μπορούσαν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων που αλληλεπιδρούσε ασθενώς, υπονοώντας ότι μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η ισχυρή δύναμη έπαιξε ρόλο νωρίτερα από ό,τι εθεωρείτο παλαιότερα.

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v18/s68

[Δροσος Γεωργιος]

Όταν το σύμπαν απαντάει με σιωπή.

Με μεγάλα εκκρεμή ερωτήματα και μικρές νύξεις νέας φυσικής, οι φυσικοί επανεξετάζουν τώρα μερικές από τις πιο θεμελιώδεις υποθέσεις τους.Μέχρι τις αρχές του εικοστού αιώνα οι επιστήμονες πίστευαν ότι το σύμπαν ήταν γεμάτο με μια μυστηριώδη ουσία που την ονόμαζαν αιθέρα, το μέσο στο οποίο θεωρούσαν ότι ‘πατούσε’ το φως για να διαδοθεί. Το 1887, οι φυσικοί Albert A. Michelson και Edward W. Morley αποφάσισαν να δοκιμάσουν πειραματικά την υπόθεση του αιθέρα μετρώντας την ταχύτητα του φωτός. Ανακάλυψαν πως η ταχύτητα του φωτός ήταν πάντα η ίδια, προς κάθε κατεύθυνση. Το πείραμα των Michelson και Morley απέδειξε την μη ύπαρξη του αιθέρα, την ύπαρξη δηλαδή της απόλυτης ταχύτητας του φωτός, η οποία δεν εξαρτάται από τον παρατηρητή. Μπορούμε να φανταστούμε ότι εκείνη την εποχή, ήταν προφανές σε όλους ότι θα ανίχνευαν τον αιθέρα, γιατί κανείς δεν περίμενε η ταχύτητα του φωτός να είναι μια παγκόσμια σταθερά.Αλλά το πείραμα δεν διαπίστωσε καμία μεταβολή στην ταχύτητα του φωτός, καταλήγοντας σε ένα διάσημο μηδενικό αποτέλεσμα που αμφισβήτησε την υπόθεση του αιθέρα και επέβαλε μια αναθεώρηση των θεμελίων της φυσικής. Και σήμερα, οι φυσικοί των σωματιδίων βρίσκονται σε παρόμοια κατάσταση όπου τα μηδενικά αποτελέσματα υπερτερούν των αναμενόμενων ανακαλύψεων. Οι σύγχρονες στιγμές του «αιθέρα» αναγκάζουν την κοινότητα της φυσικής των σωματιδίων να επανεξετάσει τις αγαπημένες της θεωρίες και να συμφιλιωθεί με ορισμένες δύσκολες αλήθειες.

Επανεξετάζοντας την SUSY 

Το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι το καλύτερο πλαίσιο για την κατανόηση του σύμπαντος σε υποατομικό επίπεδο. Αναπτύχθηκε την δεκαετία του 1960, έχει δοκιμαστεί αμέτρητες φορές και εξηγεί με ακρίβεια τα θεμελιώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους.Στις δεκαετίες του 1960 και του 1970, πολλοί φυσικοί ανέπτυξαν μια επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου που ονομάζεται ΥπερΣυμμετρία (ή SUSY εν συντομία). Η SUSY έγινε μια από τις πιο ελπιδοφόρες θεωρίες για μια ενοποιημένη θεωρία της σωματιδιακής φυσικής. Σύμφωνα με την SUSY, κάθε σωματίδιο ύλης στο Καθιερωμένο Πρότυπο – όπως το ηλεκτρόνιο και κάθε είδος κουάρκ – έχει έναν κρυφό, αντίστοιχο υπερσυμμετρικό σύντροφο-φορέα δύναμης. Παρόμοια, κάθε σωματίδιο-φορέας δύναμης έχει έναν υπερσυμμετρικό σύντροφο ύλης. Αυτή η συμμετρία προσέφερε κομψές λύσεις σε πολλά άλυτα προβλήματα στη φυσική. Για παράδειγμα, παρείχε έναν βιώσιμο υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη, εξήγησε τη σταθερότητα των πρωτονίων, τα οποία δεν φαίνεται να διασπώνται, και επέτρεψε την ενοποίηση των θεμελιωδών δυνάμεων σε υψηλές ενέργειες.Την δεκαετία του 1990, ερευνητές από όλο τον πλανήτη συγκεντρώθηκαν για να κατασκευάσουν τoν μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων που έχει κατασκευάσει ποτέ η ανθρωπότητα, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Οι φυσικοί του LHC είχαν δύο βασικούς στόχους: να βρουν το ασύλληπτο μποζόνιο Higgs, το οποίο βοηθά στην εξήγηση του γιατί ορισμένα σωματίδια έχουν μάζα ενώ άλλα όχι. Και να βρουν την υπερσυμμετρία. Το 2010, όταν ο LHC άρχισε να συλλέγει δεδομένα, πολλοί φυσικοί ένιωθαν ότι βρίσκονταν στο χείλος της αποκάλυψης των μυστικών της φύσης.Πολλοί ανέμεναν την ανακάλυψη της SUSY πριν από αυτήν του μποζονίου Higgs. Περίμεναν να εμφανιστεί η πληθώρα των σωματιδίων-συντρόφων της SUSY. Δύο χρόνια αφότου ο LHC ξεκίνησε τη συλλογή δεδομένων, οι φυσικοί ανακοίνωσαν ότι ανακάλυψαν το μποζόνιο Higgs. Αλλά παρά τις πολυάριθμες αναζητήσεις, η υπερσυμμετρία δεν βρέθηκε πουθενά. Τα αναπάντητα ερωτήματα παρέμεναν προκαλώντας την μέγιστη σύγχυση. Ακόμα και η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs έκανε τους φυσικούς να ξύνουν το κεφάλι τους.Παρόλο που το Καθιερωμένο Πρότυπο έχει νόημα από μόνο του, αν υπάρχε κάτι άλλο όπως η σκοτεινή ύλη, η κβαντική βαρύτητα ή η μάζα των νετρίνων, τότε θα έπρεπε η μάζα του Higgs να είναι μεγαλύτερη. Η μάζα του μποζονίου Higgs μετρήθηκε στα 125 GeV και βρίσκεται ακριβώς στην ενεργειακή κλίμακα όπου αναμένεται να καταρρεύσει το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Είναι το αποδεικτικό στοιχείο της νέας φυσικής. Η συγκεκριμένη τιμή της μάζας Higgs δείχνει ότι οι φυσικοί θα έπρεπε να βρουν νέα σωματίδια στην περιοχή, γύρω στα 100, 200 ή 300 GeV. Οι φυσικοί έχουν ψάξει σ’ αυτή την περιοχή, αλλά με μηδενικά αποτελέσματα.

Σκέψη πέρα από τα συνηθισμένα

Με τόσα πολλά αναπάντητα ερωτήματα στη φυσική και την κοσμολογία, οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι υπάρχουν περισσότερα να ανακαλύψουμε, αλλά όχι με τη μορφή των σωματιδίων SUSY που αρχικά φαντάζονταν. Στο σημείο που βρισκόμαστε, είναι πολύ απίθανο να έχουμε το είδος της ανακάλυψης που περιμέναμε πριν από 20 χρόνια. Οι φυσικοί του LHC παρότι έχουν κάνει απίστευτη ποσότητα δουλειάς, ξεπερνώντας κατά πολύ τα αναμενόμενα όρια. Αλλά η SUSY απλώς δεν έχει εμφανιστεί ακόμα. 

διαβάστε σχετικά: ‘Μήπως είδατε την SUSY;‘

https://physicsgg.me/2021/01/17/μήπως-είδατε-την-susy/

Οι φυσικοί στρέφουν τώρα την προσοχή τους σε πιο σύνθετες και λιγότερο προφανείς δυνατότητες. Τα πειράματα μπορούν να αποτελέσουν πραγματικό καταλύτη για την πρόοδο, βάζοντας τους θεωρητικούς σε μια πολύ άβολη θέση όπου ο μόνος τρόπος διαφυγής είναι να σκεφτούν έξω από τα συνηθισμένα.Μια ιδέα είναι ότι ο LHC παράγει σωματίδια SUSY, αλλά με μεγάλη διάρκεια ζωής που μπορούν να ταξιδέψουν από λίγα εκατοστά έως μερικά χιλιόμετρα πριν διασπαστούν ώστε γίνουν ορατά από τους ανιχνευτές. Αυτά τα σωματίδια μακράς διαρκείας θα άφηναν ασυνήθιστες υπογραφές, τις οποίες οι επιστήμονες θα μπορούσαν εύκολα να παρερμηνεύσουν ως αποτέλεσμα μιας δυσλειτουργίας του ανιχνευτή. Οι επιστήμονες αναπτύσσουν μια ποικιλία τρόπων για να τα αναζητήσουν.Για να διερευνήσουν το συνεχιζόμενο μυστήριο της σκοτεινής ύλης, οι φυσικοί πραγματοποιούν πειράματα για να ανιχνεύσουν μια ποικιλία πιθανών υποψηφίων, συμπεριλαμβανομένων των υπερελαφρών αξιονίων, τα οποία θα λειτουργούσαν λιγότερο ως σωματίδια και περισσότερο ως κύματα.Η απουσία πειραματικών στοιχείων για την SUSY, αναγκάζει τους φυσικούς να σκεφτούν διαφορετικά. Αναζητούν νέους δρόμους για τη φυσική επανεξετάζοντας θεμελιώδεις υποθέσεις και βελτιώνοντας την προσέγγισή τους στα πειράματα, θέτουν τις βάσεις για τις επόμενες μεγάλες ανακαλύψεις, ειδικά αν οι απαντήσεις είναι εντελώς απροσδόκητες.Αυτές οι προσπάθειες περιλαμβάνουν τη συνέχιση της συλλογής δεδομένων με τον LHC, ο οποίος, μετά από αυτήν την εκτέλεση, θα μετατραπεί στον High-Luminosity LHC. Πριν από το τέλος της θητείας του, αναμένεται να δεκαπλασιάσει το σύνολο δεδομένων του LHC. Το σίγουρο είναι ότι έχουμε ακόμα πολύ δρόμο μπροστά μας.

πηγή: https://www.symmetrymagazine.org/article/when-the-universe-answers-with-silence?language_content_entity=und

[Δροσος Γεωργιος]

Η ακριβέστερη μέτρηση της μαγνητικής ανωμαλίας του μιονίου.

Το πείραμα Muon g-2 μελετά μια ιδιότητα του μιονίου που αναφέρεται ως ανώμαλη μαγνητική ροπή. Τι είναι τα μιόνια; Είναι υποατομικά σωματίδια που κατά κάποιο τρόπο, μοιάζουν με το ηλεκτρόνιο. Ο ουρανός ‘βρέχει’ συνεχώς μιόνια εξαιτίας των κοσμικών ακτίνων.

https://physicsgg.me/2014/09/23/βίντεο-το-πείραμα-διαστολής-του-χρόνο/

Τα μελετάμε ακόμα γιατί επιφυλάσσουν εκπλήξεις στη συμπεριφορά τους.

 

Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής είναι η πιο καλά δοκιμασμένη και επιτυχημένη φυσική θεωρία όλων των εποχών, με την θεωρία να ταιριάζει άψογα με όλα πειράματα που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα. Αλλά όταν επρόκειτο για μια συγκεκριμένη μέτρηση, της μαγνητικής ροπής του μιονίου, φάνηκε να υπάρχει μια αναντιστοιχία, η οποία οδήγησε σε ένα πείραμα ακριβείας και στην εφαρμογή νέων θεωρητικών μεθόδων. Στην περίπτωση της μαγνητικής ροπής του μιονίου, που συχνά είναι γνωστή ως «g -2» στους κύκλους των φυσικών, μια μακροχρόνια διαφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος απείλησε να καταρρίψει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Στα πειράματα που διεξήχθησαν όλα αυτά τα χρόνια, ανακαλύψαμε ότι είναι ελαφρώς διαφορετικό από το δύο, γι’ αυτό και ονομάζεται g-2. Έτσι, η μαγνητική ανωμαλία των μιονίων ήταν στην πραγματικότητα ένας αριθμός που οι θεωρητικοί περίμεναν για πολύ καιρό (διαβάστε σχετικά: Τα μιόνια εξακολουθούν να μπερδεύουν τους φυσικούς)

https://physicsgg.me/2023/08/11/τα-μιόνια-εξακολουθούν-να-μπερδεύουν/

Το τρίτο και τελευταίο αποτέλεσμα του πειράματος Muon g-2, βασισμένο στα δεδομένα των τελευταίων τριών ετών, συμφωνεί απόλυτα με προηγούμενα αποτελέσματα, ενισχύοντας περαιτέρω τον συνολικό πειραματικό μέσο όρο. Το τελικό αποτέλεσμα συμφωνεί με τα δημοσιευμένα αποτελέσματα από το 2021 και το 2023, αλλά με πολύ καλύτερη ακρίβεια 127 μερών ανά δισεκατομμύριο, ξεπερνώντας τον αρχικό στόχο του πειραματικού σχεδιασμού των 140 μερών ανά δισεκατομμύριο. Πρόκειται για ένα τεράστιο επίτευγμα ακρίβειας και θα παραμείνει η πιο ακριβής μέτρηση της μαγνητικής ανωμαλίας των μιονίων στον κόσμο για πολλά χρόνια ακόμα. Παρά τις πρόσφατες προκλήσεις με τις θεωρητικές προβλέψεις που μειώνουν τα στοιχεία νέας φυσικής από το μιόνιο g-2, αυτό το αποτέλεσμα παρέχει ένα αυστηρό σημείο αναφοράς για τις προτεινόμενες επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής.Ο αρχικός θεωρητικός υπολογισμός (σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο) απέκλινε επικίνδυνα από τα πειραματικά αποτελέσματα, και οι φυσικοί έβλεπαν τις πρώτες ρωγμές στην επικρατούσα θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων. Όμως προέκυψε μια νέα θεωρητική πρόβλεψη βασισμένη σε μια διαφορετική τεχνική που βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην υπολογιστική ισχύ. Η νέα θεωρητική τιμή ήταν πιο κοντά στην πειραματική μέτρηση, μειώνοντας την απόκλιση. Πλέον, φαίνεται πως η σκόνη έχει καταλαγιάσει και ότι η ανωμαλία δεν υπάρχει πια.

Η τελευταία πειραματική τιμή της μαγνητικής ροπής του μιονίου από το πείραμα Fermilab είναι: aμ=(g-2)/2=0,00116592005±0,000000000114(στατ.)± 0,000000000091(συστ.)
Αυτή η τελική μέτρηση βασίζεται στην ανάλυση των δεδομένων των τελευταίων τριών ετών, μεταξύ 2021 και 2023, σε συνδυασμό με τα παλαιότερα σύνολα δεδομένων.

Διαβάστε περισσότερα:
1. Anomaly no more! “Muon g-2” puzzle resolved at last – https://bigthink.com/starts-with-a-bang/anomaly-muon-g-2-puzzle/
2. Muon g-2 announces most precise measurement of the magnetic anomaly of the muon – https://news.fnal.gov/2025/06/muon-g-2-most-precise-measurement-of-muon-magnetic-anomaly/