Γιατί αλλάζουν γεύσεις τα σωματίδια;

Τα δομικά στοιχεία της ύλης – όπως λεπτόνια και κουάρκς – έρχονται σε πολλές γεύσεις αντίθετα από τα βασικά συστατικά που αποτελούν τα άτομα και με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι.

Γεύση είναι το όνομα που δίνουν οι επιστήμονες σε διαφορετικές εκδόσεις του ίδιου τύπου σωματιδίου. Για παράδειγμα, τα κουάρκ (από τα οποία αποτελούνται ανάμεσα στα άλλα τα πρωτόνια και τα νετρόνια) έρχονται σε έξι γεύσεις: πάνω (up), κάτω (down), κορυφή (top), πυθμένας (bottom), παράξενο (strange) και γοητευτικό (charm). Τα λεπτόνια, μια κατηγορία που μεταξύ των άλλων περιλαμβάνει τα ηλεκτρόνια, επίσης, συναντώνται σε έξι γεύσεις, το καθένα με διαφορετική μάζα.

Αλλά οι φυσικοί βρίσκονται σε σύγχυση ως προς το γιατί υπάρχουν οι γεύσεις, και γιατί κάθε γεύση έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά. Αυτό είναι γνωστό ως το πρόβλημα της γεύσης. Γιατί δηλαδή υπάρχουν τόσες πολλές γεύσεις; Γιατί έχουμε έξι τύπους κουάρκ και έξι τύπους λεπτονίων , και γιατί έχουν διαφορετικές μάζες; Δεν έχουμε την παραμικρή ιδέα.

Αλλαγή γεύσης

Στον παράξενο κόσμο της σωματιδιακής φυσικής, οι διάφορες γεύσεις των κουάρκ και των λεπτονίων διαφοροποιούνται από τις επιμέρους ιδιότητές τους, συμπεριλαμβανομένης της μάζας, του φορτίου και του σπιν.

Για παράδειγμα, όλα τα κουάρκ έχουν το ίδιο σπιν (1 / 2), και τρία από αυτά (πάνω, γοητευτικό και κορυφή) έχουν φορτίο 2 / 3, ενώ τα άλλα τρία (κάτω, παράξενο και πυθμένας) έχουν φορτίο μείον 1 / 3. Κάθε ένα δε έχει μια μοναδική μάζα.

Αυτό που είναι ακόμα πιο παράξενο είναι ότι τα σωματίδια είναι σε θέση να αλλάξουν την γεύση τους και να αποκτήσουν μια άλλη. Για παράδειγμα, το κάτω κουάρκ μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε πάνω κουάρκ, και το γοητευτικό κουάρκ μπορεί να μετατραπεί σε παράξενο κουάρκ, και ούτω καθεξής. Ενώ μερικές μεταβάσεις είναι πιο συχνές από ό,τι άλλες. Θεωρητικά, οι περισσότερες γεύσεις κουάρκ μπορεί να μεταβούν σε περισσότερες άλλες γεύσεις.

Βεβαίως δεν ξέρουμε τι βρίσκεται μέσα σε ένα κουάρκ. Πιστεύουμε ότι φταίει η τυχόν ομοιότητα ή η ανομοιότητα της εσωτερικής δομής τους, για την δυσκολία ή την ευκολία να κάνουν αυτές τις αλλαγές των γεύσεων.

Και ενώ τα σωματίδια έρχονται σε πολλές γεύσεις, το σύμπαν μας προτιμά από αυτές λίγες μόνο. Τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα, όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο και το υδρογόνο, αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, με τη σειρά τους, περιέχουν πάνω και κάτω κουάρκ.  Τα υπόλοιπα κουάρκ είναι σπάνιο να βρεθούν κάπου.

Το ίδιο ισχύει και για τα λεπτόνια: Τα ηλεκτρόνια υπερτερούν σε αριθμό από τις άλλες γεύσεις των λεπτονίων, όπως τα μιόνια και τα ταυ, που σπάνια βρίσκονται στη φύση.

Πιστεύουμε ότι αυτά υπήρχαν στα πρώτα-πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang και στη συνέχεια διασπάστηκαν. 

Άλλα μυστήρια

Εκτός από την αναζήτηση για την προέλευση της γεύσης, οι φυσικοί αγωνίζονται να μάθουν και άλλα μυστήρια, όπως για την αντιύλη. Ωστόσο, οι φυσικοί πιστεύουν θα έπρεπε να υπάρχει πολύ περισσότερη αντιύλη στο σύμπαν από ό,τι υπάρχει, και η γεύση μπορεί να βοηθήσει ώστε να εξηγηθεί αυτή η «απώλεια» της αντιύλης.

Υπάρχει μια ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στο σύμπαν, με την έννοια ότι το σύμπαν αποτελείται από ύλη ενώ δεν υπάρχει αντιύλη σήμερα, όμως στο Big Bang, ύλη και η αντιύλη δημιουργήθηκαν σε ίσες ποσότητες. Τι συνέβη λοιπόν στην αντιύλη; Πιστεύουμε ότι κι αυτό σχετίζεται με την γεύση.

Όταν ένα σωματίδιο ύλης και το αντίστοιχο σωματίδιο αντιύλης, συναντιούνται μπορούν εξολεθρεύσουν το ένα το άλλο και να φτιάξουν καθαρή ενέργεια. Τα περισσότερα από τα σωματίδια ύλης και αντιύλης που δημιουργήθηκαν στην αρχή του σύμπαντος έχουν εξαυλωθεί, αφήνοντας μια μικρή ποσότητα ύλης να περισσεύει, που από αυτήν φτιάχτηκαν τα αστέρια και οι γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα.

Οι φυσικοί πιστεύουν ότι κάποιες διαφορές στον τρόπο που ορισμένα σωματίδια (όπως το καόνιο) διασπώνται σε σύγκριση με την αντιύλη, μπορεί να εξηγήσει γιατί η ύλη επέζησε στην αποσύνθεση, σε αντίθεση με τα σωματίδια της αντιύλης. Οι ερευνητές έχουν παρατηρήσει κάποια ασυμμετρία στους ρυθμούς αποσύνθεση της ύλης και αντιύλης, αλλά αυτή δεν αρκεί για να εξηγήσει το σύμπαν όπως το βλέπουμε.

Ταλάντωση καονίων Μια αρχικά καθαρή δέσμη ουδετέρων καονίων μετατρέπεται στο αντισωματίδιο του ενώ διαδίδεται. Λίγο μετά μετατρέπεται στο αρχικό σωματίδιο και ούτω καθεξής. Κι αυτή μετατροπή λέγεται ταλάντωση. Σε παρατηρήσεις της ασθενούς διάσπασης στα λεπτόνια βρέθηκε ότι ένα ουδέτερο καόνιο διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο, ενώ το αντικαόνιο σε ένα ποζιτρόνιο. Η νεότερη ανάλυση είδε μια συσχέτιση μεταξύ του ρυθμού παραγωγής ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων από πηγές καθαρού καονίου και του αντικαονίου του.

Υπολογισμοί δείχνουν ότι αυτές οι ασυμμετρίες δημιουργούν πράγματι κάποια διαφορά στην ποσότητα ύλης και αντιύλης, αλλά είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερη από ό,τι χρειάζεστε. Άρα υπάρχουν και κάποιες άλλες εξισώσεις που δεν έχουμε δει ακόμα και που προβλέπουν, επίσης, διαφορετικά είδη ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης.

Οι επιστήμονες έτσι ελπίζουν κι εδώ ότι με τη μελέτη της παράξενης συμπεριφοράς  της γεύσης των σωματιδίων, θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε την υπεροχή της ύλης μετά το Big Bang.

Το όριο της έντασης

Η ελπίδα των ερευνητών να βρουν τι κρύβεται βαθειά κάτω από την γεύση των σωματιδίων βρίσκεται στα νέα πειράματα, τα οποία έχουν προταθεί για την αντιμετώπιση αυτού που ονομάζεται το «όριο της έντασης»

Σε αυτά τα πειράματα, οι ερευνητές θέλουν να παρατηρήσουν μεταβάσεις σωματιδίων από τη μία γεύση στην άλλη, και όχι μόνο τις συνηθισμένες μεταβάσεις, όπως ένα down κουάρκ που γίνεται up κουάρκ, αλλά και πιο εξωτικές αλλαγές, όπως η αλλαγή από κουάρκ bottom (πυθμένας) στο γοητευικό (charm) κουάρκ.

Ψάχνουν δηλαδή για σπάνια φαινόμενα, αλλά για να το καταφέρουν πρέπει να έχουν πολλές συγκρούσεις σωματιδίων στους επιταχυντές. Και για να γίνει αυτό οι επιστήμονες πρέπει να αυξήσουν την ένταση, ή τον αριθμό των σωματιδίων που παράγονται στους επιταχυντές σωματιδίων.

Έτσι, σχεδιάζουν το Project X στο Fermilab στον οποίο θα φτιαχτεί ένας εξαιρετικά υψηλής έντασης επιταχυντής σωματιδίων, που θα αναζητήσουν σπάνιες μεταβάσεις γεύσης. Σε αυτόν σκοπεύουν να παράγουν μια πολύ υψηλή ροή νετρίνων και ένα πολύ υψηλό ρεύμα μεσονίων K, τα οποία είναι ασταθή σωματίδια που έχουν στο εσωτερικό τους παράξενα κουάρκ, καθώς και μια πολύ υψηλή ροή μιονίων, τα οποία είναι ασταθή σωματίδια, τα βαρύτερα ξαδέλφια των κανονικών ηλεκτρονίων. Όταν φτιαχτεί θα είναι ο μεγαλύτερος  επιταχυντής στις ΗΠΑ, και με την υψηλότερη ένταση στον κόσμο.

Όμως, τώρα βρίσκεται σε εξέλιξη η κατασκευή νέων επιταχυντών, όπως στην Ιταλία και την Ιαπωνία,  με υψηλή ένταση για την μελέτη της γεύσης.

Επιπλέον, ο μεγαλύτερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Ανδρονίων στο CERN, έχει ένα πείραμα που ονομάζεται LHCb kai e;inai αφιερωμένο στην αναζήτηση ορισμένων σπάνιων διασπάσεων σωματιδίων, όπως τα b μεσόνια, που περιέχουν διαφορετικές γεύσεις κουάρκς.

Πρόσθετες διαστάσεις

Αν και οι επιστήμονες γενικά μένουν άναυδοι για το πώς τα σωματίδια αποκτούν την γεύσης τους, μια θεωρία προτείνει μία συναρπαστική και περίεργη λύση.

Οι γεύσεις των σωματιδίων μπορεί να είναι ένα σύμπτωμα μιας επιπλέον, κρυφής διάστασης του σύμπαντος πέρα ​​από τις τρεις γνωστές διαστάσεις του χώρου και μίας του χρόνου που έχουμε συνηθίσει. Αυτή η ιδέα, που ονομάζεται στρεβλωμένες διαστάσεις, για πρώτη φορά προτάθηκε από τη Lisa Randall και τον Raman Sundrum.

Ίσως, λένε οι φυσικοί, οι διαφορετικές γεύσεις να οφείλεται στις κρυμμένες διαστάσεις του χώρου. Να υπάρχει δηλαδή μόνο ένα είδος γεύσης των κουάρκ και αυτές οι διαφορετικές γεύσεις που βλέπουμε – strange, charm, top, bottom – να είναι τα διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του χώρου και του χρόνου.

Αν είστε δύσπιστοι με αυτή την εξήγηση οι φυσικοί μας υπενθυμίζουν ότι και ο ίδιος ο Αϊνστάιν έδειξε κάποτε ότι η μάζα είναι στενά συνδεδεμένη με τον χώρο και τον χρόνο, όπως μας εξήγησε στη γενική θεωρία της σχετικότητας. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή η βαρύτητα, η οποία είναι η ελκτική δύναμη ανάμεσα στις  μάζες, είναι πραγματικά μια καμπυλότητα του χωροχρόνου.

Βλέπουμε τα έξι διαφορετικά κουάρκ να έχουν έξι διαφορετικές μάζες, αλλά ίσως στην πραγματικότητα να έχουν την ίδια μάζα, αλλά βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία στην επιπλέον διάσταση, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται με διαφορετικό τρόπο.

Αν και η θεωρία μπορεί να ακούγεται φανταστική, κάνει κάποιες συγκεκριμένες προβλέψεις για το πώς ορισμένα σωματίδια διασπώνται και το πώς γίνεται στα κουάρκς η μετάβαση μεταξύ των γεύσεων. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα νέα πειράματα που ωθούν προς τα πάνω τα όρια της έντασης μπορεί να είναι σε θέση να μετρήσουν μερικές από αυτές τις διασπάσεις και, ενδεχομένως, την επικύρωση ή την ακύρωση αυτής και άλλων θεωριών.

Πηγή

Posted in: Γιατί;, επιστήμη