Μια διεθνής ομάδα φυσικών παρουσίασε τα πρώτα αποτελέσματα της αναζήτησής της για υποθετικά σωματίδια, που θα μπορούσαν να εξηγήσουν το τεράστιο χάσμα ανάμεσα στην ένταση της βαρύτητας και των τριών θεμελιωδών δυνάμεων που περιγράφει το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Έπειτα από τρία χρόνια συλλογής δεδομένων στο πείραμα FASER του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC), η συνεργασία FASER δε βρήκε ενδείξεις για αυτά τα βαριά και αργά «quirks». Η ανάλυση προσφέρει ωστόσο πολύτιμη καθοδήγηση για τη συνέχεια της αναζήτησης και θα μπορούσε να εμπνεύσει παρόμοιες έρευνες σε άλλους μεγάλους επιταχυντές. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters.
Ένα πρότυπο με κενά
Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής παραμένει η πιο αξιόπιστη περιγραφή των θεμελιωδών δομικών λίθων του σύμπαντος και του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν. Στη σημερινή του μορφή περιλαμβάνει τρεις βασικές «ομάδες βαθμίδας», που καλύπτουν τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις και τα σωματίδια που επηρεάζονται από αυτές.
Παρότι το πρότυπο άντεξε σε κάθε πείραμα μέχρι σήμερα, υπάρχουν πολλές ενδείξεις ότι οι προβλέψεις του είναι ελλιπείς. Η πιο γνωστή είναι η αδυναμία του να εξηγήσει τη φύση της σκοτεινής ύλης. Ένα άλλο πρόβλημα προκύπτει από τη διαφορά έντασης ανάμεσα στη βαρύτητα και στις υπόλοιπες τρεις δυνάμεις. Για λόγους που το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μπορεί να εξηγήσει, η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι περίπου 10²⁴ φορές ισχυρότερη από τη βαρύτητα. Η απόκλιση αυτή είναι γνωστή ως «πρόβλημα της ιεραρχίας των βαθμίδων».
Quirks και «infracolor»
Μία από τις προτεινόμενες λύσεις είναι η εισαγωγή μιας εντελώς νέας ομάδας βαθμίδας στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Το 2008, βασιζόμενοι σε ιδέες που ανάγονταν στη δεκαετία του 1980, ο Markus Luty και ο Junhai Kang του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ πρότειναν μια υποθετική οικογένεια θεμελιωδών σωματιδίων με το όνομα «quirks». Σε ορισμένες θεωρίες, τα quirks θα μπορούσαν να αλληλεπιδρούν με το μποζόνιο Χιγκς, το οποίο ευθύνεται για τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων.
Η αλληλεπίδραση αυτή θα μπορούσε να εμποδίσει τις κβαντικές επιδράσεις από το να ανεβάσουν τη μάζα του μποζονίου Χιγκς κατά πολλές τάξεις μεγέθους πάνω από την παρατηρούμενη τιμή της. Επειδή η βαρύτητα δρα στη μάζα και όχι στο φορτίο, το αποτέλεσμα αυτό θα διατηρούσε τελικά τη βαρύτητα πολύ ασθενέστερη από τις άλλες τρεις δυνάμεις. Κεντρικό στοιχείο της θεωρίας των Luty και Kang είναι ότι τα quirks θα αλληλεπιδρούσαν μέσω ενός νέου τύπου δύναμης, που ονομάζεται «infracolor» και μοιάζει πολύ με την ισχυρή πυρηνική δύναμη.
«Αυτή η δύναμη θα μπορούσε να συγκρατεί ζεύγη quirk-αντι-quirk με μια σχεδόν άθραυστη χορδή», εξηγεί ο Eli Welch του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Ίρβαϊν, κύριος συγγραφέας της τελευταίας ανάλυσης της συνεργασίας FASER.
«Αυτό θα τα έκανε να ταλαντώνονται καθώς κινούνται και θα δυσκόλευε την προσομοίωση και την ανίχνευσή τους». Εάν ωστόσο υπάρχουν τα quirks, οι φυσικοί προβλέπουν ότι θα μπορούσαν να παράγονται σε ζεύγη σε συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας, αφήνοντας χαρακτηριστικά ίχνη στους ανιχνευτές.
Η αναζήτηση στον LHC
Το 2010 πραγματοποιήθηκε η πρώτη αποκλειστική αναζήτηση για quirks στον επιταχυντή Tevatron του Fermilab. Στον LHC, αρκετά από τα εννέα πειράματα ανίχνευσής του είναι ευαίσθητα στα quirks, όμως οι αναζητήσεις αυτές βασίζονταν είτε στην ιχνηλάτηση της πορείας των σωματιδίων, κάτι ιδιαίτερα δύσκολο λόγω των σύνθετων και ταλαντούμενων τροχιών που αναμένεται να ακολουθούν τα quirks, είτε στον εντοπισμό quirks που σταματούν και εξαϋλώνονται μέσα στον ανιχνευτή.
Τώρα, πάνω από μια δεκαετία μετά την αναζήτηση στο Tevatron, πραγματοποιήθηκε η πρώτη αποκλειστική αναζήτηση quirks στον LHC με το Πείραμα Εμπρόσθιας Αναζήτησης (FASER), που σχεδιάστηκε ειδικά για να ανιχνεύει τα νετρίνα που παράγονται στις συγκρούσεις σωματιδίων και να αναζητά νέα στοιχειώδη σωματίδια.
Το FASER βρίσκεται 480 μέτρα (1.575 πόδια) μετά το πείραμα ATLAS και προστατεύεται από περισσότερα από 100 μέτρα (328 πόδια) βράχου, γι’ αυτό καταγράφει ελάχιστα σωματίδια υποβάθρου. Έτσι είναι ιδανικό για την αναζήτηση ζευγών βαρέων quirks καθώς διέρχονται από τον ανιχνευτή.
«Μετρώντας την καθυστερημένη άφιξή τους και την αργή ταχύτητά τους, μαζί με τις ασυνήθιστα μεγάλες εναποθέσεις ενέργειας και από τα δύο σωματίδια, μπορούμε να αναγνωρίσουμε τα quirks χωρίς να χρειάζεται να ιχνηλατήσουμε τις διαδρομές τους», εξηγεί ο Welch. «Αυτό καθιστά την αναζήτησή μας πολύ λιγότερο ευαίσθητη στις ασυνήθιστες ταλαντώσεις τους σε σχέση με τις συμβατικές αναζητήσεις».
Πέρα από τις συμβατικές υπογραφές
Στην τελευταία μελέτη της, η συνεργασία FASER ανέλυσε δεδομένα που συνέλεξε ο ανιχνευτής μεταξύ 2022 και 2024, με συγκεκριμένο στόχο τον εντοπισμό σήματος quirk. Η ανάλυση δεν εντόπισε ενδείξεις για τα ζεύγη quirks που αναζητούσε, προσέφερε όμως σημαντικούς νέους περιορισμούς για τη θεωρία.
«Τα αποτελέσματά μας αποκλείουν ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων στο μοντέλο quirk που εξετάσαμε, συμπεριλαμβανομένων μαζών ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για θεωρίες φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο», εξηγεί ο Welch.
Η συνεργασία FASER ελπίζει πλέον ότι τα αρχικά αποτελέσματά της θα αποτελέσουν υποσχόμενο έδαφος για μια διευρυμένη αναζήτηση quirks στον LHC. Αποδεικνύοντας ότι η ασυνήθιστη συμπεριφορά των σωματιδίων μπορεί να ανιχνευθεί χωρίς τις πιο συμβατικές μεθόδους ιχνηλάτησης, ελπίζει ότι και άλλα πειράματα επιταχυντών θα παρακινηθούν να συμμετάσχουν στην αναζήτηση.
«Γενικότερα, αναδεικνύει τη σημασία του να κοιτάμε πέρα από τις συμβατικές υπογραφές σωματιδίων, καθώς η νέα φυσική μπορεί να κρύβεται σε σήματα για τα οποία δε σχεδιάστηκαν οι υπάρχουσες αναζητήσεις», προσθέτει ο Welch.