Ανιχνεύθηκε το μικρότερο γνωστό σωματίδιο στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC)

Μέσα στις δίνες του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, μια ομάδα επιστημόνων της συνεργασίας CMS συνέλαβε ένα ενδιαφέρον σήμα: ένα απροσδόκητο πλεόνασμα ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ, ακριβώς στην ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για τη δημιουργία τους. Αυτός ο ψίθυρος από την καρδιά της ύλης θα μπορούσε να υποδηλώνει την φευγαλέα εμφάνιση του τοπονίου, ενός μέχρι τώρα ασύλληπτου αδρονίου που αποτελείται από ένα top quark και το αντίστοιχο της αντιύλης του.

Από την ίδρυσή του το 2008, ο LHC έχει καθιερωθεί ως φάρος στην αναζήτηση των θεμελίων που συνθέτουν τη φυσική μας πραγματικότητα. Αυτό το μνημειώδες μηχάνημα, ένας υπόγειος δακτύλιος διάσπαρτος με τέσσερα κύρια πειράματα, έχει σχεδιαστεί για να διευρύνει τα όρια της κατανόησής μας όλο και περισσότερο. Τώρα, η συνεργασία CMS έχει πλέον ανάψει μια αχτίδα ελπίδας προς την ανακάλυψη του μικρότερου ίσως σύνθετου σωματιδίου (αδρονίου) που έχει παρατηρηθεί ποτέ.

Τα κουάρκ, στοιχειώδη δομικά στοιχεία που συνενώνονται για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια – τα συστατικά των ατομικών πυρήνων – βρίσκονται στο επίκεντρο αυτής της πιθανής ανακάλυψης. Το τοπόνιο, αν επιβεβαιωθεί, θα ανήκει στην οικογένεια των κουάρκ, ασταθών καταστάσεων που δημιουργούνται από την ένωση ενός βαρέως κουάρκ και του αντικουάρκ του. Μέχρι τώρα, το τοπόνιο ήταν το τελευταίο «βαρύ» κουάρκ που δεν είχε ακόμη ανιχνευθεί. Η εφήμερη φύση του, η πολύ σύντομη ύπαρξή του, είχε πείσει πολλούς επιστήμονες ότι ήταν πρακτικά αόρατο στα όργανα του LHC.

Ωστόσο, τα δεδομένα που συλλέχθηκαν υποδηλώνουν με μεγάλη πιθανότητα ότι το σήμα που υποκλάπηκε είναι ακριβώς η υπογραφή του τοπονίου. Όλα ξεκίνησαν με το κυνήγι για νέες μορφές του μποζονίου Higgs, του σωματιδίου-κλειδιού που αποκαλύπτει τον μηχανισμό με τον οποίο τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα, το οποίο ανακαλύφθηκε στον LHC το 2012.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο της Σωματιδιακής Φυσικής, η σημερινή καλύτερη περιγραφή του υποατομικού κόσμου και των δυνάμεων που τον διέπουν, εξακολουθεί να διαθέτει σκιώδεις περιοχές. Δεν μπορεί να εξηγήσει κρίσιμα φαινόμενα όπως η Σκοτεινή Ύλη, η Σκοτεινή Ενέργεια και η απουσία βαρύτητας από το θεωρητικό του πλαίσιο. Ακριβώς για να καλύψουν αυτά τα κενά, αρκετές θεωρίες υποθέτουν την ύπαρξη πρόσθετων σωματιδίων Higgs, τα οποία αναμένεται να αλληλεπιδρούν ιδιαίτερα έντονα με το top quark. Σε αυτό το ερευνητικό πλαίσιο διεξήγαγε τις έρευνές της η συνεργασία CMS.

Κατά τη διάρκεια αυτής της εξερεύνησης, οι ερευνητές παρατήρησαν έναν υψηλότερο από τον αναμενόμενο αριθμό ζευγών top quark-antiquark που δημιουργούνται στην ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για το σχηματισμό τους. Αυτή η ανωμαλία ώθησε τους επιστήμονες να εξετάσουν μια υποβλητική υπόθεση: ότι η παρατηρούμενη περίσσεια θα μπορούσε να είναι ο φευγαλέος απόηχος του τοπονίου.

Η ανάλυση επικεντρώθηκε σε δεδομένα δύο ετών, τα οποία συλλέχθηκαν μεταξύ 2016 και 2018 και προέκυψαν από συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων που πραγματοποιήθηκαν στην τυπική ενέργεια λειτουργίας του LHC, ίση με 13 τεραηλεκτρονιοβόλτ (TeV). Για να αποκρυπτογραφήσουν τη φύση αυτών των συγκρούσεων υπερ-υψηλής ενέργειας, οι ερευνητές εξέτασαν προσεκτικά τον τρόπο με τον οποίο οι συγκρούσεις «διασκορπίστηκαν» και πώς τα σωματίδια που προέκυψαν διασκορπίστηκαν στο κενό. Αυτό παρείχε πολύτιμες πληροφορίες για την κβαντική κατάσταση των σωματιδίων μια στιγμή πριν από τη σύγκρουση.

Ένα απλουστευμένο μοντέλο τοπονίου χρησιμοποιήθηκε ως όρος σύγκρισης για τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Η ομοιότητα μεταξύ των συλλεχθέντων δεδομένων και των προβλέψεων του μοντέλου ενίσχυσε την υπόθεση ότι η περίσσεια των ζευγών top quark-antiquark θα μπορούσε στην πραγματικότητα να είναι η εκδήλωση του πολυπόθητου τοπονίου.

Οι υπολογισμοί των ερευνητών δείχνουν ότι η πιθανότητα να παραχθεί τοπόνιο σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, όπως αυτές που γίνονται στο CERN, είναι περίπου 8,8 γεγονότα ανά τρισεκατομμύριο συγκρούσεων, μια τιμή που εκφράζεται τεχνικά ως 8,8 picobarn. Το αποτέλεσμα αυτό συνοδεύεται από μια αβεβαιότητα 15%, ένα περιθώριο αρκετά περιορισμένο ώστε να υπερβαίνει το όριο των «πέντε σίγμα», το χρυσό κριτήριο στη σωματιδιακή φυσική για να μπορεί να επιβεβαιωθεί μια ανακάλυψη με υψηλό βαθμό εμπιστοσύνης.

Αν και τα στοιχεία ευνοούν την υπόθεση του τοπονίου, οι ερευνητές διατηρούν μια επιστημονική επιφύλαξη, καθώς η παρατηρούμενη ανωμαλία θα μπορούσε επίσης να αποδοθεί σε ένα νέο σωματίδιο Higgs. Για την αντιμετώπιση του ζητήματος, η συνεργασία CMS σχεδιάζει να βελτιώσει το θεωρητικό μοντέλο του τοπονίου και να εμπλέξει επίσης το δίδυμο πείραμα του LHC, το ATLAS, για να επιβεβαιώσει τα δεδομένα της με ανεξάρτητες παρατηρήσεις.

[via]