Πείραμα του CERN αμφισβητεί τη γνώση των επιστημόνων για τα quarks

Τα κουάρκ (quarks), τα στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία αποτελούνται τα πρωτόνια και τα νετρόνια του ατομικού πυρήνα, είναι φερμιόνια (όπως και τα ηλεκτρόνια). Υπάρχουν διάφοροι τύποι, αν και οι Φυσικοί προτιμούν να μιλούν για «γεύσεις»: up, down, charm, strange, top και bottom. Τα πιο συχνά στη συνηθισμένη ύλη είναι τα κουάρκς up και down, αν και το up είναι πολύ ενδιαφέρον για έναν περίεργο λόγο: είναι το βαρύτερο στοιχειώδες σωματίδιο που μπορούμε να βρούμε στη Φύση.

Μια ενδιαφέρουσα σημείωση δεδομένου ότι κινούμαστε στον τομέα των φερμιονίων: η υπερσυμμετρία είναι ένα θεωρητικό μοντέλο της σωματιδιακής Φυσικής που προτείνει την ύπαρξη ενός υποθετικού σωματιδίου που είναι ζευγαρωμένο με καθένα από τα θεμελιώδη σωματίδια που γνωρίζουμε. Προσπαθεί να εξηγήσει τη σχέση μεταξύ των μποζονίων, τα οποία έχουν σπιν με ακέραια τιμή, και των φερμιονίων, τα οποία έχουν ημιακέραιο σπιν. Ωστόσο, είναι σημαντικό να μην παραβλέπουμε ότι πρόκειται για ένα υποθετικό θεωρητικό πλαίσιο που, ως εκ τούτου, δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί στη Φύση. Ούτε καν πειραματικά.

Η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση, η οποία είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της Φύσης, είναι η «κόλλα» που συγκρατεί τα κουάρκς μεταξύ τους για να προκύψουν τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα άλλα αδρόνια. Είναι επίσης υπεύθυνη για τη συνοχή και τη σταθεροποίηση του πυρήνα των ατόμων. Μέχρι τώρα, οι Φυσικοί θεωρούσαν ότι η δύναμη αυτή αλληλεπιδρά με όλα τα κουάρκ, ανεξάρτητα από τη γεύση τους, με τον ίδιο τρόπο. Ο μηχανισμός αυτός είναι γνωστός ως ισοσπινική συμμετρία και σέβεται, φυσικά, τις διαφορές που υπάρχουν μεταξύ των μαζών και των ηλεκτρικών φορτίων των κουάρκ.

Σύμφωνα με την ισοσπινική συμμετρία, η σύγκρουση βαρέων ιόντων, τα οποία είναι άτομα ή μόρια που έχουν αποκτήσει θετικό ή αρνητικό συνολικό ηλεκτρικό φορτίο λόγω απώλειας ή πρόσληψης ηλεκτρονίων, θα πρέπει να παράγει ουσιαστικά την ίδια ποσότητα ηλεκτρικά φορτισμένων καονίων και ουδέτερων καονίων επειδή η μάζα των κουάρκ up και down είναι παρόμοια. Εδώ να αναφέρουμε ότι ένα καόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο που αποτελείται από ένα strange κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Η παρουσία του τελευταίου του προσδίδει πολύ περίεργες ιδιότητες, οπότε η μελέτη του είναι πολύ χρήσιμη για να κατανοήσουμε λίγο καλύτερα τα χαρακτηριστικά της ύλης.

Αυτό που εξέπληξε τους Φυσικούς του CERN είναι ότι το πείραμα NA61/SHINE έδειξε ότι δεν τηρείται η ισοσπινική συμμετρία επειδή οι συγκρούσεις βαρέων ιόντων δημιουργούν μια πολύ μεγάλη ανισορροπία μεταξύ της παραγωγής φορτισμένων καονίων και ουδέτερων καονίων. Τα τελευταία χρόνια, οι Φυσικοί υποψιάζονταν ότι θα μπορούσε να υπάρχει ένας ορισμένος βαθμός ανισορροπίας, αλλά αυτό που δεν περίμεναν είναι ότι η διαφορά αυτή ήταν τόσο μεγάλη. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για έναν λόγο: τα τρέχοντα θεωρητικά μοντέλα δυσκολεύονται να το εξηγήσουν.

Μπορεί να φαίνεται σαν πρόβλημα, αλλά στην πραγματικότητα είναι μια σπουδαία ευκαιρία. Στη σωματιδιακή Φυσική, όταν εμφανίζεται μια τέτοια ασυμφωνία, οι ερευνητές έχουν την ευκαιρία να αναπτύξουν νέες θεωρίες με σκοπό να κατανοήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τι συμβαίνει στα πειράματά τους. Η συγκεκριμένη ασυμφωνία έχει τη δυνατότητα να τους βοηθήσει να κατανοήσουν καλύτερα πώς λειτουργεί η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση και πώς συνδυάζονται τα κουάρκ και τα γκλουόνια για να καταλήξουν στην παραγωγή αδρονίων.

[via]