Νέα μελέτη με αφορμή το «σωματίδιο του Θεού»

Από πόσα διαφορετικά θεμελιώδη σωματίδια αποτελείται η ύλη γύρω μας; Το ερώτημα απασχολεί τους φυσικούς εδώ και καιρό.

Τώρα, Ευρωπαίοι ερευνητές εκτιμούν ότι, εφόσον ευσταθούν οι τελευταίες μετρήσεις στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN, το Σύμπαν δεν κρύβει άλλα τέτοια σωματίδια πέρα από τα 12 είδη που γνωρίζουμε. Και η βεβαιότητα για αυτό το συμπέρασμα φτάνει το 99,99999 τοις εκατό.
Ό,τι υπάρχει στο Σύμπαν πιστεύεται ότι αποτελείται από θεμελιώδη σωματίδια τα οποία χωρίζονται χονδρικά σε δύο κατηγορίες: Η πρώτη είναι τα μποζόνια, τα οποία λειτουργούν ως φορείς των φυσικών δυνάμεων (για παράδειγμα, το φωτόνιο είναι φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης). Η δεύτερη είναι τα φερμιόνια, τα οποία είναι συστατικά της ύλης.

Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο είναι φερμιόνιο, ενώ τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα των ατόμων αποτελούνται από συνδυασμούς διαφορετικών φερμιονίων που ονομάζονται κουάρκ.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής (ένθετο γράφημα), η ύλη στο Σύμπαν αποτελείται από 12 είδη φερμιονίων. Αν συνυπολογίσουμε και τις διάφορες «ποικιλίες» κάθε είδους, προκύπτουν συνολικά 48 διαφορετικά φερμιόνια.   

Άραγε, υπάρχουν στο Σύμπαν κι άλλα είδη φερμιονίων που περιμένουν να ανακαλυφθούν; Η απάντηση είναι όχι, σύμφωνα τουλάχιστον με μελέτη που δημοσιεύεται στην έγκριτη επιθεώρηση Physical Review Letters.

Η ομάδα του Μάρτιν Βίμπους, ερευνητή του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καρλσρούης, κατέληξε στο καθησυχαστικό αυτό συμπέρασμα βασιζόμενη στα τελευταία ευρήματα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN.

Φέτος τον Απρίλιο, οι ερευνητές του CERN προχώρησαν στην ιστορική ανακοίνωση ότι ανίχνευσαν ένα νέο σωματίδιο το οποίο είναι πιθανότατα το περιβόητο μποζόνιο του Χιγκς. Οι αναλύσεις έδειξαν ότι η μάζα αυτού σωματιδίου είναι περίπου 136 GeV (γιγαηλεκτρονιοβόλτ, μονάδα μέτρησης της ενέργειας, η οποία σύμφωνα με τον Άινσταϊν είναι ισοδύναμη με την ύλη).

Η νέα μελέτη βασίζεται σε δύο παραδοχές: πρώτον, αν υπάρχουν άγνωστα φερμιόνια η μάζα τους θα είναι μεγάλη, τόσο μεγάλη ώστε τα σωματίδια αυτά δεν θα μπορούσαν να παραχθούν με τους σημερινούς επιταχυντές. Η δεύτερη παραδοχή είναι ότι το Χιγκς έχει πράγματι τη μάζα που μετρήθηκε στο CERN.

Συνδυάζοντας δεδομένα από τον LHC, τον αμερικανικό επιταχυντή Tevatron και άλλα πειράματα, οι ερευνητές υπολογίζουν ότι, αν υπήρχαν άγνωστα φερμιόνια, θα αλληλεπιδρούσαν με το Χιγκς, θα άλλαζαν τις ιδιότητές του και θα εμπόδιζαν έτσι την παρατήρησή του. Με άλλα λόγια, το γεγονός ότι ανακαλύψαμε το Χιγκς σημαίνει ότι δεν υπάρχουν άγνωστα φερμιόνια.

Μάλιστα, το τελικό συμπέρασμα της στατιστικής ανάλυσης είναι ότι η ύπαρξη νέων φερμιονίων μπορεί να αποκλειστεί με ακρίβεια 5,3σ (τυπική απόκλιση), δηλαδή με βεβαιότητα 99,99999%.
Το αποτέλεσμα αυτό σίγουρα φέρνει ανακούφιση στους σωματιδιακούς φυσικούς. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι όλα τα μυστήρια της ύλης έχουν λυθεί.

Μερικά φλέγοντα ερωτήματα που μένει να απαντηθούν: Γιατί άραγε η φύση φύση χρειάζεται 12 είδη φερμιονίων και όχι λιγότερα; Γιατί το Σύμπαν αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από ύλη και όχι από αντιύλη; Και ποια είναι η φύση της αόρατης «σκοτεινής ύλης», η οποία αλλά είναι πέντε φορές περισσότερη στο Σύμπαν από την η ύλη που βλέπουμε;

Αν είμαστε τυχεροί, ο LHC θα μπορέσει να δώσει λύση σε κάποια από αυτά τα μυστήρια.