Τα 5 εξωτικά σωματίδια του Μυστηριώδους Σύμπαντος

Από τι αποτελείται η ύλη που αντιλαμβανόμαστε στο Σύμπαν; Αρχικά, υπάρχουν οι συνήθεις ύποπτοι, όπως τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια, τα κουάρκ και τα νετρίνα. Ωστόσο, υπάρχουν άλλα σωματίδια που είναι τόσο σπάνια, που δεν είμαστε καν σίγουροι ότι υπάρχουν. Ακολουθούν πέντε από τα πιο παράξενα και σπάνια υποθετικά σωματίδια του Σύμπαντος.

Σκοτεινό Φωτόνιο

Τα φωτόνια είναι από τα πιο βολικά γνωστά σωματίδια, καθώς τα πάει καλά με τα υπόλοιπα και έχει άπειρη εμβέλεια. Ωστόσο, ενδέχεται να μην είναι το μόνο είδος φωτονίου εκεί έξω. Το σκοτεινό φωτόνιο, το οποίο είναι σαν ένα κανονικό φωτόνιο αλλά απλά… σκοτεινό.

Η αφορμή για το σκοτεινό φωτόνιο προέρχεται από τα μυστήρια της Σκοτεινής Ύλης και της Σκοτεινής Ενέργειας. Η Σκοτεινή ύλη είναι κάποια αόρατη μορφή ύλης που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας σχεδόν κάθε γαλαξία και, συνολικά, αντιπροσωπεύει περίπου το 25% της ενέργειας του Σύμπαντος. Η Σκοτεινή Ενέργεια είναι υπεύθυνη για την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος και αποτελεί το 70% του περιεχομένου του Σύμπαντος.

Μεταξύ των πολλών ερωτημάτων που αντιμετωπίζουν οι κοσμολόγοι είναι πόσο απλά ή περίπλοκα είναι αυτά τα σκοτεινά συστατικά. Γνωρίζουμε ότι η κανονική ύλη είναι συναρπαστικά πολύπλοκη, με μια μεγάλη ποικιλία σωματιδίων και δυνάμεων στο παιχνίδι. Είναι ο σκοτεινός τομέας, όπως αποκαλείται, μεγάλος, απλός και χαζός ή είναι τόσο πλούσιος και ποικίλος όσο και η φωτεινή πλευρά του Σύμπαντος;

Αν ο σκοτεινός τομέας είναι πολύπλοκος, μπορεί να υπάρχουν πρόσθετες δυνάμεις της φύσης που λειτουργούν μόνο μεταξύ της Σκοτεινής Ύλης ή/και της Σκοτεινής Ενέργειας, και τα σκοτεινά φωτόνια θα ήταν οι φορείς αυτών των δυνάμεων. Καμία έρευνα δεν έχει ανακαλύψει ακόμη στοιχεία για σκοτεινά φωτόνια, αλλά έχουμε ακόμη πολλά να μάθουμε.

Καμπυλόνιο (Curvaton)

Ας επιστρέψουμε στις πρώτες στιγμές του Big Bang. Οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι το Σύμπαν μας πέρασε μια περίοδο απίστευτα γρήγορης διαστολής, γνωστή ως πληθωρισμός. Την ισχύ αυτού του γεγονότος έδινε κάποια μυστηριώδης ουσία στο Σύμπαν, γνωστή ως «inflaton», η οποία ήταν ουσιαστικά σαν μια εκρηκτικά ενισχυμένη Σκοτεινή Ενέργεια.

Ο πληθωρισμός εξακολουθεί να είναι υποθετικός, αλλά έχει μια ισχυρή πρόβλεψη στο ενεργητικό του: την κοσμική δομή. Οι στατιστικές ιδιότητες των δομών στο Σύμπαν μας ταιριάζουν με αυτά που περιμένουμε από τον κοσμικό πληθωρισμό, οπότε πιστεύουμε ότι αυτό το δραματικό γεγονός έθεσε τα θεμέλια για τα αστέρια, τους γαλαξίες και τα σμήνη που θα εμφανίζονταν αργότερα.

Παρά την επιτυχία αυτή, ο πληθωρισμός αντιμετωπίζει ορισμένα λεπτά ζητήματα. Πρώτον, είναι δύσκολο να δημιουργηθούν μοντέλα πληθωρισμού που να είναι «φυσικά» – με την έννοια ότι ξεκινούν και τελειώνουν χωρίς καμία περαιτέρω ρύθμιση – και να παράγουν τους σπόρους της κοσμικής δομής. Για να το παρακάμψουν αυτό, ορισμένοι θεωρητικοί έχουν προτείνει ένα συνοδευτικό του inflaton, που ονομάζεται καμπυλόνιο (curvaton).

Η δουλειά του καμπυλόνιου είναι να κάθεται και να περιμένει ενώ ο πληθωρισμός κάνει τα δικά του. Στη συνέχεια, το καμπυλόνιο μπαίνει στη μέση και θέτει τις βάσεις για τη δομή. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι τα μοντέλα πληθωρισμού μπορούν να είναι πιο «φυσικά», επειδή δεν αναγκάζουμε μια οντότητα – το inflaton – να κάνει όλη τη δουλειά στο πρώιμο Σύμπαν.

Το μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι αντικαθιστούμε μια υποθετική οντότητα με δύο, γεγονός που δεν απαλύνει ακριβώς τις ανησυχίες ότι ίσως έχουμε λάθος εικόνα για τον πληθωρισμό. Αλλά το καμπυλόνιο αξίζει να διερευνηθεί ούτως ή άλλως, επειδή η έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση μπορεί να ανοίξει έναν πολλά υποσχόμενο δρόμο.

Glueball

Ο φορέας της ισχυρής δύναμης είναι ένα σωματίδιο γνωστό ως γκλουόνιο, του οποίου υπάρχουν εννέα εκδοχές. Τα γκλουόνια μπορούν επίσης να αισθανθούν την ισχυρή δύναμη. Έτσι, τα καλύτερα μοντέλα μας για το πρωτόνιο μας λένε ότι τα γκλουόνια είναι θερμά συμπλέγματα των αλληλεπιδράσεων της ισχυρής δύναμης. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν τρία κουάρκ (και γκλουόνια), και υπάρχει μια ολόκληρη οικογένεια σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια, τα οποία περιέχουν δύο κουάρκ (και γκλουόνια).

Έτσι έχουμε όλους αυτούς τους συνδυασμούς κουάρκ και γκλουονίων που συγκρατούνται με την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αλλά αφού τα γκλουόνια αισθάνονται την ισχυρή πυρηνική δύναμη ούτως ή άλλως, γιατί δεν παραλείπουμε το κομμάτι των κουάρκ; Γιατί να το κάνουμε τόσο περίπλοκο; Απλά κρατήστε το απλό. Και κάπως έτσι καταλήξαμε στο glueball, το οποίο είναι ένα βαρύ σωματίδιο που δεν αποτελείται από τίποτα περισσότερο από μια συλλογή γκλουονίων … κολλημένων μεταξύ τους.

Αυτό που κάνει τη σφαίρα glueball τόσο ασύλληπτη είναι ότι είναι απίστευτα εφήμερη, με διάρκεια ζωής μικρότερη από ένα μικροδευτερόλεπτο. Αυτό δεν αποτελεί έκπληξη- κάθε συνδυασμός κουάρκ και γκλουονίων, εκτός από το πρωτόνιο, είναι επίσης ασταθής μεμονωμένα. Όμως οι glueballs αναμένεται να έχουν εξαιρετικά μικρή διάρκεια ζωής, διαφορετικά, θα τις είχαμε παρατηρήσει.

Ωστόσο, οι glueballs έχουν επίσης προβλεπόμενες μάζες που κυμαίνονται στο εύρος σχεδόν κάθε άλλου σύνθετου σωματιδίου. Έτσι, μπορεί να το κάνουμε αλλά να μην το συνειδητοποιούμε, επειδή όταν βλέπουμε ένα εκπληκτικό νέο σωματίδιο σε έναν επιταχυντή, συνήθως έχουμε τη δυνατότητα να προσδιορίσουμε ποσοτικά μόνο τη μάζα του. Αυτό σημαίνει ότι έχουμε παρατηρήσει πολλά υποψήφια glueballs από το 2013, αλλά αυτό που είδαμε θα μπορούσε επίσης να είναι άλλα σωματίδια που είναι πολύ λιγότερο εξωτικά.

Σήμερα, υπάρχουν ολόκληρα πειράματα, όπως το GlueX, αφιερωμένα στην εύρεση glueballs. Είναι η τελευταία σημαντική πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου που εξακολουθεί να ισχύει, οπότε αξίζει να ψάξουμε για αυτά τα περίεργα σωματίδια.

X17

Προσπαθούμε να ξεπεράσουμε το Καθιερωμένο Πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής σχεδόν από τότε που το εφεύραμε. Και το 2015, οι Φυσικοί έλαβαν ένα σήμα ότι κάτι μπορεί να μην πάει καλά στο ATOMKI, το Ουγγρικό Ινστιτούτο Πυρηνικών Ερευνών.

Η ομάδα είχε συναρμολογήσει μια συσκευή για την αναζήτηση σκοτεινών φωτονίων. Η διάταξη περιελάμβανε την εκτόξευση πρωτονίων σε πυρήνες λιθίου-7, οι οποίοι στη συνέχεια μετατράπηκαν σε πυρήνες βηρυλλίου-8, οι οποίοι στη συνέχεια διασπάστηκαν και παρήγαγαν ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων.

Αυτά τα ζεύγη πέταξαν σε διάφορες γωνίες και οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν υπολογισμούς πυρηνικής φυσικής για να προβλέψουν την εξάπλωση αυτών των γωνιών. Αν έλαβαν περισσότερα από αυτά τα σωματίδια από ό,τι περίμεναν, αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι εμπλέκονται σκοτεινά φωτόνια.

Και πράγματι, η ουγγρική ομάδα βρήκε επιπλέον ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Για να αναδημιουργηθεί το σήμα, έπρεπε να υπάρχει ένα νέο σωματίδιο με μάζα 17 MeV (34 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου), οπότε αυτό το μυστηριώδες νέο σωματίδιο πήρε το όνομα X17.

Στα επόμενα χρόνια, η ουγγρική ομάδα δημιούργησε έναν εντυπωσιακό κατάλογο επιτευγμάτων, τα οποία όλα δείχνουν την πραγματικότητα αυτού του νέου σωματιδίου, συμπεριλαμβανομένης της στατιστικής σημαντικότητας άνω των 6 σίγμα, και της συνεργασίας με συνεργάτες για την εύρεση παρόμοιων σημάτων.

Παρ’ όλα αυτά, το μεγαλύτερο μέρος της επιστημονικής κοινότητας έχει αμφιβολίες για το Χ17. Όλες οι «ανεξάρτητες» επιβεβαιώσεις έχουν κάποιου είδους αποτύπωμα από την αρχική ουγγρική ομάδα, και κανείς εκτός αυτού του δικτύου δεν μπόρεσε να αναπαράγει το φαινόμενο.

Πρεόνιο (Preon)

Έχετε τα στοιχεία σας, όπως το ήλιο και το αλουμίνιο. Αποτελούνται από θεμελιώδη σωματίδια, όπως το πρωτόνιο, το νετρόνιο και το ηλεκτρόνιο. Αλλά αυτά είναι φτιαγμένα από ακόμα μικρότερα πράγματα: τα κουάρκ. Γιατί λοιπόν να σταματήσουμε εκεί; Ίσως αυτό που αποκαλούμε θεμελιώδη σωματίδια του Σύμπαντος να είναι στην πραγματικότητα σύνθετες δομές ακόμη μικρότερων αντικειμένων, τα πρεόνια (όπως λέμε «προ-κουάρκς», που δεν πρέπει να συγχέονται με τα πρεόνια.

Ένα από τα μεγαλύτερα κίνητρα για τα πρεόνια είναι ότι πολλά σωματίδια είναι εξαιρετικά παρόμοια μεταξύ τους αλλά διαφέρουν μόνο σε κάποιο μικρό βαθμό. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο διαφέρουν μόνο ως προς το φορτίο, και το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο διαφέρουν μόνο ως προς τη μάζα. Προς το παρόν δεν έχουμε καμία εξήγηση για αυτές τις σχεδόν πανομοιότυπες ιδιότητες, οπότε υποψιαζόμαστε ότι μπορεί να προκύπτουν από κάποιες άλλες αλληλεπιδράσεις.

Τα πρεόνια έχουν προταθεί για να εξηγήσουν σχεδόν κάθε εκκρεμές πρόβλημα του Καθιερωμένου Προτύπου, από το γιατί υπάρχουν μόνο τρεις γενιές μέχρι το τι είναι η σκοτεινή ύλη. Αλλά τίποτα δεν φαίνεται ποτέ να κολλάει, και αυτό γιατί κανένα πείραμα δεν έχει δώσει καμία ένδειξη ότι τα κουάρκ και τα λεπτόνια είναι σύνθετα σωματίδια.

[via]