Τα 4-σίγμα του CERN δεν γκρεμίζουν τη φυσική

Αυτό που είδε το πείραμα LHCb του CERN είναι μια ισχυρή στατιστική ένδειξη σε μια σπάνια διάσπαση σωματιδίου. Και όπως ξέρουμε από την ιστορία της σωματιδιακής φυσικής, τέτοιες ενδείξεις συχνά εξανεμίζονται όταν φτάνουν περισσότερα δεδομένα. Παρ' όλα αυτά, αρκετοί ελληνικοί και διεθνείς τίτλοι μιλούν αυτές τις μέρες για «κατάρρευση του Καθιερωμένου Μοντέλου» και «νέες δυνάμεις της φύσης». Η κλίμακα είναι λάθος.

Οι ερευνητές του LHCb παρακολούθησαν πώς διασπάται ένα συγκεκριμένο σωματίδιο, το μεσόνιο B, στα δεδομένα που μάζεψαν μεταξύ 2011 και 2018. Η συχνότητα και ο τρόπος που σπάει σε ένα ζεύγος μιονίων δεν συμφωνεί απόλυτα με αυτά που προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο, τη θεωρία που εξηγεί τα σωματίδια και τις δυνάμεις του μικρόκοσμου. Η απόκλιση είναι μία από τις ισχυρότερες πρόσφατες ενδείξεις στον τομέα (arXiv, ScienceDaily). Η σχετική μελέτη παραμένει preprint, δηλαδή δεν έχει περάσει ακόμη από αξιολόγηση συναδέλφων.

Γιατί αυτές οι διασπάσεις λένε τόσα

Το μεσόνιο B περιέχει ένα βαρύ κουάρκ (beauty), που για να μετατραπεί σε ένα ελαφρύτερο (strange) πρέπει να περάσει από έναν περίπλοκο κβαντικό «βρόχο», όπου εμπλέκεται η ασθενής πυρηνική δύναμη (energy.gov). Η διεργασία είναι σπάνια και ακριβή.

Σκεφτείτε ένα πολύ ήσυχο δωμάτιο, όπου ξέρετε από πριν ακριβώς ποιο βουητό περιμένετε. Ένας μικρός επιπλέον ήχος ξεχωρίζει αμέσως. Αν υπάρχει κάποιο άγνωστο, βαρύ σωματίδιο στη φύση, θα μπορούσε να αφήσει το αποτύπωμά του ακριβώς σε τέτοιους ήσυχους κβαντικούς βρόχους, χωρίς να εμφανιστεί ποτέ απευθείας στους ανιχνευτές. Αυτό κάνει τις σπάνιες διασπάσεις μεσονίων B ιδανικό μικροσκόπιο για ό,τι δεν περιγράφει ακόμη η θεωρία μας.

Τι θα κρίνει το ερώτημα

Το επόμενο τεστ είναι αν το αποτέλεσμα επιβιώσει σε καθαρότερα δεδομένα. Το LHCb θα επαναλάβει την ανάλυση με τα νέα δεδομένα που μαζεύει τώρα, μετά την αναβάθμιση του ανιχνευτή του. Χρειάζεται επίσης ανεξάρτητη επιβεβαίωση από άλλα πειράματα, όπως το γειτονικό CMS στο CERN και το ιαπωνικό Belle II, που μελετά τα ίδια σωματίδια με διαφορετικό τρόπο (CMS). Ρεαλιστικά, τα επόμενα ένα έως τρία χρόνια θα δώσουν πολύ καθαρότερη εικόνα. Η οριστική απάντηση όμως ίσως περιμένει τη δεκαετία του 2030, όταν θα έχει τεθεί σε λειτουργία η αναβαθμισμένη έκδοση του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (Kaleido).

Γιατί δεν μιλάμε ακόμη για νέα φυσική

Η ένταση της απόκλισης μετριέται σε «σίγμα». Τα 4-σίγμα του LHCb σημαίνουν περίπου 1 πιθανότητα στις 31.000 να δούμε τόσο ακραίο σήμα αν το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι σωστό. Ακούγεται συντριπτικό. Στη σωματιδιακή φυσική όμως, το όριο για να μιλήσει κανείς για ανακάλυψη είναι 5-σίγμα, δηλαδή περίπου 1 πιθανότητα στα 3,5 εκατομμύρια (CMS).

Ο λόγος για αυτό το αυστηρό όριο δεν είναι παράνοια, είναι εμπειρία. Τα μεγάλα πειράματα ερευνούν δεκάδες κανάλια και εκατοντάδες περιοχές. Κάποια εντυπωσιακά σήματα στα 3 ή 4 σίγμα εμφανίζονται και χάνονται απλώς από τη στατιστική του πλήθους δοκιμών. Η ίδια η ομάδα του LHCb είχε ανακοινώσει το 2021 μια απόκλιση 3,1-σίγμα σε άλλο κανάλι, το λεγόμενο R_K. Η νέα μέτρηση του 2022, με περισσότερα δεδομένα, συμφώνησε πλήρως με το Καθιερωμένο Μοντέλο (LHCb Outreach). Η ανωμαλία απλώς εξανεμίστηκε.

Υπάρχει και μια πιο πεζή εξήγηση για την τωρινή απόκλιση, πριν φτάσει κανείς σε νέα σωματίδια. Οι θεωρητικοί τη βαφτίζουν με αστείο όνομα: charming penguins. Είναι συνεισφορές από εικονικά charm κουάρκ μέσα στον ίδιο κβαντικό βρόχο, που είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστούν με ακρίβεια λόγω των ισχυρών αλληλεπιδράσεων (arXiv). Αν οι θεωρητικές αβεβαιότητες σε αυτό το κομμάτι έχουν υποτιμηθεί, μέρος ή και ολόκληρη η απόκλιση μπορεί να μην οφείλεται σε νέα φυσική, αλλά σε ελλιπή υπολογισμό γνωστής φυσικής. Ιστορικά, αυτή είναι η πιο συχνή κατάληξη τέτοιων ιστοριών.

Ακόμη και αν το σήμα φτάσει κάποτε στα 5-σίγμα, η σωστή διατύπωση δεν θα είναι «η φυσική γκρεμίζεται». Θα είναι ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο, που εξακολουθεί να εξηγεί σχεδόν κάθε γνωστό φαινόμενο του μικρόκοσμου, χρειάζεται επέκταση σε μια πολύ συγκεκριμένη γωνιά του. Καμία γέφυρα δεν θα πέσει, καμία τεχνολογία δεν θα αλλάξει αύριο. Απλώς θα ξέραμε επιτέλους πού να ψάξουμε για το επόμενο κομμάτι του παζλ. Μέχρι τότε, η σωστή απάντηση στους τίτλους περί επανάστασης είναι αυτή που δίνουν πάντα οι πειραματικοί φυσικοί. Για να δούμε.