Joskus parhaat löydöt ovat niitä, joita ei etsinyt
Tiedätkö sen tunteen, kun menet kauppaan hakemaan maitoa ja palaat kotiin täyden ostoskärryn kanssa? No, Virginiassa sijaitsevan Thomas Jefferson National Accelerator Facilityn fyysikot kokivat juuri hiukkasfysiikan vastineen tälle hetkelle.
Tutkijat olivat liikkeellä etsien tiettyä eksoottista hiukkasta nimeltä Y(2175) — arvoituksellinen veijari, joka on puzzittanut tutkijoita vuodesta 2006 lähtien. Sen sijaan he törmäsivät kahteen uuteen rakenteeseen, joita kukaan ei osannut odottaa. Ja rehellisesti? Tämä saattaa osoittautua alkuperäistä tavoitetta jännittävämmäksi.
"Läksimme etsimään vahvistettua XYZ-ehdokasta fotonisäteellä, mutta löysimmekin kaksi muuta rakennetta," kertoi Malte Albrecht, Jefferson Labin tutkija. "Kyse on uudesta tiedosta."
En tiedä sinusta, mutta "uusi tieto" fysiikassa tarkoittaa yleensä "solyimme just avanneemme oven johonkin hämmästyttävään."
Mitä XYZ-tilat oikein ovat?
Tässä kohtaa homma menee todella oudoksi. Muistat varmaan koulusta, että atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Ja että protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista eli kvarkeista. Yksinkertaista, eikö?
No, pidä kiinni, sillä maailmankaikkeus päätti olla monimutkaisempi.
Jotkut hiukkaset eivät yksinkertaisesti sovi tarinaan, jonka uskoimme ymmärtävämme. Nämä ovat XYZ-tilat — kokonainen alkeishiukkasten perhe, jotka näyttävät pelaavan omilla säännöillään. Ne eivät ole tyypillisiä kvarkki-antikvarkki-pareja (niitä kutsutaan mesoneiksi). Eivätkä ne ole edes tavallisia kolmen kvarkin yhdistelmiä (kuten protonit ja neutronit). Ne vaikuttavat olevan jotain aivan muuta.
Mahdollisesti kyseessä ovat "hybridihiukkaset", joissa on virittyneitä gluoneja (gluonit ovat niitä hiukkasia, jotka pitävät kvarkkeja koossa). Tai sitten "tetrakvarkit" — neljän kvarkin rakennelmat, jotka kuulostavat tieteiskirjallisuudesta. Tai ehkä jotain, mitä emme ole vielä kuvitelleetkaan.
"Yksi kollegoistani vertasi sitä 1950-luvun tilanteeseen," sanoi Frank Nerling, projektissa työskentelevä fyysikko. "Silloin tutkijat yhtäkkiä löysivät kokonaisen 'eläintarhan' hiukkasia. Nyt näemme jotain samankaltaista — näiden eksoottisten tilojen eläintarha."
Y(2175)-arvoitus
Puhutaanpa Y(2175):stä tarkemmin. BaBar-kokeen löytämä tämä hiukkanen on ollut todellinen pähkinä purtavaksi lähes kahden vuosikymmenen ajan.
Mikä siinä on niin erikoista? Ensinnäkin se elää "strangeonium"-alueella — käytännössä naapurustossa, jossa on outoja kvarkkeja sisältäviä hiukkasia. Mutta Y(2175) käyttäytyy vähän... oudosti. Sen kvanttiominaisuudet eivät vastaa sitä, mitä odottaisimme normaalilta kvarkki-antikvarkki-parilta.
Ongelma? Joka kerta kun tutkijat ovat löytäneet sen, he ovat käyttäneet samaa menetelmää: törmäyttäneet elektroneja ja positroneja (niiden antimateriatwinnejä) yhteen. Se on kuin löytäisi tietyn linnun vain yhdestä tietystä metsästä — alat ihmetellä, ehkä sinulta jäi huomaamatta, missä muualla se voisi elää.
GlueX-kokeen myötä tämä muuttui.
Toinen tapa katsoa
Tässä on se, mikä tekee tästä uudesta löydöstä todella mielenkiintoisen: tutkijat käyttivät fotonisädettä, joka osui protonikohteeseen. Vertaa tätä elektronien ja positronien törmäytyksiin, jotka olivat ainoa tapa löytää Y(2175) aiemmin.
Ajattele asiaa näin: oletetaan, että olet löytänyt neliapilat aina vain aurinkoisilta niityiltä. Sitten joku päättää tarkistaa varjoisan metsän pohjan ja löytääkin pelkkien neliapiloiden lisäksi kaksi täysin uutta apilalajia, joiden olemassaolosta kukaan ei tiennyt.
Käytännössä tämä on juuri sitä, mitä tapahtui.
"Olemme uudessa aikakaudessa," Nerling totesi. Ja hän on oikeassa — vuosikymmeniä Standardimalli antoi varsin selkeitä vastauksia hiukkasten käyttäytymisestä, ja nyt yhtäkkiä uiskentelemme eksoottisten hiukkasten parissa, jotka eivät halua sopia siisteihin kategorioihin.
Miksi sinun pitäisi välittää?
Reilu kysymys. Useimmat meistä eivät ole hiukkasfyysikoita, ja todennäköisyys sille, että tämä vaikuttaa suoraan sinun tiistaihin, on varsin pieni.
Mutta tässä on syy, miksi tällä on merkitystä: opimme perustavanlaatuisesti lisää siitä, miten todellisuus toimii sen pohjimmaisimmalla tasolla. Vahva ydinvoima — yksi luonnon neljästä perusvoimasta — on se, joka pitää kvarkit koossa muodostaen kaiken, mitä näemme. Nämä eksoottiset XYZ-tilat ovat käytännössä vahvan voiman esiintymistä, rakenteita, joita emme odottaneet.
Joka kerta kun löydämme jotain, joka haastaa mallejamme, meidän on kysyttävä: Onko ymmärryksemme keskeneräinen? Vai onko maailmankaikkeus luovempi kuin olimme arvioineet?
Näiden tulosten perusteella? Lyönnin veto on, että maailmankaikkeus on luovempi.
Metsästys jatkuu
Joten mitä seuraavaksi? Tutkijoiden täytyy vahvistaa nämä kaksi uutta rakennetta ja selvittää, mitä ne oikeasti ovat. Ovatko ne hybridejä? Tetrakvarkkeja? Jotain aivan muuta?
Hyvä uutinen on, että kun käytössä on useita havaitsemismenetelmiä (fotonisäteet ja elektronien ja positronien törmäytykset), tutkijat voivat verrata havaintojaan ja rakentaa täydempää kuvaa. Se on kuin olisi useita silminnäkijöitä samalle mysteeritapahtumalle — mitä enemmän näkökulmia, sitä selkeämpi tarinasta tulee.
Ja rehellisesti? Rakastan sitä, että nämä fyysikot törmäsivät odottamattomaan. Tiede harvoin etenee suoraan kysymyksestä vastaukseen. Parhaat löydöt tulevat usein pitämällä silmät avoinna, kun maailmankaikkeus yllättää.
Malte Albrecht tiivisti sen täydellisesti: "Kyse on uudesta tiedosta."
Uudesta tiedosta todellakin. Ja alalla, jossa meitä muistutetaan jatkuvasti siitä, kuinka paljon emme vielä ymmärrä, tämä tuntuu varsin hyvältä lähtökohdalta.
Lähde: ScienceDaily