Η μαγεία της κβαντομηχανικής

 

Ο ακριβής προσδιορισμός της ταλάντωσης

«Ένα φαινόμενο στο οποίο η κβαντική μηχανική δίνει την πιο αξιοθαύμαστη πρόβλεψη» – Richard Feynman

Η ερευνητική ομάδα των φυσικών του πειράματος LHCb δημοσίευσε χθες τα αποτελέσματα μιας εργασίας όπου αναφέρεται ο ακριβής προσδιορισμός της συχνότητας ταλάντωσης [τo σωματίδιo αποτελείται από ένα αντικουάρκ (b=κουάρκ ομορφιά ή πυθμένας) που συνδέεται με ένα παράξενο κουάρκ (s) και το αντι-σωματίδιό του συνίσταται από ένα κουάρκ b και ένα αντικουάρκ ]. Τα αποτελέσματα της έρευνας παρουσιάζονται επίσης και στο ετήσιο συνέδριο του Ινστιτούτου Φυσικής του Ηνωμένου Βασιλείου (IOP), που διοργανώνει το πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. Η ταλάντωση είναι ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής. Τo σωματίδιo μετατρέπεται στο αντίστοιχο αντι-σωματίδιο περίπου 3*10¹² φoρές το δευτερόλεπτο, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Για να προσδιοριστεί αν ένα ουδέτερο μεσόνιο ταλαντώθηκε προς το αντισωματίδιο του, η γεύση του μεσονίου ή του πρέπει να είναι γνωστή τόσο κατά την δημιουργία του όσο και κατά την διάσπασή του. Τα σωματίδια ταυτοποιουνται διαμέσου της διάσπασής τους προς ένα γοητευτικό-παράξενο μεσόνιο και ένα πιόνιο, , ενώ τα αντισωματίδια μέσα από την διάσπασή τους στα σωματίδια με αντίθετα φορτία, . Τα σωματίδια και τα αντισωματίδια παρατηρούνται κατά την σύντομη διάρκεια της ζωής τους στην οποία διανύουν περίπου 1 cm στον ανιχνευτή.

Οι φυσικοί του LHCb μέτρησαν ακριβώς την συχνότητα αυτής της ταλάντωσης ως την διαφορά μαζών (!!) Δm_s=17.7683±0.0051±0.0032ps^-1 (1ps=10^-12sec). Ένας συνδυασμός αυτού του αποτελέσματος με προηγούμενες μετρήσεις του LHCb δίνουν την τιμή Δm_s=17.7656±0.0057ps^-1. To παρακάτω σχήμα περιέχει μια σύνοψη των μετρήσεων του LHCb.

Η ταλάντωση του ουδέτερου μεσονίου μεταξύ σωματιδίου-αντισωματιδίου του (ύλη-αντιύλη) προβλέφθηκε από τους Gell-Mann και Pais το 1950. Παρατήρησαν ότι τόσο το ουδέτερο παράξενο μεσόνιο , όσο και το αντισωμάτιό του διασπάται στο ζεύγος πιονίων, π⁺π^–. Επομένως, ένα μεσόνιο  μπορεί να μετατραπεί σε μεσόνιο και αντίστροφα μετά την αντίδραση . Έτσι, τα δύο σωματίδια, και , πρέπει να θεωρούνται στην κβαντομηχανική ως ένα σύστημα δύο καταστάσεων. Η κβαντομηχανική αντιμετώπιση οδηγεί στο μοτίβο ταλάντωσης σωματιδίου-αντισωματιδίου. Η κβαντική υπέρθεση του ουδέτερου παράξενου μεσονίου και του αντισωματίου του , οδηγεί σε δύο ουδέτερα παράξενα μεσόνια το καθένα με την δική του μάζα και διάρκεια ζωής. Μια συνέπεια αυτού του συζευγμένου συστήματος είναι ότι το μεσόνιο μπορεί να μετατραπεί σε μεσόνιο αντι- , το και αντιστρόφως. Ο Richard Feynman εξήγησε την πρόβλεψη των Gell-Man και Pais, που δεν είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά εκείνη την εποχή, σε 9 σελίδες των Διαλέξεων Φυσικής (Τόμος III, 11-5) αποκαλώντας αυτό το φαινόμενο «μια από τις πιο αξιοσημείωτες προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής». Ο Gell-Mann και ο Pais δεν μπόρεσαν να προβλέψουν τις παραμέτρους αυτών των ταλαντώσεων, καθώς δεν γνώριζαν την «εσωτερική μηχανική» των Κ μεσονίων.

… Αυτό αποτελεί την αξιοθαύμαστη πρόβλεψη των Gell-Mann και Pais: όταν παράγεται ένα σωματίδιο , η πιθανότητα να μετατραπεί στο αντισωματίδιό του – όπως μπορεί να αποδειχθεί από την δυνατότητά του να δημιουργήσει ένα Λ0 – μεταβάλλεται σύμφωνα με την εξίσωση Αυτή η πρόβλεψη προέκυψε χρησιμοποιώντας μόνο απλή λογική και τις βασικές αρχές της κβαντικής μηχανικής – χωρίς καμία γνώση της εσωτερικής δομής του σωματιδίου K. Επειδή κανείς δεν γνωρίζε (τότε) τίποτε σχετικά με αυτόν τον εσωτερικό μηχανισμό, οι Gell-Mann and Pais δεν μπόρεσαν να πάνε πιο πέρα. (…) Μπορείτε να δείτε γιατί αυτή η πρόβλεψη είναι τόσο αξιοσημείωτα ιδιάζουσα. Δημιουργείστε ένα απλό σωματίδιο και αντί αυτό να διασπαστεί, κάνει κάτι άλλο. Μερικές φορές διασπάται ενώ κάποιες άλλες μεταπίπτει σε ένα διαφορετικό είδος σωματιδίου. Η χαρακτηριστική πιθανότητα δημιουργίας του φαινομένου αυτού μεταβάλλεται με έναν παράξενο τρόπο καθώς το σωματίδιο κινείται. Δεν υπάρχει τίποτε παρόμοιο στην φύση. Πρόκειται για την πιο αξιοθαύμαστη πρόβλεψη που έγινε ποτέ, βασιζόμενη αποκλειστικά και μόνο σε επιχειρήματα σχετικά με την συμβολή πλατών… [Richard Feynman, Διαλέξεις Φυσικής (Τόμος III, 11-5]

Στο κβαντομηχανικό σύστημα δύο καταστάσεων, το σύστημα περιγράφεται επίσης ως σύστημα δύο καταστάσεων μάζας, βαριάς και ελαφριάς. Η συχνότητα ταλάντωσης αντιστοιχεί στην ελάχιστη διαφορά μάζας Δm_s μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων μάζας, που ανέρχεται μόνο σε 0,011 eV (ή 2.1×10^-35 g όταν μετατρέπεται σε πιο συμβατικές μονάδες).

Τώρα γνωρίζουμε την εσωτερική μηχανική αυτού του είδους των μεσονίων: το μοντέλο κουάρκ και το καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Μπορούμε λοιπόν να υπολογίσουμε τη συχνότητα αυτών των ταλαντώσεων, όπως φαίνεται στο διάγραμμα Feynman:

Οι ταλαντώσεις έχουν την υψηλότερη συχνότητα όλων των ουδέτερων μεσονίων και οι ταλαντώσεις τους είναι οι πιο εντυπωσιακές. Οι ταλαντώσεις είναι περίπου 37 φορές πιο αργές. Οι ταλαντώσεις είναι ακόμη πιο αργές και επομένως μόνο το πρώτο μέρος της περιόδου ταλάντωσης παρατηρείται πειραματικά.

Η συχνότητα ταλάντωσης μετρείται και υπολογίζεται με τέτοια ακρίβεια, ώστε αποτελεί έναν από τους ισχυρότερους περιορισμούς σε μοντέλα πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, που προσπαθούν να εξηγήσουν τις παρατηρούμενες ανωμαλίες γεύσης. Για παράδειγμα, μοντέλα με μια νέα θεμελιώδη δύναμη Z’ θα μπορούσαν εύκολα να αλλάξουν τη συχνότητα ταλάντωσης B_s⁰.

Η εικόνα των ταλαντώσεων είναι ένα όμορφο οπτικό παράδειγμα της κβαντομηχανικής φύσης του σύμπαντός μας.

πηγή; https://lhcb-public.web.cern.ch/ – https://arxiv.org/abs/2104.04421

 

https://physicsgg.me/2021/04/13/%ce%b7-%ce%bc%ce%b1%ce%b3%ce%b5%ce%af%ce%b1-%cf%84%ce%b7%cf%82-%ce%ba%ce%b2%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%bf%ce%bc%ce%b7%cf%87%ce%b1%ce%bd%ce%b9%ce%ba%ce%ae%cf%82/