Είναι δυνατή η ανίχνευση των βαρυτονίων;

Άρθρο, Φεβρουάριος 2007

Στη φυσική, το βαρυτόνιο ή γκραβιτόνιο είναι ένα υποθετικό στοιχειώδες σωματίδιο που είναι ο φορέας της δύναμης της βαρύτητας - όπως το φωτόνιο είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης - στα πλαίσια της κβαντικής θεωρίας πεδίου, δηλαδή να είναι ένα μποζόνιο. Εάν υπάρχει, το βαρυτόνιο πρέπει να είναι άμαζο σαν το φωτόνιο (επειδή η δύναμη της βαρύτητας όπως και η ηλεκτρομαγνητική έχει άπειρη εμβέλεια), χωρίς φορτίο, να είναι πολύ σταθερό, ενώ πρέπει να έχει σπιν ίσο με 2 (για να είναι συμβατή η μικροσκοπική περιγραφή της βαρύτητας με την μακροσκοπική σχετικιστική περιγραφή).

Όλες οι αλληλεπιδράσεις που βρίσκουμε στη φύση ανήκουν σε τέσσερις τύπους, την ασθενή και ισχυρή πυρηνική δύναμη, την ηλεκτρομαγνητική και τέλος την πιο  ασθενή από όλες την βαρύτητα. Στα πλαίσια της κβαντικής θεωρίας πεδίου κάθε τέτοια δύναμη χαρακτηρίζεται από ένα αντίστοιχο σωμάτιο φορέα. Η ιδέα αυτή ξεκίνησε από τη γενίκευση της έννοιας του φωτονίου. Η κβαντική θεωρία επέβαλλε την αντίληψη ότι κάθε πεδίο δυνάμεων συμμετέχει σε μια αλληλεπίδραση μέσω της ανταλλαγής τέτοιων σωματίων φορέων έτσι ώστε κάθε ενεργειακή ανταλλαγή να είναι κβαντισμένη.

Η κύρια διαφορά αυτών των σωματιδίων-φορέων με τα υπόλοιπα στοιχειώδη σωμάτια είναι η τιμή του σπιν. Έτσι, όλα τα σωμάτια φορείς (W, Ζ, γκλουόνια, φωτόνια βαρυόνια) έχουν ακέραιες τιμές σπιν και λέγονται μποζόνια, ενώ τα υπόλοιπα στοιχειώδη σωμάτια (ηλεκτρόνια, κουάρκ, νετρίνα, μιόνια) έχουν ημιακέραιο σπιν και λέγονται φερμιόνια.

Υπάρχουν όμως και διαφορές μεταξύ των σωματιδίων-φορέων. Τα μποζόνια W και Ζ (φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης) όπως και τα γκλουόνια (φορέας της ισχυρής πυρηνικής δύναμης) διαθέτουν μάζα, ενώ τα φωτόνια και τα βαρυτόνια δεν διαθέτουν.

Εντούτοις, το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής Φυσικής μετά την ενσωμάτωση του βαρυτονίου βρίσκεται σε σοβαρή θεωρητική δύσκολη θέση στις υψηλές ενέργειες (διαδικασίες με ενέργειες κοντά ή πάνω από την κλίμακα Planck) λόγω των απειρισμών που προκύπτουν λόγω των κβαντικών φαινομένων (σε όρους της φυσικής η βαρύτητα είναι μη κανονικοποιήσιμη). Η κύρια αιτία αυτών των φαινομένων βρίσκεται στη διακριτή φύση της κβαντικής μηχανικής. Αντίθετα, κάθε σχετικιστική θεωρία είναι ουσιαστικά μια συνεχής θεωρία πεδίου. Αυτά τα δύο αμοιβαία αποκλειόμενα χαρακτηριστικά φαίνεται πως δεν μπορούν να συμφιλιωθούν. Από τότε που έγινε κατανοητή η δυσκολία, οι θεωρητικοί επέκτειναν τις αναζητήσεις τους σε άλλες πιο εξωτικές θεωρίες για να βρουν μια λύση στο πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας.

Είναι η βαρύτητα όπως οι άλλες δυνάμεις;

Αντίθετα από τις άλλες δυνάμεις, η βαρύτητα διαδραματίζει έναν ειδικό ρόλο στη Γενική Σχετικότητα στον καθορισμό του χωροχρόνου πάνω στον οποίο πραγματοποιούνται τα γεγονότα. Επειδή δεν εξαρτάται από ένα ιδιαίτερο χωροχρονικό υπόβαθρο, η γενική σχετικότητα αναφέρεται ότι είναι ανεξάρτητη υποβάθρου. Αντίθετα, το καθιερωμένο μοντέλο δεν είναι ανεξάρτητο υποβάθρου. Με άλλα λόγια, η γενική σχετικότητα και το καθιερωμένο μοντέλο είναι ασυμβίβαστα. Γι αυτό απαιτείται μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας προκειμένου να συμφιλιωθούν αυτές οι διαφορές. Εάν η ίδια αυτή θεωρία θα είναι ανεξάρτητη υποβάθρου, ή εάν το υπόβαθρο θα είναι ανεξάρτητο της γενικής σχετικότητας είναι ακόμα μια ανοικτή ερώτηση. Η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση θα καθορίσει εάν η βαρύτητα διαδραματίζει έναν "ειδικό ρόλο" στην κβαντική βαρύτητα παρόμοιο με το ρόλο που έχει στη Γενική Σχετικότητα.

Στο προσκήνιο η Θεωρία Χορδών

Μερικές όμως θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας (ειδικότερα, η θεωρία χορδών) αντιμετωπίζουν πολύ καλύτερα αυτό το ζήτημα από ό,τι το Καθιερωμένο Μοντέλο. Στις αρχές της δεκαετίας του '70 οι Yoshihro Nambu, Lenny Susskind και Holger Nielsen, κατήργησαν μια από τις πιο βασικές υποθέσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, την υπόθεση των σημειακών σωματίων. Αυτοί για πρώτη φορά δέχτηκαν ότι δεν υπάρχει κανείς λόγος να υποθέσουμε ότι τα σωμάτια - σαν τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια -  επειδή δεν έχουν εσωτερική δομή είναι απλά σημεία. Συγχρόνως τότε αναδύθηκε ακόμη ένα πρόβλημα που αφορούσε την ισχυρή αλληλεπίδραση η οποία μέχρι τότε περιγραφόταν από ένα μοντέλο συντονισμών. Αυτό που πρόσεξαν οι Nambu και Susskind ήταν ότι θα μπορούσε κάποιος να περιγράψει αυτούς τους συντονισμούς με ενιαίο τρόπο εάν υπέθετε ότι τα σωμάτια ήταν μικρές χορδές σε κατάσταση ταλάντωσης. Έτσι, τότε γεννήθηκε η θεωρία των χορδών.

Στην αριστερή εικόνα βλέπουμε τον τρόπο που αλληλεπιδρούν δύο σωματίδια στην Καθιερωμένη Θεωρία, ενώ δεξιά πως αλληλεπιδρούν στη θεωρία Χορδών

Συγχρόνως, η άρση της υπόθεσης των σημειακών σωματιδίων θα μπορούσε να λύσει τα προβλήματα που δημιουργούσε η εισαγωγή της βαρύτητας στην περιγραφή των αλληλεπιδράσεων των στοιχειωδών σωματίων. Αν προσπαθούσε κάποιος να υπολογίσει διάφορες ποσότητες σε μηδενική απόσταση, τότε οι ποσότητες αυτές έτειναν στο άπειρο μόνο και μόνο γιατί δεχόμαστε την ύπαρξη σημειακών σωματιδίων. Αν δεχτούμε όμως ότι τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν εσωτερική δομή, αποτελούνται από παλλόμενες χορδές, τότε θα έχουν μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά, γιατί η χορδή επεκτείνεται στον χώρο. Αφού λοιπόν οι χορδές έχουν έκταση, τότε οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους δεν συμβαίνουν ποτέ σε μηδενική απόσταση και το πρόβλημα των απειρισμών λύνεται οριστικά. 

Ας υπενθυμίσουμε εδώ ότι ο χώρος των χορδών δεν είναι ο συνήθης μακροσκοπικός χώρος, αλλά στην πραγματικότητα μια χορδή είναι μια ολόκληρη τυλιγμένη διάσταση, ένας μικροσκοπικός κόσμος ο οποίος δεν είναι ορατός παρά στις απίστευτα μικρές διαστάσεις των στοιχειωδών σωματίων. Μια χορδή μοιάζει κυριολεκτικά με ένα σωλήνα πολύ μικρής διαμέτρου που το εσωτερικό του είναι ένας άλλος χώρος αόρατος από εμάς. Οι χορδές μάλιστα πάλλονται συνεχώς ενώ οι διαφορετικές συχνότητες συντονισμού τους αντιπροσωπεύουν διαφορετικούς τύπους σωματίων.

Η αρχική θεωρία χορδών περιέγραφε μόνον μποζόνια αλλά οι θεωρητικοί έδειξαν ότι μπορούσαν να συμπεριληφθούν όλα τα υλικά σωματίδια με την εισαγωγή ενός μαθηματικού εργαλείου γνωστού ως υπερσυμμετρία. Έτσι κατέληξαν στη θεωρία των υπερχορδών.

Με την εισαγωγή της θεωρίας χορδών, τα βαρυτόνια (καθώς επίσης και τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια) αντί να θεωρηθούν σημειακά σωματίδια θεωρούνται καταστάσεις των χορδών, ενώ η συμπεριφορά τους σε χαμηλές ενέργειες μπορεί να προσεγγιστεί και από την κβαντική θεωρία πεδίου των σημειακών σωματιδίων.

Οι έξι μικροσκοπικές κρυμμένες διαστάσεις του Κόσμου θεωρούνται ότι φιλοξενούνται σε ένα μυστηριώδες αντικείμενο, την πολλαπλότητα Calabi-Yau.

 Από την αρχή οι θεωρητικοί πρόβλεψαν την ύπαρξη δύο κατηγορίες ή μορφές χορδών: Τις ανοικτές και τις κλειστές. Τα βαρυτόνια είναι τα μόνα μποζόνια που ξεχωρίζουν γιατί αντιστοιχούν στις ταλαντώσεις κλειστών βρόχων. Αυτό σημαίνει ότι τα βαρυτόνια δεν περιορίζονται στην κίνηση τους από τον δικό μας χωροχρόνο,  αλλά μπορούν να κινηθούν και να διαφύγουν προς τις επιπλέον διαστάσεις που προβλέπει η θεωρία υπερχορδών. Ας σημειωθεί ότι όλες οι θεωρίες χορδών δέχονται την ύπαρξη 10 ή 11 διαστάσεων, από τις οποίες η μία είναι ο χρόνος, οι τρεις αποτελούν τις γνωστές μας χωρικές διαστάσεις και οι υπόλοιπες αντιπροσωπεύουν τις κρυμμένες διαστάσεις από τις οποίες αποτελούνται οι χορδές.

Την δεκαετία του '90 η θεωρία χορδών δέχτηκε ότι τα άκρα των ανοικτών χορδών βρίσκονται πάντα προσαρτημένα σε κάποιες υπερεπιφάνειες που ονομάστηκαν βράνες (branes), όνομα το οποίο επινοήθηκε από την αποκοπή του όρου μεμβράνη. Αυτές αποτελούν στην πραγματικότητα υποχώρους του 11-διάστατου χώρου. Οι βράνες έχουν όχι μόνο μαθηματική αλλά και υλική υπόσταση. Μπορούμε να τις φανταστούμε είτε σαν μαθηματικούς περιορισμούς στην κίνηση των ανοικτών χορδών είτε σαν πολυδιάστατα πραγματικά αντικείμενα. Εφ όσον όμως όλα τα υλικά σωμάτια καθώς και τα μποζονια από τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις περιγράφονται από ανοικτές χορδές, είναι επόμενο ότι θα περιορίζονται σε μια τέτοια βράνη. Άρα όλο το υλικό σύμπαν που γνωρίζουμε δεν είναι παρά ένας υποχώρος, μια λεπτή βράνη, η οποία «πλέει» σε έναν απίστευτα μεγαλύτερο χώρο ο οποίος παραμένει αόρατος διότι δεν αλληλεπιδρά με τη συνήθη ύλη. Οι βράνες επίσης έχουν διαστάσεις: 0, 1 κλπ. Έτσι μια 0-βράνη είναι ένα σωματίδιο μηδενικών διαστάσεων, μια 1-βράνη είναι μια χορδή, μια 2-βράνη είναι μια μεμβράνη κλπ.

Τα βαρυτόνια όμως, που αντιστοιχούν σε ταλαντώσεις κλειστών βρόχων, είναι τα μόνα σωματίδια που προβλέπεται ότι δεν δεσμεύονται στις βράνες και θα μπορούσαν να κινηθούν ελεύθερα μεταξύ τους. Μπορούν λοιπόν να διαφύγουν από τον δικό μας ορατό χώρο προς τις κρυμμένες διαστάσεις. Αυτή η ιδιότητα τους προικίζει τη βαρύτητα με μια εξαιρετική δυνατότητα να αποτελεί τον σύνδεσμο με έναν κρυμμένο κόσμο. Εάν όντως ζούμε σε μια βράνη (όπως υποθέτουν μερικοί θεωρητικοί) αυτή "η διαρροή" των βαρυτονίων από τη βράνη στον χώρο των υψηλών διαστάσεων θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής δύναμη.  

Τελευταία, έχει προταθεί ότι η σκοτεινή ενέργεια και ύλη του σύμπαντος πρέπει να αποτελούνται από τέτοιου είδους εξωτικά σωμάτια τα οποία δεν έχουν άλλο τρόπο επιρροής πάνω στην ύλη εκτός από τη βαρύτητα, γι αυτό και παραμένουν αόρατα εφόσον δεν επηρεάζουν τα φωτόνια στο πέρασμα τους. Πιθανώς δε, η διαρροή βαρυτονίων από άλλες βράνες δίπλα στην δική μας θα μπορούσε να δώσει μια πιθανή εξήγηση για την σκοτεινή ύλη.

Βαρυτόνια και πειράματα

Δεδομένου ότι η βαρύτητα είναι πάρα πολύ ασθενής, ορισμένοι φυσικοί πιστεύουν ότι υπάρχει μικρή πιθανότητα να ανιχνεύσουν βαρυτόνια πειραματικά στο άμεσο μέλλον. Ας σημειωθεί ότι υπάρχουν κβαντικές θεωρίες της βαρύτητας που δεν προβλέπουν καν την ύπαρξη βαρυτονίων.

Η ανίχνευση ενός βαρυτονίου, εάν βέβαια υπάρχει, αποδεικνύεται μάλλον προβληματική έως σήμερα. Επειδή η δύναμη της βαρύτητας είναι πολύ ασθενής οι φυσικοί δεν είναι ακόμα ικανοί να ελέγξουν άμεσα την ύπαρξη των κυμάτων βαρύτητας, όπως προβλέπονται από τη γενική σχετικότητα. (Η βαρυτική έλξη ανάμεσα σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο είναι της τάξης των 10^-67 Newton για μια απόσταση ενός μέτρου, ενώ η αντίστοιχη ηλεκτρική είναι της τάξης των 10^-28 Newton)

Τα κύματα βαρύτητας μπορούν να αντιμετωπισθούν σαν σύμφωνες καταστάσεις πολλών βαρυτονίων, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι σύμφωνες καταστάσεις των φωτονίων. Υπάρχουν ήδη προγράμματα που ψάχνουν να βρουν κύματα βαρύτητας, όπως είναι το LIGO, το VIRGO κλπ.

Αλλά μπορεί να υπάρξει κα μια εναλλακτική λύση με χαμηλό κόστος, μια συνταγή για την παραγωγή μαύρων οπών με ενέργειες περίπου τρισεκατομμύρια ηλεκτρόνιο-βολτ -- μέσα στη περιοχή του νέου επιταχυντή στη Γενεύη, του Μεγάλου Συγκρουστή Αδρονίων. Μαζί όμως με την παραγωγή μίνι μαύρων οπών θα είχαμε και τη μελέτη της βαρύτητας. Υποθέτουν ότι σε αποστάσεις μικρότερες από ένα χιλιοστό, όπου μέχρι τώρα έχουμε αξιόπιστες μετρήσεις της, η βαρύτητα γίνεται πάρα πολύ ισχυρότερη.

Γιατί όμως η βαρύτητα θα συμπεριφερόταν με αυτόν τον τρόπο; Η απάντηση απαιτεί ένα άλμα της πίστης: όταν ένας φθάνει στον χώρο των πολύ μικρών διαστάσεων, ανοίγουν πρόσθετες διαστάσεις. Και όταν η βαρύτητα έχει περισσότερες διαστάσεις στις οποίες εκδηλώνεται, η δράση της γίνεται πολύ εντονότερη.

Φανταστείτε δύο σωματίδια που έρχονται προς μια μετωπική σύγκρουση. Καθώς το χάσμα μεταξύ τους μικραίνει, η βαρυτική έλξη μεταξύ τους αυξάνεται, σύμφωνα με το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου. Αυτό σημαίνει ότι κάθε φορά που υποδιπλασιάζεται η απόσταση, η βαρυτική έλξη γίνεται τέσσερις φορές πιο ισχυρή. Για να γίνει αρκετά ισχυρή ώστε να σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα, το χάσμα θα έπρεπε να γίνει μόλις 10^-33 εκατοστά, μια απόσταση που αποκαλείται και μήκος του Planck -- και αυτό θα απαιτούσε έναν επιταχυντή γαλαξιακού μεγέθους.

Αλλά όλα αυτά υποθέτουν ότι τα σωματίδια ταξιδεύουν στον γνωστό μας χώρο των τριών διαστάσεων. Εάν όμως η βαρύτητα έχει τέσσερις διαστάσεις στις οποίες ασκείται, υπακούει σε έναν νόμο του αντιστρόφου του κύβου: και κάθε φορά που υποδιπλασιάζεται η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων, η βαρυτική δύναμη αυξάνει οκτώ φορές. Στο χώρο των πέντε διαστάσεων, η βαρύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετάρτης δύναμης, έτσι κάθε φορά που υποδιπλασιάζεται η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων, η βαρυτική δύναμη αυξάνει 16 φορές.

Έτσι υποθέστε ότι όταν τα σωματίδια είναι σε απόσταση λιγότερη από ένα χιλιοστό, μπαίνουν σε ένα χώρο με περισσότερες διαστάσεις. Η βαρύτητα θα αυξανόταν τότε με έναν πολύ γρηγορότερο τρόπο και θα δημιουργούταν μια μαύρη τρύπα όταν αυτά τα σωματίδια θα βρίσκονταν περίπου σε απόσταση 10^-17 εκατοστά. Αυτή είναι ακόμα μια απίστευτα μικροσκοπική απόσταση, αλλά είναι 10 τετράκις φορές μεγαλύτερη από το κατώτατο όριο που απαιτείται για τις μαύρες τρύπες στις τρεις διαστάσεις. Και θα μπορούσε να επιτευχθεί με τις ενέργειες που θα παραχθούν από το Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων -(Hadron Collider).

Οι φυσικοί έχουν σκεφθεί την ιδέα αυτή, τουλάχιστον από το 1999, όταν προτάθηκε από τους Δρ. Nima Arkani-Hamed του Πανεπιστημίου Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, τη Lisa Randall τότε του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ), τον Raman Sundrum του Johns Hopkins και άλλους θεωρητικούς, που δήλωσαν πώς η πλήρης δύναμη της βαρύτητας θα μπορούσε να κρυφτεί μέσα στις πρόσθετες διαστάσεις.

Κυνηγώντας τα βαρυτόνια

Αριστερά: Αν είσαστε χορδή, ο χωροχρόνος μπορεί να έμοιαζε κάπως έτσι: 6 επιπλέον διαστάσεις τυλιγμένες στη μορφή που ονομάζεται Calabi-Yau.

Η θεωρία χορδών έχει μέχρι στιγμής ένα μειονέκτημα. Δεν έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά οι κρυμμένες διαστάσεις είτε γιατί είναι εξαιρετικά δύσκολο με τα σημερινά εργαλεία, είτε γιατί είναι αδύνατο να επαληθευθεί ποτέ. Οι κρυμμένες διαστάσεις στις οποίες υπάρχουν οι χορδές απαιτούν τεράστια ποσά ενέργειας για να 'ξεδιπλωθούν' και να τις δούμε, και οι ενέργειες αυτές είναι πέρα από τις δυνατότητες και του ισχυρότερου επιταχυντή. Είναι πιθανό ότι κάποιες έμμεσες ενδείξεις μπορεί να προκύψουν από τη λειτουργία του νέου επιταχυντή LHC στο CERN τα επόμενα δέκα χρόνια.

Αλλά και η εξαιρετικά ασθενής φύση της βαρύτητας στις μικροσκοπικές διαστάσεις δυσχεραίνει κι άλλο το έργο των πειραματικών φυσικών. Σε μια πρόσφατη εργασία τους - Can Gravitons be Detected?" - οι φυσικοί Tony Rothman από το Πανεπιστήμιο Princeton και Stephen Boughn από το Haverford της Πενσυλβάνια, προσπάθησαν να απαντήσουν στην ερώτηση αν μπορούν να ανιχνευτούν τα βαρυτόνια. Η απάντηση τους ήταν ιδιαιτέρως ανησυχητική καθώς όλα έδειχναν ότι η ανίχνευση των βαρυτονίων απαιτούσε εξωτικά μέσα.

Πρώτα από όλα εξέτασαν από πού θα μπορούσαμε να πάρουμε βαρυτόνια. Συνήθως σκεφτόμαστε τις μαύρες οπές σαν πηγές βαρυτονίων, έτσι ώστε να τα συλλάβουμε στη Γη. Ο Stephen Hawking έχει δείξει ότι οι μαύρες τρύπες χάνουν μάζα μέσω ακτινοβολίας και τουλάχιστον το 1% αυτής της ακτινοβολίας μπορεί να αφορά βαρυτόνια. Επιπλέον η ακτινοβολία αυτή είναι σημαντικά ισχυρότερη σε τρύπες με μικρή μάζα. Επομένως η έρευνα θα έπρεπε να αφορά μίνι μαύρες τρύπες και μάλιστα ένα μικρό μόνο μέρος τους, διότι εξαιτίας της ακτινοβολίας οι περισσότερες από αυτές θα είχαν εξατμιστεί κατά την εξέλιξη του σύμπαντος. Υπάρχει όμως και μια άλλη πηγή βαρυτονίων, που έχει μελετηθεί από τον Robert Gould του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας. Πρόκειται για λευκούς νάνους και άστρα νετρονίων. Ο βασικός λόγος έχει σχέση με τις ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης κάτω από τις οποίες τα ηλεκτρόνια αποσπώνται από τους πυρήνες και επιταχύνονται από ισχυρά ηλεκτρικά πεδία γειτονικών πυρήνων. Ένα επιταχυνόμενο φορτίο, όμως, ακτινοβολεί φωτόνια μέσω της ακτινοβολίας πέδησης, αλλά παρόμοια φαινόμενα προβλέπονται και για μια επιταχυνόμενη μάζα η οποία θα έπρεπε να εκπέμπει κατά αντιστοιχία βαρυτόνια. Καθώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό των άστρων διαθέτουν και φορτίο και μάζα, θα περιμέναμε ένα συνδυασμό ηλεκτρομαγνητικής και βαρυτικής ακτινοβολίας. Βέβαια η συνολική ποσότητα βαρυτονίων θα αφορούσε μόνον ένα απειροελάχιστο ποσοστό της συνολικής λαμπρότητας του άστρου. Το πραγματικά δύσκολο πρόβλημα όμως αρχίζει από εκεί και μετά, καθώς πρέπει να βρεθεί μια μέθοδος που να έχει την ανάλογη ευαισθησία για να ανιχνεύσει την απειροελάχιστη αυτή ροή βαρυτονίων από κάποιο μακρινό άστρο.

Ένας τεράστιος ανιχνευτής

Ο μόνος τρόπος για να ανιχνευθεί η παρουσία ενός βαρυτονίου είναι να μετρηθεί το αποτέλεσμα της πολύ ασθενικής αλληλεπίδρασης του με την ύλη. Απαιτείται λοιπόν ένα ενδιάμεσο φαινόμενο του οποίου τα αποτελέσματα να μπορούν να ενισχυθούν προκειμένου να μετρηθούν. Οι Rothman και Boughn στην παραπάνω εργασία τους πρότειναν την ύπαρξη ενός φαινομένου αντίστοιχου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Όπως ακριβώς ένα φωτόνιο είναι δυνατό να απομακρύνει ένα ηλεκτρόνιο από την εξωτερική στιβάδα ενός ατόμου δημιουργώντας ένα προσωρινό ρεύμα, με τον ίδιο τρόπο, το βαρυτόνιο που μοιάζει με το φωτόνιο, εκτός από το σπιν, θα μπορούσε να έχει ένα ανάλογο αποτέλεσμα που θα ονομαζόταν «βαρυτοηλεκτρικό» φαινόμενο. Το πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί από εκεί και μετά αφορούσε την ενίσχυση ενός εξαιρετικά ασθενούς σήματος καθώς η πιθανότητα πρόσκρουσης ενός βαρυτονίου σε οποιοδήποτε κομμάτι ύλης με φυσιολογικές διαστάσεις θα πρέπει να είναι εξαιρετικά χαμηλή.

Όπως έδειξαν οι υπολογισμοί των Rothman και Boughn, ο ανιχνευτής βαρυτονίων θα έπρεπε να έχει συνολική μάζα ανάλογη με εκείνη του πλανήτη Δία. Οι Rothman και Boughn κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι με τις υπάρχουσες θεωρίες, η ανίχνευση των βαρυτονίων είναι πρακτικά αδύνατη.

Κάποιοι όμως φυσικοί, όπως ο Steven Weinberg και ο Ted Jacobson, υποστηρίζουν ότι η άμεση ανίχνευση του ίδιου του βαρυτονίου δεν είναι απολύτως απαραίτητη. Γιατί και τα κουάρκ δεν έχουμε δει αλλά έχουν γίνει αποδεκτά, και από την άλλη η κβαντική θεωρία αναδεικνύει το πεδίο ως θεμελιώδη οντότητα και όχι τα σωμάτια τα οποία αποτελούν προσωρινές εκδηλώσεις του. Ο Ian Moss από τη Βρετανία προτείνει τη χρήση πελώριων επιταχυντών για τη σύγκρουση ηλεκτρονίων που θα μπορούσε να οδηγήσει στην παραγωγή βαρυτονίων. Για να μειώσει το μέγεθος του επιταχυντή, ο Moss κάνει μνεία της θεωρίας χορδών στην οποία είναι δυνατόν οι επιπλέον διαστάσεις να οδηγούν σε κάποιες περιπτώσεις σε μείωση της ενέργειας Planck και κατ' επέκταση σε αντίστοιχη μείωση της ενέργειας που απαιτείται για να γίνουν ορατά τα βαρυτόνια.

Η πέμπτη διάσταση των Randall και Sundrum

Αριστερά: Τα άκρα των ανοικτών χορδών - των οποίων οι ταλαντώσεις παράγουν τα γνωστά σωματίδια είναι πακτωμένα στη βράνη του δικού μας χωροχρόνου. Η άλλη άκρη είναι κλειστή (πάνω στη βαρυτική βράνη) όπου συγκεντρώνονται τα βαρυτόνια. Πέρα από την βράνη του δικού μας χωροχρόνου είναι ένας χώρος 4 χωρικών  διαστάσεων συν τον χρόνο, άρα ένας πενταδιάστατος χώρος που ονομάζεται bulk. Η 4η διάσταση του χώρου bulk είναι πάρα πολύ μεγάλη, σε αντίθεση με τις άλλες 6 διαστάσεις που είναι πάρα πολύ μικρές (καμπυλωμένες)

Το 2000, οι Βρετανοί Ben Allanach, Andy Parker, Bryan Webber και ο Ιάπωνας Kosuke Odagiri πρότειναν ένα πρωτότυπο πείραμα ανίχνευσης βαρυτονίων χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή ATLAS, που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί στον νέο επιταχυντή LHC στο CERN από το φθινόπωρο του 2007. Οι παραπάνω ερευνητές αναφέρονται σε μια ενδιαφέρουσα παραλλαγή της θεωρίας χορδών η οποία έχει προταθεί από τη Lisa Randall και τον Raman Sundrum το 1999. Πρόκειται για παραλλαγή της παλιότερης θεωρίας των Kaluza και Klein που προσπάθησαν να πετύχουν την ενοποίηση ηλεκτρομαγνητισμού και βαρύτητας χρησιμοποιώντας μια πενταδιάστατη γεωμετρία. Οι Randall και Sundrum προτείνουν και αυτοί μια πέμπτη διάσταση η οποία, σε αντίθεση με τις συνήθεις χορδές, είναι ανοικτή αλλά «στρεβλωμένη». Η πέμπτη αυτή διάσταση καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο στρεβλώνεται η βράνη στην οποία εδράζεται ο δικός μας «φυσιολογικός» τετραδιάστατος χωροχρόνος. Όπως και στη συνήθη θεωρία χορδών, το βαρυτόνιο είναι το μόνο σωμάτιο το οποίο μπορεί να κινηθεί κατά μήκος της πέμπτης διάστασης ξεφεύγοντας από τα όρια του δικού μας κόσμου. Σύμφωνα με τους Allanach, Parker, Webber και Odagiri, οποιαδήποτε επιπλέον διάσταση θα γινόταν ορατή σαν μια μεταβολή στο φάσμα των παρατηρούμενων μαζών των βαρυτονικών διεγέρσεων. Σε κάποιες περιπτώσεις οι διεγέρσεις αυτές μπορεί να απέχουν τόσο ώστε να καθίσταται εφικτή η ανίχνευση τους σε ένα διάγραμμα συντονισμών. Τέτοιοι συντονισμοί μπορούν να παρατηρηθούν σε κάποιον από τους κύριους ανιχνευτές του LHC μετά το 2007.

Δεξιά: Ο ανιχνευτής ATLAS είναι τμήμα του νέου επιταχυντή LHC στο CERN

Ο προτεινόμενος ανιχνευτής ATLAS είναι ο βασικότερος από τους πέντε κύριους ανιχνευτές του LHC. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές, αποτελεί τον καταλληλότερο ανιχνευτή για την περίπτωση των βαρυτονίων. Ήδη από την αρχική πρόταση για τη σχεδίαση του είχε ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι στις νέες περιοχές υψηλών ενεργειών όπου θα διεξάγονταν τα πειράματα θα μπορούσε να ξεπηδήσουν άγνωστες διεργασίες που αντιστοιχούν σε νέα φυσική πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο. Για αυτό τον λόγο, ο ATLAS σχεδιάστηκε έτσι ώστε να είναι ένας ανιχνευτής γενικής χρήσης. Αποτελείται από μια σειρά συγκεντρικών δακτυλίων στο εσωτερικό των οποίων συγκρούονται οι δέσμες των εισερχόμενων πρωτονίων από τον κύριο δακτύλιο συνολικού μήκους 27 χλμ. του LHC. Κατά τη διάρκεια της κρούσης αναμένεται να παραχθούν μια πληθώρα σωματίων κάθε είδους. Ο ATLAS αυτή τη στιγμή θεωρείται ο μεγαλύτερος και πιο σύνθετος ανιχνευτής που έχει ποτέ κατασκευαστεί. Η μέθοδος που πρότειναν οι Allanach, Parker, Webber και Odagiri, βασίζεται σε ακριβείς προσομοιώσεις της συμπεριφοράς των σωματίων στο εσωτερικό του ανιχνευτή που έγιναν με το ειδικά γι αυτόν γραμμένο πακέτο προγραμμάτων ATLASFAST, και του οποίου τα αποτελέσματα δείχνουν υψηλή πιθανότητα ανίχνευσης των βαρυτονικών συντονισμών σε περίπτωση που αληθεύει η υπόθεση των κρυμμένων διαστάσεων.

Όμως ο Lee Smolin, από το Ινστιτούτο Perimeter του Καναδά, πιστεύει ότι οι δυσκολίες στην ανίχνευση των βαρυτονίων δεν είναι συμπτωματικές αλλά αποδεικνύουν ότι πρόκειται για εσφαλμένη υπόθεση. Ο ίδιος μαζί με τον Carlo Rovelli προωθούν από το 1990 τη δική τους εκδοχή κβαντικής βαρύτητας που έγινε γνωστή με το όνομα Loop Quantum Gravity (Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων). Το ενδιαφέρον σε αυτή τη νέα θεώρηση είναι ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος είναι κβαντισμένος, πράγμα που επιτρέπει την απευθείας μεταφορά της κβαντικής λογικής στις εξισώσεις του Αϊνστάιν με τη χρήση κατάλληλα τροποποιημένων μεταβλητών. Στη λογική των Smollin και Rovelli, τα βαρυτόνια δεν είναι πλέον απαραίτητα εφόσον η έννοια της καμπυλότητας του χώρου μπορεί να μεταφερθεί απευθείας σε έναν διακριτό χωροχρόνο που μοιάζει κάπως με δικτυωτό.

Σύμφωνα με τη θεωρία του υπερχώρου, κάθε σημείο του τετραδιάστατου Σύμπαντος κρύβει ακόμη έξι διαστάσεις, τυλιγμένες στον εαυτό τους. Φαντασθείτε για παράδειγμα ότι βρίσκεστε πάνω σ' ένα δισδιάστατο επίπεδο και σε κάθε σημείο του επιπέδου υπάρχουν ακόμη οι δύο τυλιγμένες διαστάσεις μιας μικροσκοπικής σφαίρας. Στο πραγματικό μας Σύμπαν, κάθε σημείο του δεν περιέχει μια σφαίρα, αλλά ένα αντικείμενο υψηλότερης διάστασης, μια πολλαπλότητα "Calabi-Yau" - όπως λέγεται - έξι διαστάσεων. Οι πολλαπλότητες αυτές δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτές διότι έχουν διάμετρο μικρότερη από 10^-33cm , πολύ μικρότερη από αυτή που μπορούν να διακρίνουν τα καλύτερά μας μικροσκόπια. Παρόλα αυτά η ταλάντωση των "χορδών" σ' αυτές τις πολλαπλότητες, μπορεί να είναι η πηγή όλης της. 

Το μοντέλο των βρανών των  Randall-Sundrum, που ονομάστηκε έτσι από τους επιστήμονες που το δημιούργησαν, δηλώνει ότι το ορατό σύμπαν είναι μια βράνη που ενσωματώνεται μέσα σε έναν μεγαλύτερο σύμπαν, όπως ένα σκέλος φυκιού που επιπλέει στον ωκεανό. Αντίθετα από το σύμπαν που περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα, και έχει τρεις χωρικές διαστάσεις και μία του χρόνου- ο κόσμος των βρανών περιέχει μια πρόσθετη τέταρτη διάσταση του διαστήματος, συνολικά λοιπόν έχει πέντε διαστάσεις. Επίσης, η θεωρία τους λέει ότι οι επιπλέον διαστάσεις είναι άπείρου μεγέθους αλλά ισχυρά καμπυλωμένες. Έτσι ο όγκος τους είναι κυρίως συγκεντρωμένος γύρω από το Σύμπαν μας.
 

Εάν η θεωρία των κόσμων με βράνες είναι αληθινή, τότε θα ανέτρεπε την υπάρχουσα θεωρία και θα επιβεβαίωνε ότι υπάρχει μια τέταρτη διάσταση στον χώρο , η οποία θα δημιουργούσε μια φιλοσοφική προέκταση στη γνώση μας για τον φυσικό κόσμο.

Η θεωρία του κόσμου με βράνες προβλέπει και την ύπαρξη μικροσκοπικών μαύρων οπών που υπάρχουν σε όλο το σύμπαν, κατάλοιπα της Μεγάλης Έκρηξης. Χιλιάδες από αυτές πρέπει να υπάρχουν στο ηλιακό σύστημά μας - αν υπάρχουν βέβαια. Η γενική σχετικότητα, αντίθετα, προβλέπει ότι τέτοιες αρχέγονες μαύρες τρύπες εξατμίστηκαν πολύ καιρό πριν. Οι ερευνητές προβλέπουν ότι αυτές οι μαύρες τρύπες είναι στο μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα αλλά έχουν μάζες παρόμοιες με ενός αστεροειδή.

Η θεωρία των χορδών αξιώνει ότι ζούμε σε ένα κόσμο 10 διαστάσεων. Φαντασθείτε λοιπόν ότι αντί να ζούμε σ' ένα 4-διάστατο χώρο (3 χωρικές και 1 χρονική διάσταση) και οι υπόλοιπες 6 διαστάσεις να είναι κουλουριασμένες σε τόσο μικρά σφαιρίδια, που δεν υπάρχει περίπτωση να τις παρατηρήσουμε ποτέ άμεσα, υπάρχουν δύο 4-διάστατοι χώροι. Ο δικός μας και ένας άλλος που βρίσκεται σε μικρή απόσταση από τον πρώτο. Μια 2-διάστατη επιφάνεια συνδέει αυτές τις δύο βράνες, άρα οι διαστάσεις είναι 4+4+2 = 10. Το συμπέρασμα είναι ότι ανέκαθεν υπήρχε μια άλλη βράνη, σε απόσταση ενός mm περίπου από τη δική μας, στην οποία δεν θα μπορούσαμε ποτέ να ταξιδέψουμε επειδή δεν είμαστε βαρυτόνια. Είναι το είδος των υποθέσεων το οποίο όσοι ασχολούνται με τη θεωρία των χορδών δεν αποκαλούν "ξεκάθαρα γελοίο" αλλά  παραφράζοντάς το "στρυφνό, εφιαλτικό σενάριο"! Είναι πάντως συνεπές από μαθηματική άποψη, ακόμη κι αν συνθλίβει την κοινή λογική μας.  

Αυτές όλες οι θεωρίες αγγίζουν τα όρια της ανθρώπινης λογικής. Κανείς δεν γνωρίζει αν κάποια από αυτές ισχύει πραγματικά, επειδή κανείς δεν έχει προσδιορίσει πως θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την αλήθεια τους με βάση το φυσικό κόσμο. Αυτές οι θεωρίες όμως θα αποσαφηνιστούν προοδευτικά τόσο σ' αυτούς που τις επεξεργάζονται όσο και σε μας. Η φιλοδοξία είναι να κατασκευαστεί μια Αληθινή θεωρία του Σύμπαντος, η οποία θα περιγράφει ένα Σύμπαν το οποίο θα μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως, χωρίς όμως σήμερα να μπορούμε να το φανταστούμε πως θα είναι.

Πηγές: Wikipedia, Περισκόπιο της Επιστήμης, PhysicsWorld, Πανεπιστήμιο Cornell, CERN, physics4u

Home