Οι σπασμένες συμμετρίες και το Νόμπελ στη Φυσική 2008

Άρθρο, Οκτώβριος 2008

Γιατί υπάρχει κάτι αντί για το τίποτα; Γιατί υπάρχουν τόσα πολλά διαφορετικά στοιχειώδη σωματίδια; Οι βραβευμένοι με το Νόμπελ Φυσικής 2008 μας παρουσίασαν με το έργο τους τέτοιες θεωρητικές γνώσεις, που μας βοήθησαν να κατανοήσουμε τι συμβαίνει στο εσωτερικό των τελευταίων δομικών στοιχείων της ύλης.

Διαλεύκανση του χαρακτήρα των κρυμμένων συμμετριών της Φύσης

Οι νόμοι της συμμετρίας της Φύσης έχουν βασική σχέση με το νόμπελ φυσικής 2008, ή μάλλον, με τις διασπάσεις των συμμετριών. Τόσο εκείνες οι διασπάσεις που φαίνεται να έγιναν στις απαρχές του σύμπαντος, όσο και εκείνες που έγιναν αυθόρμητα κάπου στον δρόμο, έκαναν έτσι τις καταστάσεις να χάσουν την αρχική τους συμμετρία.

Στην πραγματικότητα, είμαστε όλοι παιδιά των σπασμένων συμμετριών. Η πρώτη διάσπαση θα πρέπει να έχει πραγματοποιηθεί αμέσως μετά την Big Bang, πριν περίπου 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν είχε δημιουργηθεί τόση αντιύλη όσο και η κανονική ύλη. Η συνάντηση μεταξύ αυτών των δύο είναι μοιραία και για τις δύο, γιατί εξαϋλώνονται και αυτό που απομένει είναι μια ακτινοβολία. Προφανώς, όμως, η ύλη κέρδισε τον αγώνα από την αντιύλη, αλλιώς δεν θα ήμασταν εδώ. Αλλά είμαστε εδώ λόγω μιας πολύ μικρής απόκλισης από την τέλεια συμμετρία, που φαίνεται να ήταν αρκετή - ένα επιπλέον σωματίδιο της ύλης για κάθε δέκα δισεκατομμύρια σωματίδια αντιύλης - για να επιβιώσει ο Κόσμος μας. Αυτή η μικρή υπέρβαση της ύλης έναντι της αντιύλης ήταν οι σπόροι ολόκληρου του σύμπαντος, το οποίο συμπληρώνεται με γαλαξίες, αστέρια και πλανήτες - και τελικά τη ζωή μας. Όμως, τι κρύβεται πίσω από αυτή την παραβίαση της συμμετρίας του Σύμπαντος είναι ακόμα ένα μεγάλο μυστήριο και ενεργό πεδίο της έρευνας των φυσικών.

Μια ανεξήγητη διάσπαση της συμμετρίας κατά τη γέννηση του σύμπαντος. Στο Big Bang, αν και είχε δημιουργηθεί τόση ύλη όση και αντιύλη, εξαυλώθηκαν κατά την επαφή τους. Όμως, η μικροσκοπική υπεροχή της ύλης (1 σωματίδιο ύλης για κάθε 10 δισεκατομμύρια σωματίδια αντιύλης) ήταν αρκετή για να υπερισχύσει η ύλη έναντι της αντιύλης. Αυτή η περίσσεια της ύλης γέμισε το σύμπαν με γαλαξίες, άστρα, πλανήτες και τη ζωή.

Μέσα από το κάτοπτρο

Για πολλά χρόνια η φυσική έχει επικεντρωθεί στην εξεύρεση των φυσικών νόμων που είναι κρυμμένοι βαθιά μέσα στα φαινόμενα που βλέπουμε γύρω μας. Οι νόμοι της Φύσης θα πρέπει να είναι απόλυτα συμμετρικοί και απόλυτοι. Θα πρέπει να ισχύουν για όλο το σύμπαν. Η προσέγγιση αυτή φαίνεται αληθινή για τις περισσότερες περιπτώσεις, αλλά δεν είναι πάντα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι σπασμένες συμμετρίες έγιναν αντικείμενο της έρευνας όσο και οι συμμετρίες, που όμως δεν είναι και τόσο αξιοπρόσεκτες γιατί θεωρούμε τον Κόσμο μας ασύμμετρο, ενώ πιστεύουμε ότι η τέλεια συμμετρία είναι σπάνιά και ιδεατή.

Οι διάφοροι τύποι των συμμετριών και οι σπασμένες συμμετρίες είναι μέρος της καθημερινής μας ζωής. Το γράμμα A δεν αλλάζει όταν εμείς το βλέπουμε σε έναν καθρέφτη, ενώ το γράμμα Ζ σπάει αυτή τη συμμετρία. Από την άλλη το Z φαίνεται το ίδιο όταν το στρέψετε ανάποδα (το πάνω γίνεται κάτω), αλλά αν το κάνετε το ίδιο στο γράμμα Α, η συμμετρία του θα σπάσει.

Η βασική θεωρία για τα στοιχειώδη σωματίδια περιγράφει τρεις διαφορετικές αρχές της συμμετρίας: συμμετρία κατόπτρου, συμμετρία φορτίου, και συμμετρία χρόνου (στη γλώσσα της φυσικής, η συμμετρία κατόπτρου ονομάζεται P, από το parity, η συμμετρία φορτίου C από το charge και η συμμετρία χρόνου T από το T).

Συμμετρία κατόπτρου. Είναι σπασμένη στην αριστερή εικόνα, ενώ παραμένει ίδια στη δεξιά εικόνα, όπου είναι αδύνατο να αποφασίσεις αν η λέξη είναι στον δικό σου κόσμο ή του κατόπτρου.

Στην συμμετρία κατόπτρου, κάθε περίπτωση θα πρέπει να παρουσιαστεί ακριβώς με τον ίδιο τρόπο είτε τα βλέπουμε κατευθείαν είτε από κάτοπτρο. Αυτά διατηρούνται στην εικόνα με τη σωστή διάταξη, γι αυτό και δεν καταλαβαίνουμε αν τα βλέπουμε άμεσα ή μέσα σε έναν κάτοπτρο. Και ασφαλώς δεν υπάρχει καμία διαφορά μεταξύ αριστεράς και δεξιάς. Η συμμετρία φορτίου αναφέρει ότι σωματίδια θα πρέπει να συμπεριφέρονται ακριβώς όπως και τα alter egos τους, τα αντισωματίδια τους, το οποίο έχει ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες αλλά με αντίθετο φορτίο. Και σύμφωνα με την συμμετρία χρόνου, τα φυσικά γεγονότα, σε μικροσκοπικό επίπεδο θα πρέπει να είναι εξίσου ανεξάρτητα, είτε συμβαίνουν εμπρός ή πίσω στο χρόνο.

Οι συμμετρίες δεν έχουν μόνο αισθητική αξία στη φυσική. Απλοποιούν πολλούς δυσάρεστους υπολογισμούς και, συνεπώς, διαδραματίζουν αποφασιστικό ρόλο για τη μαθηματική περιγραφή του μικρόκοσμου. Ένα ακόμη πιο σημαντικό γεγονός είναι ότι αυτές οι συμμετρίες εμπλέκουν ένα μεγάλο αριθμό νόμων της διατήρησης στο επίπεδο των σωματιδίων. Για παράδειγμα, υπάρχει ένας νόμος που λέει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να χαθεί στις συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων, αυτή θα πρέπει να παραμείνει η ίδια πριν και μετά τη σύγκρουση, κάτι που είναι εμφανές από την συμμετρία των εξισώσεων που περιγράφουν τις συγκρούσεις των σωματιδίων. Ή υπάρχει ο νόμος της διατήρησης των ηλεκτρικών φορτίων που είναι σχετικός με το συμμετρία στην ηλεκτρομαγνητικά θεωρία.

Αρχίζει να αναδύονται πιο καθαρά οι μορφές

Ήταν γύρω στα μέσα του 20ου αιώνα όταν εμφανίστηκε για πρώτη φορά η σπασμένη συμμετρία στις μελέτες των βασικών αρχών της ύλης. Εκείνη τη στιγμή η φυσική πίστευε ότι θα μπορούσε να πετύχει το μεγαλύτερο της όνειρο - να ενώσουμε όλες τις δυνάμεις της φύσης, και όλα τα σώματα (από τα πιο μικρά έως τα πιο μεγάλα) σε μια ενιαία θεωρία. Όμως από την αρχή, η φυσική των σωματιδίων γινόταν όλο και πιο περίπλοκη. Οι νέοι επιταχυντές που κτίστηκαν μετά τον Β' 'Παγκόσμιο Πόλεμο δημιουργούσαν μια σταθερή ροή των σωματιδίων που δεν είχαμε δει ποτέ πριν. Τα περισσότερα από αυτά δεν ταίριαζαν με τα γνωστά μοντέλα της φυσικής της εποχής εκείνης, ότι η ύλη αποτελούνταν από άτομα, και ο πυρήνας από νετρόνια και πρωτόνια καθώς και ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα. Βαθύτερες έρευνες μας αποκάλυψαν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια έκρυβαν μέσα τους τρία κουάρκ.

Μέσα στην ύλη: Μόριο, άτομο, πυρήνας, πρωτόνια/νετρόνια, κουάρκ

Τα στοιχειώδη σωματίδια

Η ύλη

Τα λεπτόνια (ηλεκτρόνια, μιόνια, ταυ και νετρίνα) μαζί με τα κουάρκ είναι τα μικρότερα δομικά στοιχεία της ύλης. Επίσης, μέσα στην ύλη υπάρχουν τρεις δυνάμεις (ασθενής, ισχυρή και ηλεκτρομαγνητική) καθώς και οι φορείς τους ή διαδότες (φωτόνιο, μποζόνια W και Z, και τέλος τα γκλουόνια).  Είναι το στάνταρτ μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής που ενώνει όλα τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης καθώς και τις 3 από τις 4 δυνάμεις. Βλέπουμε ότι όλα τα γνωστά σωματίδια της ύλης (νετρόνια και πρωτόνια) είναι χτισμένα με σωματίδια από την πρώτη οικογένεια, τα άλλα σωματίδια ζουν για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Για να ολοκληρωθεί το μοντέλο είναι απαραίτητο ένα νέο σωματίδιο - το σωματίδιο Higgs - που  η κοινότητα των φυσικών ελπίζει να το βρει στο νέο επιταχυντή LHC στο CERN της Γενεύης. Μόνο αυτό θέλουμε για να μπουν όλα τα κομμάτια του παζλ στη θέση τους.

Τα πάντα ελέγχονται από τις δυνάμεις. Το καθιερωμένο μοντέλο, τουλάχιστον για την ώρα, περιλαμβάνει τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης μαζί με τους διαδότες ή φορείς, που είναι σωματίδια που μεταφέρουν την αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων. Ο διαδότης της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης είναι το φωτόνιο με μηδενική μάζα, της ασθενούς πυρηνικής δύναμης (που είναι υπεύθυνη για τη ραδιενεργό αποσύνθεση) είναι τρία μποζόνια W και Z, ενώ ο διαδότης της ισχυρής πυρηνικής δύναμης είναι τα γκλουόνια, τα οποία διατηρούν σταθερό τον πυρήνα του ατόμου

Η τέταρτη δύναμη, η οποία φροντίζει να κρατάμε τα πόδια μας στο έδαφος, ακόμα δεν έχει ενσωματωθεί στο μοντέλο και αυτό δημιουργεί τεράστια πρόκληση για τους φυσικούς.

Το κάτοπτρο έχει γίνει θρύψαλα

Το καθιερωμένο μοντέλο είναι μια σύνθεση όλων των γνώσεων για τα πιο εσώτερα τμήματα της ύλης, που έχουν συλλέξει οι φυσική κατά τη διάρκεια του τελευταίου αιώνα. Η θεωρητική του βάση αποτελείται από τις αρχές συμμετρίας της κβαντικής φυσικής και τη θεωρία της σχετικότητας, ενώ έχει δοκιμαστεί σε αμέτρητες δοκιμές. Αλλά προτού η εικόνα ξεκαθαρίσει, μια σειρά από κρίσεις που σημειώθηκαν απειλούν αυτή την ισορροπημένη κατασκευή. Αυτές οι κρίσεις σχετίζονται με το γεγονός ότι οι φυσικοί είχαν υποθέσει ότι οι νόμοι της συμμετρίας ισχύουν για τον λιλιπούτειο κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων. Αλλά αυτό, αποδείχθηκε, δεν ήταν εξ ολοκλήρου την υπόθεση. Η πρώτη έκπληξη ήρθε το 1956, όταν δύο Κινεζο-αμερικανοί θεωρητικοί, οι Tsung Dao Lee και Chen Ning Yang (πήραν το Νόμπελ την επόμενη χρονιά 1957) αμφισβήτησαν τη συμμετρία κατόπτρου (P συμμετρία) στην ασθενή πυρηνική δύναμη. Μέχρι τότε πιστεύαμε ότι η φύση εκτιμούσε τη συμμετρία κατόπτρου, όπως και τις άλλες αρχές της συμμετρίας, και ήταν μια πραγματικότητα.

Πρέπει να επανεκτιμήσουμε παλιές αρχές του κβαντική κόσμου, όπου υπάρχουν τα στοιχειώδη σωματίδια, ισχυρίστηκαν οι Lee και Yang. Αυτοί πρότειναν μια σειρά πειραμάτων για να εξετάσουν τη συμμετρία κατόπτρου. Και όντως, λίγους μόνο μήνες μετά η διάσπαση του πυρήνα του ραδιενεργού στοιχείου κοβάλτιο- 60, μας αποκάλυψε ότι δεν ακολούθησε τις αρχές της συμμετρίας κατόπτρου. Η συμμετρία έσπασε όταν τα ηλεκτρόνια που εξήλθαν από τον πυρήνα του κοβαλτίου προτίμησαν μία κατεύθυνση αντί για την  άλλη. Ήταν σαν να ήσασταν μπροστά από το Κεντρικό Σταθμό και βλέπετε την πλειοψηφία των ανθρώπων να στρίβει αριστερά από το σταθμό.

Εγγενή ασυμμετρία καθορίζει την τύχη μας

Είναι δυνατόν, οι συμμετρίες κατόπτρου και φορτίου να σπάνε χωριστά αλλά και οι δύο μαζί, αυτό που ονομάζεται συμμετρία CP, σίγουρα δεν σπάνε ταυτόχρονα. Η  κοινότητα των φυσικών παρηγορήθηκε με την ιδέα ότι αυτή η συμμετρία παραμένει αδιάσπαστη. Οι νόμοι της φύσης, πίστευαν οι φυσικοί, δεν θα αλλάξει αν στον κατοπτρικό κόσμο της ύλης, άλλαζε η ύλη με αντιύλη.

Αυτό επίσης σημαίνει ότι αν συναντηθείς με έναν εξωγήινο, δεν θα έπρεπε με ουδένα τρόπο να αναρωτηθείς εάν ο εξωγήινος ήρθε από τον Κόσμο μας ή από τον αντι-Κόσμο. Αν τον αγκάλιαζες θα είχε έτσι ή αλλιώς καταστροφική συνέπεια. Μόνο μια φούσκα ενέργειας θα μπορούσε να μείνει με την πρώτη σας επαφή, λόγω της εξαύλωσης και των δύο σας.

Έτσι, ήταν ίσως καλύτερα που η ασθενής δύναμη είδε το φως της δημοσιότητας και πάλι το 1964. Μια νέα παραβίαση των νόμων της συμμετρίας κατά τη ραδιενεργό διάσπαση του παράξενου σωματιδίου, που ονομάζεται καόνιο (απονεμήθηκε γι αυτό Νόμπελ στους James Cronin και Val Fitch το 1980). Ένα μικρό κλάσμα των καονίων δεν ακολούθησε τις συνηθισμένες συμμετρίες κατόπτρου και φορτίου. Αυτά τα λίγα καόνια έσπασαν τη διπλή CP συμμετρία και έτσι αμφισβητήθηκε όλη η δομή της θεωρίας.

Αυτή η ανακάλυψη για την αναπάντεχη πορεία μερικών καονίων, σας προσφέρει μια σωτηρία σχετικά με τη συνάντηση σας με τον εξωγήινο. Θα μπορούσατε να τον ψάξετε προσεκτικά πριν σας αγκαλιάσει ο εξωγήινος, για να διαπιστώσετε αν είναι φτιαγμένος από την ίδια ύλη, όπως εμείς ή από αντιύλη.

Αγκαλιά με τον εξωγήινο; Περιμένετε μέχρις ότου ξεκαθαριστεί πρώτα η συμμετρία! Αν ο εξωγήινος, που φτιάχνεται από αντιύλη, τότε μια αγκαλιά μαζί του θα σας οδηγήσει σε εξαύλωση αφήνοντας πίσω σας μια ακτινοβολία.

Το πρώτο πρόσωπο που επισήμανε την αποφασιστική σημασία της σπασμένης συμμετρίας για την γένεση του Κόσμου ήταν ο ρώσος φυσικός και κάτοχος του Νόμπελ Ειρήνης Αντρέι Ζαχάρωφ. Το 1967, έθεσε τρεις προϋποθέσεις για τη δημιουργία ενός Κόσμου όπως ο δικός μας, άδειο από αντιύλη. Πρώτον, ότι οι νόμοι της φυσικής κάνουν διάκριση μεταξύ της ύλης και της αντιύλη, που στην ουσία ανακαλύφθηκε με τη σπασμένη συμμετρία CP. Δεύτερον, ότι το σύμπαν προέρχεται από ένα καυτό Big Bang. Και τρίτον, ότι τα πρωτόνια στον πυρήνα κάθε ατόμου διασπάται. Η προϋπόθεση αυτή μπορεί να οδηγήσει στο τέλος του Κόσμου, δεδομένου ότι συνεπάγεται ότι όλη η ύλη μπορεί τελικά να εξαφανιστεί. Μέχρι σήμερα, ωστόσο, αυτή η προϋπόθεση δεν έχει βρεθεί, ενώ πειράματα έχουν δείξει ότι τα πρωτόνια παραμένουν σταθερά για 10³³ χρόνια, ή 10 τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη περίοδος από την ηλικία του σύμπαντος, που είναι ελαφρώς πάνω από 10¹⁰ χρόνια. Και ακόμη δεν υπάρχει κανείς που να ξέρει πως έγινε η αλυσίδα γεγονότων του Ζαχάρωφ στις απαρχές του σύμπαντος.

Λύνοντας το μυστήριο της σπασμένης συμμετρίας

Είναι δυνατόν, οι συνθήκες του Ζαχάρωφ τελικά να ενσωματωθούν στο Στάνταρτ Μοντέλο της φυσικής. Και εν συνεχεία θα μπορούσε έτσι να εξηγηθεί το πλεόνασμα της ύλης που δημιουργήθηκε κατά τη γέννηση του σύμπαντος. Αυτό, όμως, απαιτεί πολύ μεγαλύτερη παραβίαση της συμμετρίας από όσο η διπλά σπασμένη CP συμμετρία, που βρήκαν στο πείραμα με το καόνιο οι Cronin και Fitch. Ωστόσο, χρειαζόταν μια ερμηνεία και το σημαντικά μικρότερο σπάσιμο της συμμετρίας CP των καονίων. Αλλιώς, θα μπορούσε να απειληθεί όλο το Στάνταρτ Μοντέλο. Το ερώτημα του γιατί οι συμμετρίες σπάνε ήταν ένα μυστήριο που παρέμεινε μέχρι το 1972, όταν δύο νέοι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Κιότο, οι Makoto Kobayashi και Toshihide Maskawa, που ήταν καλοί γνώστες στους υπολογισμούς της κβαντικής φυσικής, βρήκαν τη λύση σε ένα πίνακα 3 x 3.

Πώς γίνεται αυτή η διπλή διάσπαση της συμμετρίας; Κάθε καόνιο αποτελείται από ένα κουάρκ strange και ένα αντι-κουάρκ αντι-down. Η ασθενής δύναμη τα κάνει να αλλάζουν την ταυτότητα τους ξανά και ξανά: το κουάρκ γίνεται αντι-κουάρκ ενώ το αντικουάρκ γίνεται κουάρκ, μετατρέποντας έτσι το καόνιο σε αντι-καόνιο.. Με τον τρόπο αυτό το καόνιο μεταστρέφεται σε αντικαόνιο και αυτό πάλι σε καόνιο. Αλλά βρεθούν στο δρόμο ορισμένες συνθήκες θα σπάσει η συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Οι Kobayashi και Maskawa υπολόγισαν την μήτρα που περιέχει πιθανότητες για να περιγράψουν πως γίνεται η μετατροπή του κουάρκ.  

Η κβαντική φυσική είναι πίσω από αυτή την περίεργη μετατροπή του καονίου. Ένα καόνιο (αποτελείται από ένα strange και ένα αντι-down κουάρκ) μπορεί να αλλάξει σε ένα σωματίδιο που να είναι ή το ίδιο το καόνιο ή το αντι-καόνιο - από το καόνιο στο αντι-καόνιο και πάλι πίσω. Όλες οι γνωστές οικογένειες των κουάρκ σήμερα πρέπει να συμβάλουν σε αυτή τη διαδικασία, όπου σε μερικές περιπτώσεις η συμμετρία θα σπάσει. Η εξήγηση για το πώς συμβαίνει αυτό έδωσαν οι νομπελίστες φυσικής του 2008 Koboyashi και Maskawa.

Αποδείχθηκε ότι τα κουάρκ και αντικουάρκ αντάλλαζαν την ταυτότητα τους μέσα στην ίδια τη οικογένεια (top/αντι-top κλπ). Αν αυτή η ανταλλαγή της ταυτότητας με διπλή διάσπαση της συμμετρίας ήταν να διεξαχθεί μεταξύ ύλης και αντιύλης, ήταν απαραίτητο να συμμετάσχει ακόμη μια οικογένεια κουάρκ εκτός από τις άλλες δύο. Αυτή όμως ήταν μια τολμηρή ιδέα, και το Καθιερωμένο Μοντέλο την πήρε σοβαρά υπ' όψιν του αυτή την ιδέα για το νέο κουάρκ, που εμφανίστηκε, όπως προέβλεψαν οι φυσικοί στα πειράματα λίγο αργότερα. Το κουάρκ charm ανακαλύφθηκε το 1974, το bottom το 1977 και τελευταία το top κουάρκ το 1994.

Τα μεσόνια 'μεσίτες' προσφέρουν την απάντηση

Είναι δυνατόν, η εξήγηση της διάσπασης της CP-συμμετρίας παρέχει επίσης ένα λόγο ύπαρξης για τη δεύτερη και την τρίτη οικογένεια σωματιδίων. Αυτές μοιάζουν με την πρώτη οικογένεια, από πολλές απόψεις, αλλά είναι τόσο βραχύβια που δεν μπορούν να σχηματίσουν τίποτα που να διαρκεί στον κόσμο μας. Υπάρχει η πιθανότητα ότι αυτά τα ιδιότροπα σωματίδια εκπλήρωσαν τις πιο σημαντικές λειτουργίες τους στις απαρχές του χρόνου, όταν η παρουσία τους εξασφάλισε την σπασμένα συμμετρία  όταν η ύλη κέρδισε τον αγώνα έναντι της αντιύλης. Πώς η φύση έλυσε αυτό το πρόβλημα είναι, όπως προαναφέρθηκε, κάτι που δεν γνωρίζουμε ακόμη λεπτομερώς. Η σπασμένη συμμετρία πρέπει να αναπαράγεται πολλές, πολλές φορές, για να δημιουργήσει όλη την ύλη, που μας δίνει τα διάσπαρτα άστρα στον ουρανό.

Οι Kobayashi Maskawa και η θεωρία τους ανέφερε επίσης ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να μελετηθεί μια σημαντική παραβίαση της συμμετρίας στα σωματίδια Β-μεσόνια, που είναι δέκα φορές βαρύτερα από όσο τα ξαδέλφια τους, τα καόνια. Ωστόσο, η διάσπαση της συμμετρίας παρουσιάζεται εξαιρετικά σπάνια στα B-μεσόνια, γι αυτό και απαιτούνται τεράστιες ποσότητες από τα σωματίδια αυτά για να βρεθούν μερικά μόνο που να σπάει η συμμετρία. Δύο γιγάντιες κατασκευές φιλοξενούν τους ανιχνευτές σωματιδίων BaBar στον επιταχυντή SLAC του Στάνφορντ και το Belle στον επιταχυντή KEK στην Ιαπωνία, όπου παράγονται περισσότερα από ένα εκατομμύριο B-μεσόνια την ημέρα, προκειμένου να παρακολουθήσουν την διάσπαση τους λεπτομερώς. Ήδη από το 2001, δύο ανεξάρτητα πειράματα επιβεβαίωσαν την παραβίαση της συμμετρίας στα B-μεσόνια, ακριβώς όπως είχε προβλέψει το μοντέλο των Kobayashi και Maskawa σχεδόν 30 χρόνια νωρίτερα.

Αυτό σήμαινε την ολοκλήρωση του Στάνταρτ Μοντέλου, που έχει δουλέψει καλά για πολλά χρόνια. Σχεδόν όλα τα χαμένα κομμάτια από το παζλ έχουν πάει στη θέση του, σε συμφωνία με τις πιο τολμηρές προβλέψεις.

Η συμμετρία βρίσκεται κρυμμένη κάτω από την αυθόρμητη παραβίαση

Όπως ήδη αναφέρθηκε, το Καθιερωμένο Μοντέλο περιλαμβάνει όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Αλλά γιατί είναι τόσο διαφορετικές αυτές οι δυνάμεις; Και γιατί τα σωματίδια έχουν τόσο διαφορετικές μάζες; Το πιο βαρύ σωματίδιο, το top κουάρκ, είναι πάνω από 300.000 φορές βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Γιατί αυτά έχουν μάζα; Η ασθενής δύναμη ξεχωρίζει από αυτή την άποψη και πάλι: τα σωματίδια φορείς της δύναμης αυτής, W και Z, είναι πολύ βαρύτερα, ενώ το φωτόνιο, που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, δεν έχει καθόλου μάζα.

Οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι μια άλλη αυθόρμητη διάσπαση συμμετρίας, που ονομάζεται μηχανισμός Higgs, κατέστρεψε την αρχική συμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και έδωσε στα σωματίδια τη μάζα τους στα πολύ πρώιμα στάδια του σύμπαντος.

Ο δρόμος για την ανακάλυψη αυτή χαράχθηκε από τον Yoichiro Nambu το 1960, όταν τότε ήταν ο πρώτος που εισήγαγε την αυθόρμητη παραβίαση της συμμετρίας στην φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Και γι αυτή την ανακάλυψη πήρε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Αρχικά, ο Nambu εργάστηκε με θεωρητικούς υπολογισμούς για ένα άλλο αξιοσημείωτο φαινόμενο της φυσικής, την υπεραγωγιμότητα, όταν το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς καμία αντίσταση. Η αυθόρμητη παραβίαση της συμμετρίας που περιγράφει την υπεραγωγιμότητα αργότερα μεταφέρθηκε από το Nambu στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων, και τα μαθηματικά του εργαλεία σήμερα διαπερνούν όλες τις θεωρίες σχετικά με το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Μπορούμε να δώσουμε πολλά παραδείγματα αυθόρμητης παράβασης της συμμετρίας από την καθημερινή ζωή. Ένα μολύβι που στηρίζεται σε ένα σημείο (στη μύτη του),  μπορεί να πέσει σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, δηλαδή όλες οι κατευθύνσεις είναι ισοδύναμες γι αυτό και υπάρχει τέλεια συμμετρία. Αλλά αυτή η συμμετρία χάνεται, όταν πέφτει - τώρα μετράει μόνο μία κατεύθυνση. Από την άλλη πλευρά, η κατάστασή του έχει γίνει πιο σταθερή, το μολύβι δεν μπορεί να πέσει πιο κάτω, θα έχει φτάσει στο χαμηλότερο επίπεδο της ενέργειας.

Αυθόρμητη διάσπαση της συμμετρίας. Ο κόσμος του μολυβιού είναι εντελώς συμμετρικός. Όλες τις κατευθύνσεις είναι ακριβώς ισοδύναμες γιατί μπορεί να πέσει οπουδήποτε. Αλλά αυτή η συμμετρία χάνεται όταν πέφτει το μολύβι. Τώρα έχει μόνο μία κατεύθυνση. Η συμμετρία που υπήρχε πριν είναι κρυμμένη πίσω από το μολύβι που έπεσε

Ένα κενό έχει το χαμηλότερο δυνατό επίπεδο ενέργειας στο σύμπαν. Στην πραγματικότητα, ένα κενό στη φυσική είναι ακριβώς μια κατάσταση με τη μικρότερη δυνατή ενέργεια. Αλλά δεν είναι το κενό άδειο από οτιδήποτε. Από την ημερομηνία γέννησης της κβαντικής φυσικής, το κενό ορίζεται ως γεμάτο από μία σούπα σωματιδίων που αναδύονται στον πραγματικό κόσμο για πολύ λίγο και μετά εξαφανίζονται αμέσως. Εμείς περιτριγυριζόμαστε από πολλά και διαφορετικά κβαντικά πεδία σε όλο το χώρο, οι δε τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύση περιγράφονται επίσης ως πεδία. Ένα από αυτά, το βαρυτικό πεδίο, είναι γνωστό σε όλους μας. 

Ο Nambu αναγνώρισε σε σύντομο χρονικό διάστημα ότι οι ιδιότητες του κενού έχουν ενδιαφέρον για τις μελέτες της αυθόρμητης διάσπασης της συμμετρίας. Ένα κενό, δηλαδή, η πιο χαμηλή ενεργειακή κατάσταση, δεν αντιστοιχεί στην πιο συμμετρική κατάσταση. Όπως και με το μολύβι που έπεσε, η συμμετρία του κβαντικού πεδίου έχει σπάσει και έχει επιλεγεί μόνο μία από τις πολλές δυνατές κατευθύνσεις του πεδίου. Τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν βελτιωθεί οι μέθοδοι του Nambu για την επεξεργασία της αυθόρμητης παραβίασης της συμμετρίας στο Καθιερωμένο Μοντέλο, και γι αυτό συχνά χρησιμοποιούνται σήμερα για τον υπολογισμό των φαινομένων της ισχυρής δύναμης.

Το Higgs προσφέρει μάζα στα σωματίδια

Το ζήτημα της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων έχει, επίσης, απαντηθεί από την αυθόρμητη διάσπαση της συμμετρίας του υποθετικού πεδίου Higgs. Εκτιμάται ότι κατά το Big Bang το πεδίο Higgs ήταν απολύτως συμμετρικό και όλα τα σωματίδια είχαν μηδενική μάζα. Αλλά το πεδίο Higgs, σαν το μολύβι που στέκεται στη μύτη του, δεν ήταν σταθερό, οπότε όταν το σύμπαν ψύχθηκε, το πεδίο πήγε στο χαμηλότερο επίπεδο της ενέργειας του, στο δικό του κενό, σύμφωνα με τον κβαντικό ορισμό. Η συμμετρία εξαφανίστηκε και το πεδίο Higgs έγινε σαν ένα είδος σιρόπι για τα στοιχειώδη σωματίδια. Τα τελευταία απορρόφησαν διαφορετικά ποσά του πεδίου και γι αυτό πήραν διαφορετικές μάζες. Ορισμένα, όπως το φωτόνιο, δεν προσελκύστηκαν από το πεδίο και παρέμειναν χωρίς μάζα. Αλλά γιατί τα ηλεκτρόνια απέκτησαν μάζα είναι ένα εντελώς διαφορετικό ζήτημα, που κανένας δεν έχει απαντήσει ακόμα.

Όπως και τα άλλα κβαντικά πεδία, έτσι και το πεδίο Higgs έχει το δικό του εκπρόσωπο, δηλαδή το σωματίδιο Higgs. Οι φυσικοί είναι πρόθυμοι να βρούνε αυτό το σωματίδιο στον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων του κόσμου, το ολοκαίνουριο LHC στο CERN της Γενεύης. Είναι πιθανό να ανιχνευτούν πολλά διαφορετικά σωματίδια Higgs - ή και να μην υπάρχει καθόλου. Οι φυσικοί είναι έτοιμοι να επεκτείνουν το στάνταρτ Μοντέλο με την υπερσυμμετρική θεωρία, που είναι μια αγαπημένη θεωρία σε πολλούς φυσικούς. Υπάρχουν ασφαλώς κι άλλες θεωρίες, μερικές είναι περισσότερο ή λιγότερο εξωτικές. Σε κάθε περίπτωση, είναι πιθανό να είναι συμμετρικές, παρόλο που η συμμετρία μπορεί να μην είναι τόσο εμφανής με πρώτη ματιά. Αλλά αυτή είναι εκεί, κρατώντας την κρυμμένη σε φαινομενικά μπερδεμένη εμφάνιση.

Πηγή: σελίδα των Νόμπελ

Μια εισαγωγή στις συμμετρίες

Στο χώρο των σωματιδίων, υπάρχουν τρεις κύριες συμμετρίες. Ο κατοπτρισμός ως προς τον χρόνο T (Τime Reversal), ο κατοπτρισμός ως προς το χώρο (Space Inversion), που λέγεται ομοτιμία P (Parity) και τέλος ο κατοπτρισμός ως προς το φορτίο C (Charge Conjugation). Και οι τρείς λέγονται με μία λέξη CPT.

Το νόμο της διατήρησης της ομοτιμίας (parity) είχε ανακαλύψει ο Eugene Wigner την δεκαετία του 1930 κι έγινε αναπόσπαστο μέρος της Κβαντικής Φυσικής. Η ομοτιμία P που δεν συναντάται στην κλασσική Φυσική, περιγράφει δύο τιμές που μπορεί να πάρει ένα σωμάτιο. Την άρτια και την περιττή. Και η διατήρηση της κράτησε μέχρι το 1956.

Το αναλλοίωτο των φυσικών νόμων ως προς την συζυγία του ηλεκτρικού φορτίου, είναι κάτι το αποδεδειγμένο στην Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Καμιά αλλαγή δεν παρατηρείται στην κίνηση ενός φορτίου αν αλλάξει το πρόσημο του και ταυτόχρονα η διεύθυνση του ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο κινείται. Οι φυσικοί νόμοι παρουσιάζονται να είναι αναλλοίωτοι στην αλλαγή των πρόσημων όλων των φορτίων. Κι αυτό αναφέρεται σαν συζυγία φορτίου. Η συζυγία αυτή έχει ισχύ γιά όλες τις αλληλεπιδράσεις εκτός των ασθενών αλληλεπιδράσεων όπως έγινε και στην περίπτωση της ομοτιμίας. Γιατί η μη ισχύς της συμμετρίας της ομοτιμίας συνεπάγεται ταυτόχρονα στις ίδιες ασθενείς αλληλεπιδράσεις και τη μη ισχύ της συμμετρίας του φορτίου.

Ένα σπουδαίο θεώρημα της Φυσικής, το CPT, λέει ότι οι νόμοι της Φυσικής πρέπει να παραμένουν ανεπηρέαστοι (αναλλοίωτοι) από την αλλαγή και των τριών συμμετριών με των αντιστοίχων σωματιδίων. Επί παραδείγματι, στο θεώρημα αυτό στηρίζεται η ιδέα ότι η εκπομπή ενός σωματιδίου είναι απολύτως ισοδύναμη με την απορρόφηση, του συζυγές του αντι-σωματιδίου.

Το 1956 όμως δύο Αμερικανοί Φυσικοί, ο Lee και ο Yang, υπέθεσαν ότι η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση δεν υπακούει στη συμμετρία Ρ, γιατί το σωματίδιο φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης μποζόνιο W, έχει μάζα και φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι η ασθενής αλληλεπίδραση ανάγκασε το Σύμπαν να εξελιχθεί διαφορετικά απ'ό,τι θα εξελίσσονταν το κατοπτρικό του Σύμπαν. Την θεωρία αυτή, την επιβεβαίωσε πειραματικά και η συνεργάτιδα τους κυρία Wu το 1957, στην διάσπαση βήτα.

Ανακαλύφθηκε επίσης ότι η ασθενής αλληλεπίδραση δεν υπακούει και στην συμμετρία C. Αυτό σημαίνει ότι ένα Σύμπαν με αντισωματίδια εξελίσσεται διαφορετικά από το δικό μας.

Οι Φυσικοί όμως πίστευαν ότι θα μπορούσε η ασθενής αλληλεπίδραση, να υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CP, παρόλο που και οι δύο συμμετρίες δεν ισχύουν. Τα πειράματα όμως έδειξαν ότι δεν ισχύει αυτή η συνδυασμένη συμμετρία.

Συμμετρία ως προς τον χρόνο

Μέχρι το 1964, οι Φυσικοί πίστευαν ότι σε όλα τα μικροσκοπικά φαινόμενα οι δύο κατευθύνσεις του χρόνου είναι απολύτως ισοδύναμες. Έτσι, έπεσε κεραυνός εν αιθρία όταν δύο άλλοι Αμερικανοί Φυσικοί, ο J.Cronin και ο Val Fitch ανακάλυψαν ότι, κατά τη διάσπαση κάποιων σωματιδίων που ονομάζονται Κ-μεσόνια, ακόμη και αυτή η συνδυασμένη συμμετρία CP έπαυε να ισχύει. Και μάλιστα αυτό συνεπάγεται συγχρόνως την παραβίαση, σε ορισμένες σπάνιες περιπτώσεις, και της αντιστροφής του χρόνου.

Σύμφωνα με κάποιο μαθηματικό θεώρημα κάθε θεωρία που υπακούει στους νόμους της κβαντικής μηχανικής και της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας πρέπει επίσης να υπακούει στην συνδυασμένη συμμετρία CPT. Δηλαδή, το Σύμπαν πρέπει να εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο αν αντικαταστήσουμε τα σωματίδια με τα αντισωματίδια τους, πάρουμε το κατοπτρικό του Σύμπαν και αντιστρέψουμε τον χρόνο.

Ο Cronin και Fitch έδειξαν ότι αν κάνουμε τις δύο πρώτες αντιστροφές C και P κι όχι την αντιστροφή του χρόνου, το Σύμπαν δεν εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο. Η αντιστροφή του χρόνου πρέπει να αλλάζει κάποιους νόμους της Φύσης!. Το Σύμπαν που υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CPT, αφού δεν υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CP, δεν πρέπει να υπακούει και στη συμμετρία Τ.

Και οι δύο προαναφερθέντες ομάδες Φυσικών πήραν το βραβείο Nobel για αυτές τις ανακαλύψεις τους. Το 1957 για την παραβίαση της P συμμετρίας οι Lee και Yang και το 1980 οι Cronin και Fitch για την παραβίαση της συμμετρίας CP στα Κ-μεσόνια.

Το συμπέρασμα για το διαστελλόμενο Σύμπαν είναι ότι αν αντιστρέψουμε την κατεύθυνση του χρόνου, τότε το Σύμπαν δεν διαστέλλεται πια αλλά συστέλλεται. Και αφού η αντιστροφή του χρόνου αλλάζει κάποιους νόμους της Φύσης, συμπεραίνουμε ότι αυτοί οι νόμοι μπορεί να είναι η αιτία που μετατρέπονται τα περισσότερα αντι-ηλεκτρόνια σε quarks απ΄ όσα ηλεκτρόνια σε αντι-quarks.

Τι είναι η παραβίαση CP;

Ωστόσο η επιστημονική βιομηχανία των κατηγοριών που έχει αναπτυχθεί γύρω από την CP παραβίαση άρχισε με μία ανύποπτη ανακάλυψη το 1964. Πριν από το πείραμα, για το οποίο κέρδισαν βραβείο Nobel οι Dr. James Cronin και Dr. Val Fitch το 1980,

Μέχρι το 1964 οι επιστήμονες ήταν βέβαιοι ότι οι νόμοι της Φυσικής υπάκουαν ακριβώς σε αυτό που ονομάζεται CP συμμετρία. Τότε έγινε μία ανύποπτη ανακάλυψη για τα καόνια από τους James Cronin και Dr. Val Fitch  που ανέτρεψαν το σκηνικό.

Για να καταλάβουμε τη συμμετρία CP κάνουμε την παρακάτω φανταστική διαδικασία: Πρώτα παίρνουμε όλα τα σωματίδια και αντιστρέφουμε το φορτίο τους (ο όρος "C") από θετικό σε αρνητικό και αντίστροφα (για τα αντισωματίδια). Τότε αλλάζουμε στα σωματίδια το αριστερόστροφο σπιν και το μετατρέπουμε σε δεξιόστροφο (ο όρος "P") και αντίστροφα. Αν τώρα τα νέα σωματίδια που θα προκύψουν συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο με τα παλιά, τότε οι νόμοι της Φυσικής είναι αναλλοίωτοι στην CP μεταβολή.

Επειδή η CP διαδικασία αλλάζει κάθε σωματίδιο στο αντισωματίδιο του, η CP συμμετρία σημαίνει ότι οι φυσικοί νόμοι είναι ακριβώς ίδιοι για την ύλη και την αντιύλη. Οι Cronin, και Fitch άλλαξαν τελείως την εικόνα που είχε ο κόσμος για την συμμετρία, όταν βρήκαν πως τα καόνια μερικές φορές διασπώνται με τρόπο που παραβίαζε αυτό τον κανόνα. Αργότερα δύο Ιάπωνες θεωρητικοί, οι Makoto Kobayashi και Toshihide Maskawa, έδειξαν πως το Καθιερωμένο Μοντέλο θα μπορούσε να τροποποιηθεί για να στεγάσει αυτό το αποτέλεσμα. Αλλά ακόμη κι αν η αλλαγή της θεωρίας θα φέρει την CP παραβίαση σε άλλα σωματίδια, οι πειραματιστές δεν έχουν ακόμη σαφώς ανιχνεύσει αυτή την παραβίαση σε άλλα σωματίδια πλην των καονίων.

Αργότερα φυσικοί στους επιταχυντές του KEK και Stanford έφτιαξαν ζεύγη B μεσονίων και αντι-Β μεσονίων, συγκρούοντας μαζί ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια επιταχύνονται σε υψηλές ενέργειες σε ένα γραμμικό επιταχυντή και τότε μεταπηδούν σε ένα κυκλικό δακτύλιο, όπου περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και συντρίβονται μαζί.

Σε μια στροφή μέσα στην πειραματική διάταξη, τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια ρίχνονται με ελαφρά διαφορετικές ενέργειες ώστε τα B μεσόνια, όταν δημιουργηθούν, να κινούνται σταθερά σε μια κατεύθυνση με περίπου τη μισή ταχύτητα του φωτός, αντί να παραμένουν ακίνητα. Η κίνηση αυτή γίνεται με ένα έξυπνο τρόπο για να καθυστερήσουν το μεσόνιο, και τότε το αντισωματίδιο του να διασπαστεί σε μια δέσμη σωματιδίων.

Μόλις κινούνται τα Β μεσόνια, η απόσταση που έχουν ταξιδεύσει δίνει ένα μέτρο του χρόνου μέσα στον οποίο γίνονται οι διασπάσεις. Συγκρίνοντας τον χρόνο λεπτομερώς, που εξαρτάται από τις διασπάσεις των Β και των αντι-Β μεσονίων, οι φυσικοί μπορούν να ψάξουν για αποδείξεις μιας ασυμμετρίας που θα αποδεικνύει ότι συμμετέχει η CP παραβίαση στα μεσόνια. Και το 2001 επιβεβαιώθηκε η παραβίαση της συμμετρίας και στα B-μεσόνια, ακριβώς όπως είχε προβλέψει το μοντέλο των Kobayashi και Maskawa σχεδόν 30 χρόνια νωρίτερα.

Αυθόρμητη διάσπαση της συμμετρίας

Η αυθόρμητη διάσπαση της συμμετρίας στη Φυσική συμβαίνει όταν ένα σύστημα που είναι συμμετρικό σε σχέση με κάποια ομάδα συμμετρίας πηγαίνει σε μια κατάσταση που δεν είναι συμμετρική. Σε αυτό το σημείο το σύστημα δεν φαίνεται να συμπεριφέρεται με τρόπο συμμετρικό. Είναι ένα φαινόμενο το οποίο φυσικά συμβαίνει σε πολλές καταστάσεις. Η ομάδα συμμετρίας μπορεί να είναι διακριτή, όπως είναι ο χώρος ομάδας ενός κρυστάλλου, ή συνεχής (π.χ. μια ομάδα Lie), όπως είναι η περιστροφική συμμετρία του χώρου.

Ένα κοινό παράδειγμα για να εξηγηθεί το φαινόμενο αυτό είναι μια μπάλα που κάθεται στην κορυφή ενός λόφου. Αυτή η μπάλα είναι σε τελείως συμμετρική κατάσταση. Ωστόσο, δεν είναι σε σταθερή κατάσταση: η μπάλα μπορεί εύκολα να κυλήσει κάτω από το λόφο. Σε κάποιο σημείο, η μπάλα αυθόρμητα θα κυλήσει προς κάτω στη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Η συμμετρία αυτή έχει διασπαστεί γιατί η κατεύθυνση που η μπάλα κυλάει κάτω έχει τώρα ξεχωρίσει από τις άλλες κατευθύνσεις.

Δηλαδή το σπάσιμο της συμμετρίας στη Φυσική περιγράφει ένα φαινόμενο όπου απειροελάχιστες  μικρές διακυμάνσεις που δρουν σε ένα σύστημα που διέρχεται ένα κρίσιμο σημείο, αποφασίζει την τύχη του συστήματος, καθορίζοντας ποιον δρόμο από ένα σύνολο δυνατών δρόμων θα πάρει. Για έναν εξωτερικό παρατηρητή που αγνοεί τις διακυμάνσεις (το "θόρυβο"), η επιλογή αυτή θα εμφανιστεί ότι είναι αυθαίρετη. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται "σπάσιμο της συμμετρίας", γιατί αυτές οι μεταβάσεις συνήθως θέτουν το σύστημα από μια κατάσταση διαταραχής (μη τάξης) σε μία από τις δύο πιο ομαλές, λιγότερο πιθανές καταστάσεις. Επειδή η διαταραχή είναι πιο συμμετρική με την έννοια ότι μικρές διακυμάνσεις σε αυτήν δεν αλλάζουν τη συνολική της εμφάνιση, η συμμετρία 'σπάει'.

Παραδείγματα αυθόρμητης διάσπασης της συμμετρίας