Όταν τα πρωτόνια και οι πυρήνες μέσα στον μεγάλο αδρονικό επιταχυντή LHC συγκρούονται άμεσα μεταξύ τους και διασπώνται, η ενέργεια τους μπορεί να μετατραπεί σε νέους τύπους ύλης όπως το φημισμένο μποζόνιο Higgs, γνωστό για τη σύνδεσή του με ένα πεδίο που δίνει μάζα στα θεμελιώδη σωματίδια. Αλλά όταν οι πυρήνες απλώς “αγγίζουν” το ένα το άλλο, συμβαίνει ένα διαφορετικό πράγμα: παράγουν μερικά από τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία του σύμπαντος.
Ένα πρωτόνιο αποτελείται όχι μόνο από 3 κουάρκ , u u d, αλλά και από θάλασσα εικονικών κουάρκ / αντικουάρκ, τα οποία δημιουργούνται συνεχώς και αμέσως εξαφανίζονται μέσω της ισχυρής δύναμης που μεσολαβείται από τα γκλουόνια, τα οποία περιγράφονται από την Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD).
Αυτά τα εξαιρετικά έντονα μαγνητικά πεδία επιτρέπουν στους πυρηνικούς φυσικούς να αναζητούν μέσα στα άτομα τις απαντήσεις σε μια θεμελιώδη ερώτηση: Πώς τα πρωτόνια αποκτούν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους;
Μόνο το 1% της μάζας του πρωτονίου προέρχεται από το πεδίο Higgs. Οι επιστήμονες του πειράματος ALICE στο LHC εξετάζουν μια διαδικασία που θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της υπόλοιπης μάζας. Κι αυτή μπορεί να προέρχεται από τη διαδικασία της αναστροφής της χειρομορφίας στο κενό.”
Τα πρωτόνια αποτελούνται από θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ και γκλουόνια. Τα κουάρκ στα πρωτόνια είναι πολύ ελαφρά και, όσο γνωρίζουν οι επιστήμονες, και μάλιστα τα γκλουόνια δεν έχουν καθόλου μάζα (είναι άμαζα). Ωστόσο, τα πρωτόνια είναι πολύ βαρύτερα από τις συνδυασμένες μάζες των τριών κουάρκ που περιέχουν το καθένα.
“Υπάρχει μεγάλη δημοσιότητα για την προέλευση της μάζας λόγω του πεδίου Higgs”, λέει ο Dmitri Kharzeev, ένας πυρηνικός θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Stony Brook και το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven. “Αλλά το Higgs είναι υπεύθυνο για τη μάζα των κουάρκ. Η υπόλοιπη μάζα του πρωτονίου έχει διαφορετική προέλευση. ”
Για να αλληλεπιδράσει το Higgs με ένα μποζόνιο (γκλουόνια ή φωτόνια ή Z και W± – ήτοι τα σωματίδια που έχουν ακέραιο σπιν) – πρέπει να έχει ένα φορτίο, που να λειτουργεί ως μεσολαβητής από αυτό το μποζόνιο. Το Higgs έχει ένα ασθενές φορτίο (της ασθενούς δύναμης) και επομένως αλληλεπιδρά με τα μποζόνια της ηλεκτρασθενούς δύναμης W και Z δίνοντας τους έτσι μάζα. Το Higgs όμως δεν έχει ηλεκτρικό ή χρωματικό φορτίο και ως εκ τούτου δεν αλληλεπιδρά με το φωτόνιο (φορέας των ηλεκτρικών δυνάμεων) ή τα γκλουόνια (φορείς της ισχυρής δύναμης), αφήνοντάς τα έτσι άμαζα.
Το πεδίο Higgs δίνει μάζα στα θεμελιώδη σωματίδια – τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ και άλλα δομικά στοιχεία που δεν μπορούν να σπάσουν σε μικρότερα τμήματα. Αλλά αυτά εξακολουθούν να αντιπροσωπεύουν μόνο ένα μικρό ποσοστό της μάζας του σύμπαντος. Η υπόλοιπη προέρχεται από τα πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία παίρνουν σχεδόν όλη τη μάζα τους από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτά τα δύο σωματίδια αποτελούνται από τρία κουάρκ που κινούνται με ταχύτητες τεράστιες που συνδέονται μαζί με γκλουόνια, τα σωματίδια που μεταφέρουν την ισχυρή δύναμη. Η ενέργεια αυτής της αλληλεπίδρασης μεταξύ κουάρκ και γκλουόνων είναι αυτό που δίνει στα πρωτόνια και τα νετρόνια τη μάζα τους. Λάβετε υπόψη το περίφημο E = mc 2 του Αϊνστάιν , το οποίο εξισώνει την ενέργεια και τη μάζα. Αυτό κάνει τη μάζα μια μυστική αποθήκη ενέργειας. Όταν βάζετε μαζί τρία κουάρκ για να δημιουργήσετε ένα πρωτόνιο, καταλήγετε να δεσμεύετε μια τεράστια πυκνότητα ενέργειας σε μια μικρή περιοχή στο διάστημα
Η προέλευση της μάζας
Τα κουάρκ στα πρωτόνια είναι πολύ ελαφρά, αντιπροσωπεύοντας μόνο περίπου το 1% της συνολικής μάζας του πρωτονίου. Η ευλογοφανής- αλλά ακόμα μη αποδεδειγμένη – θεωρητική εξήγηση για αυτή την ασυμφωνία σχετίζεται με το πώς κινούνται τα κουάρκ μέσα στο κενό.
Αυτό το κενό δεν είναι άδειο, λέει ο φυσικός υψηλών ενεργειών Sergei Voloshin, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Wayne και μέλος του πειράματος ALICE στο CERN. Το κενό είναι πραγματικά γεμάτο με κυματισμούς πεδίων που συνεχώς γεννάνε (εκρέουν) ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων που σε απειροελάχιστο χρόνο χάνονται.
Τα τρία κουάρκ που δίνουν στα πρωτόνια την ταυτότητά τους είναι για πάντα στριμωγμένα με αυτά τα ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων. Όταν ένα από αυτά τα κουάρκ πάει πολύ κοντά σε ένα αντικουάρκ που παράγεται από το κενό, εξαϋλώνεται και εξαφανίζεται μέσα σε μια έκρηξη ενέργειας.
Αλλά το πρωτόνιο δεν διαλύεται και δεν πεθαίνει όταν το κουάρκ του εξαφανίζεται, με τον τρόπο που εξηγήσαμε πιο πριν. Αντίθετα, το κουάρκ που περίσσεψε από το ζεύγος σωματιδίων-αντισωματιδίων που είχε παραχθεί στο κενό παίρνει την θέση του αφανισμένου κουάρκ.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτή η αδιάκοπη ανταλλαγή κουάρκ είναι υπεύθυνη για την εμφάνιση ενός πρωτονίου με μεγαλύτερη μάζα από το άθροισμα της μάζας των κουάρκ.
“Το 99% της μάζας του πρωτονίου μπορεί να προέρχεται από αυτή τη διαδικασία αναστροφής της χειρομορφίας (chirality) στο κενό.”
Ένα ζήτημα χειρομορφίας
Αριστερόστροφα και δεξιόστροφα σωματίδια
Απ έξω, δεν φαίνεται να αλλάζει πολλά σε αυτή την ανταλλαγή. Το εξαϋλωμένο κουάρκ αντικαταστάθηκε αμέσως από ένα φαινομενικά ταυτόσημο δίδυμο, καθιστώντας δύσκολη την παρακολούθηση αυτής της διαδικασίας. Ευτυχώς για τους επιστήμονες του LHC, δεν είναι ακριβώς πανομοιότυπα: τα κουάρκς, όπως οι άνθρωποι, μπορούν να είναι αριστερόστροφο ή δεξιόστροφο, μια έννοια που ονομάζεται χειρομορφία.
Η χειρομορφία σχετίζεται με μια κβαντική μηχανική ιδιότητα που ονομάζεται σπιν και μεταφράζεται κατά προσέγγιση στο αν το κουάρκ στρέφεται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα καθώς κινείται κατά μήκος μιας συγκεκριμένης κατεύθυνσης μέσα στο χώρο.
Λόγω των ιδιοτήτων του κενού, η αντικατάσταση του κουάρκ έχει πάντα τον αντίθετο προσανατολισμό (αριστερόστροφο ή δεξιόστροφο) από το πρωτότυπο. Αυτή η συνεχής εναλλαγή των κουάρκ από το ένα προσανατολισμό στον άλλο είναι ο τρόπος με τον οποίο οι θεωρητικοί εξηγούν την πλειοψηφία της μάζας του πρωτονίου.
“Το 99% της μάζας του πρωτονίου μπορεί να προέρχεται από αυτή τη διαδικασία αλλαγής της χειρομορφίας στο κενό”, λέει ο Kharzeev. ”
Φυσική μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο
Το 2004, όταν ο Kharzeev ήταν επικεφαλής της πυρηνικής ομάδας στο εργαστήριο του Brookhaven, είχε μια ιδέα για το πώς θα μπορούσαν πειραματικά να ψάξουν για αποδείξεις της αλλαγής της χειρομορφίας charkal των κουάρκ, κάτι που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ.
Επειδή τα κουάρκ είναι φορτισμένα, πρέπει να αλληλεπιδρούν με ένα μαγνητικό πεδίο. “Κανονικά, ποτέ δεν σκεφτήκαμε αυτή την αλληλεπίδραση, γιατί τα μαγνητικά πεδία που μπορούμε να δημιουργήσουμε στο εργαστήριο είναι εξαιρετικά ασθενή σε σχέση με τη δύναμη των αλληλεπιδράσεων των κουάρκ μεταξύ τους”, λέει ο Kharzeev. “Ωστόσο, συνειδητοποιήσαμε ότι όταν τα φορτισμένα ιόντα συγκρούονται, αυτά συνοδεύονται από ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και αυτό το πεδίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει τη χειραλότητα των κουάρκ”.
Όταν έκαναν τους μαθηματικούς υπολογισμούς, διαπίστωσαν ότι τα θετικά φορτισμένα ιόντα που συγκρούονται μέσα σε ένα επιταχυντή, όπως ο LHC, θα δημιουργήσουν ένα μαγνητικό πεδίο δύο τάξεων μεγέθους ισχυρότερο από εκείνο στην επιφάνεια του ισχυρότερου μαγνητικού πεδίου που είναι γνωστό ότι υπάρχει. Αυτό θα αρκούσε για να αντικαταστήσει την ισχυρή έλξη των κουάρκ.
“Η μέτρηση της δύναμης του μαγνητικού πεδίου και της διάρκειας της ζωής του ήταν ο πρωταρχικός στόχος μιας πρόσφατης ανάλυσης δεδομένων στο ALICE”, λέει ο Voloshin. “Η μελέτη έδωσε κάποια απροσδόκητα αποτελέσματα, αλλά ήταν ακόμα συνεπής με την ύπαρξη του ισχυρού μαγνητικού πεδίου που απαιτείται για την ταξινόμηση των κουάρκ σύμφωνα με την ιδιότητα της χειρομορφίας τους”.
Μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, η κίνηση ενός κουάρκ δεν είναι πλέον τυχαία. Το μαγνητικό πεδίο ταξινομεί αυτόματα τα κουάρκ ανάλογα με τη χειρομορφία τους, με τον προσανατολισμό τους να τους κατευθύνει προς τον βόρειο ή τον νότιο πόλο του πεδίου.
Μια πλούσια, ζεστή σούπα κουάρκ
Είναι σχεδόν αδύνατο να συλλάβουμε ένα κουάρκ που αντιστρέφει την χειρομορφία (chirality) του μέσα σε ένα πρωτόνιο, λέει ο Kharzeev.
“Μέσα σε ένα πρωτόνιο, τα «αριστερόστροφα» κουάρκ μεταβαίνουν στα «δεξιόστροφα» κουάρκ, και «δεξιόστροφα» σε «αριστερόστροφα», λέει. «Θα βλέπουμε πάντα ένα μίγμα αριστερόστροφου και δεξιόστροφου κουάρκ».
Για να μελετήσουμε αν συμβαίνει η αλλαγή στην χειρομορφία (chirality) στο κουάρκ, οι φυσικοί πρέπει να πιάσουν αρκετές μεγάλες και απρόβλεπτες ανισορροπίες μεταξύ του αριθμού των αριστερόστροφων και δεξιόστροφων κουάρκ.
Ευτυχώς, οι συγκρούσεις βαρέων πυρήνων δημιουργούν τις τέλειες συνθήκες για να αλλάξουν την χειρομορφία τους τα κουάρκ. Όταν δύο πυρήνες συγκρουστούν σε υψηλές ταχύτητες, τα πρωτόνια και τα νετρόνια τους λιώνουν σε ένα πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, το οποίο είναι ένα από τα πιο καυτά και πιο πυκνά υλικά που είναι γνωστό ότι υπάρχουν στο σύμπαν. Τα απελευθερωμένα κουάρκ που κολυμπούν μέσα σε αυτό το πλάσμα μπορούν να μεταφέρουν την ταυτότητά τους με ευκολία.
Λίγο μετά ο Kharzeev πρότεινε την ιδέα της ταξινόμησης των κουάρκ σύμφωνα με την χειρομορφία τους στο ισχυρό μαγνητικό πεδίο των συγκρουόμενων πυρήνων. Ο Voloshin σχεδίασε έναν τρόπο να δοκιμάσει αυτή τη θεωρία χρησιμοποιώντας το πείραμα ALICE, του οποίου η αμερικανική συμμετοχή χρηματοδοτείται από το Υπουργείο Ενέργειας. Τα αρχικά αποτελέσματα δείχνουν στοιχεία για τα κουάρκ που ταξινομούνται σύμφωνα με τη χειραλότητα. Ωστόσο, πρέπει να γίνουν περισσότερες έρευνες πριν οι επιστήμονες να είναι σίγουροι.
