Γιατί, λοιπόν, υπάρχουμε; Γιατί επικράτησε η ύλη; Γιατί το Σύμπαν είναι γεμάτο γαλαξίες, αντί για ένα άδειο κέλυφος που κυριαρχείται από ακαριαίες λάμψεις αλληλοεξόντωσης; Για απαντήσουν σε αυτό το θεμελιώδες ερώτημα, οι ερευνητές προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να αποκωδικοποιήσουν τα μυστικά αντιύλης ώστε να κατανοήσουν πόσο μοιάζει με τον δικό μας κόσμο. Και για πρώτη φορά έχουν στα χέρια την πειραματική επιβεβαίωση μιας εκπληκτικής ομοιότητας.
Ο ανιχνευτής αντιύλης ALPHA στο CERN για ρωγμές στους νόμους της φύσης
Οι νόμοι της Φυσικής, όπως σήμερα τους κατανοούμε, υπαγορεύουν ότι κάθε στοιχειώδες σωματίδιο έχει το δίδυμο αντισωματίδιό του. Τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ και τα μιόνια, για παράδειγμα, έχουν για «αντικατοπτρισμούς» τα ποζιτρόνια, τα αντικουάρκ και τα αντιμιόνια, αντίστοιχα. Κάθε αντισωματίδιο ζυγίζει ακριβώς το ίδιο με το δίδυμό του, αλλά έχει το αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Εάν συναντηθούν, εξαφανίζονται μέσα σε μια έκλαμψη φωτός.
Την τελευταία δεκαετία, οι ερευνητές έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο στη μελέτη της αντιύλης, απομονώνοντας ολοένα και μεγαλύτερες ποσότητες σε κενό. Όμως η σημαντικότερη εξέλιξη ήρθε πριν από λίγες εβδομάδες από το πείραμα Alpha στο περίφημο CERN, έξω από τη Γενεύη. Εκεί, οι ερευνητές κατόρθωσαν να μετρήσουν νέες ιδιότητες του αντι-υδρογόνου, το οποίο αποτελείται από ένα θετικά φορτισμένο ποζιτρόνιο σε τροχιά γύρω από έναν αρνητικό πυρήνα αντιπρωτονίου. Αλλά η αντιύλη δεν είναι κάτι που βρίσκεις στο… εμπόριο.
Για την παραγωγή αντι-υδρογόνου, η ομάδα του Alpha χρησιμοποίησε επιταχυντές σωματιδίων του CERN που παράγουν αντιπρωτόνια και ποζιτρόνια. Για το συγκεκριμένο πείραμα δημιουργήθηκε μια «σούπα» από περίπου 90.000 αντιπρωτόνια και 3 εκατομμύρια ποζιτρόνια, σε θερμοκρασία μισό βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν. Σημειωτέον ότι το απόλυτο μηδέν ισούται με -273,15°C. Αυτή η θερμοκρασία είναι απαραίτητη για την επιβράδυνση της αντιύλης, έτσι ώστε τα σωματίδια να μην αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους και να εξαφανίζονται.
Από αυτό το μίγμα προέκυψαν τελικά μόλις 30 άτομα αντι-υδρογόνου, τα οποία οι ερευνητές συνέλεξαν σε ένα κύλινδρο εν κενώ. Το επόμενο βήμα ήταν η ακτινοβόληση του αντι-υδρογόνου με παλμικό λέιζερ, κάνοντας τα αντι-άτομα να εκπέμψουν υπεριώδες φως. Η διαδικασία επαναλήφθηκε με πολλές παρτίδες αντι-υδρογόνου, ώστε οι μετρήσεις να έχουν ακρίβεια σε βάθος 12 ψηφίων.
Οι συχνότητες ή τα χρώματα του εκπεμπόμενου φωτός αποκαλύπτουν πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική δομή του αντι-υδρογόνου, όπως η τροχιά του ποζιτρονίου καθώς κινείται γύρω από τον πυρήνα του αντιπρωτονίου.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model), η θεωρία που περιγράφει τα δομικά συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, προβλέπει ότι σωματίδια και αντισωματίδια θα πρέπει να συμπεριφέρονται ως καθρέφτες μεταξύ τους. Με άλλα λόγια, το φάσμα ακτινοβολίας του αντι-υδρογόνου πρέπει να ταιριάζει ακριβώς με εκείνο του υδρογόνου. Και ο «χορός» μεταξύ ποζιτρονίου και αντιπρωτονίου στο αντι-υδρογόνο θα πρέπει να ακολουθεί ακριβώς αυτόν του ηλεκτρονίου και του πρωτονίου στο υδρογόνο.
Και τελικά έτσι ακριβώς συμβαίνει, αφού το αντινοβολημένο αντι-υδρογόνο εμφάνισε μετατόπιση υπεριώδους φωτός όμοια με το υδρογόνο.
Αντι-υδρογόνο στην ατμόσφαιρα;
Το πείραμα Alpha είναι η κατάληξη ενός μαραθωνίου σχεδόν τριών δεκαετιών. Το αντι-υδρογόνο δεν εμφανίζεται με φυσικό τρόπο στη Γη. Οι επιστήμονες το συνέθεσαν για πρώτη φορά το 1995 στο CERN, αλλά στην αρχή δεν ήξεραν πώς να το διατηρήσουν σταθερό. Τα πρώτα σωματίδια αντι-υδρογόνου εξαφανίστηκαν σε 40 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη δημιουργία τους, αφού αντέδρασαν ακαριαία με την ύλη που υπήρχε γύρω τους. Χρειάστηκαν άλλα επτά χρόνια για να μπορέσουν οι επιστήμονες να παράγουν αντι-υδρογόνο σχεδόν «ακίνητο». Και μόλις το 2010 κατόρθωσαν να το αποθηκεύσουν.
Τώρα, η ομάδα του πειράματος Alpha μπορεί να εκτελεί πειράματα για έως και 24 ώρες κάθε φορά, χρησιμοποιώντας αντι-υδρογόνο. Όχι, δεν έσπασαν τον κώδικα της αντιύλης, ακόμα. Αποδεικνύοντας, όμως, ότι το αντι-υδρογόνο συμπεριφέρεται όπως και το δίδυμο στοιχείο του που βρίσκεται παντού στο Σύμπαν, συμπλήρωσαν ένα ακόμα κομμάτι στο παζλ που ακούει στο όνομα Κόσμος.
Το επόμενο βήμα; Να απελευθερώσουν αντι-υδρογόνο στην ατμόσφαιρα. Τι θα συμβεί; Κανείς δεν ξέρει με βεβαιότητα. Σίγουρα, πάντως, τίποτα που να θέσει σε κίνδυνο τη ζωή. Το πολύ, πολύ μερικές αχνές αστραπές εξαύλωσης, όταν το αντι-υδρογόνο συναντήσει τον κοσμικό του «δίδυμο» λίγα μέτρα πάνω από την επιφάνεια της Γης.
