Είκοσι ερευνητικές ομάδες από δεκατρείς χώρες του κόσμου, θα συμμετάσχουν σε ένα καινούργιο πείραμα, με σκοπό την ανίχνευση των σωματιδίων axions, που πρόκειται να ξεκινήσει το φθινόπωρο στο Cern..

Τα άξιον είναι υποθετικά σωματίδια που θεωρούνται ότι είναι η αιτία για μερικές από τις ασυμμετρίες που συμβαίνουν μεταξύ των αριστερόχειρων και δεξιόχειρων πραγμάτων στο σύμπαν, το γνωστό σαν «CP πρόβλημα» των ισχυρών αλληλεπιδράσεων.  Ταυτόχρονα, αποτελούν έναν πολύ καλό υποψήφιο σκοτεινής ύλης. Έχουν προταθεί σαν μια επέκταση του Καθιερωμένου Πρότυπου της σωματιδιακής φυσικής.

Σύμφωνα με τη θεωρία, σωμάτια axions παράγονται άφθονα στον Ήλιο – και από εκεί περιμένει να τα δει το πείραμα στο Cern, που έχει πάρει την ονομασία CAST, δηλαδή Cern Axion Solar Telescope.

Το πείραμα αυτό θα έχει με μεγάλη σημασία για τη φυσική σωματιδίων και την κοσμολογία και προτάθηκε από τον επίκουρο καθηγητή του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης Κώστα Ζιούτα.

Η ύπαρξη των σωματιδίων όπως τα axions θα εξηγούσε πολλά απρόσμενα αστροφυσικά φαινόμενα, όπως το μυστήριο της θέρμανσης του στέμματος του Ήλιου

Όπου ισχύει η συμμετρία CP (Charge-Parity), ύλη και αντιύλη «αγωνίζονται επί ίσοις όροις»: oι φυσικοί νόμοι παραμένουν αναλλοίωτοι εάν αντικαταστήσουμε τα σωματίδια που παίρνουν μέρος σε μια αλληλεπίδραση με τα ακριβώς αντίστοιχα σωμάτια αντιύλης που έρχονται από ακριβώς «αντίστροφες» χωρικές συντεταγμένες.

Η υπεροχή της ύλης σε σχέση με την αντιύλη, έχει να κάνει με το σπάσιμο αυτής της συμμετρίας. Η συμμετρία παραβιάζεται στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις (στο επίπεδο του 1 στα 1000), αντίθετα όμως με ό,τι θα περίμενε κανείς, τίποτα τέτοιο δεν παρατηρείται στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Η απουσία μετρήσιμης διπολικής ροπής για το νετρόνιο, για παράδειγμα, δείχνει πως κάτι αναστέλλει το «σπάσιμο» της συμμετρίας CP.

Αυτό το κάτι, μπορεί να εκφράζεται μέσα από ένα ουδέτερο σωμάτιο με spin 0, είπαν οι επιστήμονες πριν δυο δεκαετίες. Έτσι ήρθε στη ζωή μας το axion – κι οι πειραματικές αναζητήσεις του…

Ο μαγνήτης που έγινε τηλεσκόπιο

Η φυσική διεργασία όπου βασίζεται το CAST είναι η «διαδικασία Primakoff»: ένα φωτόνιο μπορεί να γίνει axion μέσα από την αλληλεπίδρασή του με πυρήνες στο εσωτερικό του Ήλιου. Αντίστροφα, axions που περνάνε από ένα εγκάρσιο μαγνητικό πεδίο, μπορεί να δώσουν φωτόνια (ακτίνες Χ).

Κύριο “συστατικό” του CAST είναι ένας ισχυρός υπεραγώγιμος μαγνήτης (μια δοκιμαστική κατασκευή για τον νέο επιταχυντή του Cern). Εκτός από τους ανιχνευτές ακτίνων Χ στις δύο άκρες του, οι ερευνητές έχουν ενσωματώσει στο εσωτερικό του ένα “τηλεσκόπιο” ακτίνων Χ – μια διάταξη εστίασης ικανή να διαχωρίζει το “σήμα” από τον θόρυβο του γύρω χώρου.

Επιστημονικός υπεύθυνος του CAST είναι ο Δρ. Κώστας Ζιούτας (ΑΠΘ/Cern). Οι ελληνικές ερευνητικές ομάδες που συμμετέχουν, ανήκουν στο Α.Π.Θεσσαλονίκης και στο ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος».

Στον Δημόκριτο κατασκευάστηκαν και οι πρώτοι ανιχνευτές ακτίνων Χ του CAST, του τύπου Micromegas, σε συνεργασία με το εργαστήριο Saclay και το Cern. Η τεχνολογία των μικροανιχνευτών Micromegas είναι ιδέα του Έλληνα ερευνητή Γιάννη Γιοματάρη (Κέντρο Ατομικών Ερευνών Saclay/Γαλλία) και του καθ. Georges Charpak (Νόμπελ Φυσικής 1992). Στο CAST θα χρησιμοποιηθούν δύο ακόμα τύποι ανιχνευτών: CCDs και θάλαμοι TPC (Time Projection Chambers).

Ο μαγνήτης-τηλεσκόπιο θα παρατηρεί τον Ήλιο 205 λεπτά κατά μέσο όρο κάθε μέρα (ανατολή και δύση). Οι υπόλοιπες ώρες θα περιλαμβάνουν μετρήσεις υποβάθρου και παρατήρηση μακρινών πηγών.

“Το CAST θα είναι δέκα φορές πιο ευαίσθητο από τα δύο προηγούμενα πειράματα αναζήτησης των axions που έγιναν σε Αμερική και Ιαπωνία”, λένε οι ερευνητές Δρ Γιώργος Φανουράκης και Δρ Θεόδωρος Γέραλης από την ομάδα του «Δημόκριτου». «Για πρώτη φορά ένα πείραμα έχει δυνατότητες που υπερκαλύπτουν τα όρια που θέτουν για τα axions οι αστροφυσικοί. Εάν υπάρχουν, θα τα ανακαλύψουμε»