Πείραμα της σωματιδιακής φυσικής παράγει μεγάλες ποσότητες υπερπυρήνων

Από την ιστοσελίδα του NewScientist, 30 Ιανουαρίου 2004

Σε ένα νέο πείραμα της σωματιδιακής φυσικής έχουν δημιουργηθεί τόσους πολλούς "υπερπυρήνες" (Hypernuclei), στους τρεις πρώτους μήνες λειτουργίας του, όσα είχαν παραχθεί και στα προηγούμενα 50 χρόνια, από τότε που για πρώτη φορά ανακαλύφθηκε το εξωτικό αυτό σωματίδιο. Οι επιστήμονες ανήγγειλαν αυτό το επίτευγμα σε μια επιστημονική συνάντηση στο Bormio της Ιταλίας.

Το Hypernuclei είναι ατομικοί πυρήνες συνδυάζοντας όχι μόνο τα συνηθισμένα πρωτόνια και τα νετρόνια αλλά και σπάνια μόρια αποκαλούμενα υπερόνια. Περίπου 100.000 έχουν δημιουργηθεί σε ένα πείραμα που καλείται FINUDA, στη συντομογραφία Dafne στο εθνικό εργαστήριο Frascati.

Το Hypernuclei είναι απίστευτα βραχύβιο, επιζώντας για λιγότερο από billionth ενός δευτερολέπτου. Αλλά με τη μελέτη τους οι επιστήμονες ελπίζουν μαθαίνω περισσότερα για η αδύνατη δύναμη, μια από τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, καθώς επίσης και τις πρώτες στιγμές της ύπαρξης του κόσμου.

Οι υπερπυρήνες είναι ατομικοί πυρήνες, που περιέχουν όχι μόνο τα συνηθισμένα πρωτόνια και νετρόνια, αλλά και κάποια σπάνια σωματίδια που λέγονται υπερόνια. Περίπου, 100.000 τέτοιοι υπερπυρήνες φτιάχτηκαν στο πείραμα FINUDA, στον επιταχυντή Dafne στο Εθνικό Εργαστήριο του Φρασκάτι της Ιταλίας.

Οι υπερπυρήνες είναι σωματίδια που ζουν πάρα πολύ μικρό χρόνο. Η ζωή τους διαρκεί λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του ενός δευτερολέπτου. Αλλά μελετώντας τα οι επιστήμονες ελπίζουν να μάθουν περισσότερα για την ασθενή πυρηνική δύναμη, τη μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, καθώς επίσης και για τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του κόσμου.

Στο πείραμα FINUDA έχουν βρεθεί, μέχρι τώρα, 35 διαφορετικοί υπερπυρήνες, που ήταν γνωστές ήδη στην επιστημονική κοινότητα. Αλλά στους μήνες που έρχονται, οι επιστήμονες ελπίζουν να σχηματίσουν έναν  εντελώς νέο υπερπυρήνα, ένα υδρογόνο-7-λάμδα, που αποτελείται από ένα πρωτόνιο, πέντε νετρόνια, και ένα εξωτικό μόριο το λάμδα. Το λάμδα είναι ένα υπερόνιο που περιέχει ένα παράξενο (strange) κουάρκ. Κανονικά, το υδρογόνο περιέχει ή κανένα νετρόνιο ή ένα ή δύο νετρόνια, αλλά το σωματίδιο λάμδα με τη μεγάλη μάζα επιτρέπει στον πυρήνα να δεσμεύσει στα πρόσθετα νετρόνια.

"Υπάρχει μια γενική ομοφωνία ότι είχαμε μια αρκετά μεγάλη παραγωγή παράξενων (strange) κουάρκ στη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang)",  λέει ο εκπρόσωπος του FINUDA και πυρηνικός φυσικός Tullio Bressani. "Εάν αποδείξουμε ότι αντικείμενα όπως το υδρογόνο-7-λάμδα είναι σταθερά, αυτό θα ήταν μια γέφυρα για να απαντηθούν ζητήματα που έχουν να κάνουν με την παράξενη πυρηνική ύλη στο αρχικό σύμπαν".

Σπάνιοι πυρήνες

Ο υπερπυρήνας παράγεται πολύ σπάνια στον φυσικό κόσμο, μόνο όταν μια κοσμική ακτίνα υψηλής ενέργειας κτυπά έναν πυρήνα στη Γη κάτω από ορισμένες μόνο συνθήκες. 

Στο πείραμα FINUDA φτιάχτηκαν πολλοί υπερπυρήνες από οπουδήποτε αλλού, επειδή οι ανιχνευτές του σχεδιάστηκαν συγκεκριμένα για να δημιουργήσουν και να μελετήσουν τον υπερπυρήνα.

Εντούτοις, η δημιουργία του υπερπυρήνα είναι μια δύσκολη, μια διαδικασία πολλών σταδίων στην οποία οι ερευνητές πρέπει να ανταλλάξουν ένα σωματίδιο λάμδα με ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο σε έναν πυρήνα. "Δεν είναι εύκολο να γίνει αυτό", λέει ο Peter Meyers, ένας πυρηνικός φυσικός στο Princeton στο Πανεπιστήμιο του Νιου Τζέρσεϋ.

Αρχικά, οι ερευνητές συνθλίβουν μαζί ένα ηλεκτρόνιο με ένα ποζιτρόνιο (αντιηλεκτρόνιο), για να φτιάξουν το πι-μεσόνιο. Αυτό εν συνεχεία διασπάται σε φορτισμένα καόνια. Αν τώρα εκτοξεύσουμε τα καόνια εναντίον πολύ λεπτών στόχων (σαν χαρτί) από λίθιο, άνθρακα, βανάδιο ή αλουμίνιο παράγεται ο υπερπυρήνας.

Οι ερευνητές τώρα ξέρουν ότι έχουν δημιουργήσει έναν πυρήνα, όταν μετρούν την ενέργεια ενός από τα προϊόντα διάσπασής του: από το αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο πιόνιο.