Ανιχνευτής των νετρίνων στο νότιο πόλο μπορεί να προσφέρει αποδείξεις για τη Θεωρία Χορδών

Πηγή:PhysOrg, 27 Ιανουαρίου 2006

Ερευνητές στο Βορειοανατολικό Πανεπιστήμιο και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Irvine αναφέρουν ότι οι επιστήμονες σύντομα μπορεί να έχουν αποδείξεις για τις πρόσθετες διαστάσεις και άλλες εξωτικές προβλέψεις της θεωρίας χορδών. Τα πρώτα αποτελέσματα από έναν ανιχνευτή νετρίνων στο Νότιο Πόλο, που λέγεται AMANDA, δείχνουν ότι αυτά τα σωματίδια - φαντάσματα από το διάστημα θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν για τον έλεγχο ενός κόσμου πέρα από γνωστές τρεις διαστάσεις μας, όπως ισχυρίζεται η ερευνητική ομάδα.

Το διάγραμμα του IceCube: Το IceCube θα καταλάβει έναν όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου. Εδώ φαίνεται μία από τις 80 σειρές των οπτικών διατάξεων (δεν είναι σε ακριβή κλίμακα τα μεγέθη). Το IceTop τοποθετείται στην επιφάνεια, περιλαμβάνει δε μια σειρά αισθητήρων για να ανιχνεύσει πίδακες του αέρα. Θα χρησιμοποιηθεί για να βαθμολογήσει το IceCube και για να πραγματοποιήσει την έρευνα για τις κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας.

Αν και λιγότερα από δώδεκα νετρίνα υψηλής ενέργειας έχουν ανιχνευθεί μέχρι τώρα, ο σημερινός ρυθμός ανίχνευσης και η ενεργειακή κλίμακα δείχνουν ότι ο μεγαλύτερος διάδοχος του παλιού ανιχνευτού νετρίνων AMANDA, που ονομάστηκε ICECUBE και που βρίσκεται τώρα στο στάδιο της κατασκευής, θα μπορούσε να μας δώσει τα πρώτα στοιχεία για τη θεωρία χορδών και άλλων θεωριών που προσπαθούν να μας πουν για το πώς δουλεύει το σύμπαν.

Ένα άρθρο που περιγράφει αυτήν την εργασία εμφανίζεται στο περιοδικό Physical Review Letters και οι συντάκτες της είναι: ο Luis Anchordoqui, ερευνητικός επιστήμονας στο τμήμα φυσικής στο Βορειοανατολικό Πανεπιστήμιο, ο Haim Goldberg, καθηγητής στο τμήμα φυσικής στο βορειοανατολικό πανεπιστήμιο και ο Jonathan Feng, καθηγητής στο τμήμα φυσικής και αστρονομίας στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Irvine.

Τα αποδεικτικά στοιχεία, όπως λένε, θα προέρχονταν από το πώς τα νετρίνα αλληλεπιδρούν με άλλες μορφές της ύλης στη γη.

"Για να βρούμε ενδείξεις που θα υποστηρίζουν τη θεωρία χορδών και άλλες τολμηρές, νέες θεωρίες, πρέπει να μελετήσουμε το πώς η ύλη αλληλεπιδρά στις ακραίες ενέργειες", λέει ο Anchordoqui. "Οι επιταχυντές σωματιδίων στη γη δεν μπορούν ακόμα να παραγάγουν αυτές τις ενέργειες, αλλά η φύση μπορεί να τα παράγει υπό μορφή νετρίνων υψηλής ενέργειας".

Στις πρόσφατες δεκαετίες, έχουν αναπτυχθεί νέες θεωρίες - όπως η θεωρία χορδών, οι πρόσθετες διαστάσεις και η υπερσυμμετρία - για να γεφυρώσουν το χάσμα μεταξύ των δύο επιτυχέστερων θεωριών του 20ού αιώνα, της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής. Η κβαντομηχανική περιγράφει τρεις από τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης: τον ηλεκτρομαγνητισμό, τις ισχυρές δυνάμεις (που δεσμεύουν τους ατομικούς πυρήνες) και τις ασθενείς δυνάμεις (που φαίνονται στη ραδιενέργεια). Είναι, εντούτοις, ασυμβίβαστη με τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν, που αποτελεί την κύρια περιγραφή της τέταρτης δύναμης, τη βαρύτητα. Οι επιστήμονες ελπίζουν να βρουν κάποτε μια ενοποιημένη θεωρία για να δώσουν μια κβαντική περιγραφή και των τεσσάρων δυνάμεων.

Οι ενδείξεις για την ενοποίηση, λένε οι επιστήμονες, βρίσκονται στις ακραίες ενέργειες. Στη γη, οι επιταχυντές των σωματιδίων έχουν παράγει ήδη ενέργειες στις οποίες ενοποιούνται οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και οι ασθενείς δυνάμεις. Οι επιστήμονες έχουν ιδέες για το πώς η επόμενη γενεά των επιταχυντών θα μας αποκαλύψει ότι και οι ισχυρές δυνάμεις είναι ενοποιημένες με τις ασθενείς και τις ηλεκτρομαγνητικός σε ακόμα υψηλότερες ενέργειες. Όμως για να εξετάσουν βαθύτερα, για να δουν δηλαδή τη σύνδεση της βαρύτητας με τις άλλες τρεις δυνάμεις, απαιτούνται ακόμα υψηλότερες ενέργειες.

Ο Anchordoqui και οι συνάδελφοί του λένε ότι οι εξωγαλαξιακές πηγές μπορούν να χρησιμεύσουν ως ο τελευταίος κοσμικός επιταχυντής, και ότι τα νετρίνα από αυτές τις πηγές που συγκρούονται με τα πρωτόνια μπορούν να απελευθερώσουν ενέργειες στο βασίλειο, όπου μπορούν να αποκαλυφθούν οι πρώτες ενδείξεις για τη θεωρία χορδών.

Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια παρόμοια με τα ηλεκτρόνια, αλλά είναι με πολύ λιγότερη μάζα, είναι ουδέτερα και αλληλεπιδρούν μετά βίας με την ύλη. Είναι μεταξύ των αφθονότερων σωματιδίων στο σύμπαν. Αμέτρητα από αυτά περνούν μέσω του σώματος μας κάθε δευτερόλεπτο. Τα περισσότερα από τα νετρίνα που φθάνουν στη γη είναι χαμηλής ενέργειας σωματίδια από τον ήλιο

Ο ανιχνευτής νετρίνων AMANDA, που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστήμης, προσπαθεί να ανιχνεύσει τα νετρίνα που μας έρχονται από ψηλά αλλά και από κάτω, αυτά δηλαδή που μας έρχονται αφού πέρασαν από τη γη. Τα νετρίνα αλληλεπιδρά τόσο ασθενώς με την ύλη που μερικά μπορούν να περάσουν μέσω ολόκληρης της γης χωρίς να 'καταλάβουν' τίποτα. Ο συνολικός αριθμός αυτών των νετρίνων "από ψηλά" και "από κάτω" είναι αβέβαιος, που μας εμποδίζει να βρούμε έτσι τα εξωτικά αποτελέσματα, όμως τα σχετικά ποσοστά ανίχνευσης είναι πολύ γνωστά.

Οι ανιχνευτές του AMANDA τοποθετήθηκαν βαθιά στον ανταρκτικό πάγο. Το IceCube έχει ένα παρόμοιο σχέδιο, μόνο που έχει περίπου έξι φορές περισσότερους ανιχνευτές που καλύπτουν έναν όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου. Μια σύγκρουση ενός νετρίνου με τα άτομα στον πάγο θα εκπέμψει ένα σύντομο, αποκαλυπτικό μπλε φως και χρησιμοποιώντας τους ανιχνευτές, μπορούν οι επιστήμονες να καθορίσουν την κατεύθυνση από όπου προήλθε το νετρίνο καθώς και την ενέργεια του.

Το τηλεσκόπιο νετρίνων IceCube και ο προκάτοχός του, AMANDA, χρησιμοποιούν οπτικούς αισθητήρες για να εντοπίσουν τις πηγές νετρίνων υψηλής ενέργειας. Αυτή η δεξιά εικόνα παρουσιάζει την άμεση απεικόνηση του γεγονότος αυτού, που καταγράφεται από το AMANDA

Το κλειδί για την επιστημονική εργασία που παρουσιάζεται εδώ είναι ότι οι επιστήμονες συγκρίνουν τις ανιχνεύσεις των νετρίνων που έρχονται "από ψηλά" με τα "από τη γη" και ψάχνουν να βρουν τις αποκλίσεις στο ρυθμό ανίχνευσης, που λένε ότι είναι τα αποδεικτικά στοιχεία μιας εξωτικής επίδρασης, όπως προβλέπεται από τις νέες θεωρίες.

"Η θεωρία χορδών και άλλες θεωρίες μπορούν να διαστρεβλώσουν τους σχετικούς αριθμούς των "από ψηλά" και "από τη γη" νετρίνων", αναφέρει ο Feng. "Παραδείγματος χάριν, οι πρόσθετες διαστάσεις μπορούν να αναγκάσουν τα νετρίνα για να δημιουργήσουν μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, οι οποίες εξατμίζονται αμέσως και δημιουργούν θεαματικούς πίδακες σωματιδίων στη γήινη ατμόσφαιρα και στον πάγο της Ανταρκτικής. Αυτή η διαδικασία αυξάνει τον αριθμό των νετρίνων που έρχονται "από κάτω", που φυσικά ανιχνεύεται. Συγχρόνως, η δημιουργία των μαύρων οπών αναγκάζει τα νετρίνα "από ψηλά", συλληφθούν στο γήινο φλοιό, κάτι που μειώνει τον αριθμό των νετρίνων "από ψηλά". Τα σχετικά ποσοστά "από κάτω" με "από ψηλά" παρουσιάζουν στοιχεία για τις διαστρεβλώσεις στις ιδιότητες των νετρίνων που προβλέπονται από τις νέες θεωρίες."

"Τα νετρίνα που επιταχύνονται στον κόσμο με ενέργειες ανέφικτες πάνω στη γη μπορούν να ανιχνεύσουν το 'ίχνος' της νέας φυσικής", συνεχίζει ο Goldberg. "Η αιτία η υπεύθυνη για το ίχνος μπορεί να προκύψει έπειτα μέσω και συμπληρωματικών πειραμάτων στη νέα γενεά των επιταχυντών που κατασκευάζονται τώρα από τον άνθρωπο. Σε όλα τα μέτωπα, είναι μια συναρπαστική εποχή για την φυσική υψηλής ενέργειας". 

Η πρώτη λειτουργία του AMANDA έγινε το 1997 και εγκαταστάθηκε για να μελετήσει τα νετρίνα υψηλής ενέργειας, που έχουν 10.000 φορές περισσότερη ενέργεια από τα νετρίνα χαμηλών ενεργειών που εκπέμπονται από τον ήλιο. Θαμμένο το τηλεσκόπιο AMANDA σε βάθος περισσότερο από 1.5 χιλιόμετρο κάτω από το Νότιο Πόλο, αντί να βρίσκεται πάνω στον ουρανό, για να μπορεί η Γη να ενεργήσει ως φίλτρο για άλλες μορφές της ακτινοβολίας. Αυτό σημαίνει ότι παρά τη θέση του στο Νότιο Πόλο, το "μάτι" του τηλεσκοπίου είναι στην πράξη στους ουρανούς.