Πειράματα ανιχνεύουν το μυστήριο της ύλης και αντιύλης στο σύμπαν

Πηγή: Πανεπιστήμιο του Σάσσεξ, 22   Φεβρουαρίου 2006

Μια ομάδα επιστημόνων του πανεπιστημίου του Σάσσεξ προσπαθεί να λύσει εδώ και καιρό ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του φυσικού κόσμου μας: γιατί το σύμπαν περιέχει την ύλη από την οποία αποτελούμαστε.

Σε μια εργασία που υποβλήθηκε στην επιθεώρηση Physical Review Letters, η ομάδα ανήγγειλε τα αποτελέσματα ενός δεκαετούς προγράμματος με σκοπό να γίνει μία από τις πιο ευαίσθητες μετρήσεις που έγιναν ποτέ για τα υποατομικά σωματίδια. Μετά από αυτές τις μετρήσεις οι θεωρίες που προσπάθησαν να εξηγήσουν τη δημιουργία της ύλης σαν συνέπεια της Μεγάλης Έκρηξης πρέπει τώρα να συντονιστούν με αυτές τις μετρήσεις - ή να πεταχτούν.

Ο φυσικός Δρ Philip Harris, ο προϊστάμενος της ομάδας του Σάσσεξ, εξηγεί: "Είναι μια πολύ σημαντική ανακάλυψη, και μια πραγματική επιτυχία για τη φυσική σωματιδίων. Έχει ειπωθεί κατά το παρελθόν ότι αυτό το πείραμα θα ανασκευάσει τις περισσότερες θεωρίες, από οποιαδήποτε άλλη στην ιστορία της φυσικής - και τώρα παραδίδει τα αποτελέσματα της".

Η ερώτηση που είχε εξοργίσει για δεκαετίες επιστήμονες και αστρονόμους είναι γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη στον κόσμο από την αντι-ύλη. Και οι δύο (ύλη και αντιύλη) σχηματίστηκαν κατά την διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, πριν περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Για κάθε σωματίδιο που σχηματίστηκε, πρέπει να είχε σχηματιστεί επίσης και ένα αντισωμάτιο του. Σχεδόν αμέσως, εντούτοις, οι ίσοι αριθμοί των σωματιδίων και των αντισωματιδίων θα είχαν εξαφανίσει το ένα το άλλο (η γνωστή εξαϋλωση), αφήνοντας στη θέση τους μονάχα ακτινοβολία. Αλλά μια μικροσκοπική ασυμμετρία στους νόμους της φύσης άφησε μια πολύ μικρή ποσότητα ύλης μέσα στο κενό διάστημα του σύμπαντος. Από αυτή τη λίγη ύλη σχηματίστηκαν τα αστέρια και οι πλανήτες που βλέπουμε γύρω από μας σήμερα.

Ο μόνος τρόπος που έχουν οι επιστήμονες για να ελέγξουν τις θεωρίες τους με σκοπό να εξηγήσουν αυτήν την ανωμαλία είναι να μελετήσουν την αντίστοιχη ασυμμετρία στα υποατομικά σωματίδια (συγκεκριμμένα στα νετρόνια), ερευνώντας για ελαφρές διαστρεβλώσεις - σαν να έχουν πάρει το σχήμα του αχλαδιού - στις σφαιρικές μορφές τους. Η έρευνα αυτή έχει διαρκέσει πέντε δεκαετίες για να φθάσει στο στάδιο, όπου οι μετρήσεις αυτών των υποατομικών σωματιδίων, έχουν γίνει αρκετά ευαίσθητες για να εξετάσουν ποιά από τις υποψήφιες θεωρίες είναι η καλύτερη.

Τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, αλλά περιέχουν θετικά και αρνητικά φορτία μέσα τους που κινούνται μέσα σε αυτά. Εάν τα κέντρα βάρους αυτών των φορτίων δεν είναι στην ίδια θέση, αυτό θα οδηγούσε το ένα άκρο του νετρονίου να είναι ελαφρώς θετικό, και το άλλο άκρο ελαφρώς αρνητικό. Αυτό ονομάζεται ροπή ηλεκτρικού διπόλου, και είναι το φαινόμενο που οι φυσικοί εργάζονται για να βρουν τα προηγούμενα 50 χρόνια. Οι δε εφαρμογές από την πρωτοποριακή αυτή εργασία περιλαμβάνουν ατομικά ρολόγια και την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού.

Το νέο αποτέλεσμα δείχνει ότι η διαστρέβλωση στα υποατομικά σωματίδια είναι πολύ μικρότερη από ό,τι προέβλεπαν οι περισσότερες από τις θεωρίες προέλευσης της ύλης - εάν το νετρόνιο ήταν στο μέγεθος της γης, η διαστρέβλωση θα ήταν ακόμα λιγότερο από το μέγεθος ενός βακτηριδίου. "Το αποτέλεσμα αυτό θα βοηθήσει πραγματικά να περιοριστούν οι θεωρίες που προσπαθούν να υπερβούν την κατανόηση που έχουμε για τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής", λέει ο Δρ Harris. "Για μερικές από αυτές, τα αποτελέσματα θα τις οδηγήσει πάλι πίσω στον πίνακα για να κάνουν νέους υπολογισμούς, αλλά για τις καλύτερες από αυτές, θα τους ανοίξει σίγουρα το δρόμο προς τα εμπρός".

Για να διεξαγάγει την έρευνα αυτή η ομάδα του Σάσσεξ, μαζί με άλλους επιστήμονες από το εργαστήριο Rutherford Appleton και το Institut Laue Langevin στην Γκρενόμπλ, έχτισε έναν ειδικό τύπο ατομικού ρολογιού χρησιμοποιώντας περιστρεφόμενα νετρόνια αντί των ατόμων. Εφάρμοσε δε μια τάση 120.000 βολτ σε έναν χαλαζία "μπουκάλι",  που γέμιζε τακτικά με τα νετρόνια που συνελλήφθηκαν από έναν αντιδραστήρα. Μετρήθηκε δε ακολούθως η συχνότητα των ρολογιών μέσω του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού.

Η ομάδα έχει επεκταθεί τώρα για να συνεργαστεί με το πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και το πανεπιστήμιο Kure στην Ιαπωνία. Αυτοί τώρα είναι απασχολημένοι με μια νέα έκδοση του πειράματος: Αν το ρολόι με νετρόνια καταδυθεί σε ένα λουτρό από υγρό ήλιο, μόλις μισό βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν, θα αυξήσουν την ευαισθησία τους κατά ένα προς εκατό.

Σε πειράματα που έγιναν το 2000 σε έναν επιταχυντή σωματίων κοντά στο Σικάγο (Fermilab) γνωρίσαμε για πρώτη φορά γιατί η ύλη και η αντιύλη δεν είναι τελικά τέλεια κατοπτρικά είδωλα η μία της άλλης. Αυτή η ύπαρξη ελαφρών διαφορών μεταξύ της ύλης και της αντιύλης - εκτός από την κατοπτρική διαφορά και το ηλεκτρικό φορτίο - μπορεί να εξηγήσει γιατί εξαφανίστηκε η αντιύλη από τον κόσμο μας.

Η ανακάλυψη αυτή έριξε δηλαδή φως στο θεμελιώδη τρόπο δόμησης του Σύμπαντος και τελικά το γιατί υπάρχουμε ή γιατί υπάρχει μάζα στον κόσμο.

Οι επιστήμονες πίστευαν μέχρι τώρα ότι η αντιύλη ήταν το τέλειο κατοπτρικό είδωλο της συνηθισμένης ύλης με την οποία διαφέρει επίσης ως προς το ηλεκτρικό φορτίο για όσα από τα σωματίδια είναι φορτισμένα. Αλλά για δεκαετίες υπήρχε το αίνιγμα γιατί δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου αντιύλη στο Σύμπαν. Στις πρώτες όμως στιγμές του Σύμπαντος, στο Big Bang, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι υπήρχαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Αλλά κάτι συνέβη εκείνη την περίοδο και προξένησε την εξαφάνιση της αντιύλης.

Στο Fermilab, οι επιστήμονες ερεύνησαν την συμπεριφορά κάποιων σωματίων, που λέγονται Β-μεσόνια και τα αποτελέσματά τους έδειξαν πως η ύλη και η αντιύλη δεν υπακούουν στους ίδιους νόμους της φυσικής.

Έκπληκτοι είδαν τότε μια παραβίαση της συμμετρίας CP (Charge-Parity Violation). Αυτή η παραβίαση υπονοεί ότι τα σωμάτια συμπεριφέρονται διαφορετικά αν αλλάξεις την ύλη με αντιύλη και επίσης αλλάξεις την αριστερή κατεύθυνση με την δεξιά. Το τελευταίο είναι σαν να εναλλάσσεις την εικόνα κάθε σωματίου με την κατοπτρική της όπως θα την έδινε ένας καθρέφτης.

Οι επιστήμονες ανέφεραν ότι αυτή η ασυμμετρία θα πρέπει να ήταν σημαντική κατά τις πρώτες στιγμές του Big Bang και μπορεί να δώσει σαν αποτέλεσμα την εξαφάνιση σχεδόν όλης της αντιύλης.

Η παρατήρηση της απευθείας παραβίασης CP διέγειρε το ενδιαφέρον των φυσικών επειδή βρίσκεται σε αντίθεση με όλες τις επικρατούσες σήμερα θεωρίες για τη φύση της ύλης. “Προκαλεί αίσθηση” είπε .

Ο καθηγητής James Cronin που πήρε το βραβείο Nobel το 1964J, είχε δείξει ότι τα Κ-μεσόνια που ήταν φτιαγμένα από τη συνηθισμένη ύλη δεν συμπεριφέρονταν ακριβώς το ίδιο με αυτά που ήταν φτιαγμένα από αντιύλη (αντι-Κ). Τα αποτελέσματα όμως του Fermilab έδειξαν ένα πολύ ισχυρότερο φαινόμενο και αποκαλύπτουν αρκετή πολυπλοκότητα που κρύβεται κάτω από τα φαινόμενα.

Αρχές του 20ου αιώνα επιστήμονες πρόβλεψαν την ύπαρξη αντιύλης και μπόρεσαν να παράγουν μικρές ποσότητές της. Επίσης, κατάλαβαν ότι αν συναντηθεί ύλη και αντιύλη εξαφανίζονται αμοιβαία ελευθερώνοντας ενέργεια.

Αν η αντιύλη δεν είχε εξαφανιστεί από το Σύμπαν μας θα αντιδρούσε με την ύλη και είναι πιθανόν ότι όλος ο κόσμος θα αποτελείτο μόνο από ενέργεια.