Ενημέρωση  »   Άρθρα   »  [arcl-0019]

ΥΛΗ ΕΝΑΝΤΙΟΝ ΑΝΤΙΥΛΗΣ

Τον περασμένο μήνα, μια εντυπωσιακή ανακάλυψη στο ερευνητικό κέντρο Fermilab, στο Σικάγο, άνοιξε τους ασκούς του Αιόλου στην έρευνα για τη σχέση ύλης-αντιύλης.

   Ο όρος “αντιύλη” ασκούσε πάντα ξεχωριστή γοητεία στους συγγραφείς μυθιστορημάτων επιστημονικής φαντασίας αλλά και στους αντίστοιχους αναγνώστες, αφού έμοιαζε να συνεπάγεται την ύπαρξη εξωτικών κόσμων, π. χ. γαλαξιών από αντιύλη που, αν ερχόταν σε επαφή με γαλαξίες από συνηθισμένη ύλη, όπως ο δικός μας, θα καταστρεφόταν μέσα σε μια τεράστια από ισχύ έκρηξη. Σύμφωνα με τη θεωρία αλλά και με τα πειράματα στο εργαστήριο, όταν ύλη και αντιύλη συναντώνται, μετατρέπονται ακαριαία σε ενέργεια, σύμφωνα πάντα με την πασίγνωστη εξίσωση της Σχετικότητας, e=mc². Έτσι δεν είναι και λίγοι αυτοί που φαντάστηκαν τη δημιουργία μηχανών που θα χρησιμοποιούσαν αυτήν ακριβώς, την ιδιότητα, με στόχο τα μακρινά διαστημικά ταξίδια. Και αν ακόμα τέτοιες μηχανές θεωρητικά δεν είναι αδύνατο να κατασκευαστούν, ωστόσο μια πολύ πρόσφατη ανακάλυψη, τον προηγούμενο μήνα, δείχνει οτι η ύπαρξη μεγάλων συγκεντρώσεων στο Σύμπαν είναι αδύνατο να λύνει έτσι το παλιό πρόβλημα της αδυναμίας να παρατηρηθούν περιοχές αντιύλης στο Σύμπαν. Οι τελευταίες παρατηρήσεις στον επιταχυντή Fermilab, στο Σικάγο, δείχνουν συγκεκριμένα οτι δεν υπάρχει απόλυτη συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης, πράγμα που οδηγεί στο συμπέρασμα οτι οι δυο αυτές μορφές της πραγματικότητας δεν υπόκεινται ακριβώς στους ίδιους φυσικούς νόμους, όπως πιστευόταν μέχρι τώρα. Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να εξηγήσει γιατί τελικά ο κόσμος μας αποτελείται από ύλη και όχι αντιύλη. Αυτό που ουσιαστικά δείχνουν τα πειράματα στον επιταχυντή Fermilab είναι γιατί, ενώ μετά το Big Bang, την τεράστια έκρηξη από την οποία γεννήθηκε το Σύμπαν, υπήρχαν ή τουλάχιστον πρέπει να υπήρξαν-σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο της Κοσμολογίας-ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης στο Σύμπαν, σήμερα πια μοιάζει να υπάρχει μόνο ύλη. Μάταια έψαχναν επομένως οι αστρονόμοι, για πολλές δεκαετίες, να ανακαλύψουν περιοχές αντιύλης στο Σύμπαν. Ο καθηγητής Val Fitch, του πανεπιστημίου του Princeton, που ηγείται της αντίστοιχης έρευνας, θεώρησε πως το φαινόμενο στο οποίο στηρίχτηκε η ανακάλυψη είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον, γιατί αποκαλύπτει πως ο βαθμός πολυπλοκότητας των πραγμάτων στην Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων είναι μεγαλύτερος από οτι αναμενόταν.

   Μικρή Αναδρομή. Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα με την σειρά. Ο Dirac μπόρεσε να συνδυάσει τη Σχετικιστική Φυσική με την κβαντική Φυσική, καθώς προέκυψε μια σχετικιστική κβαντική θεωρία του ηλεκτρονίου. Η πασίγνωστη “εξίσωση Dirac” απαιτούσε ωστόσο την ύπαρξη ενός σωματιδίου της ίδιας μάζας με το ηλεκτρόνιο, αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο, με αποτέλεσμα το 1929 ο Dirac να προβλέψει θεωρητικά την ύπαρξη του αντιηλεκτρονίου που είναι γνωστό και ως ποζιτιρόνιο. Ήδη το 1932, ο Αμερικανός φυσικός Carl Anderson δικαίωσε τον Dirac, αφού επιβεβαίωσε πειραματικά την ύπαρξη του ποζιτρονίου σε πειράματα με κοσμικές ακτίνες υψηλών ενεργειών (ακτίνες που καταφθάνουν στην επιφάνεια της Γης από το Διάστημα) σε θάλαμο Wilson. Σήμερα πια γνωρίζουμε οτι τα σωματίδια έχουν αντισωματίδιο. Η ανακάλυψη της αντιύλης εξηγεί πολλά διαφορετικά μυστηριώδη δεδομένα των πειραμάτων. Σε μια διάσπαση Β, για παράδειγμα, όπου ένας ασταθής πυρήνας διασπάται, εκπέμποντας και ένα ηλεκτρόνιο, παρατηρείται ένα έλλειμμα ενέργειας, το οποίο εξηγείται μόνο με την υπόθεση ότι εκπέμπεται ένα κατ' αρχήν μη ανιχνεύσιμο σωματίδιο, το αντινετρίνο, το οποίο βρέθηκε πειραματικά στα μέσα της δεκαετίας του '50. Οι επιστήμονες πίστευαν μέχρι τώρα οτι η αντιύλη αποτελεί την αντανάκλαση της συνηθισμένης ύλης, όπως το είδωλο του εαυτού μας στον καθρέφτη για παράδειγμα, όπου το δεξί χέρι είναι αριστερό και το αριστερό δεξί. Είναι τόσο χαρακτηριστική αυτή η συμμετρία ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη, που ο γνωστός φυσικός Feynman ανακάλυψε οτι τα αντισωματίδια μπορούν να εκληφθούν ως τα αντίστοιχα σωματίδια, τα οποία ταξιδεύουν προς τα πίσω στον χρόνο. Στα γνωστά “διαγράμματα Feynman” που παριστάνουν την πορεία ενός στοιχειώδους σωματιδίου στο χωρόχρονο, ένα ηλεκτρόνιο που πηγαίνει από το σημείο Α (το παρελθόν του)στο σημείο Β (στο μέλλον του) είναι ισοδύναμο με ένα ποζιτρόνιο, το οποίο πηγαίνει από το σημείο Β (από το παρελθόν του)στο σημείο Α (στο μέλλον του).

   Πρέπει να ξεκαθαρίσουμε πως, όσο εξωτικός και αν ακούγεται ο όρος “αντιύλη”, στην ουσία αυτή είναι εξίσου πραγματική, όπως και η συνηθισμένη ύλη, και σωματίδια αντιύλης παράγονται εύκολα στους επιταχυντές, σε εκείνες τις τεράστιες μηχανές όπως το Fermilab, που επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια, συχνά κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Οι επιτυχίες μάλιστα των φυσικών στη δημιουργία αντιύλης δεν είναι καθόλου πενιχρές. Πριν από τρία χρόνια, οι ερευνητές(στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών CERN, κοντά στη Γενεύη)κατάφεραν να δημιουργήσουν το πρώτο αντιάτομο, ένα αντιυδρογόνο, δηλαδή ένα άτομο που αποτελούνταν από ένα ποζιτρόνιο (αντιηλεκτρόνιο)αντί του συνηθισμένου ηλεκτρονίου στην περιφέρειά του και είχε στον πυρήνα του ένα αντιπρωτόνιο, αντί για το συνηθισμένο πρωτόνιο. Τώρα ελπίζουν στη δημιουργία βαρύτερων αντιατόμων.

Σωματίδια και Αντισωματίδια. Πολλές φορές δημιουργείται η εντύπωση οτι η αντιύλη έχει κάποιου είδους “μεταφυσικές ιδιότητες” ή οτι ανήκει σε άλλες σφαίρες του πραγματικού. Ωστόσο ειδικοί επιστήμονες δεν εννοούσαν ευθύς εξαρχής τίποτα άλλο με τον όρο “αντιύλη”, παρά εκείνη την ύλη που έχει αντισυμμετρικές ιδιότητες προς τη συνηθισμένη ύλη που συναντάμε στην καθημερινή ζωή.

   Τα στοιχειώδη σωματίδια, λοιπόν, έχουν όλα το είδωλό τους, π.χ. το ηλεκτρόνιο έχει ως είδωλό του το αντιηλεκτρόνιο, αλλιώς γνωστό και ως ποζιτρόνιο. Η μόνη διαφορά ανάμεσα στα σωματίδια και τα αντισωματίδιά τους είναι το αντίθετο φορτίο. Το ηλεκτρόνιο είναι π.χ. αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρικά και έλκεται από το πρωτόνιο, που είναι θετικά φορτισμένο, ενώ το ποζιτρόνιο είναι θετικά φορτισμένο και απωθείται από το πρωτόνιο, ενώ έλκεται βέβαια από το ηλεκτρόνιο και από το αντιπρωτόνιο. Για αυτόν το λόγο, όταν συναντώνται ύλη και αντιύλη, έλκονται και τελικά συγκρούονται με πολύ υψηλές ταχύτητες και εξαϋλώνονται σε ακτινοβολία. Στα πειράματα που γίνονται στους επιταχυντές σωματιδίων λαμβάνουν συχνά χώρα τέτοιες συγκρούσεις ανάμεσα στα σωματίδια και τα αντισωματίδιά τους, που δημιουργήθηκαν επίσης μέσα από κάποια σύγκρουση.

   Ο λόγος για τον οποίο δημιουργούνται αντισωματίδια είναι εξίσου απλός: σε μια χαρακτηριστική περίπτωση, είναι δυνατόν ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας, κάτω από κατάλληλες συνθήκες, να μετατραπεί σε ένα ζεύγος σωματιδίων, π. χ. ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Προϋπόθεση της δημιουργίας ενός τέτοιου ζεύγους σωματιδίων από μια ακτίνα γ (με γ συμβολίζονται τα φωτόνια) υψηλής ενέργειας, είναι το ίδιο το φωτόνιο να έχει τουλάχιστον ίση με δυο φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου. Τα υπόλοιπα γίνονται δυνατά χάρη στη σχετικιστική ισοδυναμία μάζας-ενέργειας. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται “δημιουργία ζεύγους”, ενώ η αντίθετη, κατά την οποία δυο σωματίδια συναντώνται και καταστρέφονται, μετατρέπονται σε δυο φωτόνια “εξαΰλωση”.

   Δεν είναι δυνατόν να προκύψουν απλώς δυο ηλεκτρόνια, διότι αυτό θα παραβίαζε ένα νόμο διατήρησης της Φυσικής, τη διατήρηση του συνολικού ηλεκτρικού φορτίου. Ο νόμος αυτός είναι ανάλογος με τη διατήρηση της ενέργειας. Το ποζιτρόνιο που προκύπτει από αυτήν τη διαδικασία, θα συναντήσει σύντομα ένα ηλεκτρόνιο και θα “εξαϋλωθεί”, δημιουργώντας μαζί του ένα φωτόνιο. Έτσι το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο διατηρείται.

   Κατά τα άλλα, τα αντισωματίδια έχουν ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες με τα αντίστοιχα σωματίδια, π. χ. την ίδια μάζα ή ιδιοστροφορμή (σπιν). Δεν χρειάζονται μάλιστα πολλές ιδιότητες για να χαρακτηριστεί επαρκώς ένα σωματίδιο. Πολύ χαρακτηριστικό στοιχείο της φύσης ενός σωματιδίου είναι η μάζα του. Δεν υπάρχουν άλλα σωματίδια στο Σύμπαν με τη μάζα των 0, 511MeV. Τα ποζιτρόνια έχουν ακριβώς την ίδια μάζα και αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Επίσης, πολύ χαρακτηριστική ιδιότητα είναι το λεγόμενο σπιν, διότι χάρη στο σπιν γνωρίζουμε αν ένα σωματίδιο είναι φερμιόνιο ή μποζόνιο, εάν είναι, με άλλα λόγια, δομικό στοιχείο της ύλης ή φορέας δύναμης. Τα αντισωματίδια έχουν το ίδιο σπιν με τα αντίστοιχα σωματίδια, πράγμα που δείχνει οτι παίζουν και τον ίδιο ρόλο στη φύση.

Πού είναι η αντιύλη; Ωστόσο, στο Σύμπαν βρίσκουμε σπάνια την αντιύλη. Δημιουργείται συνήθως κάτω από εξαιρετικές περιστάσεις σε κοσμικές εκρήξεις ή μέσα στους, υψηλής ενέργειας, επιταχυντές των εργαστηρίων. Ωστόσο, το καθιερωμένο μοντέλο της Φυσικής, που εξηγεί τη δημιουργία του σύμπαντος με το γνωστό Big Bang, είναι υποχρεωμένο να δεχτεί οτι στην αρχή παρήχθησαν από τη μεγάλη έκρηξη ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Τι έγινε λοιπόν η αντιύλη; Γιατί δεν τη συναντάμε στον ίδιο βαθμό με την ύλη; Η μόνη πιθανότητα μιας λογικής εξήγησης της μη παρουσίας αντιύλης στο Σύμπαν είναι μάλλον αυτονόητη. Αν μπορούσε να βρεθεί οτι οι νόμοι που διέπουν την δεν είναι απόλυτα όμοιοι ή, αν θέλετε πλήρες αντικαθρέφτισμα των νόμων που διέπουν την ύλη, θα μπορούσε ίσως να εξηγηθεί η απουσία της πρώτης από το Σύμπαν.

   Βέβαια έχουν υπάρξει και εναλλακτικές απόψεις, γιατί στο Σύμπαν δεν παρατηρείται αντιύλη. Σε άλλα κοσμολογικά μοντέλα π. χ. δεν υπάρχει καν η έννοια της Μεγάλης Έκρηξης και επομένως δεν είναι αναγκαίο να θεωρηθεί οτι υπήρξε ποτέ αντιύλη σε μεγάλες ποσότητες. Κατά μια άλλη άποψη η ύλη και η αντιύλη συνυπάρχουν στο Σύμπαν, χωρίζονται ωστόσο μεταξύ τους από ένα “μέτωπο εξαύλωσης” που τις κρατά χωρισμένες σε διαφορετικές περιοχές, ενώ, εκεί που συναντώνται, μετατρέπονται σε ακτινοβολία. Τέλος, έχει προταθεί και η άποψη οτι το Σύμπαν που παρατηρούμε είναι μόνο μια Σφαίρα ανάμεσα σε άλλες Σφαίρες που αποτελούν ξεχωριστά Σύμπαντα. , μερικά από τα οποία περιέχουν την αντιύλη που λείπει από το δικό μας. Ωστόσο η ανακάλυψη της ασυμμετρίας οδηγεί πιο φυσικά στην άποψη οτι η αντιύλη στην πλειονότητά της εξαϋλώθηκε στην αρχική φάση του Σύμπαντος και γι' αυτό δεν συναντάμε σήμερα συγκεντρώσεις ή γαλαξίες αντιύλης. Δηλαδή κατά τη Μεγάλη Έκρηξη δημιουργήθηκε ελάχιστη παραπάνω ύλη από αντιύλη και το πλεόνασμα αυτό είναι οτι έχει μείνει σήμερα γνωστό ως Σύμπαν. Αλλά αυτή η ασυμμετρία, όπως σχεδόν και κάθε άλλη ασυμμετρία στο Σύμπαν, είναι ενοχλητική και δύσκολα εξηγήσιμη.

Το εύρημα. Το πείραμα “KteV”(Kaons for Tevatron)που έλαβε χώρα στον επιταχυντή Tevatron, του ερευνητικού κέντρου Fermilab, και στο οποίο συμμετείχαν διάφορα πανεπιστήμια έδωσε τις σοβαρότερες ενδείξεις του “σπασίματος” της απόλυτης συμμετρίας, ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη. Η κατασκευή των διατάξεων του πειράματος, άρχισε το 1992 και τα πρώτα δεδομένα άρχισαν να συγκεντρώνονται το 1996. Εκτος από τον επιταχυντή χρειάστηκαν και ειδικοί ανιχνευτές, αλλά και πολύ προηγμένα υπολογιστικά συστήματα, για να αποκλεισθεί “θόρυβος” από άλλα υποατομικά γεγονότα.

   Στις συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, που λαμβάνουν χώρα στον επιταχυντή Tevatron, παράγονται, εκτός από πρωτόνια και νετρόνια, και μεσόνια, τα οποία σε αντίθεση με αυτά (τα οποία αποτελούνται από τρία quark), αποτελούνται από δύο quark. Ένα είδος μεσονίων είναι και τα λεγόμενα Κ-μεσόνια, τα οποία αποτελούνται από ένα είδος quark και ένα είδος αντιquark. (Τα quark διακρίνονται σε κάποιες κατηγορίες, όπως τα γνωστά up και down ή τα λεγόμενα strange. Ένα Κ-μεσόνιο αποτελείται από ένα λεγόμενο strange quark ή αντίquark και ένα λεγόμενο down quark ή αντίquark ). Ήδη, το 1964 μια ερευνητική ομάδα στο Brookhaven Laboratory, με επικεφαλής τους James Gronin και Val fitch, μελετώντας Κ-μεσόνια βρήκε ότι σε μικρό βαθμό παραβιάζουν την συμμετρία CP(Charge-Parity) που εξηγούμε πιο κάτω. Είναι μάλιστα χαρακτηριστικό ότι κατέληξαν σε αυτό το αποτέλεσμα, προσπαθώντας να αποδείξουν την πλήρη συμμετρία ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη. Ωστόσο, η διαπίστωση αυτή αφορούσε μόνο τα ουδέτερα ( μη - φορτισμένα) Κ-μεσόνια, και γι΄ αυτό το λόγο δεν μπορούσε να θεωρηθεί απευθείας πειραματική επιβεβαίωση της παραβίασης της συμμετρίας CP. Στο Fermilab διαπιστώθηκε η παραβίαση της συμμετρίας αυτής κατευθείαν σε κάποια προϊόντα διάσπασης του ουδέτερου Κ-μεσονίου και συγκεκριμένα στα Π-μεσόνια η πιόνια. Ας δούμε τώρα τι σημαίνει το σπάσιμο αυτής της συμμετρίας.

   Το σπάσιμο της λεγόμενης συμμετρίας CP αφορά το συνδυασμό του φορτίου (Charge) και του χωρικού προσανατολισμού (Parity). Αν δηλαδή ανταλλάξει κάποιος τα σωματίδια αυτά με τα αντισωματίδιά τους, που έχουν αντίθετα φορτία (Charge), και ταυτόχρονα ανταλλάξει το δεξί με το αριστερό, δεν θα προκύψουν σωματίδια με την ίδια συμπεριφορά, όπως επιβάλλουν οι κανόνες συμμετρίας, ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη. Αυτή η ασυμμετρία είναι πολύ σημαντική, διότι είναι δυνατόν να οδήγησε στην μονόπλευρη καταστροφή της αντιύλης στην αρχική φάση του Σύμπαντος. Ενώ, δηλαδή, κανονικά ύλη και αντιύλη, σ' αυτήν τη φάση, θα έπρεπε να συναντώνται και να εξαϋλώνονται σε ίσό βαθμό, τώρα μπορεί να εξηγηθεί γιατί η αντιύλη καταστρεφόταν σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό, με αποτέλεσμα στο Σύμπαν σήμερα να υπάρχει ουσιαστικά μόνο ύλη.

   Εύκολα (;) μπορεί να καταλάβει κανείς ότι η διαπίστωση αυτή έχει σημασία και για το ζήτημα της κατεύθυνσης του χρόνου. Αν ανακαλέσουμε αυτά που είπαμε προηγουμένως για την παρατήρηση του Feynman οτι ένα αντισωματίδιο ισοδυναμεί με το σωματίδιο που ταξιδεύει πίσω στο χρόνο, καταλαβαίνουμε οτι το σπάσιμο της συμμετρίας CP στα μεσόνια αυτά υποδηλώνει ένα “βέλος του χρόνου” σε επίπεδο στοιχειωδών σωματιδίων, που καθορίζει την κατεύθυνση των γεγονότων στο Σύμπαν. Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει σε τέτοιο βαθμό, ώστε εντυπωσίασε ακόμα και το νομπελίστα καθηγητή James Cronin, ο οποίος το 1964 έδειξε οτι τα λεγόμενα Κ-μεσόνια δεν συμπεριφέρονται ακριβώς όπως τα αντισωματίδιά τους. Το εύρημα αυτό με τα Ρ-μεσόνια ξεπερνά κατά πολύ την αντίστοιχη διαπίστωση για τα Κ-μεσόνια και θεμελιώνει έντονα την πεποίθηση οτι τελικά δεν υπάρχει αντιύλη στο Σύμπαν, τουλάχιστον σε μεγάλη ποσότητα.

Επί του πιεστηρίου: Η επίδραση της επιβεβαίωσης της ασυμμετρίας ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη είχε άμεση επίδραση στην επιστημονική κοινότητα, αφού ανακοινώθηκαν αμέσως δυο μεγάλα πειράματα, για να ελέγξουν τα αποτελέσματα του Fermilab και πιθανότατα να οδηγήσουν και σε καινούριες ή βαθύτερες γνώσεις γύρω από το ζήτημα. Συγκεκριμένα σε έναν από τους πιο μεγάλους επιταχυντές στον κόσμο, στο Stanford Linear Accelerator, που βρίσκεται στην Καλιφόρνια, θα λάβει χώρα το πείραμα με την ονομασία “BaBar”, όπου ακτίνες ύλης και αντιύλης θα συγκρούονται μετωπικά και θα μελετώνται τα αποτελέσματα αυτών των συγκρούσεων. Ταυτόχρονα θα λάβει χώρα ένα εφάμιλλο πείραμα στην Ιαπωνία, με την ονομασία Belle, ενώ και στο Tevatron θα εμβαθύνουν στο ζήτημα μετά από τη σχετική αναβάθμιση του επιταχυντή εκεί, βλέπετε και οι επιταχυντές χρειάζονται που και που ένα upgrade όπως και οι υπολογιστές.

Περιεχόμενα