Οι επιστήμονες απολαμβάνουν την εξερεύνηση των μυστηρίων, και όσο μεγαλύτερο είναι το μυστήριο, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ενθουσιασμός. Υπάρχουν πολλά τεράστια αναπάντητα ερωτήματα στην επιστήμη, αλλά όταν πηγαίνετε μεγάλος, είναι δύσκολο να νικήσετε "Γιατί υπάρχει κάτι, αντί για τίποτα;"
Αυτό μπορεί να μοιάζει με ένα φιλοσοφικό ζήτημα, αλλά αυτό είναι πολύ επιδεκτικό σε επιστημονική έρευνα. Είπε λίγο πιο συγκεκριμένα: «Γιατί είναι το σύμπαν από τα είδη της ύλης που κάνει την ανθρώπινη ζωή δυνατή ώστε να μπορέσουμε να ζητήσουμε ακόμη και αυτή την ερώτηση;" Οι επιστήμονες που πραγματοποιούν έρευνες στην Ιαπωνία ανακοίνωσαν μια μέτρηση τον περασμένο μήνα που απευθύνεται άμεσα στις πιο συναρπαστικές έρευνες. Φαίνεται ότι η μέτρησή τους διαφωνεί με τις απλούστερες προσδοκίες της τρέχουσας θεωρίας και θα μπορούσε να δείξει μια απάντηση σε αυτή τη διαχρονική ερώτηση.
Η μέτρησή τους φαίνεται να λέει ότι για μια συγκεκριμένη ομάδα υποατομικών σωματιδίων, η ύλη και η αντιύλη δρουν διαφορετικά.
Θέμα v. Αντιύλη
Χρησιμοποιώντας το επιταχυντή J-PARC, που βρίσκεται στο Tokai της Ιαπωνίας, οι επιστήμονες πυροβόλησαν μια δέσμη φαινομενικών υποατομικών σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα και οι αντιαύτρινες τους μέσω της Γης στο πείραμα Super Kamiokande, που βρίσκεται στην Kamioka, επίσης στην Ιαπωνία. Αυτό το πείραμα, το οποίο ονομάζεται T2K (Tokai to Kamiokande), έχει σχεδιαστεί για να καθορίσει γιατί το σύμπαν μας αποτελείται από ύλη. Μια ιδιόμορφη συμπεριφορά που εκδηλώνεται από τα νετρίνα, που ονομάζεται ταλάντωση νετρίνων, μπορεί να ρίξει φως σε αυτό το πολύ ενοχλητικό πρόβλημα.
Το ερώτημα γιατί το σύμπαν είναι κατασκευασμένο από ύλη μπορεί να ακούγεται σαν μια περίεργη ερώτηση, αλλά υπάρχει ένας πολύ καλός λόγος ότι οι επιστήμονες εκπλήσσονται από αυτό. Είναι επειδή, πέρα από τη γνώση της ύλης, οι επιστήμονες γνωρίζουν επίσης την αντιύλη.
Το 1928, ο βρετανικός φυσικός Paul Dirac πρότεινε την ύπαρξη αντιύλης - ενός ανταγωνιστικού αδελφού της ύλης. Συνδυάστε ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης και οι δύο εκμηδενίζουν ο ένας τον άλλο, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας. Και επειδή οι φυσικές αρχές συνήθως λειτουργούν εξίσου καλά στην αντίθετη κατεύθυνση, αν έχετε μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, μπορεί να μετατραπεί σε ακριβώς ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Η αντιύλη ανακαλύφθηκε το 1932 από τον Αμερικανό Carl Anderson και οι ερευνητές είχαν σχεδόν έναν αιώνα για να μελετήσουν τις ιδιότητές του.
Ωστόσο, αυτή η φράση "σε ακριβώς ίσα ποσά" είναι η ουσία του αίνιγμα. Στις σύντομες στιγμές αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ο κόσμος ήταν γεμάτος ενέργεια. Καθώς επεκτείνονταν και ψύχονταν, η ενέργεια αυτή έπρεπε να μετατραπεί σε ισοδύναμα μέρη και σε υποατομικά σωματίδια αντιύλης, τα οποία θα πρέπει να παρατηρηθούν σήμερα. Και όμως το σύμπαν μας αποτελείται ουσιαστικά εξ ολοκλήρου από την ύλη. Πως είναι αυτό δυνατόν?
Μετρώντας τον αριθμό των ατόμων στο σύμπαν και συγκρίνοντάς τον με την ποσότητα ενέργειας που βλέπουμε, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι το "ακριβώς ίσο" δεν είναι σωστό. Με κάποιο τρόπο, όταν το σύμπαν ήταν περίπου το ένα δέκατο ενός τρισεκατομμυρίου ενός δευτερολέπτου, οι νόμοι της φύσης στρεβλώνουν πάντα -όπως-ελαφρώς προς την κατεύθυνση της ύλης. Για κάθε 3.000.000.000 σωματίδια αντιύλης, υπήρχαν 3.000.000.001 σωματίδια ύλης. Τα σωματίδια 3 δισεκατομμυρίων ουσιών και τα 3 δισεκατομμύρια σωματίδια αντιύλης συνδυάστηκαν - και αφανίστηκαν πίσω στην ενέργεια, αφήνοντας την ελαφριά υπερβολική ύλη να συνθέσει το σύμπαν που βλέπουμε σήμερα.
Δεδομένου ότι αυτό το παζλ έγινε κατανοητό πριν από περίπου έναν αιώνα, οι ερευνητές μελετούσαν την ύλη και την αντιύλη για να δουν αν μπορούσαν να βρουν συμπεριφορά στα υποατομικά σωματίδια που θα εξηγούσαν την περίσσεια της ύλης. Είναι σίγουροι ότι η ύλη και η αντιύλη είναι κατασκευασμένες σε ίσες ποσότητες, αλλά έχουν επίσης παρατηρήσει ότι μια τάξη υποατομικών σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ παρουσιάζουν συμπεριφορές που ελαφρώς ευνοούν την ύλη έναντι της αντιύλης. Αυτή η συγκεκριμένη μέτρηση ήταν λεπτή, η οποία περιελάμβανε μια τάξη σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια Κ, τα οποία μπορούν να μετατραπούν από την ύλη στην αντιύλη και πάλι πίσω. Αλλά υπάρχει μια μικρή διαφορά στην ύλη που μετατρέπεται σε αντιύλη σε σύγκριση με το αντίστροφο. Αυτό το φαινόμενο ήταν απροσδόκητο και η ανακάλυψή του οδήγησε στο βραβείο Νόμπελ του 1980, αλλά το μέγεθος του αποτελέσματος δεν ήταν αρκετό για να εξηγήσει γιατί η ύλη κυριαρχεί στο σύμπαν μας.
Φανταστικές δοκοί
Έτσι, οι επιστήμονες έχουν στρέψει την προσοχή τους στα νετρίνα, για να δουν αν η συμπεριφορά τους μπορεί να εξηγήσει την υπερβολική ύλη. Τα νετρίνο είναι τα φαντάσματα του υποατομικού κόσμου. Αλληλεπιδρώντας μόνο μέσω της αδύναμης πυρηνικής δύναμης, μπορούν να περάσουν μέσα από την ύλη χωρίς να αλληλεπιδράσουν σχεδόν καθόλου. Για να δώσουν μια αίσθηση κλίμακας, τα νετρίνα δημιουργούνται συνήθως στις πυρηνικές αντιδράσεις και ο μεγαλύτερος πυρηνικός αντιδραστήρας γύρω από τον ήλιο. Για να προστατεύσει κανείς τον εαυτό του από τα μισά από τα ηλιακά νετρίνα θα έπαιρνε μια μάζα στερεού μολύβδου περίπου 5 έτη φωτός σε βάθος. Οι ουδέτεροι πραγματικά δεν αλληλεπιδρούν πάρα πολύ.
Από το 1998 έως το 2001, μια σειρά πειραμάτων - η μία με τη χρήση του ανιχνευτή Super Kamiokande και η άλλη με τον ανιχνευτή SNO στο Sudbury του Οντάριο - απέδειξαν οριστικά ότι τα νετρίνα παρουσιάζουν επίσης μια άλλη εκπληκτική συμπεριφορά. Αλλάζουν την ταυτότητά τους.
Οι φυσικοί γνωρίζουν τρία ξεχωριστά είδη νετρίνων, καθένα από τα οποία συνδέεται με ένα μοναδικό υποατομικό αδελφό, που ονομάζεται ηλεκτρόνια, μιόνια και τάσεις. Τα ηλεκτρόνια είναι αυτά που προκαλούν ηλεκτρική ενέργεια και το σωματίδιο του μιονίου και του tau μοιάζουν πολύ με ηλεκτρόνια, αλλά βαρύτερα και πιο ασταθή.
Τα τρία είδη νετρίνων, που ονομάζονται νετρίνο ηλεκτρονίων, νετρίνο μιονίου και νετρίνο tau, μπορούν να "μεταμορφωθούν" σε άλλους τύπους νετρίνων και πάλι πίσω. Αυτή η συμπεριφορά ονομάζεται ταλάντωση των νετρίνων.
Η ταλάντωση των ουδετερόφιλων είναι ένα μοναδικά κβαντικό φαινόμενο, αλλά είναι σχεδόν ανάλογο με το ξεκίνημα με ένα μπολ με παγωτό βανίλιας και, αφού πάτε να βρούμε ένα κουτάλι, επιστρέφετε για να βρείτε ότι το μπολ είναι η μισή βανίλια και μισή σοκολάτα. Οι ουδέτεροι αλλάζουν την ταυτότητά τους από το να είναι εξ ολοκλήρου ένας τύπος, σε ένα μίγμα τύπων, σε έναν εντελώς διαφορετικό τύπο και στη συνέχεια πίσω στον αρχικό τύπο.
Ανεπιθύμητες ταλαντώσεις
Τα νετρίνα είναι σωματίδια ύλης, αλλά υπάρχουν και νετρίνα αντιύλης, που ονομάζονται αντινετρίνιο. Και αυτό οδηγεί σε μια πολύ σημαντική ερώτηση. Τα νετρίνο ταλαντεύονται, αλλά κάνουν και τα αντινετρίνιο να ταλαντεύονται και να ταλαντεύονται με ακριβώς τον ίδιο τρόπο όπως τα νετρίνα; Η απάντηση στην πρώτη ερώτηση είναι ναι, ενώ η απάντηση στο δεύτερο δεν είναι γνωστή.
Ας το εξετάσουμε λίγο πληρέστερα, αλλά με έναν απλοποιημένο τρόπο: Ας υποθέσουμε ότι υπήρχαν μόνο δύο τύποι νετρίνων - μιονίων και ηλεκτρονίων. Ας υποθέσουμε επίσης ότι είχατε δέσμη καθαρισμένων νετρονίων τύπου μιμόνων. Τα νετρίνα ταλαντεύονται με μια συγκεκριμένη ταχύτητα και, καθώς κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός, ταλαντεύονται ως συνάρτηση της απόστασης από εκεί που δημιουργήθηκαν. Έτσι, μια ακτίνα από καθαρό νετρίνο μιονίου θα μοιάζει σαν ένα μίγμα από τύπους μιονίων και ηλεκτρονίων σε κάποια απόσταση, τότε καθαρά τύποι ηλεκτρονίων σε άλλη απόσταση και στη συνέχεια πίσω στο μιονόν μόνο. Τα νετρίνα αντιύλης κάνουν το ίδιο πράγμα.
Εντούτοις, αν τα νετρίνα της ύλης και της αντιύλης ταλαντεύονται με ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς, θα περίμενε κανείς ότι αν ήταν μια σταθερή απόσταση από το σημείο στο οποίο δημιουργήθηκαν μια ακτίνα από καθαρό μιόνιο νετρίνο ή μιονόν antineutrinos, τότε στην περίπτωση νετρίνων θα δεις ένα μίγμα μιόνων και ηλεκτρονίων νετρίνων, αλλά στην περίπτωση του νετρίνο αντιύλης, θα δείτε ένα διαφορετικό μίγμα αντιγόνου του μιονίου και των ηλεκτρονίων νετρίνων. Η πραγματική κατάσταση περιπλέκεται από το γεγονός ότι υπάρχουν τρία είδη νετρίνων και η ταλάντωση εξαρτάται από την ενέργεια δέσμης, αλλά αυτές είναι οι μεγάλες ιδέες.
Η παρατήρηση διαφορετικών συχνοτήτων ταλάντωσης από τα νετρίνα και τα αντινετρίνια θα ήταν ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση του γεγονότος ότι το σύμπαν αποτελείται από ύλη. Δεν είναι όλη η ιστορία, γιατί πρέπει να διατηρηθούν και άλλα νέα φαινόμενα, αλλά η διαφορά ανάμεσα στην ύλη και στα νετρίνα της αντιύλης είναι απαραίτητη για να εξηγήσουμε γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη στο σύμπαν.
Στην τρέχουσα θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις νετρίνων, υπάρχει μια μεταβλητή που είναι ευαίσθητη στην πιθανότητα τα νετρίνα και τα antineutrinos να κυμαίνονται διαφορετικά. Αν αυτή η μεταβλητή είναι μηδέν, οι δύο τύποι σωματιδίων ταλαντώνονται με τα ίδια ποσοστά. αν αυτή η μεταβλητή διαφέρει από το μηδέν, οι δύο τύποι σωματιδίων κυμαίνονται διαφορετικά.
Όταν το T2K μετρούσε αυτή τη μεταβλητή, διαπίστωσαν ότι ήταν ασυμβίβαστη με την υπόθεση ότι τα νετρίνα και τα antineutrinos ταλαντεύονται πανομοιότυπα. Λίγο πιο τεχνικά, καθορίζουν μια σειρά πιθανών τιμών για αυτήν τη μεταβλητή. Υπάρχει μια πιθανότητα 95 τοις εκατό ότι η πραγματική τιμή για εκείνη τη μεταβλητή βρίσκεται μέσα σε αυτό το εύρος και μόνο μια πιθανότητα 5 τοις εκατό ότι η πραγματική μεταβλητή είναι εκτός αυτού του εύρους. Η υπόθεση "καμία διαφορά" είναι εκτός του εύρους 95%.
Με απλούστερους όρους, η τρέχουσα μέτρηση υποδηλώνει ότι τα νετρίνα και τα νετρίνα αντιύλης κυμαίνονται διαφορετικά, αν και η βεβαιότητα δεν φτάνει στο επίπεδο για να κάνει μια οριστική αξίωση. Στην πραγματικότητα, οι επικριτές επισημαίνουν ότι οι μετρήσεις με αυτό το επίπεδο στατιστικής σημασίας πρέπει να αντιμετωπίζονται πολύ, πολύ σκεπτικώς. Αλλά είναι σίγουρα ένα τεράστιο προκλητικό αρχικό αποτέλεσμα και η επιστημονική κοινότητα του κόσμου ενδιαφέρεται πολύ για τη βελτίωση και την ακριβέστερη μελέτη.
Το πείραμα T2K θα συνεχίσει να καταγράφει πρόσθετα δεδομένα με την ελπίδα να κάνει μια οριστική μέτρηση, αλλά δεν είναι το μόνο παιχνίδι στην πόλη. Στο Fermilab, που βρίσκεται έξω από το Σικάγο, ένα παρόμοιο πείραμα που ονομάζεται NOVA σκοτώνει τόσο τα νετρίνα όσο και τα νετρίνα αντιύλης στη βόρεια Μινεσότα, ελπίζοντας να νικήσει το T2K στη γροθιά. Και κοιτάζοντας περισσότερο στο μέλλον, ο Fermilab εργάζεται σκληρά για το πειραματικό έργο του, που ονομάζεται DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), το οποίο θα έχει πολύ καλύτερες ικανότητες για να μελετήσει αυτό το σημαντικό φαινόμενο.
Παρόλο που το αποτέλεσμα του T2K δεν είναι οριστικό και η επιφύλαξη είναι δικαιολογημένη, είναι σίγουρα οδυνηρή. Δεδομένου του τεράστιου μεγέθους του ζητήματος γιατί το σύμπαν μας φαίνεται να μην έχει αξιόλογη αντιύλη, η επιστημονική κοινότητα του κόσμου θα περιμένει με έντονες περαιτέρω ενημερώσεις.
