Το μη-σωματίδιο κρύβεται στο μανδύα της Γης
Το διάσημο μποζόνιο Higgs εντοπίστηκε τον περασμένο χρόνο από τον μεγάλο επιταχυντή του CERN στη Γενεύη, και τώρα η επιστημονική κοινότητα εμφανίζεται έτοιμη για την επόμενη μεγάλη ανακάλυψη. Πρόκειται για ακόμα ένα μικρό κομμάτι του σύμπαντος το οποίο συνδέεται με μία άρτι ανακαλυφθείσα θεμελιώδη δύναμη της φύσης.
Η νέα θεμελιώδης δύναμη
Ερευνητές από τα Πανεπιστήμια Άμχερστ και Ώστιν των Ηνωμένων Πολιτειών χρησιμοποιούν στα πειράματά τους την ίδια τη Γη ως πηγή ηλεκτρονίων και με αυτόν τον τρόπο περιόρισαν την αναζήτηση για το σωματίδιο που φέρει αυτή τη δύναμη. Η νέα δύναμη αποκαλείται αλληλεπίδραση spin-spin (ίδιας κατεύθυνσης περιστροφής) μεγάλου βεληνεκούς, σύμφωνα με το μέλος της ερευνητικής ομάδας Λάρυ Χάντερ.
Αλληλεπιδράσεις μικρού βεληνεκούς συμβαίνουν με μεγάλη συχνότητα. Για παράδειγμα ο μαγνήτης κολλάει στο ψυγείο επειδή τα ηλεκτρόνια στο μαγνήτη και αυτά στην ατσάλινη επιφάνεια του ψυγείου περιστρέφονται στην ίδια κατεύθυνση. Ωστόσο οι αλληλεπιδράσεις μεγάλου βεληνεκούς είναι πιο μυστηριώδεις.
Η δύναμη αυτή θεωρητικά λειτουργεί επιπρόσθετα των τεσσάρων γνωστών θεμελιωδών δυνάμεων, της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού και των ισχυρών και ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Αρκετοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι η συγκεκριμένη δύναμη υφίσταται καθώς αν προεκτείνουμε το Κλασσικό Μοντέλο Σωματιδιακής Φυσικής προβλέπεται ότι κάποια άγνωστα σωματίδια θα φέρουν αυτή τη δύναμη αλληλεπίδρασης.
Τα τρία πιθανά σενάρια για το νέο σωματίδιο
Υπάρχουν τρεις πιθανότητες για την προέλευση της αλληλεπίδρασης μεγάλου βεληνεκούς. Η πρώτη είναι ένα σωματίδιο με την παράξενη ονομασία «μη-σωματίδιο», καθώς κάποιες φορές συμπεριφέρεται σαν φωτόνιο (σωματίδιο φωτός) και κάποιες άλλες σαν σωματίδιο ύλης. Η δεύτερη πιθανότητα είναι το σωματίδιο Ζ’ (Ζ πρώτο), ένας πιο ελαφρύς «συγγενής» του μποζονίου Ζ το οποίο φέρει την αδύναμη πυρηνική δύναμη. Τόσο το μη-σωματίδιο όσο και το σωματίδιο Ζ’ προκύπτουν από προεκτάσεις σύγχρονων φυσικών θεωριών. Η τρίτη πιθανότητα είναι ότι δεν υφίσταται κάποιο νέο σωματίδιο αλλά κάποιο στοιχείο της θεωρίας της σχετικότητας επηρεάζει την περιστροφή κατά κάποιον τρόπο.
Η θεωρίας της ύπαρξης του μη-σωματιδίου προτάθηκε πρώτη φορά το 2007 από τον φυσικό του Χάρβαρντ Χάουαρντ Γκεόργκι. Τα σωματίδια έχουν καθορισμένη μάζα, εκτός αν είναι φωτόνια, τα οποία δε φέρουν μάζα. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια δεν μπορούν να αλλάξουν μάζα όση ορμή και να έχουν. Εάν αλλάξει η μάζα (και άρα η ενέργεια) αλλάζει και το είδος του σωματιδίου. Θεωρητικά, τα μη-σωματίδια θα έχουν μεταβλητή μάζα-ενέργεια.
Τα ηλεκτρόνια της Γης
Εάν η νέα δύναμη υπάρχει, τότε θα είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο αδύναμη από τη βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο σωματιδίων όπως ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρόνιο. Ωστόσο δεν αποδυναμώνεται όταν αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων στον ίδιο μεγάλο βαθμό με την αλληλεπίδραση μικρού βεληνεκούς. Εκμεταλλευόμενοι αυτά τα δύο γεγονότα, οι επιστήμονες επιστράτευσαν ένα δημιουργικό τρόπο να την αναζητήσουν.
Τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται με το μαγνητικό πεδίο της Γης οπότε εάν κάτι τα ωθήσει ελαφρώς θα αλλάξει την ενέργεια της περιστροφής τους κατά ένα μικρό ποσοστό. Για αυτό το λόγο η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε τα πολυάριθμα (1049) ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο μανδύα της Γης.
Αφού χαρτογράφησαν τις κατευθύνσεις περιστροφών και τις πυκνότητες των ηλεκτρονίων εντός της Γης, χρησιμοποίησαν το χάρτη των ηλεκτρονίων για να υπολογίσουν την επιρροή τους σε άλλα σωματίδια. Μια ομάδα στο Σηάτλ παρακολουθούσε τα ηλεκτρόνια ενώ μία άλλη ομάδα στο Άμχερστ εφάρμοσε ένα μαγνητικό πεδίο σε μία ομάδα νετρονίων. Η αλλαγή στην ενέργεια των περιστροφών σε αυτά τα πειράματα εξαρτιόταν από την κατεύθυνση στην οποία ήταν στραμμένες. Η αλλαγή αυτή επηρέαζε και τη συχνότητα των σωματιδίων στο εργαστήριο, παρέχοντας τη ζητούμενη απόδειξη στους ερευνητές.
Τα πειράματα αναμένεται να βοηθήσουν παράλληλα και στην καλύτερη κατανόηση του εσωτερικού της Γης, με εφαρμογές στη γεωλογία και στην εξόρυξη σιδήρου.
Η νέα θεμελιώδης δύναμη
Ερευνητές από τα Πανεπιστήμια Άμχερστ και Ώστιν των Ηνωμένων Πολιτειών χρησιμοποιούν στα πειράματά τους την ίδια τη Γη ως πηγή ηλεκτρονίων και με αυτόν τον τρόπο περιόρισαν την αναζήτηση για το σωματίδιο που φέρει αυτή τη δύναμη. Η νέα δύναμη αποκαλείται αλληλεπίδραση spin-spin (ίδιας κατεύθυνσης περιστροφής) μεγάλου βεληνεκούς, σύμφωνα με το μέλος της ερευνητικής ομάδας Λάρυ Χάντερ.
Αλληλεπιδράσεις μικρού βεληνεκούς συμβαίνουν με μεγάλη συχνότητα. Για παράδειγμα ο μαγνήτης κολλάει στο ψυγείο επειδή τα ηλεκτρόνια στο μαγνήτη και αυτά στην ατσάλινη επιφάνεια του ψυγείου περιστρέφονται στην ίδια κατεύθυνση. Ωστόσο οι αλληλεπιδράσεις μεγάλου βεληνεκούς είναι πιο μυστηριώδεις.
Η δύναμη αυτή θεωρητικά λειτουργεί επιπρόσθετα των τεσσάρων γνωστών θεμελιωδών δυνάμεων, της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού και των ισχυρών και ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Αρκετοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι η συγκεκριμένη δύναμη υφίσταται καθώς αν προεκτείνουμε το Κλασσικό Μοντέλο Σωματιδιακής Φυσικής προβλέπεται ότι κάποια άγνωστα σωματίδια θα φέρουν αυτή τη δύναμη αλληλεπίδρασης.
 |
| The picture depicts the long-range spin-spin interaction (blue wavy lines) in which the spin-sensitive detector on Earth’s surface interacts with geoelectrons (red dots) deep in Earth’s mantle. The arrows on the geoelectrons indicate their spin orientations, opposite that of Earth’s magnetic field lines (white arcs). Credit: Marc Airhart (University of Texas at Austin) and Steve Jacobsen (Northwestern University). |
Τα τρία πιθανά σενάρια για το νέο σωματίδιο
Υπάρχουν τρεις πιθανότητες για την προέλευση της αλληλεπίδρασης μεγάλου βεληνεκούς. Η πρώτη είναι ένα σωματίδιο με την παράξενη ονομασία «μη-σωματίδιο», καθώς κάποιες φορές συμπεριφέρεται σαν φωτόνιο (σωματίδιο φωτός) και κάποιες άλλες σαν σωματίδιο ύλης. Η δεύτερη πιθανότητα είναι το σωματίδιο Ζ’ (Ζ πρώτο), ένας πιο ελαφρύς «συγγενής» του μποζονίου Ζ το οποίο φέρει την αδύναμη πυρηνική δύναμη. Τόσο το μη-σωματίδιο όσο και το σωματίδιο Ζ’ προκύπτουν από προεκτάσεις σύγχρονων φυσικών θεωριών. Η τρίτη πιθανότητα είναι ότι δεν υφίσταται κάποιο νέο σωματίδιο αλλά κάποιο στοιχείο της θεωρίας της σχετικότητας επηρεάζει την περιστροφή κατά κάποιον τρόπο.
Η θεωρίας της ύπαρξης του μη-σωματιδίου προτάθηκε πρώτη φορά το 2007 από τον φυσικό του Χάρβαρντ Χάουαρντ Γκεόργκι. Τα σωματίδια έχουν καθορισμένη μάζα, εκτός αν είναι φωτόνια, τα οποία δε φέρουν μάζα. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια δεν μπορούν να αλλάξουν μάζα όση ορμή και να έχουν. Εάν αλλάξει η μάζα (και άρα η ενέργεια) αλλάζει και το είδος του σωματιδίου. Θεωρητικά, τα μη-σωματίδια θα έχουν μεταβλητή μάζα-ενέργεια.
 |
| The polarized electron-spin density on a plane that contains Earth's rotation axis and Amherst, Mass., generated by a computer simulation. The black arrows indicate only the direction of the electron spins, while the color shading of the plot indicates the magnitude of the polarized electron spin density. The density of the arrows on the plot is not meaningful. The component of the field into or out of the page is not shown. The electron spin density within the core (white central circle) is assumed to be zero. The violet arrow corresponds to the north orientation and location of the Amherst apparatus. The vertical axis is along Earth's rotation axis, and the axis labels have units of kilometers. |
Τα ηλεκτρόνια της Γης
Εάν η νέα δύναμη υπάρχει, τότε θα είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο αδύναμη από τη βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο σωματιδίων όπως ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρόνιο. Ωστόσο δεν αποδυναμώνεται όταν αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων στον ίδιο μεγάλο βαθμό με την αλληλεπίδραση μικρού βεληνεκούς. Εκμεταλλευόμενοι αυτά τα δύο γεγονότα, οι επιστήμονες επιστράτευσαν ένα δημιουργικό τρόπο να την αναζητήσουν.
Τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται με το μαγνητικό πεδίο της Γης οπότε εάν κάτι τα ωθήσει ελαφρώς θα αλλάξει την ενέργεια της περιστροφής τους κατά ένα μικρό ποσοστό. Για αυτό το λόγο η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε τα πολυάριθμα (1049) ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο μανδύα της Γης.
Αφού χαρτογράφησαν τις κατευθύνσεις περιστροφών και τις πυκνότητες των ηλεκτρονίων εντός της Γης, χρησιμοποίησαν το χάρτη των ηλεκτρονίων για να υπολογίσουν την επιρροή τους σε άλλα σωματίδια. Μια ομάδα στο Σηάτλ παρακολουθούσε τα ηλεκτρόνια ενώ μία άλλη ομάδα στο Άμχερστ εφάρμοσε ένα μαγνητικό πεδίο σε μία ομάδα νετρονίων. Η αλλαγή στην ενέργεια των περιστροφών σε αυτά τα πειράματα εξαρτιόταν από την κατεύθυνση στην οποία ήταν στραμμένες. Η αλλαγή αυτή επηρέαζε και τη συχνότητα των σωματιδίων στο εργαστήριο, παρέχοντας τη ζητούμενη απόδειξη στους ερευνητές.
Τα πειράματα αναμένεται να βοηθήσουν παράλληλα και στην καλύτερη κατανόηση του εσωτερικού της Γης, με εφαρμογές στη γεωλογία και στην εξόρυξη σιδήρου.
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου