Το αίνιγμα της αντιύλης ή γιατί τελικά επικράτησε παντού η ύλη

Τα σωματίδια της αντιύλης, δηλαδή τα «αντισωματίδια» θεωρούνται πανομοιότυπα με τα αντίστοιχα σωματίδια της ύλης, όμως έχουν ακριβώς αντίθετα ηλεκτρικά φορτία: το άτομο υδρογόνου έχει ένα ηλεκτρόνιο με φορτίο -1, ενώ το άτομο αντιυδρογόνου έχει ένα αντιηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο) με φορτίο -1. Εμφανώς όμως δεν υπάρχει πλέον καμία συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης, αφού το Σύμπαν μας αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ύλη.
Πριν από μερικά χρόνια ερευνητές στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών, το γνωστό CERN, κατάφεραν να δημιουργήσουν τις ακραίες εργαστηριακές συνθήκες που επιτρέπουν την απομόνωση, για δύο-τρία δέκατα του δευτερολέπτου, μερικών ατόμων αντιύλης.
Αναμφίβολα ήταν ένα σημαντικότατο επιστημονικό και κυρίως τεχνολογικό επίτευγμα, επειδή τα σωματίδια της «εξωτικής» αντιύλης εξαϋλώνονται μόλις έρθουν σε επαφή με τα σωματίδια της «συνήθους» ύλης: μετατρέπονται αμέσως σε ενέργεια υπό τη μορφή φωτεινής ακτινοβολίας.
Και το γεγονός ότι κατάφεραν να δημιουργήσουν όχι απλώς σωματίδια αλλά άτομα αντιύλης και να τα διατηρήσουν, για κλάσματα έστω του δευτερολέπτου, άνοιξε για πρώτη φορά τον δρόμο στη μικροφυσική διερεύνηση των φυσικών μηχανισμών που επέβαλαν κάποτε, αμέσως μετά τη γένεση του Σύμπαντος, την οριστική επικράτηση της ύλης πάνω στην αντιύλη.

Το μποζόνιο Χιγκς στον ανταγωνισμό ύλης-αντιύλης



Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, μολονότι περιγράφει ικανοποιητικά τις τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις, δεν προβλέπει την ύπαρξη κάποιας ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης ούτε και εξηγεί την επικράτηση της ύλης στο σημερινό Σύμπαν. Ισως γι’ αυτό οι φυσικοί αναζητούν, από καιρό, κάποιο στοιχειώδες σωματίδιο που να σχετίζεται ή και -γιατί όχι;- να δικαιολογεί την επικράτηση της ύλης πάνω στην αντιύλη.
Εξάλλου η ιστορία της μικροφυσικής βρίθει από ευφάνταστες εικασίες για στοιχειώδη σωματίδια, η ύπαρξη των οποίων, αργά ή γρήγορα, επιβεβαιώθηκε και πειραματικά. Κατά τη διάρκεια του εικοστού αιώνα πολλές, εκ πρώτης όψεως «αυθαίρετες» και ανεπιβεβαίωτες, θεωρίες της μικροφυσικής προέβλεπαν με εντυπωσιακή ακρίβεια την παρουσία και τις ιδιότητες πολλών υποατομικών σωματιδίων, η ύπαρξη των οποίων έμελλε να επιβεβαιωθεί εμπειρικά μόνο έπειτα από πολλά χρόνια ή και δεκαετίες.
Διάσημα παραδείγματα τέτοιων «φανταστικών» σωματιδίων είναι τα εξωτικά νετρίνο, την ύπαρξη των οποίων είχε προβλέψει ο Β. Πάουλι (W. Pauli) ήδη από το 1930, ενώ ένα χρόνο αργότερα ο Ε. Φέρμι ( E. Fermi) περιέγραψε λεπτομερώς τη διάσπαση Βήτα των πυρήνων, την οποία πρώτη φορά παρατήρησαν στο εργαστήριο το 1956.
Για την πειραματική επιβεβαίωση όμως του περίφημου μποζονίου Higgs ή «σωματίδιου του Θεού», όπως εσφαλμένα αποκαλείται, απαιτήθηκε πολύ περισσότερος χρόνος, δεδομένου ότι ο Σκοτσέζος θεωρητικός φυσικός Πίτερ Χιγκς (P. Higgs) είχε προβλέψει την ύπαρξή του πριν από μισό αιώνα, αλλά εντοπίστηκε από τον επιταχυντή LHC στη Γενεύη πριν από μόλις δυόμισι χρόνια!
Μάλιστα πολύ πρόσφατα ολοένα και περισσότεροι κορυφαίοι θεωρητικοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι το σωματίδιο Χιγκς ενδέχεται να εμπλέκεται και άρα ίσως να μας βοηθήσει να εξηγήσουμε το γιατί επικράτησε η ύλη και όχι η αντιύλη αμέσως μετά τη Μεγάλη Εκρηξη, το κοσμογονικό Big Bang που δημιούργησε τα πάντα.
Ετσι σε μια μελέτη, που δημοσιεύτηκε πριν από λίγες ημέρες στο έγκυρο επιστημονικό περιοδικό «Physical Review», ερευνητές διεθνούς κύρους παρουσίασαν μια αυστηρή πειραματική μέθοδο βάσει της οποίας οι ειδικοί θα είναι σε θέση να αποφασίσουν αν και σε ποιο βαθμό το «σωματίδιο του Θεού» έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην «κοσμική διαμάχη» της αντιύλης με την ύλη που οδήγησε στη συμπαντική επικράτηση της τελευταίας.
Πρωταγωνιστικό ρόλο σε αυτές τις σημαντικές πειραματικές εξελίξεις έχουν μερικές από τις πιο διαπρεπείς ερευνητικές ομάδες που εργάζονται στους μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων στον κόσμο. Στο σχετικό δημοσίευμα ο Matthew J. Dolan εκπροσωπεί το SLAC, ο Philip Harris το CERN της Γενεύης και ο Michael Spannowsky το Πανεπιστήμιο Durham στην Αγγλία.



Ειδικότερα ο Γραμμικός επιταχυντής SLAC του Πανεπιστημίου Στάνφορντ (Stanford Linear Accelerator Center) φαίνεται πως θα έχει αποφασιστικό ρόλο σε αυτά τα πειράματα σχετικά με τους κοσμικούς μηχανισμούς δημιουργίας της αντιύλης. Πρόκειται για ένα υπόγειο εργαστήριο μήκους 3 χιλιομέτρων στην Καλιφόρνια, μέσα στο οποίο τρέχουν και συγκρούονται, με ασύλληπτες ταχύτητες, ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια (που είναι τα αντισωματίδια των ηλεκτρονίων).

Η εξωτική αντιύλη μεταξύ επιστήμης και φαντασίας
Για μια σειρά από λόγους -επιστημονικούς, τεχνολογικούς, και αισθητικούς- πολλοί προβλέπουν ότι τα πειράματα αυτά θα μονοπωλήσουν το 2015 το ενδιαφέρον όχι μόνο της μικροφυσικής ή της κοσμολογίας, αλλά και γενικότερα της επιστημολογίας.
Πράγματι εδώ και πολλές δεκαετίες οι φυσικοί φλέγονται να μάθουν γιατί στο σημερινό Σύμπαν επικράτησε σχεδόν παντού η ύλη και όχι η αντιύλη ή έστω η φωτεινή ενέργεια. Γιατί η αντιύλη παρατηρείται μόνο σε ακραίες εργαστηριακές συνθήκες ή ενδεχομένως σε λίγα μόνο και ευτυχώς απομακρυσμένα αστρονομικά φαινόμενα;
Εντούτοις η αντιύλη διαθέτει χαρακτηριστικά και ιδιότητες παρόμοιες με τη γνωστή σε όλους ύλη που συγκροτεί τα πάντα: τα «δίδυμα» αντισωματίδια των σωματιδίων διαφέρουν «απλώς» ως προς το ηλεκτρικό φορτίο.
Εχει μεγάλο ενδιαφέρον ότι αυτή η τόσο εξωτική ιδέα της αντιύλης εισάγεται στη φυσική κατά το 1929 από τον ιδιοφυή Βρετανό θεωρητικό φυσικό και εστέτ Πολ Ντιράκ (P. Dirac 1902-1984). Σε μια ατυχή δυστυχώς προσπάθειά του να ενοποιήσει την περιγραφή του μακρόκοσμου (Σχετικότητα) και του μικρόκοσμου (Κβαντομηχανική), ο Ντιράκ θα προτείνει την ιδέα μιας εγγενούς αρμονίας και συμμετρίας στη φύση, μια αισθητική και επιστημονική ιδέα που επιβάλλει, τουλάχιστον αρχικά, την παρουσία ίσων ποσοτήτων ύλης-αντιύλης.
Αναπαράγοντας εργαστηριακά, μέσω ισχυρών επιταχυντών, τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος ίσως οι φυσικοί να καταφέρουν να αποκαλύψουν γιατί το βέλος του χρόνου και η συνακόλουθη εξέλιξη του φυσικού κόσμου οδήγησε αναπόδραστα στη ρήξη της αρχικής συμμετρίας και κατέληξε (νομοτελειακά;) στη σημερινή κυριαρχία της ύλης.
Το βέβαιο πάντως είναι ότι αυτοί οι πανίσχυροι (και πολυδάπανοι!) επιταχυντές μας αποκαλύπτουν τόσο τις γνωστικές δυνατότητες όσο και τα όρια των καθιερωμένων μοντέλων και των επικρατέστερων φυσικών εξηγήσεων που αυτά τα μοντέλα επιβάλλουν στην ανθρώπινη δημιουργική φαντασία.

Η «κοσμική συνταγή» σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο



Από την πρώτη στιγμή που διατυπώθηκε η «μικροφυσική», δηλαδή η αναζήτηση των στοιχειωδέστερων συστατικών της ύλης του Σύμπαντος, ήταν μια διαρκής πρόκληση για τον κοινό νου. Ηδη από τον 5ο αιώνα π.Χ., όταν ο Λεύκιππος και ο Δημόκριτος διατύπωσαν πρώτοι την ατομική θεωρία, οι απόψεις τους χλευάστηκαν ή παρανοήθηκαν.
Απ’ ό,τι φαίνεται ήταν από τότε εξαιρετικά δύσκολο να κατανοήσουμε τον ορατό και οικείο μακροσκοπικό κόσμο που μας περιβάλλει μέσω των ανοίκειων και αόρατων μικροσκοπικών «ατόμων».
Και τα πράγματα χειροτέρεψαν όταν κατά τη διάρκεια του εικοστού αιώνα η πρόοδος της μικροφυσικής οδήγησε σε μια ακόμη πιο προκλητική ανακάλυψη: τα ίδια τα άτομα δεν είναι «άτομα», δηλαδή μη περαιτέρω διαιρέσιμα. Αντίθετα, αποτελούνται από ακόμη πιο στοιχειώδη δομικά συστατικά!
Οπως διαπίστωσαν οι φυσικοί, κατά το δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα οι πυρήνες όλων των ατόμων προκύπτουν από την ένωση διαφορετικών υποατομικών σωματιδίων (πρωτόνια, νετρόνια), τα οποία με τη σειρά τους συγκροτούνται από τα στοιχειωδέστερα κουάρκ.
Ανακάλυψαν μάλιστα έναν τόσο μεγάλο αριθμό από νέα «στοιχειώδη» σωματίδια, ώστε άρχισαν να αμφιβάλλουν για το κατά πόσο θα έπρεπε όλα αυτά τα σωματίδια να θεωρούνται πραγματικά «στοιχειώδη». Μόλις οι φυσικοί συνήλθαν από αυτό το πρώτο σοκ, προσπάθησαν να βάλουν κάποια τάξη σε αυτήν τη ζούγκλα από «στοιχειώδη» σωματίδια. Και ώς ένα βαθμό το κατάφεραν.

Σύμφωνα λοιπόν με το «Καθιερωμένο Πρότυπο ή Μοντέλο» της σωματιδιακής φυσικής, τη θεωρητική σύνθεση όλων των κατακτήσεων της μικροφυσικής του εικοστού αιώνα, όλα τα γνωστά μέχρι σήμερα στοιχειώδη σωματίδια ταξινομούνται σε δύο πολύ γενικές κατηγορίες: σε «φερμιόνια» και σε «μποζόνια».
Τα φερμιόνια είναι τα σωματίδια με ημιακέραιο σπιν και θεωρούνται οι φορείς της ύλης. Σε αυτήν την κατηγορία εντάσσονται οι δύο μεγάλες οικογένειες σωματιδίων: τα κουάρκ και τα λεπτόνια. Ενώ τα μποζόνια, που έχουν ακέραιο σπιν, θεωρούνται οι φορείς των φυσικών δυνάμεων και αλληλεπιδράσεων (ηλεκτρομαγνητικής, βαρυτικής, ασθενούς και ισχυρής πυρηνικής δύναμης).
Ωστόσο από την πρώτη στιγμή που διατυπώθηκε κατά τη δεκαετία του 1970, το Καθιερωμένο Μοντέλο σκόνταψε σε τρία πολύ σοβαρά προβλήματα: (1) δεν περιλαμβάνει τη βαρύτητα και τις πανταχού παρούσες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις, (2) δεν καταφέρνει να εξηγήσει γιατί όλα τα υλικά σώματα έχουν μια ορισμένη μάζα και (3) δεν εξηγεί γιατί η ύλη κυριαρχεί πάνω στην αντιύλη και όχι το αντίστροφο.

Εργαστηριακές παγίδες για τα «φαντάσματα» αντιύλης
Αυτό ακριβώς το μυστήριο των σωματιδίων που καθορίζουν τη μάζα όλων των υλικών αντικειμένων δοκίμασαν να λύσουν οι ερευνητές καταφεύγοντας στις ακραίες φυσικές συνθήκες που δημιουργούν οι νέοι πανίσχυροι επιταχυντές, όπως ο Τέβατρον (Tevatron) στις ΗΠΑ και ο πιο πρόσφατος και πολύ ισχυρότερος Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) στη Γενεύη.
Εξάλλου ένας από τους βασικούς λόγους για τους οποίους κατασκευάστηκε ο πολυδάπανος επιταχυντής LHC του CERN ήταν για να επιβεβαιωθεί ή έστω να διαψευσθεί οριστικά η δυνατότητα ύπαρξης του αινιγματικού σωματιδίου Χιγκς, το οποίο, όπως υπέθεταν, ευθύνεται για τη μάζα των υλικών σωμάτων.
Οπως διαπίστωσαν οι ερευνητές στις δύο από τις τέσσερις ειδικές ανιχνευτικές μονάδες του LHC (συγκεκριμένα στις μονάδες ATLAS και CMS), στις ακραίες συνθήκες που δημιουργεί ο επιταχυντής κάποια στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα χάρη στην ασθενή αλληλεπίδρασή τους με το πεδίο Χιγκς που δημιουργείται από την παρουσία σωματιδίων τύπου Χιγκς. Εργο κάθε άλλο παρά εύκολο, δεδομένης της εγγενούς αστάθειας και του ελάχιστου χρόνου ζωής τού κάθε σωματιδίου Χιγκς που ενδέχεται να εμφανιστεί.
Επιπλέον, στις 3 Ιουνίου 2014, η ομάδα του πειράματος ALPHA του CERN ανακοίνωσε, στο περιοδικό «Nature Communications», ότι κατάφερε να υπολογίσει με ακρίβεια το ηλεκτρικό φορτίο ενός ατόμου αντιύλης, συγκεκριμένα του αντι-υδρογόνου, του οποίου ο πυρήνας περιέχει ένα αντιπρωτόνιο γύρω από το οποίο περιστρέφεται ένα ποζιτρόνιο (αντιηλεκτρόνιο).
Ηταν η πρώτη φορά που μετρήθηκε με τέτοια ακρίβεια το φορτίο ενός αντι-ατόμου. Πώς το πέτυχαν; Χάρη σ’ ένα έξυπνο σύστημα παγίδων για σωματίδια που επιτρέπει τον εγκλωβισμό και τη διατήρηση ατόμων αντιύλης (π.χ. αντιυδρογόνου) για αρκετό χρονικό διάστημα, ώστε να τα μελετήσουν λεπτομερώς.

Πηγή: Εφημερίδα των Συντακτών του Σπύρου Μανουσέλη