Μεταφράστηκε από τον Βαγγέλη Κολτσάκη

Τμήμα του ανιχνευτή ATLAS Χορηγία εικόνας από CERN

Στις 10 Σεπτεμβρίου 2008, στις 10:28 πμ, ξεκίνησε η λειτουργία του μεγαλύτερου επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο: του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (Large Hadron Collider, LHC). Αλλά γιατί; Στο πρώτο από τα δυο άρθρα, ο Rolf Landua από το CERN και η Marlene Rau από το EMBL εξερευνούν τα μεγάλα αναπάντητα ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής και το τι μπορεί να μας πει ο LHCσχετικά με τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, ξεκινώντας 10-12 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang).

Όταν πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια σχηματίστηκε το Σύμπαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, μια τεράστια συγκέντρωση ενέργειας μετατράπηκε σε ύλη, μέσα σε λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερόλεπτου, με εξαιρετικά μεγάλες θερμοκρασίες, πυκνότητες και ενέργειες. Σύμφωνα με το νόμο του Αϊνστάιν, E=mc², για να δημιουργηθεί ένα σωματίδιο ύλης συγκεκριμένης μάζας (m), απαιτείται ένα αντίστοιχο ποσό ενέργειας (E), με αναλογία που καθορίζεται από την ταχύτητα του φωτός (c). Έτσι, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, από τα μεγάλα ποσά ενέργειας που υπήρχαν, πρέπει να δημιουργήθηκαν σωματίδια πολύ μεγάλης μάζας. Οι Φυσικοί έχουν προτείνει την ύπαρξη τέτοιων μεγάλων υποθετικών σωματιδίων προσπαθώντας να εξηγήσουν αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με τη δημιουργία και τη σύσταση του Σύμπαντος.

Για να εξερευνήσουν αυτές τις θεωρίες, οι επιστήμονες έχουν κατασκευάσει τον LHC. Αν κάποιο σωματίδιο κάποιου τύπου μπορεί να δημιουργηθεί στον LHC, στο μεγαλύτερο επιταχυντή του κόσμου, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι τέτοια σωματίδια υπήρξαν και λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Στον LHC θα συγκρουστούν σωματίδια με τις μεγαλύτερες κινητικές ενέργειες που είναι σήμερα τεχνικά δυνατόν να επιτευχθούν (ενέργειες που αντιστοιχούν σε αυτές που έχουμε υπολογίσει ότι υπήρχαν 10^-12 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, έχοντας –κατά τη σύγκρουσή τους- ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθούν σωματίδια μεγαλύτερης μάζας, τέτοια που δεν έχουν δημιουργηθεί σε κανένα από τα πειράματα που προηγήθηκαν μέχρι τώρα, επιτρέποντας τους φυσικούς να ελέγξουν την ισχύ των υποθέσεών τους και των θεωριών τους. Παρά τα όσα δημοσιεύθηκαν στα ΜΜΕ, η ενέργεια των συγκρούσεων στον LHC θα είναι περίπου 10⁷⁵ φορές μικρότερη από αυτήν της Μεγάλης Έκρηξης. Έτσι, οι φόβοι ότι μπορεί να συμβεί μια «Μικρή Έκρηξη», είναι αβάσιμοι.

Τα σωματίδια από τα οποία αποτελείται η ύλη: το καθιερωμένο πρότυπο

Από τα χρόνια των Ελλήνων φιλοσόφων, οι άνθρωποι αναρωτιούνται για το από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος μας. Είναι δυνατόν να εξηγηθεί η τεράστια ποικιλία των φυσικών φαινομένων –πετρώματα, φυτά, ζώα (συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου), σύννεφα, καταιγίδες, άστρα, πλανήτες και πολλά περισσότερα- με έναν απλό τρόπο; Οι θεωρίες και οι ανακαλύψεις των φυσικών κατά τη διάρκεια του προηγούμενου αιώνα μας έχουν δώσει μια απάντηση: κάθε τι στο Σύμπαν αποτελείται από έναν μικρό αριθμό δομικών λίθων που ονομάζονται στοιχειώδη σωματίδια και κυριαρχούνται από τέσσερις βασικές δυνάμεις. Όσα νομίζουμε ότι έχουμε καταλάβει για το πώς αυτά σχετίζονται μεταξύ τους, εμπεριέχονται στο καθιερωμένο πρότυπο (standard model) των σωματιδίων και των δυνάμεων (βλ. εικόνα). Developed in the early 1970s, it is now a well-tested theory of physics.

Υπάρχουν δυο είδη στοιχειωδών σωματιδίων: τα λεπτόνια και τα κουάρκ. Και τα δυο είναι σχεδόν σημειακά (με διαστάσεις όχι μεγαλύτερες από 10-19 m, το ένα δεκάκις χιλιοστό της διαμέτρου του ατόμου). Αποτελούν όλα μαζί μια ομάδα δώδεκα σωματιδίων, η οποία χωρίζεται σε τρεις οικογένειες, που καθεμιά τους αποτελείται από δυο λεπτόνια και δυο κουάρκ. Η βασική οικογένεια, που αποτελείται από ένα up-κουάρκ, ένα down-κουάρκ, ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο (τα δυο λεπτόνια) επαρκεί για να εξηγηθεί ο ορατός μας κόσμος. Τα οκτώ στοιχειώδη σωματίδια στις άλλες δυο οικογένειες δεν είναι σταθερά, και φαίνεται να διαφέρουν από αυτά της βασικής οικογένειας μόνο στο ότι έχουν μεγαλύτερη μάζα. Ενώ το βραβείο Νομπέλ του 2008 για τη Φυσική απονεμήθηκε για την εξήγηση του γιατί αυτά τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια θα έπρεπε να υπάρχουνw1, οι φυσικοί ακόμη προσπαθούν να εξηγήσουν γιατί υπάρχουν ακριβώς οκτώ από αυτά.

Το καθιερωμένο πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων. Κάντε κλικ για μεγέθυνση Χορηγία εικόνας από CERN

Τα στοιχειώδη σωματίδια μπορούν να «επικοινωνούν» μεταξύ τους με μέχρι και τέσσερις διαφορετικούς τρόπους, ανταλλάσοντας διαφορετικών τύπων σωματίδια «αγγελιοφόρους» (φορείς της αλληλεπίδρασης), τα οποία ονομάζονται μποζόνια (υπάρχει ένας τύπος από αυτά για καθένα από τα τέσσερα είδη αλληλεπίδρασης) και τα οποία μπορούμε να τα φανταστούμε σαν μικρά πακέτα ενέργειας με συγκεκριμένες ιδιότητες. Η εμβέλεια και η κλίμακα αυτών των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων (οι τέσσερις βασικές δυνάμεις) είναι υπεύθυνες για την ιεραρχία στην ύλη.

Από τρία κουάρκ συγκρατούμενα ενωμένα μεταξύ τους με την μικρής εμβέλειας ισχυρή αλληλεπίδραση αποτελούνται τα αδρόνια (σωματίδια που σχηματίζονται από κουάρκ) – τα πρωτόνια (δυο up- και ένα down- κουάρκ) και τα νετρόνια (ένα up- και δυο down- κουάρκ) του ατομικού πυρήνα. Τα up- κουάρκ έχουν ηλεκτρικό φορτίο +²/₃ , και τα down -¹/₃ , κάτι που εξηγεί το θετικό φορτίο των πρωτονίων και το ουδέτερο φορτίο των νετρονίων.

Πώς έλκονται τα ηλεκτρόνια από τον πυρήνα και σχηματίζεται το άτομο; Αφού τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια αρνητικό, έλκονται μεταξύ τους μέσω της μεγάλης εμβέλειας ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, αναγκάζοντας τα ελαφριά ηλεκτρόνια να κινούνται σε τροχιές γύρω από τους βαρύτερους πυρήνες. Μερικά άτομα μπορούν να σχηματίσουν μόρια, που αποτελούν την υλική βάση της ζωής.

Καθώς όλα αυτά τα σωματίδια έχουν μάζα, έλκονται επίσης μεταξύ τους μέσω της βαρύτητας – αλλά αυτή η μεγάλης εμβέλειας δύναμη, η τρίτη μορφή αλληλεπίδρασης, είναι τόσο ασθενής (περίπου 38 τάξεις μεγέθους ασθενέστερη από την ηλεκτρομαγνητική) που μπορεί να παίζει ρόλο μόνο όταν συγκεντρωθούν μαζί πολλά σωματίδια. Η συνδυασμένη βαρυτική έλξη όλων των πρωτονίων και των νετρονίων της Γης είναι αυτό που σας εμποδίζει να επιπλεύσετε στο διάστημα.

Τελικά, υπάρχει και η ασθενής αλληλεπίδραση (που στην πραγματικότητα είναι ισχυρότερη από τη βαρυτική αλλά η ασθενέστερη από τις υπόλοιπες τρεις) – με πολύ μικρή εμβέλεια, η οποία επιτρέπει το μετασχηματισμό των κουάρκ από έναν τύπο σε άλλον. Χωρίς τους μετασχηματισμούς αυτούς, δεν θα υπήρχε διάσπαση β, κατά την οποία ένα νετρόνια μετατρέπεται σε πρωτόνιο, π.χ. ένα down-κουάρκ μετατρέπεται σε ένα up-κουάρκ (σχετικά με τη διάσπαση β δείτε Rebusco et al, 2007). Επιπρόσθετα, ο Ήλιος δεν θα έλαμπε: τα άστρα αντλούν την ενέργεια που ακτινοβολούν μέσω της διαδικασίας της σύντηξης (για μια διεξοδικότερη εξήγηση, δείτε Westra, 2006), κατά την οποία ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο μέσω του μετασχηματισμού ενός up-κουάρκ σε down-κουάρκ – με άλλα λόγια, το αντίστροφο από τη διάσπαση β.

Αν και το καθιερωμένο πρότυπο έχει εξυπηρετήσει καλά τους φυσικούς, με την έννοια της κατανόησης των θεμελιωδών νόμων της Φύσης, δεν μας λέει όλη την ιστορία. Ένας αριθμός ερωτημάτων παραμένουν αναπάντητα και τα πειράματα στον LHC θα απαντήσουν σε κάποια από αυτά τα προβλήματα.

Ένα πρόβλημα «μάζας» - το πεδίο Higgs

Ο PeterHiggsεπισκέπτεται το πείραμα CMS, που μπορεί να βρει το ακαθόριστο μποζόνιο Higgs Χορηγία εικόνας από CERN

Ένα από τα ερωτήματα που ακόμη δεν έχουν απαντηθεί, είναι το εξής: γιατί τα σωματίδια (άρα και η ύλη) έχουν μάζα; Αν τα σωματίδια δεν είχαν μάζα, δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν δομές στο Σύμπαν, καθώς κάθε τι θα αποτελούνταν από ανεξάρτητα, χωρίς μάζα σωματίδια, που θα κινούνταν με την ταχύτητα του φωτός. Όμως, η μάζα των σωματιδίων, εισάγει μαθηματικά προβλήματα.

Τη δεκαετία του ’60 αναπτύχθηκε μια ιδέα για να εξηγήσει την ασθενή και την ηλεκτρομαγνητική δύναμη με την ίδια κοινή και ισχυρή θεωρία, η οποία περιέγραφε τον ηλεκτρισμό, το μαγνητισμό, το φως και μερικές μορφές ραδιενέργειας ως τις εκφάνσεις μιας δύναμης η οποία αποκαλούνταν –τι άλλο- ηλεκτρασθενής. Αλλά για να λειτουργεί μαθηματικά αυτή η ενοποίηση, απαιτούσε να έχουν μάζα τα σωματίδια-φορείς αυτής της αλληλεπίδρασης. Όμως, δεν ήταν σαφές το πώς θα μπορούσε μαθηματικά να έχουν μάζα αυτά τα σωματίδια. Έτσι, το 1964 οι φυσικοί Peter Higgs, Robert Brout και François Englert πρότειναν μια λύση για τον γρίφο αυτό. Πρότειναν ότι τα σωματίδια απόκτησαν τη μάζα μέσα από την αλληλεπίδραση με έναν αόρατο πεδίο δυνάμεων αποκαλούμενο πεδίο Higgs. Το σχετικό σωματίδιο-φορέας της επίδρασής του είναι γνωστό ως μποζόνιο Higgs. Το πεδίο επικρατεί σε όλο τον κόσμο: σε όσα σωματίδια αλληλεπιδρούν με αυτό (μπορούμε να φανταστούμε αυτήν την αλληλεπίδραση σαν ένα είδος τριβής) δίνεται μια ποσότητα μάζας. Όσο περισσότερο αλληλεπιδρούν, τόσο βαρύτερα γίνονται, ενώ τα σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν ποτέ με το πεδίο Higgs μένουν χωρίς καθόλου μάζα (δείτε το σχήμα).

Αυτή η ιδέα παρείχε έναν ικανοποιητικό τρόπο για να συνδυαστούν οι καθιερωμένες θεωρίες με τα παρατηρούμενα φαινόμενα. Το πρόβλημα είναι ότι κανένας δεν έχει ποτέ ανιχνεύσει αυτό το ακαθόριστο μποζόνιο. Η δυσκολία στην εύρεσή του (εάν πράγματι υπάρχει) είναι ότι η θεωρία δε μπορεί να προβλέψει τη μάζα του, έτσι πρέπει να αναζητηθεί μέσω της μεθόδου δοκιμής και λάθους.

Χρησιμοποιώντας συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας, οι φυσικοί δημιουργούν νέα σωματίδια - και ψάχνουν ανάμεσα σε αυτά για το μποζόνιο Higgs. Η αναζήτηση αυτή γινόταν κατά τα προηγούμενα 30 έτη, χρησιμοποιώντας ολοένα και υψηλότερες ενέργειες, αλλά το σωματίδιο δεν έχει βρεθεί ακόμη - πιθανώς οι ενέργειες που είχαν χρησιμοποιηθεί μέχρι τώρα δεν ήταν επαρκώς υψηλές. Όπως έχουν τα πράγματα, το σωματίδιο Higgs πρέπει να έχει μάζα τουλάχιστον 130 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του πρωτονίου. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η ενέργεια που παράγεται από τον LHC - επτά φορές μεγαλύτερη από αυτήν που χρησιμοποιήθηκε σε οποιεσδήποτε άλλες συγκρούσεις μέχρι τώρα - πρέπει να επαρκέσει για να ανιχνευθεί το μποζόνιο Higgs.

Ο μηχανισμός Higgs. Κάντε κλικ για μεγέθυνση Χορηγία εικόνας από CERN

Δυο από τα πειράματα στον LHC, τα επονομαζόμενα ATLAS και CMS, θα αναζητήσουν ίχνη από τη διάσπαση του σωματιδίου Higgs, το οποίο πιστεύεται ότι είναι πολύ ασταθές. Η απόδειξη της ύπαρξής του θα αποτελούσε ένα μεγάλο βήμα για τη σωματιδιακή φυσική, καθώς θα μπορεί να ολοκληρώσει την κατανόησή μας της ύλης. Αν όμως το μποζόνιο Higgs δεν βρεθεί, αυτό θα σημαίνει είτε ότι είναι βαρύτερο από όσο ο LHC μπορεί να ανιχνεύσει, ή απλώς ότι τελικά δεν υπάρχει. Σε αυτήν την περίπτωση, η θεωρία του Higgs θα αντικατασταθεί από μια από τις ανταγωνιστικές θεωρίες που έχουν προταθεί. Αλλιώς, οι θεωρητικοί φυσικοί θα πρέπει να σταλούν πίσω για να σκεφτούν μια νέα θεωρία που να εξηγεί την προέλευση της μάζας.

Αυτή η τροχιά αποτελεί ένα παράδειγμα προσομοίωσης δεδομένων για τον ανιχνευτή CMS. Εδώ, ένα μποζόνιο Higgsπαράγεται και διασπάται σε δυο δέσμες αδρονίων και δυο ηλεκτρόνια. Οι γραμμές αναπαριστούν τις πιθανές τροχιές των σωματιδίων που παράγονται κατά τη σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου στον ανιχνευτή, ενώ ποσότητες ενέργειας που αποθηκεύουν κατά τη διαδρομή τους αυτά τα σωματίδια, δείχνονται με το μπλε χρώμα Χορηγία εικόνας από CERN

Η σκοτεινή πλευρά του Σύμπαντος

Υπάρχει και ένα άλλο σημαντικό θέμα της σωματιδιακής φυσικής που το καθιερωμένο πρότυπο δεν μπορεί να εξηγήσει: πρόσφατες παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι ό,τι «βλέπουμε» στο Σύμπαν (άστρα, πλανήτες, σκόνη) δεν αποτελεί παρά μόνο το 4% της συνολικής του μάζας και ενέργειας (με τη μορφή ακτινοβολίας και πεδίων, όπως το πεδίο Higgs). Όμως, το μεγαλύτερο μέρος του Σύμπαντος αποτελείται από αόρατα συστατικά που δεν εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία – για αυτό και δεν μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε άμεσα με τηλεσκόπια ή με παρόμοια όργανα. Αυτά τα συστατικά αλληλεπιδρούν με την «κανονική» ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας και όχι με τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις. Συνεπώς, μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε μόνο μέσω των βαρυτικών αποτελεσμάτων, κάτι που καθιστά πολύ δύσκολη τη μελέτη τους. Αυτά τα μυστηριώδη συστατικά είναι γνωστά ως σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη (όπως συζητείται στα Warmbein, 2007, και Boffin, 2008).

Πρόσφατες παρατηρήσεις καταδεικνύουν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 26% του Σύμπαντος. Η πρώτη ένδειξη για την ύπαρξή της ήρθε το 1993, όταν αστρονομικές παρατηρήσεις και υπολογισμοί των βαρυτικών επιδράσεων αποκάλυψαν ότι θα έπρεπε να υπάρχουν περισσότερα «πράγματα» μέσα και γύρω από τους γαλαξίες, που τα τηλεσκόπια όμως δεν μπορούσαν να τα ανιχνεύσουν. Οι ερευνητές πιστεύουν τώρα όχι μόνο ότι η βαρυτική επίδραση της σκοτεινής ύλης κάνει τους γαλαξίες να περιστρέφονται πιο γρήγορα από το αναμενόμενο σύμφωνα με την παρατηρούμενη μάζα τους, αλλά και ότι το βαρυτικό πεδίο της σκοτεινής ύλης εκτρέπει το φως που προέρχεται από αντικείμενα που βρίσκονται πίσω του (βαρυτικοί φακοί: για μια σύντομη περιγραφή, δείτε Jørgensen, 2006). Αυτές οι επιδράσεις μπορούν να μετρηθούν και μετά να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της πυκνότητας της σκοτεινής ύλης, ακόμη και χωρίς να μπορούμε να την παρατηρήσουμε άμεσα. Αλλά τι είναι η σκοτεινή ύλη; Μια υπόθεση λέει ότι θα μπορούσε να αποτελείται από υπερσυμμετρικά σωματίδια - ένα υποτιθέμενο πλήρες σετ από σωματίδια, συζυγή αντίστοιχα για καθένα από τα δώδεκα σωματίδια που περιγράφει το καθιερωμένο πρότυπο (δείτε το διάγραμμα).

Σύνθετη εικόνα που δείχνει ένα «θαμπό δακτυλίδι» σκοτεινής ύλης στο σύμπλεγμα γαλαξιών Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Η φωτογραφία πάρθηκε με το Hubble Space Telescope Η εικόνα διατέθηκε από τη NASA, M. J. Jee και H. Ford (Johns Hopkins University); πηγή: Wikimedia Commons

Η ιδέα της υπερσυμμετρίας εισάγει το αξίωμα ότι για κάθε ένα γνωστό υλικό σωματίδιο και σωματίδιο-φορέα αλληλεπίδρασης (πχ το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο- το σωματίδιο- φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης) υπάρχει ένα υπερσυμμετρικό συζυγές (στην περίπτωση αυτή, το s-ηλεκτρόνιο και το φωτίνιο). Σε έναν υπερσυμμετρικό κόσμο, αυτά θα είχαν ακριβώς ίσες μάζες και ίσα φορτία με τα συζυγή τους στο καθιερωμένο πρότυπο, αλλά το σπιν τους (μετρημένο σε μονάδες της σταθεράς του Planck) θα διέφερε κατά ¹/₂. Τα υλικά σωματίδια κανονικά έχουν σπιν ¹/₂, ενώ τα σωματίδια-φορείς της αλληλεπίδρασης έχουν σπιν 1. Αλλάζοντας το σπιν κατά ¹/₂ θα μετέτρεπε τα υλικά σωματίδια σε φορείς της αλληλεπίδρασης και αντίστροφα.

Υπερσυμμετρία: για κάθε ένα από τα σωματίδια του καθιερωμένου πρότυπου, προϋποτίθεται ένα υπερσυμμετρικό συζυγές. Κάντε κλικ για μεγέθυνση Χορηγία εικόνας από CERN

Αλλά τι σχέση έχει η υπερσυμμετρία με τη σκοτεινή ύλη; Αν η θεωρία της υπερσυμμετρίας είναι σωστή, τότε θα έπρεπε να έχουν παραχθεί πολλά υπερσυμμετρικά σωματίδια κατά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα περισσότερα από αυτά θα ήταν ασταθή και θα είχαν διασπαστεί, αλλά τα πιο ελαφρά από τα υπερσυμμετρικά σωματίδια θα ήταν σταθερά. Και είναι αυτά τα πλέον ελαφριά υπερσυμμετρικά σωματίδια που μπορεί να παραμένουν στο Σύμπαν και να είναι συσσωρευμένα σχηματίζοντας μεγάλες σφαίρες σκοτεινής ύλης, οι οποίες πιστεύεται ότι αποτελούν τη «σκαλωσιά» για το σχηματισμό των γαλαξιών και των άστρων σε αυτούς.

Όμως, κανένα από αυτά τα υπερσυμμετρικά σωματίδια δεν έχει ανιχνευτεί ακόμη – ίσως επειδή οι μάζες τους είναι τόσο μεγάλες, πέρα από τις δυνατότητες των επιταχυντών με μικρότερη ισχύ από του LHC, όπως και το μποζόνιο του Higgs. Έτσι, αν υπήρχαν, ακόμη και το ελαφρύτερο από αυτά θα έπρεπε να είναι τόσο βαρύ: αντί να έχουν ίση μάζα με τα υπερσυμμετρικά συζυγή τους (όπως αρχικά είχε προταθεί), θα πρέπει να έχουν πολύ μεγαλύτερες μάζες. Η υπερσυμμετρία χρησιμοποιείται επίσης ως μια πιθανή εξήγηση για άλλους, περισσότερο πολύπλοκους γρίφους της σωματιδιακής φυσικής. Έτσι, αν κάποιο από τα πειράματα στον LHC μπορεί να ανιχνεύσει και να μετρήσει τις ιδιότητες τέτοιων σωματιδίων, αυτό θα σήμαινε μια σημαντική πρόοδο στην κατανόηση του Σύμπαντος.

Ο χαμένος αντι-κόσμος;

Τώρα έχουμε ακούσει για την ύλη, τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια – αλλά κατά τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος υπήρχαν πολλά περισσότερα: έχουμε λόγους να πιστεύουμε ότι σε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν είχε γεμίσει με ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Όταν ενέργεια μετατρέπεται σε σωματίδια, όπως στη Μεγάλη Έκρηξη ή σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, αυτά πάντα δημιουργούνται κατά ζεύγη, μαζί με τα αντισωματίδιά τους. Μόλις ένα αντισωματίδιο συναντήσει ένα σωματίδιο, εξαφανίζονται και η μάζα τους μετατρέπεται σε ενέργεια. Έτσι, κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, τόσο ύλη όσο και αντιύλη θα πρέπει να είχαν παραχθεί σε ίσες ποσότητες και στη συνέχεια αλληλοεξουδετερώθηκαν ολοσχερώς. Όμως, ενώ όλη η προερχόμενη από τη Μεγάλη Έκρηξη αντιύλη έχει εξαφανιστεί, ένα μικρό ποσό ύλης έχει παραμείνει στο τέλος αυτής της διαδικασίας; Από αυτή αποτελούμαστε εμείς σήμερα. Πώς μπορεί αυτό να έχει συμβεί;

Η αντιύλη είναι σαν μια κατοπτρική εικόνα της ύλης. Για κάθε σωματίδιο της ύλης, υπάρχει ένα αντισωματίδιο με ίση μάζα, αλλά με διαφορετικές ιδιότητες: για παράδειγμα, το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο έχει ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο που ονομάζεται ποζιτρόνιο. Η αντιύλη είχε προταθεί το 1928 από το φυσικό Paul Dirac. Αυτός ανάπτυξε μια θεωρία που συνδύαζε την κβαντομηχανική με την ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν για να περιγράψει τις αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων όταν αυτά κινούνταν με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Η βασική εξίσωση που βρήκε, αποδείχτηκε ότι είχε δυο λύσεις: μια για το ηλεκτρόνιο και μια που περιέγραφε ένα σωματίδιο με ίση μάζα (όσης και του ηλεκτρονίου) αλλά με θετικό φορτίο (αυτό που σήμερα γνωρίζουμε ως πρωτόνιο). Το 1932, βρέθηκαν τα απαιτούμενα στοιχεία για να αποδειχθεί ότι αυτή η θεωρία ήταν σωστή, όταν ανακαλύφθηκαν ποζιτρόνια που παράγονταν με φυσικό τρόπο από την κοσμική ακτινοβολία. Αυτή η ακτινοβολία, συγκρούεται σε υψηλές ενέργειες με σωματίδια στην ατμόσφαιρα της Γης: σε αυτές τις συγκρούσεις, δημιουργούνται ποζιτρόνια και αντιπρωτόνια ακόμη και σήμερα.

Χορηγία εικόνας από CERN

Για περισσότερο από τα τελευταία 50 χρόνια, εργαστήρια όπως το CERN παράγουν διαρκώς αντισωματίδια με συγκρούσεις και τα μελετούν, δείχνοντας με πολύ μεγάλη ακρίβεια ότι οι καταστατικές τους ιδιότητες (μάζα, φορτίο και μαγνητική ροπή) είναι πράγματι όμοιες με αυτές των συζυγών τους σωματιδίων. Το 1995, το CERN έγινε το πρώτο εργαστήριο που κατασκεύασε τεχνητά αντι-άτομα από αντιπρωτόνια και ποζιτρόνια.

Αν οι ποσότητες ύλης και αντιύλης ήταν αρχικά ίσες, γιατί δεν αλληλοεξουδετερώθηκαν πλήρως, αφήνοντας τίποτε άλλο παρά μόνο ακτινοβολία; Το γεγονός ότι η ύλη συνεχίζει να υπάρχει ενώ η αντιύλη όχι, υποδεικνύει ότι είχε συμβεί, στα πρώτα στάδια, μια ανισορροπία, αφήνοντας μια μικρή περίσσεια ύλης έναντι της αντιύλης. Από αυτό το υπόλοιπο είναι φτιαγμένα τα άστρα, οι γαλαξίες αλλά και εμείς. Οι φυσικοί σήμερα αναρωτιούνται για το πώς συνέβη αυτή η ανισορροπία.

Ένα από τα πειράματα του LHC (LHCb) στοχεύει στην καλύτερη κατανόηση του γιατί δεν είναι ορατή η υπερσυμμετρία, μέσω της μελέτης του ρυθμού διάσπασης των b κουάρκ – τα οποία ανήκουν στην τρίτη οικογένεια των κουάρκ (δείτε το διάγραμμα του καθιερωμένου πρότυπου) - και της σύγκρισής του με αυτούς των αντι-b κουάρκ. Είναι ήδη γνωστό ότι οι ρυθμοί διάσπασής τους είναι διαφορετικοί, αλλά ακριβέστερες μετρήσεις αναμένεται να δώσουν πολύτιμες πληροφορίες για τους ακριβείς μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από αυτή την ανισορροπία.

Η αρχική «σούπα»

Υποθέστε όμως ότι ήταν δυνατό να αντιστραφεί αυτή η διαδικασία του περιορισμού. Το καθιερωμένο πρότυπο προβλέπει ότι στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες, συνδυαζόμενες με πολύ μεγάλες πυκνότητες, τα κουάρκ και τα γκλουόνια θα υπήρχαν ελεύθερα σε μια νέα κατάσταση της ύλης, γνωστή ως πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, μια καυτή, πυκνή «σούπα» από κουάρκ και γκλουόνια. Μια τέτοια μετάβαση θα συμβεί όταν η θερμοκρασία υπερβεί τα 2000 δισεκατομμύρια βαθμούς - περίπου 100000 φορές ψηλότερη από ότι στον πυρήνα του Ήλιου. Για μερικά εκατομμυριοστά του δευτερόλεπτου, περίπου 10^-6 s μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία και η πυκνότητα στο Σύμπαν ήταν πράγματι αρκετά υψηλές ώστε ολόκληρο το Σύμπαν να βρισκόταν σε μια κατάσταση πλάσματος κουάρκ-γκλουονίων. Το πείραμα ALICE θα αναδημιουργήσει αυτές τις συνθήκες μέσα στον όγκο ενός ατομικού πυρήνα, και θα αναλύσει λεπτομερώς τα προκύπτοντα ίχνη για να εξετάσει την ύπαρξη του πλάσματος και να μελετήσει τα χαρακτηριστικά του.

Στο δεύτερο άρθρο (Landua, 2008), ο Rolf Landua περιγράφει την τεχνολογία του LHC και τα τέσσερα μεγάλα πειράματα, ATLAS, CMS, LHCb and ALICE.

Αναφορές

Boffin H (2008) “Intelligence is of secondary importance in research.” Science in School 10: 14-19. www.scienceinschool.org/2008/issue10/tamaradavis

Jørgensen, UG (2006) Are there Earth-like planets around other stars? Science in School 2: 11-16. www.scienceinschool.org/2006/issue2/exoplanet

Landua, R (2008) The LHC: a look inside. Science in School 10: 34-45. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow

Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion

Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80. www.scienceinschool.org/2007/issue5/jennylist

Westra MT (2006) Fusion in the Universe: the power of the Sun. Science in School 3: 60-62. www.scienceinschool.org/2006/issue3/fusion

Αναφορές στο διαδίκτυο

w1 – Το βραβείο Νομπέλ για τη Φυσική για το 2008 απονεμήθηκε από κοινού στον Yoichiro Nambu ‘για την ανακάλυψη του μηχανισμού του αυθόρμητου σπάσιμου της συμμετρίας στην υποατομική φυσική’ και στους Makoto Kobayashi και Toshihide Maskawa ‘για την ανακάλυψη της προέλευσης της σπασμένης συμμετρίας που προβλέπει την ύπαρξη τουλάχιστον τριών οικογενειών κουάρκ στη φύση’. Για περισσότερες λεπτομέρειες, δείτε: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/press.html

Πηγές

Περισσότερο υλικό για το καθιερωμένο πρότυπο και τα πειράματα στον LHC μπορούν να βρεθούν στο βιβλίο του Rolf Landua:

Landua R (2008) Am Rand der Dimensionen. Frankfurt, Germany: Suhrkamp Verlag

Στο δικτυακό τόπο της NASA υπάρχει μια καλή περιγραφή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_theory.html

Ο δικτυακός τόπος Particle Adventure παρέχει διδακτικές δραστηριότητες, καθώς και μια καλή εξήγηση του καθιερωμένου πρότυπου: http://particleadventure.org

Για περισσότερα σχετικά με το μποζόνιο Higg, δείτε:

Η Καρδιά της Ύλης: Μέσα στο CERN: www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html

Οι διαδραστικές σελίδες του NationalGeographic σχετικά με το μποζόνιο Higgs: http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/particle-interactive.html

Το αντίστοιχο άρθρο του NationalGeographic: http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/achenbach-text

Για να μάθετε περισσότερα για την αντιύλη, δείτε:

Το Live από το δικτυακό τόπου του CERN, που εξηγεί τι είναι η αντιύλη, από τι αποτελείται και πώς αποτελεί ήδη μέρος της ζωής μας: http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter

Ο δικτυακός τόπος του CERN, με πληροφορίες σχετικά με την ταινία AngelsandDemons και το επιστημονικό υπόβαθρο σχετικά με την ύλη και την αντιύλη: http://public.web.cern.ch/Public/en/Spotlight/SpotlightAandD-en.html

Ο επίσημος δικτυακός τόπος του κινηματογραφικού έργου AngelsandDemons: http://www.angelsanddemons.com

Μια δικτυακή πύλη για τους δέκα καλύτερους δικτυακούς τόπους σχετικούς με την αντιύλη: www.anti-matter.org

Ένα online βίντεο από το BBC/OU/VEGA που εξηγεί την αντιύλη: www.vega.org.uk/video/programme/14

Για μια εισαγωγή στην υπερσυμμετρία, δείτε: http://hitoshi.berkeley.edu/public_html/susy/susy.html

Για περισσότερα σχετικά με τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, δείτε:

Ένα πακέτο πολυμέσων για τη διδασκαλία της σκοτεινής ύλης, από το Perimeter Institute for Theoretical Physics: http://www.perimeterinstitute.ca/Perimeter_Explorations/
The_Mystery_of_Dark_Matter/The_Mystery_of_Dark_Matter

Ένα βίντεο σχετικά με στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη, παρμένο από το Hubble Space Telescope, στο δικτυακό τόπο Space.com: www.space.com/common/media
/video.php?videoRef=150407Dark_matter

Ένα βίντεο στο οποίο περιγράφεται η έρευνα της φυσικού Patricia Burchat για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια: www.ted.com/index.php/talks/
patricia_burchat_leads_a_search_for_dark_energy.html

Ένα άρθρο στο οποίο εξηγείται η σκοτεινή ενέργεια στο δικτυακό τόπο του PhysicsWorld: http://physicsworld.com/cws/article/print/19419

Για πληροφορίες σχετικά με το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, καθώς και ένα κόμικ (διαθέσιμο στην Αγγλική, Γαλλική, Ιταλική και Ισπανική γλώσσα) για τη «σούπα» των κουάρκ και γκλουονίων, δείτε στην παιδική γωνιά του δικτυακού τόπου του πειράματος ALICE: http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html

Ο Rolf Landua είναι επικεφαλής της εκπαίδευσης στο CERN, όπου εργάζεται από το 1980. Είναι Γερμανός φυσικός σωματιδίων, συνιδρυτής του Antimatter Factory στο CERN και επικεφαλής του πρότζεκτ ATHENA, το οποίο δημιούργησε εκατομμύρια από άτομα αντι-υδρογόνου το 2002. Είναι «σιωπηλά» διάσημος ως το μοντέλο για το χαρακτήρα του Leonardo Vetra, έναν φυσικό αντιύλης από το CERN που δολοφονείται στις πρώτες σελίδες του μπεστ σέλερ του Dan Brown με τίτλο Άγγελοι και Δαίμονες, το οποίο γυρίστηκε σε ταινία στο Χόλιγουντ και θα κυκλοφορήσει το Μάιο του 2009. Διδάσκει στο CERN σε καθηγητές φυσικής από όλη την Ευρώπη, είναι τακτικός συμπαρουσιαστής σε εκπομπές του ραδιοφώνου και της τηλεόρασης και έχει πρόσφατα εκδόσει ένα βιβλίο (στη Γερμανική γλώσσα) σχετικά με τη φυσική σωματιδίων στο CERN (Am Rand der Dimensionen, Στο όριο των Διαστάσεων, βλ. πηγές). Για τη δράση του σχετικά με τη διάδοση των φυσικών επιστημών στα σχολεία, έλαβε το βραβείο communication το 2003 από την European Physical Society.