Ας φανταστούμε για λίγο έναν τερματοφύλακα που από τη δική του άκρη του γηπέδου στέλνει την μπάλα μέχρι την απέναντι περιοχή. Δίπλα του στέκεται μια μυστήρια φιγούρα που σημειώνει τις κινήσεις του, τη φόρα που πήρε, τον τρόπο χτυπήματος κ.λπ. Στη συνέχεια ανακοινώνει όχι μόνο πόσα μέτρα μακριά θα φτάσει η μπάλα, αλλά και το σημείο που θα αγγίξει το έδαφος με ακρίβεια ενός δέκατου της τρίχας. Επόπτες τρέχουν με μετρητές λέιζερ, συμβολόμετρα και συναφή και ανακοινώνουν γρήγορα το αποτέλεσμα. Ο άγνωστος είχε δίκιο, όπως και κάθε προηγούμενη φορά.
Παρόμοια είναι η κατάσταση που διαδραματίζεται με το Καθιερωμένο Πρότυπο, το μπαρόκ θεωρητικό οικοδόμημα που περιγράφει τη λειτουργία του σύμπαντος στη μικρότερη δυνατή κλίμακα: αυτή των υποατομικών σωματιδίων και των βασικών δυνάμεων της φύσης. Ο βαθμός συμφωνίας των υπολογισμών του με τα πειραματικά αποτελέσματα το έχει οδηγήσει στη θέση της πιο επιτυχημένης επιστημονικής θεωρίας στην Ιστορία - σε κάποιες περιπτώσεις αγγίζει ακρίβεια εννέα δεκαδικών ψηφίων, όπως στο ποδοσφαιρικό σενάριό μας, και η πληθώρα των προβλέψεών του δικαιώνεται εδώ και δεκαετίες από όλο και ακριβέστερα και πιο εμπνευσμένα πειράματα.
Η ανακάλυψη του τελευταίου από τα σωματίδια που προέβλεπε το Πρότυπο, του μποζόνιου του Χιγκς, ήταν το επιστέγασμα μιας πλήρως αυτοσυνεπούς περιγραφής της πραγματικότητας. Ταυτόχρονα, όμως, δεν ήταν λίγοι οι φυσικοί που έμειναν δυσαρεστημένοι, αφού τυχόν αιφνιδιαστικά ευρήματα θα είχαν δείξει τρόπους να εξελιχθεί περαιτέρω η θεωρία. Παρ’ όλα αυτά, ίσως και να μην χρειάζονται νέα ευρήματα: μιλάμε πραγματικά για ένα “μπαρόκ οικοδόμημα”, καθώς τμήματά του προστέθηκαν σταδιακά για να περιγράψουν εκ των υστέρων απρόσμενες πειραματικές διαπιστώσεις. Κι αυτό σημαίνει πως κάποια από τα πιο αινιγματικά προβλήματα της σημερινής Φυσικής παραμονεύουν ήδη στην καρδιά του Καθιερωμένου Πρότυπου.
Αιφνιδιαστικά σωματίδια
Χαρακτηριστική περίπτωση είναι οι λεγόμενες “ταλαντώσεις των νετρίνων”. Τα υποατομικά αυτά σωματίδια παράγονται από ραδιενεργές διασπάσεις και είναι περίφημα για το ότι διασχίζουν κατά δισεκατομμύρια ολόκληρη τη Γη χωρίς να σταματήσουν, περνώντας άνετα ανάμεσα στα άτομα της ύλης. Το κλειδί για την ανίχνευσή τους είναι ότι με τόσο μεγάλα πλήθη κάποια θα συμβεί να πέσουν εντέλει πάνω σε άτομα, σπρώχνοντας απότομα έναν μικρό αριθμό ηλεκτρονίων έξω από τη θέση τους ή αλλάζοντας τη σύσταση πυρήνων.
Έτσι ακριβώς έγινε το 1970 στην Αμερική η πρώτη συστηματική ανίχνευση ηλιακών νετρίνων από τον πρωτοπόρο Ray Davis. Μαζί με δύο συνεργάτες γέμιζαν μια δεξαμενή με 600 τόνους διαλύτη και μετρούσαν τη ραδιενέργεια από “πειραγμένους” πυρήνες. Η δουλειά τους επιβεβαίωσε τις αντιδράσεις δημιουργίας νετρίνων στον Ήλιο, άνοιξε τον δρόμο για τα κατοπινά πειράματα, αλλά άφησε και τις πρώτες υπόνοιες για το ότι κάτι περίεργο συνέβαινε: από τότε και με κάθε καινούργιο πείραμα γίνεται ολοένα και πιο φανερό ότι ο Ήλιος μάς στέλνει μόνο το ένα τρίτο των νετρίνων που περιμέναμε.
Το “μυστήριο των εξαφανισμένων νετρίνων” διευθετήθηκε οριστικά μόλις το 2001 από το καναδικό πείραμα SNO και το ιαπωνικό SuperKamiokande και αρκετούς θεωρητικούς φυσικούς που συνέβαλαν στην εξήγησή του: υπάρχουν τρεις ποικιλίες νετρίνων και καθένα αλλάζει με τον χρόνο την ταυτότητά του από τη μία στην άλλη. Αν ένα πείραμα είναι ευαίσθητο σε μία από αυτές, θα δει περίπου το ένα τρίτο από όσα υπολόγιζε.
Η ύπαρξη τριών ποικιλιών δεν αποτέλεσε ιδιαίτερη έκπληξη, καθώς το ίδιο συμβαίνει και με άλλα σωματίδια. Η συστηματική αλλαγή όμως του ίδιου σωματίδιου από ένα είδος σε άλλο χωρίς εξωτερική παρέμβαση παραμένει ένα αίνιγμα. Το Καθιερωμένο Πρότυπο τροποποιήθηκε έτσι ώστε να περιγράφει τις “ταλαντώσεις” επιτυχημένα, αλλά δεν προσφέρει μια ερμηνεία τους. Η προσπάθεια βέβαια δεν σταματά.
Τα σχετικά πειράματα γίνονται όλο και πιο εξεζητημένα, με κάποια να χρησιμοποιούν πυρηνικούς σταθμούς σαν πηγή νετρίνων, ενώ άλλα να στρέφονται στη θάλασσα ή στους παγετώνες για να αυξήσουν τον όγκο που παρακολουθούν, όπως το IceCube, το “παγάκι” με μήκος κάθε πλευράς του το 1 χιλιόμετρο, ένα κυβικό πλέγμα ανιχνευτών που καταγράφουν το πέρασμα των νετρίνων βυθισμένοι στον πάγο της Ανταρκτικής.
Αιφνιδιαστικές δυνάμεις
Το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν προσφέρει μια απλή λίστα δομικών λίθων του κόσμου, αλλά, πολύ περισσότερο, την περιγραφή της συμπεριφοράς τους, του πώς αλληλεπιδρούν μέσω των βασικών δυνάμεων στη φύση - του ηλεκτρομαγνητισμού, της ασθενούς πυρηνικής δύναμης που ελέγχει τη ραδιενέργεια και της ισχυρής πυρηνικής που σχηματίζει τους ατομικούς πυρήνες. (Η βαρύτητα δεν διαθέτει προς το παρόν περιγραφή σε επίπεδο σωματιδίων). Και τα ανοιχτά ζητήματα επεκτείνονται και σ’ αυτές.
Το 1957 η Chieng-Shiung Wu στο Πανεπιστήμιο Columbia αποφάσισε να ελέγξει πειραματικά μια υποψία των θεωρητικών Tsung-Dao Lee και Chen-Ning Yang που στους υπόλοιπους ακαδημαϊκούς ακουγόταν τετριμμένη, οπότε ανακάλυψε με έκπληξη ότι κάποιες ραδιενεργές διασπάσεις δεν συμβαίνουν με τον ίδιο τρόπο όταν τα σωματίδια αντιστραφούν σαν σε καθρέφτη. Η φύση, και συγκεκριμένα η ασθενής πυρηνική δύναμη, κάνει διάκριση ανάμεσα στη δεξιά και την αριστερή φορά.
Η συνέχεια, με πειράματα που συνεχίζονται μέχρι σήμερα, οδήγησε στη βαθύτερη διαπίστωση ότι αυτή η ασυμμετρία συνδέεται με διαφορετική “αντιμετώπιση” της αντιύλης. Σ’ αυτό το σημείο έπαψε να αποτελεί ένα απλό αξιοπερίεργο που το Καθιερωμένο Πρότυπο και πάλι ενσωμάτωσε στην περιγραφή του, αλλά έγινε πρωταγωνιστής σε ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά προβλήματα: γιατί το σύμπαν είναι φτιαγμένο από ύλη, ενώ θα ήταν αναμενόμενη η δημιουργία ίσων ποσών αντιύλης στη Μεγάλη Έκρηξη; Γιατί υπάρχουν άστρα και πλανήτες αντί η ύλη και η αντιύλη να έχουν εξαϋλωθεί αμοιβαία;
Μια εύλογη απάντηση θα προσφερόταν αν οι νόμοι της Φυσικής αλλάζουν όταν αφορούν την αντιύλη. Καθώς αυτό συμβαίνει με την ασθενή πυρηνική, εκεί βρίσκεται η ιδιαίτερη σημασία αυτής της ασυμμετρίας.
Η απάντηση είναι όμως ακόμα μακριά. Η «παραβίαση» έχει βέβαια παρατηρηθεί σε πολλά είδη διασπάσεων, χρησιμοποιώντας τη δυνατότητα των επιταχυντών να παράγουν μια πληθώρα σωματιδίων (και επιτρέποντας στο LHCb στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN να είναι το κυριότερο σχετικό πείραμα σήμερα). Ταυτόχρονα όμως έχει γίνει φανερό ότι η έντασή της δεν είναι αρκετή για να εξηγήσει το έλλειμμα αντιύλης.
Σ’ αυτό το σημείο τα νετρίνα εμφανίζονται σαν ξαφνικός σύμμαχος. Οι ταλαντώσεις τους υπαινίσσονται ιδιότητες που κάνουν πιθανή την παραβίαση και σ’ αυτά, συμπληρώνοντας ίσως το έλλειμμα. Το βάρος πέφτει πλέον σε πειράματα που εστιάζουν στις ιδιότητές τους, όπως το GERDA στην Ιταλία, που προσπαθεί να μάθει αν το νετρίνο είναι το αντισωματίδιο του εαυτού του κοιτάζοντας για νέα είδη διασπάσεων σε μεγάλες ποσότητες ραδιενεργού υλικού.
Απόκλιση στο άγνωστο
Όταν το Καθιερωμένο Πρότυπο ενσωματώνει τα εγγενή ανοιχτά ζητήματά του, γίνεται, ας επαναληφθεί, μια εξαιρετικά επιτυχημένη θεωρία ως προς τις μαθηματικές προβλέψεις της. Μάλιστα με τόση ακρίβεια, ώστε μόλις το 2001 η τεχνολογία επέτρεψε να δούμε για πρώτη και μοναδική φορά μια απόκλιση από αυτές.
Λόγω του μεγέθους τους, τα στοιχειώδη σωματίδια ανήκουν στο βασίλειο της Κβαντομηχανικής, της θεωρίας που στις αρχές του 20ού αιώνα αποκάλυψε ότι οι κανόνες λειτουργίας σε πολύ μικρές αποστάσεις διαφέρουν ριζικά από ό,τι στις ανθρώπινες κλίμακες.
Ανάμεσα σε άλλα, με την Κβαντομηχανική διαπιστώθηκε ότι ο “κενός” χώρος ουσιαστικά βρίθει από σωματίδια που υλοποιούνται για εξαιρετικά σύντομα χρονικά διαστήματα. Η αλληλεπίδρασή τους με τα κανονικά σωματίδια αφήνει όμως την επιρροή της, για παράδειγμα αλλάζοντας το μαγνητικό πεδίο που δημιουργούν όσα σωματίδια έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Και στο μαγνητικό πεδίο του λεγόμενου μιονίου ήταν που βρέθηκε η μοναδική πιθανή απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Η μέτρηση έγινε από το πείραμα Ε821 στο αμερικάνικο εργαστήριο Brookhaven, ενώ από πέρυσι επαναλαμβάνεται στο Muon g-2 του Fermilab (και, όπως και τα άλλα σύγχρονα πειράματα που αναφέρθηκαν, είναι κοινοπραξία αρκετών χωρών και εκατοντάδων ατόμων). Οι μετρήσεις γίνονται θέτοντας μιόνια σε κυκλική πορεία μέσα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο και καταγράφοντας την “κίνηση σβούρας” που πραγματοποιούν. Έτσι αποκαλύπτουν τις λεπτομέρειες του δικού τους πεδίου και προσφέρουν πρόσβαση σε τυχόν άγνωστα σωματίδια έστω και μέσω της παροδικής τους μορφής.
Το Muon g-2 θα χρειαστεί ακόμα έναν χρόνο συλλογής δεδομένων μέχρι να ανακοινώσει αποτελέσματα, τα οποία, μάλλον χωρίς άδικο, πολλοί περιμένουν με ανυπομονησία.
Το ότι τα ανοιχτά ζητήματα του Καθιερωμένου Πρότυπου έχουν ενσωματωθεί σ’ αυτό λειτουργικά δεν σημαίνει και πως θα μείνουν αναπάντητα και ο λόγος δεν είναι μόνο η συστηματική μελέτη τους. Η ύπαρξή τους ίσως δείχνει ότι, με μια κατάλληλη ώθηση, το Πρότυπο είναι έτοιμο να σπάσει προς μια πιο πλήρη θεωρία, όπως συνέβη κάθε φορά που τα φυσικά μοντέλα έφταναν στο στάδιο της ερμητικής επιτυχίας.
Η επόμενη γενιά
Το πεδίο των στοιχειωδών σωματιδίων δεν έχει να κάνει μόνο με την απάντηση θεμελιωδών ερωτήσεων και με τεχνολογίες αιχμής, αλλά πατάει γερά και στον ρεαλισμό της εύρεσης πόρων. Σε λιγότερο από έναν χρόνο ο φορέας Ευρωπαϊκής Στρατηγικής για τη Φυσική Σωματιδίων θα κληθεί να προτείνει τις κύριες κατευθύνσεις χρηματοδότησης σε βάθος δύο δεκαετιών. Η απόφαση θα παρθεί ουσιαστικά ανάμεσα σε έναν μελλοντικό επιταχυντή, αρκετά ισχυρότερο από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN, ή σε περισσότερα μικρότερα πειράματα.
Και οι δύο τάσεις έχουν υποστηρικτές που βλέπουν την καθεμία ως τον τρόπο να οδηγηθεί μπροστά η Σωματιδιακή Φυσική. Ένας ισχυρότερος επιταχυντής θα επέτρεπε την ανακάλυψη άγνωστων μέχρι στιγμής σωματιδίων, αν αυτά υπάρχουν, και καλύτερη μελέτη του “νεοφερμένου” Χιγκς. Μικρότερα πειράματα με χρήση ποικίλων τεχνικών θα εστίαζαν σε πτυχές της υπάρχουσας θεωρίας που δεν έχουν ερμηνευθεί.
Φυσικά η μία επιλογή δεν θα εξαλείψει την άλλη (τις τελευταίες δεκαετίες λειτουργούν δεκάδες πειράματα και των δύο κατηγοριών). Αλλά ίσως η απόφαση να είναι καθοριστική για έναν κλάδο όπου αυτή τη στιγμή το επόμενο μεγάλο βήμα αναμένεται να έρθει από νέα πειραματικά, παρά θεωρητικά, ευρήματα.
Ελένη Πετράκου,
Διδάκτορας Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων
