Για ποιο λόγο το Σύμπαν είναι φτιαγμένο από ύλη και όχι αντιύλη; Η απάντηση ίσως είναι κρυμμένη στις λεπτές διαφορές μεταξύ ύλης και αντιύλης, τις οποίες οι επιστήμονες προσπαθούν να αποκαλύψουν με το μεγαλύτερο πείραμα όλων των εποχών, τον επιταχυντή LHC του CERN.
Μεγαλος αδρονικός επιταχυντής, το μεγαλύτερο πείραμα όλων των εποχών
Ο μεγάλος αδρονικός επιταχυντής (Large Hadron Collider, LHC) του CERN είναι ο ισχυρότερος και μεγαλύτερος σε μήκος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο. Πρόκειται για έναν υπόγειο δακτύλιο με περιφέρεια που φτάνει τα 27 χιλιόμετρα, μέσα στον οποίο επιταχύνονται, προς αντίθετη κατεύθυνση, δύο δέσμες σωματιδίων υψηλής ενέργειας, οι οποίες συγκρούονται αφού έχουν φτάσει ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Τα σωματίδια διατηρούνται σε κυκλική τροχιά με τη βοήθεια ισχυρών υπεραγώγιμων ηλεκτρομαγνητών, των οποίων η λειτουργία απαιτεί την ψύξη τους σε θερμοκρασίας περίπου -271 βαθμών Κελσίου (δηλαδή μόλις 2 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν). Η ακρίβεια της οδήγησης των σωματιδίων από το σύστημα των μαγνητών που βρίσκονται κατά μήκος τους δακτυλίου μπορεί να συγκριθεί με την σύγκρουση δύο βελόνων οι οποίες έχουν εκτοξευθεί από απόσταση 10 χιλιομέτρων μεταξύ τους και έχουν συναντηθεί ακριβώς στη μέση!
Οι κρούσεις των σωματιδίων που αποτελούν τις δύο δέσμες προγραμματίζεται να συμβούν σε συγκεκριμένες τοποθεσίες μέσα στον κυκλικό επιταχυντή, όπου βρίσκονται οι ανιχνευτές σωματιδίων της διάταξης, LHCb, ATLAS, ALICE και CMS. Ο καθένας από αυτούς τους ανιχνευτές αξιοποιείται για διαφορετικά πειράματα, με σκοπό τη μελέτη της σκοτεινής ύλης, της έρευνας γύρω από το μποζόνιο του Higgs, την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων, κλπ.
Για τις μελέτες που αφορούν τις ιδιότητες της αντιύλης χρησιμοποιείται ο ανιχνευτής LHCb, που παίρνει το όνομά του από τα αρχικά των λέξεων Large Hadron Collider beauty, επειδή προορίζεται για την ανίχνευση του “όμορφου κουαρκ” (beauty quark). Ο ανιχνευτής έχει μήκος 21 μέτρα, πλάτος 13, και ύψος 10, το βάρος του ξεπερνά τους πεντέμισι χιλιάδες τόνους και βρίσκεται τοποθετημένος περίπου εκατό μέτρα κάτω από το έδαφος, κοντά στο γαλλικό χωριό Ferney-Voltaire. Για το πείραμα LHCb συνεργάζονται εκατοντάδες επιστήμονες από δεκάδες ερευνητικά ινστιτούτα και πανεπιστήμια ανά τον κόσμο. Τι είναι, όμως, η αντιύλη και γιατί έχει τόσο μεγάλη σημασία η μελέτη της;
Ύλη και αντιύλη
Μια κοινή παρανόηση σχετικά με την αντιύλη είναι ότι αυτή αποτελείται από σωματίδια αρνητικής μάζας τα οποία σχετίζονται με αρνητική βαρύτητα. Στην πραγματικότητα, όσο εξωτικός και αν ακούγεται ο όρος κι όσο και αν έχει τροφοδοτήσει σενάρια επιστημονικής φαντασίας, η αντιύλη είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες.
Η ύπαρξη της προβλέφθηκε θεωρητικά το 1928, όταν ο Βρετανός φυσικός Paul Dirac, μελετώντας τις εξισώσεις που περιγράφουν τη σχετικιστική κίνηση του ηλεκτρονίου διαπίστωσε ότι οι λύσεις που προκύπτουν προβλέπουν την ύπαρξη αντι-ηλεκτρονίων, δηλαδή σωματιδίων ίδιας μάζας με τα ηλεκτρόνια αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Τα σωματίδια αυτά, που συνήθως ονομάζονται ποζιτρόνια, ανακαλύφθηκαν τελικά το 1932 από τον Anderson σαν αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης της κοσμικής ακτινοβολίας, δηλαδή της συνεχούς ροής σωματιδίων από το διάστημα, με την γήινη ατμόσφαιρα. Σύντομα ανακαλύφθηκαν τα αντισωματίδια και άλλων σωματιδίων όπως το αντί-πρωτόνιο και το αντί-νετρόνιο, ενώ μέσα στη δεκαετία του 1990 κατασκευάστηκε το πρώτο άτομο αντι-υδρογόνου, αποτελούμενο από έναν πυρήνα αντιπρωτονίου και ένα ποζιτρόνιο γύρω από αυτόν. Η επαφή ενός σωματιδίου με το αντίστοιχο αντισωματίδιό του οδηγεί στην αμοιβαία εξαϋλωση τους και την παραγωγή ενέργειας, κάτι που δυσκολεύει την κατασκευή βαρύτερων αντι-ατόμων.
Μια χαρακτηριστική εφαρμογή της αντιύλης είναι η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (Positron Emission Tomography - PET) η οποία χρησιμοποιείται για την απεικόνιση διαφόρων ιστών στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος.
Αντιύλη και η δημιουργία του Σύμπαντος
Παρά το “εξωτικό” όνομα και τους συνειρμούς που αυτό προκαλεί, τα σωματίδια της αντιύλης και οι αλληλεπιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν περιγράφονται πλήρως από το καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Ωστόσο, όπως συμβαίνει με όλες τις θεωρίες της φυσικής, δεν λείπουν τα αναπάντητα ερωτήματα. Ένα από αυτά, ίσως το σημαντικότερο, αφορά την ίδια την προέλευση του Σύμπαντος και τον τρόπο που η ύλη επικράτησε της αντιύλης.
Θεωρητικά, κατά τη δημιουργία του Σύμπαντος παράχθηκαν ίσα ποσά ύλης και αντιύλης. Ωστόσο οι παρατηρήσεις μας δείχνουν ότι το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από ύλη και όχι αντιύλη. Αν και οι παρατηρούμενες ιδιότητες ενός γαλαξία ή αστέρα αντιύλης θα ήταν ίδιες με αυτές ενός “κανονικού” γαλαξία ή αστέρα, η ύπαρξη εκτεταμένων περιοχών αντιύλης δεν φαίνεται να είναι πιθανή για την ώρα. Σε αντίθετη περίπτωση, θα παρατηρούνταν περιστασιακή εκπομπή ακτίνων-γ λόγω γεγονότων εξαύλωσης στις περιοχές γειτνίασης με την «κανονική» ύλη.
Για ποιο λόγο όμως το Σύμπαν δεν είναι φτιαγμένο από αντιύλη; Αν οι αρχικές ποσότητες ύλης και αντιύλης ήταν ίδιες, τότε για ποιο λόγο το Σύμπαν υπάρχει και δεν εξαφανίστηκε σε μια, κυριολεκτικά, αστραπιαία λάμψη κατά τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας, από την εξαΰλωση των σωματιδίων με τα αντισωματίδιά τους; Παρόλο που οι περισσότεροι φυσικοί νόμοι είναι ίδιοι για την ύλη και την αντιύλη (συμμετρία φορτίου-ομοτιμίας ή συμμετρία CP), γνωρίζουμε πως κάποιες διαδικασίες δεν τηρούν αυτή τη συμμετρία. Επομένως η απάντηση αναζητείται σε μηχανισμούς που θα μπορούσαν να έχουν οδηγήσει, κατά τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, στην παραγωγή πλεονάσματος ύλης, η οποία να εξηγεί την παρατηρούμενη ποσότητα βαρυονικής ύλης.
Ένα ακόμα βήμα στην κατανόηση της αντιύλης
Όπως γνωρίζουμε από το καθιερωμένο πρότυπο, τα σωματίδια της ύλης, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια (όχι όμως τα ηλεκτρόνια) αποτελούνται από κουαρκ. Υπάρχουν έξι είδη κουαρκ, που ονομάζονται γεύσεις (up, down, charm, strange, top, bottom) και έξι αντι-κουαρκ. Τα “up” και “down” είναι τα συστατικά των νετρονίων και των πρωτονίων ενώ σε συνδυασμούς μπορούν να δημιουργήσουν διάφορα είδη σωματιδίων με ενδιαφέρουσες ιδιότητες.
Τέτοια σωματίδια είναι και τα μεσόνια, που αποτελούνται από ένα κουαρκ και ενα αντι-κουαρκ. Μια παραβίαση της συμμετρίας CP παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1964 σε σωματίδια που ονομάζονται K0-μεσόνια ή (ουδέτερα) καόνια ενώ παρόμοια συμπεριφορά έχει εντοπιστεί και σε άλλα σωματίδια από τότε, όπως τα μεσόνια Β0s, B0 και D0 Τα μεσόνια αυτά έχουν την ιδιότητα να μετατρέπονται περιοδικά στο αντισωματίδιό τους και επειδή είναι ασταθή, διασπώνται δίνοντας άλλα πιο ευσταθή σωματίδια. Λόγω της ταλάντωσής τους, η διάσπασή τους μπορεί να συμβεί είτε όταν βρίσκονται υπό τη μορφή σωματιδίου ή αντισωματιδίου, και η διαδικασία διαφέρει ελαφρώς στις δύο καταστάσεις. Αυτό σημαίνει ότι σε μια δέσμη από τα συγκεκριμένα μεσόνια, ο ρυθμός διάσπασης ενδεχομένως να μεταβάλλεται με το χρόνο, αναλόγως με την κατάσταση στην οποία βρίσκονται αυτά τα σωματίδια.
Την ιδιότητα αυτών των μεσονίων εκμεταλλεύτηκε η ομάδα του LHCb σε μια προσπάθεια να εντοπίσει και να κατανοήσει τις διαφορές μεταξύ των διασπάσεων στις δυο αυτές καταστάσεις. Οι διαφορές αυτές θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν σε μια καλύτερη κατανόηση των ασυμμετριών μεταξύ ύλης και αντιύλης. Πιο συγκεκριμένα, η ομάδα μελέτησε τις διασπάσεις των μεσονίων Β0s, τα οποία δημιουργούνταν από συγκρουόμενες δέσμες πρωτονίων. Τα μεσόνια αυτά ταλαντώνονται μεταξύ ύλης και αντιύλης 3 τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο ενώ με τις ίδιες δέσμες παρήγαγαν και τα αντίστοιχα αντιμεσόνια τους, ώστε να συγκρίνουν τις συμπεριφορές τους. Με τη βοήθεια του LHCb η ομάδα μέτρησε τον αριθμό των διασπάσεων που παρατηρήθηκαν για τις δύο ομάδες σωματιδίων και παρατήρησε ότι ο ρυθμός διάσπασης εξαρτάται από τη φάση της ταλάντωσης και είναι μεγαλύτερος για τα σωματίδια Β0s έναντι αυτού των αντισωματιδίων τους. Το πείραμα κατέστησε, επίσης, δυνατό να μετρηθεί το μέγεθος της διαφοράς, προσφέροντας ένα εργαλείο με το οποίο μπορεί να εκτιμηθεί η πιθανή συνεισφορά τέτοιων ασυμμετριών μεταξύ ύλης και αντιύλης στην ποσότητα της βαρυονικής ύλης που παρατηρείται σήμερα στο Σύμπαν. Με αυτό τον τρόπο το συγκεκριμένο πείραμα δεν αποτελεί απλώς ένα σημαντικό αποτέλεσμα στις μελέτες που αφορούν τις διαφορές μεταξύ ύλης και αντιύλης αλλά ανοίγει και νέους δρόμους ελέγχου των καθιερωμένων θεωριών μας και των προτεινόμενων μηχανισμών που μπορούν να εξηγήσουν για πιο λόγο το Σύμπαν μας είναι φτιαγμένο κυρίως από ύλη.
Πηγές
https://home.cern/news/news/physics/lhcb-sees-new-form-matter-antimatter-asymmetry-strange-beauty-particles
https://theconversation.com/cern-discovery-sheds-light-on-the-great-mystery-of-why-the-universe-has-less-antimatter-than-matter-147226
Πηγή: cds.cern.ch
Πηγή: Wikimedia Commons
