Αλμα στη μελέτη του Σύμπαντος με άρωμα Νομπέλ

Ένα παράθυρο στο μέλλον άνοιξαν επιστήμονες του CERN, οι οποίοι παρατηρώντας για πρώτη φορά μια ασυμμετρία στη διάσπαση βαρυονίων απέκτησαν ένα ακόμη όπλο απέναντι στο ερώτημα της δυσαναλογίας ύλης και αντιύλης μετά το Big Bang.

«Κάποιος άγνωστος μηχανισμός θα μπορούσε να έχει επηρεάσει (τη στιγμή της δημιουργίας τους) τα “ταλαντευόμενα” (ακόμη) σωματίδια, προκαλώντας τη διάσπαση μιας μικρής πλειοψηφίας τους ως ύλης (και όχι ως αντιύλης). Οι φυσικοί μπορούν να βρουν ενδείξεις για το τι μπορεί να είναι αυτή η διαδικασία μελετώντας τις ανεπαίσθητες διαφορές στη συμπεριφορά των σωματιδίων ύλης και αντιύλης που δημιουργούνται σε συγκρούσεις πρωτονίων υψηλής ενέργειας στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC)».

Τα παραπάνω είναι από πρόσφατη ανακοίνωση του CERN προς τα μέσα ενημέρωσης όλου του κόσμου. Η ανακοίνωση ήρθε ως συνοδευτική του σχετικού ερευνητικού άρθρου το οποίο δημοσιεύτηκε στις 23 Ιουλίου στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό «Nature». Σε πρώτη προσέγγιση φαίνεται να είναι κάτι απόμακρο, μόνο για ειδικούς, αλλά γρήγορα έγινε αντιληπτό, τουλάχιστον στο εξωτερικό, πως κάτι πολύ σημαντικό είχε αποκαλυφθεί. Για αυτό και δημιουργήθηκε παγκόσμιο ενδιαφέρον σχετικά με το επίτευγμα της επιστημονικής ομάδας, της συσπειρωμένης γύρω από τον σταθμό παρατήρησης στοιχειωδών σωματιδίων LHCb, τον συνδεδεμένο με τον δακτύλιο του CERN.

Μέσα στην πολυπληθή αυτή ερευνητική ομάδα είναι και ένας Ελληνας, ο δρ Αντώνης Παπανέστης, φυσικός επιστήμονας στο Science and Technology Facilities Council (STFC), που με τη σειρά του είναι μέρος του UK Research and Innovation (UKRI) της Αγγλίας. Σε τακτά χρονικά διαστήματα ο έλληνας ερευνητής επισκέπτεται το CERN για τη διενέργεια των πειραμάτων. Αυτή η κατά κάποιον τρόπο νομαδική ζωή είναι κοινή πρακτική για τους προερχόμενους από κάθε σημείο του πλανήτη επιστήμονες που συμμετέχουν στα πειράματα. Και φυσικά η καθημερινότητά τους ορίζεται από τους κύκλους του επιταχυντή και τις αλλαγές βάρδιας.

Είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι όταν αναζητήσαμε τον δρα Παπανέστη για να μάθουμε από πρώτο χέρι τις πραγματικές διαστάσεις αυτής της ανακοίνωσης, τον προλάβαμε λίγο πριν «καταδυθεί» για τρία συνεχόμενα 24ωρα στον LHCb. Διότι η συλλογή δεδομένων γίνεται αδιάλειπτα σε 3 οκτάωρες βάρδιες (07.00, 15.00, 23.00) με δύο άτομα σχεδόν μόνιμα στην αίθουσα ελέγχου. Ο ρόλος του συνομιλητή μας είναι να φροντίζει κυρίως για την ύπαρξη συνοχής από τη μια βάρδια στην επόμενη, γι’ αυτό και είναι παρών οπωσδήποτε στις αλλαγές. Αλλά καθώς στη βάρδιά του έτυχε να επικρατήσουν ασυνήθιστες συνθήκες λειτουργίας, βρέθηκε στην αίθουσα ελέγχου ακόμη και για 12 με 15 ώρες την ημέρα. Οπως όμως ισχυρίζεται, «η ατμόσφαιρα είναι πολύ φιλική και ευχάριστη και πάντα χαίρομαι να βλέπω τους συναδέλφους μου».

Ο δρ Αντώνης Παπανέστης υπογραμμίζει την ομαδική δουλειά που γίνεται στο CERN: «Το γεγονός ότι έχουμε έναν φανταστικό ανιχνευτή για τη συλλογή των δεδομένων είναι αποτέλεσμα της συνεργασίας όλων, από τους καθηγητές και τους φοιτητές μέχρι τους τεχνικούς, μηχανικούς και προγραμματιστές»

Συλλογική προσπάθεια

Τα μέλη της ομάδας που συμμετείχαν άμεσα στην επεξεργασία των δεδομένων για αυτή τη εντυπωσιακή δημοσίευση είναι περίπου 10. Τυπικός αριθμός για την καθεμία από τις 700 και πλέον δημοσιεύσεις από τα πειράματα που γίνονται στον LHCb. Οπως μας τόνισε, όμως, «καθεμία από αυτές τις δημοσιεύσεις έχει συγγραφείς όλα τα ενεργά μέλη του πειράματος (περίπου 1.200), καθώς το γεγονός ότι έχουμε έναν φανταστικό ανιχνευτή για τη συλλογή των δεδομένων είναι αποτέλεσμα της συνεργασίας όλων, από τους καθηγητές και τους φοιτητές μέχρι τους τεχνικούς, μηχανικούς και προγραμματιστές».

Πριν φθάσουμε στον πυρήνα της συγκεκριμένης δημοσίευσης, επειδή τα αποτελέσματα αυτά προέκυψαν από τωρινή επεξεργασία παλαιότερων μετρήσεων (2011-2018 περίπου), τον ρωτήσαμε σε τι μορφή ήταν τα δεδομένα και πώς γίνεται η αξιοποίησή τους.

«Ο σταθμός παρατήρησης LHCb (το b έχει να κάνει με το ότι οι περισσότερες μετρήσεις γίνονται με σωματίδια που περιέχουν το κουάρκ χαμηλό – b – που ονομάζεται και bottom ή beauty) ξεκίνησε τη λειτουργία του το 2010 μαζί με τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Τα “γεγονότα” (δηλαδή, οι συγκρούσεις πρωτονίων) που κατέληξαν σε αυτή τη δημοσίευση είναι πολύ σπάνια. Ο επιταχυντής παράγει συγκρούσεις με ρυθμό 40 εκατομμύρια το δευτερόλεπτο και στα 7 χρόνια λειτουργίας συνολικά μαζέψαμε λίγες δεκάδες χιλιάδες ενδιαφέροντα “γεγονότα” για τη συγκεκριμένη μελέτη. Τα δεδομένα καταγράφονται σε δίσκους και ταινίες και είναι διαθέσιμα για ανάλυση, αφού περάσουν από διάφορα φίλτρα κατάλληλα για την κάθε μέτρηση που θέλουμε να κάνουμε».

Η συγκεκριμένη μέτρηση έγινε με σωματίδια Λάμδα και η ανάλυση των δεδομένων έδειξε ότι ο ρυθμός διάσπασης των σωματιδίων Λάμδα_b στα σωματίδια πρωτόνιο (p), καόνιο (K−), και πιόνια (π+π−) είναι διαφορετικός της διάσπασης όταν αλλάζουν όλα τα σωματίδια σε αντισωματίδια (δηλαδή, αντι-Λάμδα_b σε p(bar), K+ και π–π+). Οπως μας διευκρίνισε, «ορίζουμε ως ασυμμετρία το κλάσμα με αριθμητή τη διαφορά των δύο ρυθμών διάσπασης και παρονομαστή το άθροισμά τους. Στην περίπτωση που οι δύο ρυθμοί διάσπασης είναι ίσοι, η ασυμμετρία θα είναι μηδέν».

Η ασυμμετρία που προέκυψε όμως με τα δεδομένα του πειράματος όχι μόνο δεν ήταν μηδέν, αλλά βρέθηκε να είναι τόσο μεγάλη ώστε να σηματοδοτεί αξιοπρόσεκτη παραβίαση της συμμετρίας CP σε βαρυόνια, την πρώτη που έχει παρατηρηθεί σε αυτό το είδος σωματιδίων.

Συμπαντικά μυστήρια

Μέχρι τη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί πίστευαν ότι υπήρχε κάτι που ονομάζεται συμμετρία CP. Η συμμετρία CP είναι η διαδοχική εφαρμογή συμμετριών C και P, θεωρούμενη ως μια αδιαχώριστη ενότητα που προηγουμένως θεωρούνταν απόλυτη συμμετρία, χωρίς, δηλαδή δυνατότητα παραβίασής της στη φύση. Αλλά στη συνέχεια ανακαλύφθηκε η παραβίαση της CP με επίπτωση το ότι η ύλη μπορεί να είναι διαφορετική από την αντιύλη.

Κανένα πειραματικό στοιχείο δεν φαινόταν μέχρι τότε να διαψεύδει τις δύο συμμετρίες μαζί, που φαίνονταν φυσικά σωστές. Η παραδοχή αυτή σήμαινε ότι σωματίδια και αντισωματίδια μοιράζονται την… ίδια Φυσική και οι νόμοι της Φυσικής παραμένουν οι ίδιοι ακόμα και όταν κατοπτρίζονται. Αλλά μια σειρά από πειράματα στο τέλος του προηγούμενου αιώνα θεμελίωσαν πρώτα την παραβίαση της συμμετρίας CP από την ασθενή πυρηνική δύναμη στα μεσόνια. Με την πρόσφατη εργασία από το πείραμα LHCb, πλέον η παραβίαση της ασυμμετρίας θεμελιώνεται και στα βαρυόνια.

Είναι άλλο ένα στοιχείο στην ατελέσφορη ακόμη προσπάθεια να λυθεί οριστικά το εξής μυστήριο: γιατί το Σύμπαν περιέχει τόσο πολλή ύλη και τόσο λίγη αντιύλη; Αφού από το Big Bang προέκυψε θεωρητικά ίση ποσότητα ύλης και αντιύλης. Ή μήπως όχι; Παρά το γεγονός ότι τα προϊόντα των δύο διασπάσεων θεωρούνταν CP-συμμετρικά, αποδεικνύεται από το πείραμα ότι δεν παράγονται με ίσους ρυθμούς σε ίσους χρόνους και ποσότητες. Γιατί, εάν η συμμετρία CP ήταν απολύτως αληθής, θα είχε προκύψει μόνο ενέργεια από την αλληλεπίδραση ύλης – αντιύλης.

Ο σταθμός παρατήρησης LHCb ξεκίνησε από την αρχή με σκοπό να μελετήσει σωματίδια που ήδη έδειχναν παραβίαση της συμμετρίας CP. Στόχος ήταν να ανακαλύψει καινούργιες πηγές παραβίασης της συμμετρίας και να εξηγήσει την ύπαρξη της ύλης στο Σύμπαν. Η ασυμμετρία ύλης και αντιύλης που έχει μετρηθεί μέχρι τώρα είναι πολύ μικρή για να εξηγήσει τη ποσότητα της ύλης στο Σύμπαν. Ομως έχουμε πλέον στα χέρια μας τη γνώση ότι ο μετασχηματισμός CP για την ύλη και την αντιύλη παρουσιάζει κάποιες διαφορές που χάρη στις δυνατότητες του επιταχυντή και του συγκεκριμένου πειράματος συμβαίνουν σε χρονικά διαστήματα, ακόμη και 10-10 του δευτερολέπτου, που αν και τόσο μικρά, μπορούμε πλέον να τις επιβεβαιώνουμε.

Υλη και αντιύλη ήδη δείχνουν κάποιες απειροελάχιστες διαφορές από το έως τώρα αναμενόμενο. Είναι τεράστιο βήμα (θα δώσει και Νομπέλ εν καιρώ), αλλά προς το παρόν οι αποκλίσεις αυτές στη συμπεριφορά δεν θεωρούνται ποσοτικά ικανές να εξηγήσουν την τεράστια δυσαναλογία αντιύλης προς ύλη αυτή τη στιγμή στο Σύμπαν (που είναι κατ’ εκτίμηση 1 προς 1 δισεκατομμύριο περίπου). Και τελικά, κατά τον συνομιλητή μας, «το φαινόμενο CP-violation είναι γνωστό από το 1964 αλλά μέχρι τώρα είχε παρατηρηθεί μόνο σε μεσόνια (σωματίδια με 2 κουάρκ). Εμείς το παρατηρήσαμε σε βαρυόνια (σωματίδια με 3 κουάρκ) για πρώτη φορά παγκοσμίως. Δεν ξέρουμε γιατί αυτό το φαινόμενο είναι μικρότερο στα βαρυόνια, καθώς τα συστατικά σωματίδια είναι τα ίδια. Τώρα όμως που έχουμε μια μέτρηση του μεγέθους, αυτό θα βοηθήσει τους θεωρητικούς φυσικούς να καταλάβουν το φαινόμενο καλύτερα».

Οπως χαρακτηριστικα είπε ένα άλλο μέλος της ερευνητικής ομάδας, και προφανώς συμφωνεί μαζί του ο συνομιλητής μας, «δεν βρήκαμε ακόμη τη νέα Φυσική αλλά μας παρουσιάζεται ένας νέος τρόπος να ψάξουμε για αυτή».

Τα μεγάλα μυστήρια, οι πρακτικέςεφαρμογές και το απόλυτο ερώτημα

Τα μεγαλύτερα προβλήματα (ως προς την εξήγησή τους) του καθιερωμένου (έως τώρα) μοντέλου Φυσικής είναι η αντιύλη, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια. Το ότι επιβεβαιώθηκε πως η αντιύλη συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο που συμπεριφέρεται και η ύλη ως προς τη βαρύτητα (πέφτει και αυτή προς τα κάτω) μας δείχνει ότι μάλλον η βαρύτητα δεν ευθύνεται για τις διαφορές ύλης – αντιύλης.

Υπάρχει ένα πολύ χρήσιμο παράδειγμα όπου η ύλη συμπεριφέρεται ακριβώς το ίδιο με την αντιύλη. Πρόκειται για τη «δίδυμη γέννηση», όπου μια ακτίνα-γάμα διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, δηλαδή αντι-ηλεκτρόνιο. Εχουμε εδώ μετατροπή ενέργειας σε μάζα με ίσες ποσότητες ύλης – αντιύλης. Και η αρχή διατήρησης φορτίου μάς δείχνει ότι η συμμετρία είναι απόλυτη. Αυτή τη συμμετρία εκμεταλευόμαστε σε μια ιατρική εφαρμογή της αντίδρασης ύλης – αντιύλης, την Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (Positron Emission Tomography, ΡΕΤ). Εδώ ένα ποζιτρόνιο από μια ραδιενεργή ουσία που χρησιμοποιείται στην εξέταση εξαϋλώνεται με ένα ηλεκτρόνιο στο σώμα του ασθενούς, δίνοντας 2 φωτόνια (στην προκειμένη περίπτωση έχουμε μετατροπή μάζας σε ενέργεια) που ανιχνεύονται με τις κατάλληλες συσκευές.

Και η ερώτηση του ενός εκατομμυρίου ευρώ: «Πώς θα ήταν ο κόσμος αν αντί για την ύλη τον αποτελούσε η αντιύλη;». Ιδού η απάντηση του δρος Αντώνη Παπανέστη: «Με τα δεδομένα που έχουμε μέχρι τώρα μπορεί να μπει κάποιος στον πειρασμό και να πει ότι δεν θα υπήρχε διαφορά. Θα ήταν όλα ίδια. Ωστόσο η σύντηξη πυρήνων στα άστρα που δημιουργεί τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα και η χημεία ανάμεσα στα άτομα βασίζονται στο ότι υπάρχουν συγκεκριμένες ενεργειακές διαφορές ανάμεσα στα στοιχεία. Αν αυτές οι διαφορές ενέργειας δεν είναι ακριβώς ίδιες στην αντιύλη, ίσως η χημεία να ήταν διαφορετική. Ωστόσο οι διαφορές που έχουμε παρατηρήσει μέχρι τώρα δεν είναι στη συνηθισμένη ύλη (πρωτόνια και νετρόνια), αλλά σε πιο “εξωτική” ύλη που περιέχει c και b κουάρκ».

Μια σύγκρουση δύο πρωτονίων με συνολική ενέργεια 13,6 TeV, καταγεγραμμένη από τους ανιχνευτές του σταθμού παρατήρησης LHCb

Ένας μίνι οδηγός στις συμμετρίες C, P και CP

Στη Φυσική λέμε ότι μια «συμμετρία» υπάρχει όταν ένας μετασχηματισμός μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς να αλλάξουν οι νόμοι της. Ενας βασικός τύπος είναι η μεταφορική συμμετρία: ανεξάρτητα από το πού μετατοπίζεται (δηλαδή μετακινείται) ένα αντικείμενο, αυτό θα ακολουθεί τους ίδιους νόμους της Φυσικής.

Ενας άλλος τύπος συμμετρίας είναι στον χρόνο: ανεξάρτητα από το τι ώρα είναι, οι νόμοι της Φυσικής παραμένουν οι ίδιοι.

Εδώ μας ενδιαφέρουν οι λεγόμενες συμμετρίες C, P και CP στα βαρυόνια. Tα βαρυόνια είναι σωματίδια, π.χ. νετρόνια, πρωτόνια, σωματίδια Λάμδα, τα οποία δημιουργούνται με συνδυασμούς τριών κουάρκ. Μαζί με τα μεσόνια απαρτίζουν την οικογένεια των αδρονίων, δηλαδή σωματίδια ύλης που κατασκευάζονται από κουάρκ.

Η συμμετρία C είναι συμμετρία σύζευξης φορτίου: Από τα χαρακτηριστικά ενός σωματιδίου, αν θεωρήσουμε ότι αλλάζει μόνο το πρόσημο του φορτίου του, τότε πρέπει να προκύπτει ένα άλλο (υπάρχον) σωματίδιο που θεωρείται το αντισωματίδιό του. Αν έχουμε σωματίδιο με όλα τα άλλα χαρακτηριστικά του ηλεκτρονίου αλλά το φορτίο του είναι θετικό, τότε έχουμε ένα άλλο υπαρκτό σωματίδιο αντιύλης, το ποζιτρόνιο.

Η συμμετρία P είναι συμμετρία ισοτιμίας: μετατρέπει τις συντεταγμένες της θέσης του σωματιδίου στην κατοπτρική τους εικόνα έτσι ώστε το αριστερό να γίνεται δεξί και αντίστροφα.

Το μεγαλύτερο μέρος της φύσης φαίνεται να ακολουθεί τόσο τη συμμετρία C όσο και τη συμμετρία P. Ωστόσο, όπου εμφανίζεται η λεγόμενη ασθενής δύναμη εφαρμόζοντας διαδοχικά τους μετασχηματισμούς CP σε ένα σμήνος βαρυονίων Λb, σύμφωνα με το πρόσφατο πείραμα του CERN, δεν προκύπτουν ακριβώς άλλα τόσα αντι-Λ σωματίδια. Η παραβίαση της συμμετρίας CP ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στα πρότυπα διάσπασης των καονίων, μιας συγκεκριμένης ομάδας σύνθετων σωματιδίων. Αλλά η μεγάλη είδηση είναι ότι τώρα παρατηρήθηκε επίσης και στα βαρυόνια.