Επιστήμονες του Σχετικιστικού Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC), έναν επιταχυντή σωματιδίων στο Brookhaven, δημοσίευσαν μια έρευνα που κάνει τους πρώτους υπαινιγμούς για μεγάλους μετασχηματισμούς στην συμμετρία της καυτής σούπας από κουάρκ, αντικουάρκ, και γκλουόνια που παράγονται στις πιο ενεργητικές συγκρούσεις στον επιταχυντή. Ειδικότερα, τα νέα αποτελέσματα, που αναφέρθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters, υποδηλώνουν ότι οι ‘φυσαλίδες’ που σχηματίστηκαν μέσα στη καυτή σούπα μπορεί να υπακούουν εσωτερικό την λεγόμενη "συμμετρία καθρέφτη" που χαρακτηρίζει συνήθως τις αλληλεπιδράσεις των κουάρκ και των γκλουονίων.
"Οι συγκρούσεις στον RHIC των βαρέων πυρήνων με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός είναι σχεδιασμένες για να δημιουργήσουν εκ νέου, σε μικρή κλίμακα βεβαίως, τις συνθήκες του πρώιμου σύμπαντος. Τα νέα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο επιταχυντής RHIC μπορεί να έχει μια μοναδική ευκαιρία να δοκιμάσει στο εργαστήριο ορισμένα κρίσιμα χαρακτηριστικά των φυσαλίδων από την αλλαγή της συμμετρίας, που πιθανολογείται ότι έχει παίξει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του πρώιμου σύμπαντος", δήλωσε ο Steven Vigdor, Διευθυντής του Εργαστηρίου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής στο Brookhaven, ο οποίος επιβλέπει την έρευνα.
Στα πειράματα αναπτύχθηκαν ακραίες θερμοκρασίες των 4 τρισεκατομμυρίων βαθμών, η μεγαλύτερη που έχει παρατηρηθεί ποτέ, που μετρήθηκε εξετάζοντας το χρώμα της ακτινοβολίας που εξέπεμψε η «σούπα». Συγκριτικά, ένα τυπικό σουπερνόβα τύπου ΙΙ δεν ξεπερνά τους 2 δισεκατομμύρια βαθμούς. Βέβαια οι ερευνητές του RHIC δεν ενθουσιάστηκαν με το ρεκόρ της θερμοκρασίας, αλλά με τα στοιχεία που προσέφερε το πείραμα για τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος.
Οι φυσικοί έχουν προβλέψει ότι υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ανεύρεσης τέτοιων φυσαλίδων, δηλαδή τοπικές περιοχές με "σπασμένη" συμμετρία, σε ακραίες θερμοκρασίες κοντά στις μεταβάσεις από τη μία φάση της ύλης σε μία άλλη. Σύμφωνα με τις προβλέψεις, η ύλη στο εσωτερικό αυτών των φυσαλίδων θα παρουσιάζει διαφορετικές συμμετρίες – ή συμπεριφορές κάτω από ορισμένους απλούς μετασχηματισμούς του χώρου, του χρόνου, καθώς και των τύπων των σωματιδίων – από ό,τι η περιβάλλουσα ύλη των φυσαλίδων. Εκτός από τις παραβιάσεις της συμμετρίας που δοκιμάζονται στον RHIC, οι επιστήμονες θεωρούν ότι ανάλογες φυσαλίδες με αλλαγή της συμμετρίας δημιουργήθηκαν σε ένα μεταγενέστερο χρόνο στο σύμπαν, που βοήθησε στην υπεροχή της ύλης έναντι της αντιύλης μέσα στον κόσμο μας.
Οι πιο ενεργητικές συγκρούσεις στον RHIC δημιουργούν το είδος των ακραίων συνθηκών που θα μπορούσαν να παράγουν αυτές τις τοπικές περιοχές της αλλαγής της συμμετρίας: Η θερμοκρασία του είναι αρκετά τρισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, ή περίπου 250.000 φορές θερμότερη από το κέντρο του ήλιου, και η μετάβαση σε μια νέα φάση της πυρηνικής ύλης είναι γνωστή ως πλάσμα γκλουονίων-κουάρκ. Επιπλέον, καθώς συγκρούονται οι πυρήνες πλησιάζουν πολύ κοντά ο ένας με τον άλλο, οπότε παράγουν έναν εξαιρετικά ισχυρό μαγνητικό πεδίο που διευκολύνει τον εντοπισμό των αποτελεσμάτων της μεταβολής της συμμετρίας.
Συμμετρία κατόπτρου – είναι σπασμένη στην αριστερή εικόνα, ενώ παραμένει ίδια στη δεξιά εικόνα, όπου είναι αδύνατο να αποφασίσεις αν η λέξη είναι στον δικό σου κόσμο ή του κατόπτρου.
Τώρα, τα πρώτα δεδομένα από τον ανιχνευτή STAR υπαινίσσονται την παραβίαση της συμμετρίας κατόπτρου ή ομοτιμία (parity). Αυτός ο κανόνας της συμμετρίας υποδηλώνει ότι τα γεγονότα θα πρέπει να συμβαίνουν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο, είτε τα βλέπουμε άμεσα είτε σε έναν καθρέφτη, δηλαδή να μην εξαρτώνται από καμιά κατεύθυνση. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι τα θετικά φορτισμένα κουάρκ μπορεί να προτιμούν να εμφανίζονται παράλληλα με το μαγνητικό πεδίο σε μια δεδομένη περίπτωση σύγκρουσης, ενώ τα αρνητικά κουάρκ προτιμούν να πάνε προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επειδή αυτή η προτίμηση θα εμφανιστεί αντίστροφα εάν η κατάσταση εμφανιζόταν μέσω ανάκλασης από έναν καθρέφτη, φαίνεται να παραβιάζει τη συμμετρία κατόπτρου.
Στον επιταχυντή RHIC, οι φυσαλίδες που παραβιάζουν την ομοτιμία σχηματίζονται με ένα τυχαίο τρόπο σε φυσαλίδες που βρίσκονται σε διάφορες θέσεις. Όμως κατά μέσο όρο κατά τη διάρκεια πολλών γεγονότων (συγκρούσεων) φαίνεται να μην υπάρχει παραβίαση ομοτιμίας, έστω και αν υπήρξαν παραβιάσεις τοπικά σε κάθε περίπτωση. Παρά το γεγονός ότι επιτρέπεται από την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), την βασική θεωρία που περιγράφει την ισχυρή πυρηνική δύναμη, τέτοιες τοπικά ισχυρές παραβιάσεις ομοτιμίας δεν έχει εντοπιστεί άμεσα.
Η θεωρία προτείνει ότι σωματίδια με το ίδιο πρόσημο ηλεκτρικού φορτίου θα πρέπει να τείνουν να εκπέμπονται από τέτοιες τοπικές περιοχές που παραβιάζουν την ομοτιμία στην ίδια κατεύθυνση, είτε και τα δύο παράλληλα, ή και τα δύο αντι-παράλληλα, με το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει από τη σύγκρουση, ενώ αντίθετα τα σωματίδια με διαφορετικό πρόσημο θα πρέπει να εκπέμπονται σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Τα στοιχεία του ανιχνευτή STAR δείχνουν επίσης το τοπικό σπάσιμο μιας άλλης μορφής συμμετρίας, γνωστή ως αναλλοίωτη συμμετρία φορτίου-ομοτιμίας ή CP. Σύμφωνα με την θεμελιώδη αυτή αρχή της φυσικής, όταν η ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα ή αντιστρόφως σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν Ε = mc2, θα πρέπει να δημιουργηθεί ή να εξαϋλωθεί ίσος αριθμός σωματιδίων και αντισωματιδίων. Εάν η CP συμμετρία δεν είχε σπάσει σε κάποια στιγμή, πάρα πολύ νωρίς στην εξέλιξη του σύμπαντος, τότε θα είχε δημιουργηθεί ίσος αριθμός από σωματίδια και αντισωματίδια με το Big Bang, που θα έπρεπε στη συνέχεια να εξαϋλωθούν μεταξύ τους ανά ζεύγη, μην αφήνοντας καμιά ύλη διαθέσιμη για να σχηματιστούν τα αστέρια, οι πλανήτες, και οι άνθρωποι που κατοικώ τώρα τον κόσμο μας.
Συνδυασμένος μετασχηματισμός CP στο ηλεκτρόνιο
Παρά το γεγονός ότι έχουν βρεθεί ορισμένες μικρές παραβιάσεις της συμμετρίας CP σε προηγούμενα εργαστηριακά πειράματα, οι παραβιάσεις αυτές είναι πολύ λίγες για να δικαιολογήσουν για το ποσό της κανονικής ύλης που παραμένει στο σύμπαν σήμερα. Ομοίως, τα σημάδια της πιθανής τοπικής CP παραβίασης στον ανιχνευτή STAR δεν μπορεί να εξηγήσει την παγκόσμια κυριαρχία της ύλης στο σημερινό κόσμο, αλλά μπορεί να προσφέρει μια άποψη για το πώς πραγματοποιούνται τέτοιες παραβιάσεις της συμμετρίας.
“Τα χαρακτηριστικά που παρατηρήθηκαν στο STAR είναι ποιοτικά σύμφωνα με τις προβλέψεις της διάσπασης της συμμετρίας σε περιοχές μέσα στην καυτή σούπα από κουάρκ”, λένε οι ερευνητές. "Μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να καταλάβουν μερικά από τα πιο θεμελιώδη αινίγματα του σύμπαντος, ενώ θα αποτελέσει αντικείμενο έντονης μελέτης στα μελλοντικά πειράματα του RHIC," λέει ο Vigdor.
