Η αινιγματική αντιύλη

Για πολλά χρόνια, η απουσία αντιύλης στο Σύμπαν έχει βασανίσει τους φυσικούς σωματιδίων και τους κοσμολόγους: ενώ το Big Bang θα πρέπει να είχε δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, δεν παρατηρούμε καμία αρχέγονη αντιύλη σήμερα. Πού λοιπόν πήγε; Τα πειράματα στον επιταχυντή LHC έχουν την δυνατότητα να αποκαλύψουν τις φυσικές διεργασίες που θα μπορούσαν να κρατούν το κλειδί για την επίλυση αυτού του παράδοξου.

Κάθε φορά που δημιουργείται ύλη από καθαρή ενέργεια, δημιουργούνται ίσες ποσότητες σωματιδίων και αντισωματιδίων. Αντίθετα, όταν εξαϋλώνεται ύλη με αντιύλη, τότε παράγεται ακτινοβολία. Η αντιύλη παράγεται συνήθως όταν κοσμικές ακτίνες χτυπήσουν την ατμόσφαιρα της Γης, και αυτές εξαϋλώνονται σε ύλη και αντι-ύλη. Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια πειραμάτων και σε επιταχυντές σωματιδίων.

Αν το Σύμπαν περιείχε τμήματα με αντιύλη, θα ήμασταν σε θέση να παρατηρήσουμε πυκνές ροές φωτονίων στα όρια των περιοχών ύλης/αντιύλης.

"Πειράματα μέτρησης της διάχυσης ακτίνων γάμμα στο Σύμπαν θα ήταν σε θέση να παρατηρήσει τις εν λόγω εκπομπές της ακτινοβολίας", επιβεβαιώνει ο Antonio Riotto του CERN. "Ελλείψει τέτοιων στοιχείων, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι οι περιοχές της ύλης έχουν τουλάχιστον το μέγεθος του συνολικού ορατού Σύμπαντος», προσθέτει.

Τι όμως προκάλεσε την εξαφάνιση της αντιύλης υπέρ της ύλης; "Το 1967, ο Ρώσος φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ τόνισε ότι δυνάμεις που έχουν την δυνατότητα να διακρίνουν μεταξύ της ύλης και της αντι-ύλης, στα φαινόμενα που ονομάζονται ‘παραβίαση-CP, θα μπορούσαν να είχαν τροποποιήσει την αρχική συμμετρία ύλης-αντιύλης, όταν έγιναν οι αποκλίσεις από την αρχική θερμική ισορροπία του σύμπαντος", εξηγεί ο Antonio Riotto.

Στο ψυχρό Σύμπαν σήμερα, μπορούμε να παρατηρήσουμε πολύ σπάνια γεγονότα με παραβιάσεις CP, όπου η φύση προτιμά τη δημιουργία της ύλης από την αντιύλη. Μετά από την ανακάλυψή τους σε διασπάσεις των μεσονίων-Κ που περιέχουν παράξενα κουάρκ, σήμερα έχουν παρατηρηθεί και σε διασπάσεις των μεσονίων-Β, τα οποία περιέχουν κάτω κουάρκ.

Σήμερα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το πρώιμο Σύμπαν θα μπορούσε να είχε περάσει από μια μεταβατική περίοδο κατά την οποία έσπασε η θερμοδυναμική ισορροπία, όταν η πυκνότητα του Σύμπαντος ήταν πολύ υψηλή και η μέση θερμοκρασία ήταν ένα δισεκατομμύριο – ή και περισσότερο – φορές από αυτήν στο εσωτερικό του Ήλιου.

"Μερικοί φυσικοί πιστεύουν ότι αυτό θα μπορούσε να είχε συμβεί με το σχηματισμό «φυσαλίδων» οι οποίες επεκτάθηκαν σταδιακά, με αποτέλεσμα να «επιβάλλουν» τη νέα ισορροπία τους σε ολόκληρο το προϋπάρχον σύμπαν", εξηγεί ο Antonio Riotto. Όποια και αν ήταν η πραγματική δυναμική αυτής της φάσης, το σημαντικό είναι ότι μόνο ένα σωματίδιο της ύλης από τα 10 δισεκατομμύρια που υπήρχαν τότε επέζησε, ενώ όλα τα άλλα εξαϋλώθηκαν με τα αντίστοιχα αντισωματίδια τους.

Πώς μπορεί ο επιταχυντής LHC να βοηθήσει ώστε να λυθεί το πιο πάνω μυστήριο; Με τη μελέτη σπάνιων διασπάσεων, πειράματα μπορεί να μας φέρουν πιο ακριβείς πληροφορίες σχετικά με φαινόμενα που σχετίζονται με την παραβίαση CP που εμπλέκουν τόσο γνωστά όσο και νέα σωματίδια, όπως είναι τα μεσόνια που περιέχουν κάτω και παράξενα κουάρκ. Επιπλέον, εάν ανακαλυφθούν νέα υπερσυμμετρικά σωματίδια στον LHC, τότε ορισμένα από τα πιθανά σενάρια που οδηγούν σε μια πρώιμη φάση μη ισορροπίας στο σύμπαν, θα μπορούσαν να βρουν πειραματική υποστήριξη.

«Αν ο επιταχυντής LHC βρει ένα μποζόνιο Higgs με μάζα μικρότερη από 130 GeV, και αν αυτή η ανακάλυψη έρθει μαζί με την ανίχνευση ενός ελαφρύ υπερσυμμετρικού σωματιδίου, που ονομάζεται "s-top", τότε θα μπορούσε να είναι η πειραματική απόδειξη ότι η φάση μη ισορροπίας έγινε μέσω του σχηματισμού φυσαλίδων", καταλήγει ο Antonio Riotto.

Σε κάθε περίπτωση, δεδομένου ότι η εξαφάνιση της αρχέγονης αντιύλης δεν μπορεί να εξηγηθεί από την τρέχουσα θεωρία του Καθιερωμένου Μοντέλου, είναι σαφές ότι πρέπει να ψάξουμε για κάτι καινούργιο. Οι επιστήμονες λοιπόν διερευνούν διαφορετικές κατευθύνσεις, αλλά, καθώς αυτό που παρατηρούμε αποτελεί μόνο το 4% της συνολικής υλο-ενέργειας από την οποία είναι φτιαγμένο το σύμπαν, μπορεί κανείς να υποθέσει ότι μέρος του κλειδιού για την επίλυση του μυστηρίου της αντιύλης θα μπορούσε να διεξαχθεί στο ακόμη άγνωστο τμήμα του Σύμπαντος. Με πολύ μεγάλες πιθανότητες ανακάλυψης του αγνώστου σύμπαντος, ο LHC σίγουρα θα μας βοηθήσει να πέσει φως σχετικά με το όλο ζήτημα.

Βεβαίως δεν θα αναζητήσουμε μόνο στον επιταχυντή LHC τη λύση του μυστηρίου της αντιύλης. Το πείραμα Babar στον SLAC και το BELLE στο KEK στην Ιαπωνία έχουν μετρήσει διασπάσεις μεσονίων-Β λεπτομερώς, ενώ τα πειράματα CDF και D0 στον επιταχυντή Tevatron εξετάζουν επίσης φαινόμενα της παραβίασης CP. Στο τέλος του 2010 το πείραμα AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) θα είναι συνδεδεμένο με το Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS) και θα αρχίσει να ψάχνει για αποδείξεις σωματιδίων αντιύλης, που προκύπτουν από την αποσύνθεση της σκοτεινής ύλης.

Πηγή: CERN

Πιο βαθειά στο φαινόμενο της παραβίασης της συμμετρίας CP

Είναι οι νόμοι της φύσης οι ίδιοι για την ύλη και την αντιύλη; Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τον όρο "CP" (από το αγγλικό "charge parity") για να μιλήσουν για τη συμμετρία ύλης-αντιύλης. Αν η φύση συμπεριφέρεται στην ύλη και την αντιύλη με τον ίδιο τρόπο, τότε, οι φυσικοί θα έλεγαν ότι, η φύση έχει CP-συμμετρία. Διαφορετικά, αν είχαμε διαφορετική αντιμετώπιση ύλης αντιύλης τότε λέμε ότι η συμμετρία CP παραβιάζεται.

Αυτό το φαινόμενο, γνωστό σαν παραβίαση CP, αρχικά εξέπληξε τους φυσικούς. Οι περισσότεροι νόμοι της φυσικής παραμένουν ισοδύναμοι αν ανταλλάξεις τα σωματίδια με τα αντι-σωματίδια τους, μια λειτουργία που οι φυσικοί ονομάζουν συζυγία φορτίου. Αυτό είναι το “C” στο CP. Επί παραδείγματι, δύο ποζιτρόνια απωθούνται με τον ίδιο τρόπο όπως και δύο ηλεκτρόνια. Οι πιο πολλοί νόμοι της φυσικής επίσης εργάζονται ισοδύναμα αν πάρουμε τα κατοπτρικά είδωλα των σωματιδίων, ένας μετασχηματισμός που ονομάζεται μετασχηματισμός ισοτιμίας. Είναι το γράμμα "Ρ" στο CP.

Πειράματα έχουν δείξει ότι η ασθενής πυρηνική δύναμη – που είναι υπεύθυνη για τη ραδιενεργό διάσπαση των σωματιδίων – πράγματι παραβιάζει τη CP-συμμετρία. Ως και σήμερα η παραβίαση της CP-συμμετρίας αποτελεί ένα μυστήριο.

Η Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να είχε δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, με αποτέλεσμα την αλληλοεκμηδένιση τους. Και όμως, το παρατηρούμενο σύμπαν έχει περίπου δέκα δισεκατομμύρια γαλαξίες που αποτελούνται στο σύνολό τους μόνο από ύλη (πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια), χωρίς καθόλου αντιύλη (αντιπρωτόνια, αντινετρόνια και ποζιτρόνια). Ελάχιστες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, κάποιες δυνάμεις πρέπει να προκάλεσαν την παραβίαση της CP-συμμετρίας, που κατέστρεψαν την ισότητα των σωματιδίων ύλης και αντιύλης, αφήνοντας πίσω τεράστιες ποσότητες ύλης.

Η ασθενής πυρηνική δύναμη από μόνη της μπορεί να εξηγήσει μια μικρή παραβίαση της CP-συμμετρίας, όχι αρκετή για να αφήσει ικανή ποσότητα ύλης ούτε καν για ένα γαλαξία. Κάποια άλλη λοιπόν κρυμμένη δύναμη – που δεν έχει ληφθεί υπόψη στο Καθιερωμένο Μοντέλο των σωματιδίων και των δυνάμεων – πρέπει να είναι υπεύθυνη για την υπόλοιπη παραβίαση της CP-συμμετρίας που οδήγησε στο σύμπαν που παρατηρούμε.