Η βαρύτητα είναι μία από τις πιο γνώριμες δυνάμεις στη φύση, όμως σε θεμελιώδες επίπεδο εξακολουθεί να κρύβει σημαντικά ερωτήματα. Γνωρίζουμε ότι επηρεάζει την ύλη με τρόπο που περιγράφεται με μεγάλη ακρίβεια από τις θεωρίες του Αϊνστάιν.
Όμως ισχύουν άραγε ακριβώς οι ίδιοι κανόνες και για τα πιο παράξενα και βραχύβια σωματίδια του Σύμπαντος;
Αυτό ακριβώς επιχειρούν να διερευνήσουν επιστήμονες στην Ελβετία, χρησιμοποιώντας ένα εξωτικό άτομο που ονομάζεται μιουόνιο. Πρόκειται για ένα ιδιαίτερο «εργαλείο» της σύγχρονης Φυσικής, το οποίο θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να ελέγξουν για πρώτη φορά εάν η βαρύτητα συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο απέναντι στη δεύτερη γενιά θεμελιωδών σωματιδίων.
Για να το πετύχουν, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο που τους επιτρέπει να δημιουργούν μια ελεγχόμενη, «ψυχρή» δέσμη μιουονίου (muonium) – ενός εξωτικού ατόμου που περιέχει έναν βαρύτερο «ξάδελφο» του ηλεκτρονίου.
Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να ελέγξουν για πρώτη φορά εάν η βαρύτητα επιδρά στα σωματίδια δεύτερης γενιάς ακριβώς όπως προβλέπει η θεωρία του Αϊνστάιν.
Οποιαδήποτε απροσδόκητη απόκλιση θα αποτελούσε τεράστια έκπληξη και θα μπορούσε ενδεχομένως να δείξει τον δρόμο προς μια νέα Φυσική, συμπεριλαμβανομένης μιας υποθετικής πέμπτης δύναμης.
Το πείραμα της Ζυρίχης που αμφισβητεί τα θεμέλια της Φυσικής
Επηρεάζει η βαρύτητα κάθε τύπο σωματιδίου με τον ίδιο ακριβώς τρόπο;
Ερευνητές στο ETH της Ζυρίχης και στο Ινστιτούτο Paul Scherrer (PSI) στο Βίλιγκεν προετοιμάζουν ένα πείραμα που θα μπορούσε να ελέγξει αυτή τη θεμελιώδη παραδοχή, χρησιμοποιώντας ένα από τα πιο ασυνήθιστα σωματίδια της φύσης.
«Κάναμε ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της διεξαγωγής ενός συναρπαστικού πειράματος πάνω σε αυτό το θέμα», δηλώνει καθηγητής φυσικής. «Θέλουμε να μετρήσουμε τη βαρυτική αλληλεπίδραση του μιονίου».
Η γνώριμη ύλη από την οποία αποτελούνται οι άνθρωποι, οι πλανήτες και σχεδόν τα πάντα γύρω μας, αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.
Οι φυσικοί ταξινομούν αυτά τα σωματίδια στην πρώτη γενιά της ύλης. Υπάρχουν όμως δύο ακόμη γενιές, οι οποίες αποτελούνται από βαρύτερα σωματίδια. Ένα από αυτά είναι το μιόνιο, ένας βαρύτερος «συγγενής» του ηλεκτρονίου που ανήκει στη δεύτερη γενιά.
Οι ερευνητές στο PSI μπορούν να δημιουργήσουν μιόνια και τα αντισωματίδιά τους χρησιμοποιώντας έναν μεγάλο επιταχυντή σωματιδίων.
Όταν ένα θετικά φορτισμένο αντιμιόνιο ενώνεται με ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο, το ζεύγος σχηματίζει ένα ουδέτερο άτομο γνωστό ως μιουόνιο (muonium).
Γιατί η επιστήμη ποντάρει στα μιόνια για να «σπάσει» τη θεωρία του Αϊνστάιν
Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής περιγράφει αυτές τις διαφορετικές γενιές σωματιδίων, αλλά δεν εξηγεί εξ αρχής τον λόγο για τον οποίο η φύση διαθέτει πολλαπλές γενιές.
«Εμείς οι φυσικοί δεν κατανοούμε ακόμη γιατί υπάρχουν καν αυτές οι επιπλέον γενιές εξαρχής», αναφέρει μία από τις συγγραφείς της μελέτης, η Άννα Σώτερ (Soter). «Και γιατί υπάρχουν τρεις συνολικά;»
Αυτό το μυστήριο εγείρει ένα ακόμη σημαντικό ερώτημα. Ανταποκρίνονται τα βαρύτερα σωματίδια της δεύτερης και της τρίτης γενιάς στη βαρύτητα με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως τα ελαφρύτερα σωματίδια που συναντάμε στην πρώτη γενιά;
Στο «εδώλιο» η Αρχή της Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν
Για την κοινή ύλη, τα αντικείμενα που βρίσκονται στην ίδια θέση μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό. Ο Γαλιλαίος Γαλιλέι και ο Ισαάκ Νεύτων αναγνώρισαν αυτή την παγκόσμια ιδιότητα της ελεύθερης πτώσης αιώνες πριν.
Αργότερα, η ιδιότητα αυτή έγινε κεντρικής σημασίας για τη θεωρία βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν μέσω της αρχής της ισοδυναμίας, η οποία συνδέει τη βαρυτική μάζα με την αδρανειακή μάζα.
Μέχρι στιγμής, ωστόσο, οι ερευνητές έχουν αποδείξει αυτή την αρχή μόνο με την κοινή ύλη ή με την αντιύλη πρώτης γενιάς.
Η μέτρηση της συμπεριφοράς του μιουονίου υπό την επίδραση της βαρύτητας θα παρείχε την πρώτη δοκιμή που αφορά ένα σωματίδιο δεύτερης γενιάς.
«Το εξωτικό μιουόνιο είναι εξαιρετικά κατάλληλο για αυτό, επειδή είναι ένα ουδέτερο άτομο», εξηγεί η Σώτερ: «Εξάλλου, για να αφήσεις κάτι να πέσει, χρειάζεσαι κάτι ουδέτερο».
Το μιουόνιο παρουσιάζει ένα ακόμη σημαντικό εμπόδιο. Τα μιόνια επιβιώνουν για μόλις 2,2 μικροδευτερόλεπτα προτού διασπαστούν. Επιπλέον, οι παλαιότερες μέθοδοι παρήγαγαν άτομα μιουονίου που κινούνταν με διαφορετικές ταχύτητες και προς πολλές κατευθύνσεις, καθιστώντας τα ακατάλληλα για μετρήσεις βαρύτητας εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας.
Οι ερευνητές στο PSI βρήκαν τώρα έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα.«Καταφέραμε να παραγάγουμε τα άτομα μιουονίου σε μια “ψυχρή” κατάσταση, γεγονός που καθιστά εξαρχής εφικτό το πείραμα της βαρύτητας», αναφέρει η Σώτερ.
«Σε αυτή την περίπτωση, ο όρος “ψυχρή” σημαίνει ότι τα άτομα διαδίδονται με παρόμοιες ταχύτητες, σχεδόν παράλληλα το ένα με το άλλο».
Το υπερρευστό ήλιο «δαμάζει» την εξωτική δέσμη μιουονίου
Η επιστημονική ομάδα περιγράφει τη νέα μέθοδο παραγωγής μιουονίου στο επιστημονικό περιοδικό Nature Physics.
«Για να το πετύχουμε αυτό, χρησιμοποιήσαμε υπερρευστό ήλιο, το οποίο είχε ψυχθεί κοντά στο απόλυτο μηδέν, στους μείον 273 βαθμούς Κελσίου», εξηγεί ο Τζέσι Ζανγκ (Jesse Zhang), επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
«Το υπερρευστό ήλιο είναι αυτό που ονομάζουμε κβαντικό ρευστό, στο οποίο τα μεμονωμένα άτομα ηλίου χάνουν την ταυτότητά τους, και το οποίο δεν ανέχεται καμία απολύτως πρόσμιξη στο εσωτερικό του».
Η διαδικασία ξεκινά με την κατεύθυνση αντιμιονίων από τον επιταχυντή του PSI μέσα σε ένα λεπτό στρώμα υπερρευστού ηλίου. Στο εσωτερικό του ηλίου, τα σωματίδια επιβραδύνουν.
Όταν ένα αντιμιόνιο συναντήσει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, τα δύο σωματίδια σχηματίζουν ένα άτομο μιουονίου με θετικό χημικό δυναμικό.
Αυτό το χημικό δυναμικό ουσιαστικά ωθεί το νεοσχηματισθέν άτομο έξω από το υγρό. Όταν φτάσει στην επιφάνεια, το χημικό δυναμικό μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια, δίνοντας στο άτομο μιουονίου μια ώθηση που το εκτοξεύει κάθετα προς τα πάνω.
«Επομένως, χρησιμοποιούμε το χημικό δυναμικό ως ένα ατομικό κανόνι», εξηγεί ο καθηγητής Ζανγκ.
Τα άτομα μιουονίου πρέπει να περάσουν μέσα από το κβαντικό ρευστό χωρίς συγκρούσεις και με προβλέψιμη ταχύτητα.
Η διάρκεια ζωής τους είναι τόσο σύντομη, ώστε οποιαδήποτε σημαντική καθυστέρηση θα τα εμπόδιζε να φτάσουν στην επιφάνεια προτού διασπαστούν.
«Για τα πειράματά μας βασιζόμαστε επίσης στον επιταχυντή σωματιδίων του PSI, ο οποίος παράγει τις πιο έντονες, συνεχείς δέσμες μιονίων στον κόσμο», λέει η Σώτερ. «Χάρη σε αυτή την υψηλής ποιότητας πηγή, μπορεί να παραχθεί ένας μεγάλος αριθμός ατόμων μιουονίου».
Παρατηρώντας τη βαρύτητα να μετατοπίζει ένα ατομικό μοτίβο
Οι ερευνητές κατασκευάζουν τώρα ένα όργανο γνωστό ως συμβολόμετρο, προκειμένου να μετρήσουν πώς η βαρύτητα της Γης επηρεάζει τη δέσμη μιουονίου.
Η συσκευή αξιοποιεί τις κυματικές ιδιότητες των ατόμων για να δημιουργήσει ένα μοτίβο συμβολής. Η βαρυτική έλξη της Γης αναμένεται να προκαλέσει μια εξαιρετικά μικρή μετατόπιση σε αυτό το μοτίβο. Η μέτρηση αυτής της μετατόπισης θα επιτρέψει στους ερευνητές να προσδιορίσουν τον τρόπο με τον οποίο η βαρύτητα επιδρά στο μιόνιο.
«Ελπίζουμε να είμαστε σε θέση να δοκιμάσουμε τη μέθοδο για πρώτη φορά με την ατομική δέσμη φέτος και, αν όλα πάνε καλά, το πραγματικό πείραμα βαρύτητας θα ακολουθήσει σε δύο ή τρία χρόνια», αναφέρει η Σώτερ.
Η νέα αυτή δέσμη θα μπορούσε επίσης να καταστήσει εφικτά πολύ πιο ακριβή πειράματα φασματοσκοπίας λέιζερ με μιουόνιο.
Αυτές οι μετρήσεις ενδέχεται να βελτιώσουν την κατανόηση των επιστημόνων σχετικά με τη μάζα του μιονίου και τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές, αποτελώντας έναν ακόμη μακροπρόθεσμο στόχο της ερευνητικής ομάδας.
Στα ίχνη της πέμπτης δύναμης: Το πείραμα που μπορεί να αλλάξει τη Φυσική
Εάν το μιουόνιο ανταποκρίνεται στη βαρύτητα διαφορετικά από την κοινή ύλη, οι επιπτώσεις θα μπορούσαν να είναι βαθιές.
«Αυτό θα ήταν πράγματι εκπληκτικό και, πέρα από άλλες θεωρίες, θα μπορούσε να υποδηλώνει την ύπαρξη μιας πέμπτης δύναμης», υπογραμμίζει η Σώτερ.
Η σύγχρονη φυσική αναγνωρίζει τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις: Τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ισχυρή αλληλεπίδραση και την ασθενή αλληλεπίδραση.
Οι επιστήμονες έχουν προτείνει επανειλημμένα την πιθανότητα ύπαρξης μιας επιπλέον, πέμπτης δύναμης, αλλά καμία τέτοια δύναμη δεν έχει επιβεβαιωθεί ποτέ μέχρι σήμερα.
Η ανακάλυψη μιας τέτοιας δύναμης δεν αποτελεί τον κύριο στόχο του πειράματος της Σώτερ.
Ο άμεσος σκοπός είναι πολύ πιο θεμελιώδης: να προσδιοριστεί εάν μία από τις κεντρικές αρχές του Αϊνστάιν ισχύει επίσης για μια διαφορετική γενιά σωματιδίων.«Δεν έχω καμία προκατάληψη», δηλώνει η ίδια.
«Θέλω απλώς να μετρήσω, για πρώτη φορά, εάν η ισοδυναμία μεταξύ βαρυτικής και αδρανειακής μάζας ισχύει επίσης για τη δεύτερη γενιά σωματιδίων — αυτό από μόνο του αποτελεί ένα εξαιρετικά εμπνευσμένο έργο».
Η έρευνα αυτή υποστηρίζεται από το Εθνικό Κέντρο Ικανότητας στην Έρευνα «Muoniverse» (National Centre of Competence in Research Muoniverse).
