Νέα πειράματα αποκαλύπτουν την πιθανή ύπαρξη η′-μεσονικών πυρήνων, προσφέροντας ενδείξεις ότι οι μάζες των σωματιδίων μεταβάλλονται μέσα στην πυρηνική ύλη και ρίχνοντας φως στο πώς η μάζα προέρχεται από τη δομή του κενού.
Σχεδόν τα πάντα γύρω μας έχουν μάζα, αλλά η προέλευσή της παραμένει ένα θεμελιώδες ερώτημα στη φυσική. Η τρέχουσα θεωρία υποστηρίζει ότι η μάζα προέρχεται από τις ιδιότητες του κενού, το οποίο δεν είναι πραγματικά άδειο, αλλά γεμάτο από μια σύνθετη υποκείμενη δομή.
Ένας τρόπος για να διερευνηθεί αυτή η ιδέα είναι η μελέτη των μεσονίων —σωματιδίων που αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ— τα οποία είναι δεσμευμένα σε ατομικούς πυρήνες.
Αυτά τα συστήματα, που ονομάζονται μεσονικοί πυρήνες, προσφέρουν μια εικόνα για το πώς παράγεται η μάζα και πώς συμπεριφέρεται το κενό. Νέα πειραματικά αποτελέσματα έφεραν τους επιστήμονες πιο κοντά στην κατανόηση αυτής της διαδικασίας, εξετάζοντας έναν τύπο μεσονικού πυρήνα που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν.
Μια διεθνής ομάδα ερευνητών ανέφερε τώρα στοιχεία για μια προβλεπόμενη αλλά πρωτοφανή εξωτική κατάσταση, γνωστή ως η′-μεσονικός πυρήνας (η-τόνος μεσονικός πυρήνας).
Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters.
Μεσόνια, πυρηνικές δυνάμεις και η σημασία του σβματιδίου η′
Οι φυσικοί έχουν προτείνει εδώ και καιρό ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, τα μεσόνια —τα οποία υπάρχουν για λιγότερο από ένα δεκάκιτο του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου— μπορούν να παγιδευτούν στιγμιαία μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα, σχηματίζοντας ένα δέσμιο σύστημα.
Η μελέτη αυτών των μεσονικών πυρήνων μπορεί να αποκαλύψει πώς λειτουργεί η ισχυρή πυρηνική δύναμη και πώς μεταβάλλεται το κενό σε περιβάλλοντα εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας.
“Ένα σωματίδιο ιδιαίτερου ενδιαφέροντος είναι το μεσόνιο η′”, λέει ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, Kenta Itahashi.
“Είναι ασυνήθιστα βαρύ σε σύγκριση με παρόμοια σωματίδια, και οι φυσικοί αναμένουν ότι η μάζα του μεταβάλλεται όταν βρίσκεται μέσα στην πυρηνική ύλη. Η παρατήρηση αυτού του φαινομένου θα παρείχε πολύτιμες πληροφορίες για το πώς παράγονται οι μάζες των σωματιδίων στο σύμπαν”.
Για να διερευνήσει τους η′-μεσονικούς πυρήνες, η ομάδα πραγματοποίησε ένα πείραμα υψηλής ακρίβειας στο Κέντρο Έρευνας Βαρέων Ιόντων Helmholtz (GSI) στη Γερμανία.
Κατηύθυναν μια δέσμη πρωτονίων υψηλής ενέργειας σε έναν στόχο άνθρακα. Αυτή η αλληλεπίδραση διέγειρε τους πυρήνες άνθρακα, παράγοντας μεσόνια η′ που θα μπορούσαν να σχηματίσουν δέσμιες καταστάσεις με τον πυρήνα.
Πειραματικές μέθοδοι και τεχνικές ανίχνευσης
Οι ερευνητές μέτρησαν την ενέργεια διέγερσης των πυρήνων άνθρακα αναλύοντας τα δευτερόνια —τα οποία αποτελούνται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο— που εκπέμπονταν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Αυτές οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ενός οργάνου υψηλής ανάλυσης που ονομάζεται Διαχωριστής Θραυσμάτων (FRS).
Χρησιμοποίησαν επίσης έναν ανιχνευτή γνωστό ως WASA, ο οποίος κατασκευάστηκε αρχικά στην Ουψάλα της Σουηδίας, για να εντοπίσουν τα πρωτόνια υψηλής ενέργειας που εγκατέλειπαν τον στόχο και να αναγνωρίσουν σήματα που υποδηλώνουν ότι ένα μεσόνιο η′ είχε δημιουργηθεί και παγιδευτεί μέσα στον πυρήνα.
“Με τη νέα μας πειραματική διάταξη, που συνδυάζει τον FRS και τον WASA, μπορούμε να εντοπίσουμε δομές στα δεδομένα που ταιριάζουν με τις θεωρητικές υπογραφές των η′-μεσονικών πυρήνων”, εξηγεί ο κύριος συγγραφέας Ryohei Sekiya.
“Η ανάλυσή μας υποδηλώνει ότι αυτές οι δέσμιες καταστάσεις όντως σχηματίστηκαν”. Το φάσμα διέγερσης του πυρήνα άνθρακα υποδεικνύει τον πιθανό σχηματισμό η′-μεσονικών πυρήνων.
Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η μάζα του μεσονίου η′ ενδέχεται να μειώνεται μέσα στην πυρηνική ύλη, γεγονός που στηρίζει τις θεωρητικές προβλέψεις και παρέχει σπάνιες πειραματικές αποδείξεις για το πώς μεταβάλλονται οι ιδιότητες των σωματιδίων σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας.
“Οι μετρήσεις μας παρέχουν σημαντικές νέες ενδείξεις για το πώς συμπεριφέρονται τα μεσόνια μέσα στην πυρηνική ύλη”, λέει ο Itahashi. “Αυτό μας φέρνει πιο κοντά στην απάντηση ουσιαστικών, θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με το πώς η ύλη αποκτά μάζα, καθώς και πώς μεταβάλλεται η δομή του κενού στο εσωτερικό των ατομικών πυρήνων”.
Τα μελλοντικά πειράματα θα στοχεύουν στη βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων και στην αναζήτηση πρόσθετων σημάτων διάσπασης για την επιβεβαίωση της ύπαρξης των η′-μεσονικών πυρήνων.
“Κάθε νέο αποτέλεσμα βοηθά στην αποσαφήνιση της κατανόησής μας για τους θεμελιώδεις νόμους που διαμορφώνουν το σύμπαν“.
