Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης επιστήμης είναι το γιατί υπάρχει το σύμπαν μας, καθώς θεωρητικά η ύλη και η αντιύλη θα έπρεπε να είχαν εξουδετερώσει η μία την άλλη κατά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Η απάντηση σε αυτό το κοσμολογικό αίνιγμα φαίνεται πως κρύβεται τελικά στα πιο βαθιά «έγκατα» των ίδιων των ατόμων που μας περιβάλλουν.
Μια νέα, επαναστατική ανακάλυψη στον κόσμο της Κβαντικής Φυσικής έρχεται να ρίξει φως σε μια άγνωστη δομή, η οποία μπορεί να αλλάξει όλα όσα γνωρίζαμε για τη δημιουργία του κόσμου.
Νέα στοιχεία υποδηλώνουν ότι η δομή που συγκρατεί τα πρωτόνια ενωμένα καθορίζει επίσης την κβαντική ιδιότητα που διαχωρίζει την ύλη από τη μυστηριώδη αντιύλη.
Αυτή η ιδιότητα, γνωστή ως βαρυονικός αριθμός, και η σχετική δομή της —ο βαρυονικός κόμβος (baryon junction)— αποτελούν δύο στοιχεία που βρίσκονται στον πυρήνα των πρωτονίων, ενός εκ των δομικών στοιχείων των ατόμων.
Το πείραμα του STAR Collaboration: Συγκρούσεις σωματιδίων που αλλάζουν τη Φυσική
Η επιστημονική κοινότητα φυσικών STAR Collaboration βρίσκεται πίσω από τη νέα εργασία, παρέχοντας νέα τεκμήρια για μια θεωρία δεκαετιών, καθώς και μια βαθύτερη κατανόηση της ανισορροπίας μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Οι ερευνητές αποκάλυψαν τα ευρήματά τους —τα οποία αποτελούν αποτέλεσμα πειραμάτων σύγκρουσης σωματιδίων υψηλής ενέργειας— σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science.
Η ύλη στο Σύμπαν: από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος μας
Σε επίπεδο ατόμου, η κλασική φυσική γενικά εξηγεί πώς λειτουργεί το σύμπαν μας, αλλά όταν βουτάμε στον υποατομικό κόσμο, η κβαντική φυσική παίρνει τα ηνία. Η νέα εργασία προσφέρει στοιχεία για το πώς οργανώνεται η ύλη στο σύμπαν μας σε αυτά τα μικροσκοπικά επίπεδα, συμπεριλαμβανομένων των ατομικών δομικών λίθων που είναι γνωστοί ως βαρυόνια.
Αυτοί οι ατομικοί δομικοί λίθοι περιλαμβάνουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Οι φυσικοί υποψιάζονταν κάποτε ότι τα βαρυόνια ήταν μια χαλαρή συλλογή τριών κουάρκ, των μικρότερων στοιχειωδών κομματιών της ύλης, τα οποία δεν διασπώνται σε μικρότερα στοιχεία.
Αυτή η νέα εργασία υποστηρίζει τη θεωρία ότι μια γλουονική δομή που ονομάζεται «κόμβος βαρυονίων» (baryon junction) συγκρατεί αυτά τα κουάρκ μαζί για να σχηματίσουν ένα πρωτόνιο.
Αυτό παρουσιάζει μια πιο περίπλοκη εικόνα της ύλης σε αυτές τις μικροσκοπικές κλίμακες, η οποία επηρεάζεται όχι μόνο από τα ίδια τα κουάρκ αλλά και από τα γλουόνια που τα συγκρατούν ενωμένα.
Ύλη και αντιύλη: Η αιώνια κοσμική μονομαχία
Ένα ζήτημα που οι φυσικοί πασχίζουν να επιλύσουν είναι το πώς ένα πρωτόνιο φέρει τον βαρυονικό του αριθμό, τον διατηρούμενο κβαντικό αριθμό που προκύπτει αν αφαιρέσουμε τα αντικουάρκ από το ένα τρίτο του συνολικού αριθμού των κουάρκ του.
Εάν αυτός ο αριθμός είναι αρνητικός, το σωματίδιο είναι αντιύλη, ενώ οι θετικοί αριθμοί υποδηλώνουν κανονική ύλη. Παραδοσιακά, οι φυσικοί υπέθεταν ότι ο αριθμός αυτός καθορίζεται από τα ίδια τα τρία κουάρκ, ωστόσο μια εναλλακτική υπόθεση υποδηλώνει ότι υπεύθυνο είναι το πεδίο γλουονίων του «κόμβου βαρυονίων».
Αν και η πρώτη υπόθεση είναι πιο διαδεδομένη, κανένα πειραματικό δεδομένο δεν είχε καταγραφεί προηγουμένως που να υποστηρίζει τη μία ή την άλλη πρόταση. Αυτό ίσχυε μέχρι τη στιγμή που η ομάδα των φυσικών πίσω από τη νέα επιστημονική δημοσίευση ξεκίνησε να ερευνά αυτή τη μυστηριώδη δομή γλουονίων στον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) του Εθνικού Εργαστηρίου Μπρούκχαβεν, στο Άπτον της Νέας Υόρκης.
Οι δύο τεράστιες, κυκλικές σήραγγες με μεταλλικούς σωλήνες κενού και υπεραγώγιμους μαγνήτες έχουν περιφέρεια 2,4 μιλίων και επιτρέπουν τη σύγκρουση βαρέων ιόντων σε ταχύτητες που αγγίζουν την ταχύτητα του φωτός.
Συγκρούσεις σωματιδίων: αναζητώντας τα μυστικά της χρονικής απαρχής
Η εργασία τους περιλάμβανε συγκρούσεις φωτονίων με πυρήνες χρυσού, καθώς και πλάγιες αλλά και μετωπικές συγκρούσεις βαρέων ιόντων. Η ομάδα αντλεί το όνομά της από τον ανιχνευτή STAR, ένα όργανο στις εγκαταστάσεις του εργαστηρίου που έχει σχεδιαστεί για τη μελέτη του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων του πρώιμου σύμπαντος.
Οι ερευνητές εντόπισαν τους βαρυονικούς αριθμούς των πρωτονίων, οι οποίοι διαχωρίστηκαν από το ηλεκτρικό τους φορτίο κατά τη διάρκεια γεγονότων στα οποία αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια διασπάστηκαν. Σε κάθε περίπτωση που εκτελέστηκαν αυτά τα πειράματα, τα αποτελέσματα συμφωνούσαν με το μοντέλο του «κόμβου βαρυονίων».
Η απόσταση στην οποία μεταφέρθηκε ο βαρυονικός αριθμός καθώς και η συμπεριφορά του δεν συμβάδιζαν με τις προσδοκίες του μοντέλου των κουάρκ. Ιδιαίτερα αξιοσημείωτο ήταν το γεγονός ότι ο βαρυονικός αριθμός μετακινούνταν πιο εύκολα από το ηλεκτρικό φορτίο, υποδηλώνοντας ότι τα κουάρκ δεν είναι ο μοναδικός παράγοντας.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι αυτό το εύρημα μπορεί να εξηγήσει όχι μόνο τον μικροσκοπικό εσωτερικό μηχανισμό των μικρότερων στοιχείων ενός ατόμου, αλλά και την ίδια την οργάνωση της ύλης σε συμπαντική κλίμακα.
Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των υποατομικών σωματιδίων βρίσκονται στη ρίζα της ανισορροπίας μεταξύ ύλης και αντιύλης, και οι μελλοντικές μετρήσεις θα μπορούσαν να αποκαλύψουν ακόμη περισσότερες κρυφές πτυχές του τρόπου με τον οποίο τα πρωτόνια αποκτούν την ταυτότητά τους.
