11 Σεπτέμβριος 2015, 17:29 - Τελευταία Ενημέρωση: 11 Σεπτέμβριος 2015, 16:26

Πώς ήταν οι πρώτες στιγμές της δημιουργίας

  • Πώς ήταν οι πρώτες στιγμές της δημιουργίας
    Τα πειράματα που διεξάγονται στο CERN αλλάζουν την εικόνα μας για τον κόσμο (φωτ.: EPA/Salvatore Di Nolfi)

Υπάρχει μια αξεπέραστη, προς το παρόν, αντίφαση στις παραδοχές της επιστήμης για τη δημιουργία του σύμπαντος, την οποία προσπαθεί να διερευνήσει και να υπερβεί, ένα από τα πειράματα που διεξάγεται στον επιταχυντή LHC του CERN.  Όπως σημειώσαμε και άλλοτε, στο CERN δεν διερευνάται ένα μόνο επιστημονικό ερώτημα αλλά αρκετά.

Ένα από τα ζητήματα που απασχολούν τους επιστήμονες είναι να αναπαράγουν τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος και να δώσουν έτσι απαντήσεις στο ερώτημα γιατί –και πώς –επικράτησε η ύλη της αντιύλης. Το πείραμα αυτό διεξάγεται στον ανιχνευτή ALICE (Α Large Ion Collider Experiment).

Το ερώτημα που βασανίζει τους ερευνητές είναι γιατί το σύμπαν αποτελείται από ύλη και όχι από αντιύλη;

Κατά τη Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να έχει δημιουργηθεί ίση ποσότητα ύλης και αντιύλης ενώ σήμερα παρατηρούμε ένα σύμπαν που κυριαρχείται από ύλη (καθώς και σκοτεινή ύλη που είναι μια άλλη ιστορία αλλά πάλι ύλη).  Όμως, αφού όταν έρχονται σε επαφή η ύλη και η αντιύλη –καθώς έχουν αντίθετο φορτίο –αλληλοεξουδετερώνονται δίνοντας μια αναλαμπή ακτίνων γ, εμείς δεν θα έπρεπε να υπάρχουμε. Σύμφωνα με αυτό το σενάριο, το σύμπαν θα έπρεπε να είναι μια άτακτη συλλογή ακτίνων γ χωρίς ύλη.

Αν η Μεγάλη Έκρηξη ήταν εντελώς συμμετρική (ή αν προήλθε από το τίποτα) τότε θα περίμενε κανείς να δημιουργηθούν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης.  Οι επιστήμονες ψάχνοντας για αντιύλη βρήκαν ελάχιστη. Κάποιες ροές ανιχνεύθηκαν κοντά στον πυρήνα του Γαλαξία μας και πιθανότατα παρόμοιες υπάρχουν και στο κέντρο άλλων γαλαξιών. Άρα, πως εξηγείται η ύπαρξή μας; Η λύση που πρότεινε ο Ρώσος φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ ήταν πως η πρωταρχική Μεγάλη Έκρηξη ήταν κάθε άλλο παρά συμμετρική. Αυτό, όμως, έρχεται σε αντίθεση με την παραδεδεγμένη θεωρία του Καθιερωμένου Προτύπου.


Ο ανιχνευτής ALICE στον οποίο διεξάγεται το πείραμα του CERN

Τη στιγμή της δημιουργίας  επήλθε μια μικρή ρήξη της συμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης με αποτέλεσμα η ύλη να υπερισχύσει και να δημιουργηθεί το σύμπαν όπως το γνωρίζουμε. 

Η συμμετρία που έσπασε κατά τη Μεγάλη Έκρηξη λέγεται CP συμμετρία. Τι, ακριβώς, είναι;

Η Συμμετρία
Η έννοια της συμμετρίας είναι θεμελιώδης για την κατανόηση του φυσικού κόσμου. Όπου μπορούμε να διακρίνουμε αληθινές ή προσεγγιστικές συμμετρίες, όπως είναι αυτές που σχετίζονται με τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, μπορούμε να ισχυριζόμαστε ότι έχουμε πραγματική γνώση. Όπου η φύση δεν εμφανίζει καμιά ή εμφανίζει φαινομενική συμμετρία, όπως στο φάσμα των στοιχειωδών κουάρκ ή των λεπτονίων, βρισκόμαστε σε μεγάλη σύγχυση.

Η σημασία της συμμετρίας στην κατανόηση των νόμων της φυσικής είναι μια σύγχρονη αντίληψη που ανήκει σχεδόν αποκλειστικά στον εικοστό αιώνα και η οποία άρχισε να διαδίδεται ευρύτατα με την εμφάνιση του Αϊνστάιν και της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας.

Σήμερα η συμμετρία αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά εκείνου που ονομάζουμε «ομορφιά της φυσικής».

Ενώ οι τέχνες και η μουσική έχουν απομακρυνθεί αυτόν τον αιώνα από τη συμμετρία, υιοθετώντας, μάλιστα, την αντισυμμετρία ως δομικό στοιχείο, είναι αξιοσημείωτο ότι οι φυσικοί έχουν αντιληφθεί τη θεμελιώδη σημασία της συμμετρίας στη διαμόρφωση των νόμων της φυσικής.

Με απλά λόγια όταν ενώ μεταβάλλονται η θέση, ο προσανατολισμός, ο χρόνος ή η ταχύτητα τους εργαστηρίου, δεν επηρεάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξάγονται στο εργαστήριο τότε μιλάμε για συμμετρίες των νόμων της φυσικής.

Οι συμμετρίες της ομοτιμίας (P), συζυγίας φορτίου (C) και αντιστροφής του χρόνου (Τ)
Στο χώρο των σωματιδίων, υπάρχουν τρεις κύριες συμμετρίες. Ο κατοπτρισμός ως προς το χρόνο T (Τime Reversal), ο κατοπτρισμός ως προς το χώρο (Space Inversion), που λέγεται ομοτιμία P (Parity) και τέλος ο κατοπτρισμός ως προς το φορτίο C (Charge Conjugation). Και οι τρεις λέγονται με μία λέξη CPT.

Αξιοσημείωτο είναι ότι η ασθενής αλληλεπίδραση – μια από τις δυο πυρηνικές αλληλεπιδράσεις που είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό της ύλης – δεν υπακούει στη συμμετρία C, τη συμμετρία φορτίου.  Αυτό σημαίνει ότι ένα σύμπαν με αντισωματίδια εξελίσσεται διαφορετικά από το δικό μας.

Οι φυσικοί, όμως, πίστευαν ότι θα μπορούσε η ασθενής αλληλεπίδραση, να υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CP, παρόλο που και οι δύο συμμετρίες δεν ισχύουν. Τα πειράματα όμως έδειξαν ότι δεν ισχύει αυτή η συνδυασμένη συμμετρία.

Συμμετρία ως προς το χρόνο
Σύμφωνα με κάποιο μαθηματικό θεώρημα κάθε θεωρία που υπακούει στους νόμους της κβαντικής μηχανικής και της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας πρέπει επίσης να υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CPT. Δηλαδή, το σύμπαν πρέπει να εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο αν αντικαταστήσουμε τα σωματίδια με τα αντισωματίδιά τους, πάρουμε το κατοπτρικό του σύμπαν και αντιστρέψουμε το χρόνο.

Το συμπέρασμα για το διαστελλόμενο σύμπαν είναι ότι αν αντιστρέψουμε την κατεύθυνση του χρόνου, τότε το σύμπαν δεν διαστέλλεται πια αλλά συστέλλεται. Και αφού η αντιστροφή του χρόνου αλλάζει κάποιους νόμους της Φύσης, συμπεραίνουμε ότι αυτοί οι νόμοι μπορεί να είναι η αιτία που μετατρέπονται περισσότερα αντι-ηλεκτρόνια σε quarks απ’ όσα ηλεκτρόνια σε αντι-quarks.

Το σύμπαν αρχικά βρισκόταν σε μια συμμετρική κατάσταση στην οποία όλα τα σωματίδια ήταν άμαζα. Έπειτα, χάρη σε ένα νέο είδος πεδίου, η συμμετρία έσπασε και κάποια σωματίδια απέκτησαν ξαφνικά μάζα.

Αυτό είναι το πεδίο Χιγκς, το οποίο προσδίδει μάζα με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με το είδος του σωματιδίου.

Η παραβίαση CP
Οι επιστήμονες ήταν βέβαιοι ότι οι νόμοι της Φυσικής υπάκουαν σε αυτό που ονομάζεται CP συμμετρία, δηλαδή, ότι οι φυσικοί νόμοι ήταν ίδιοι για την ύλη και την αντιύλη. Μέχρι που ανακάλυψαν ότι  τα σωματίδια καόνια, μερικές φορές διασπώνται με τρόπο που παραβίαζε αυτό τον κανόνα. Δεν έχει ακόμη σαφώς ανιχνευθεί η παραβίαση σε άλλα σωματίδια πλην των καονίων. Και αναζητείται πού το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι σωστό και πού λάθος.

Τον Αύγουστο το πείραμα ALICE δημοσίευσε μια ακριβή μέτρηση της διαφοράς μεταξύ του λόγου της μάζας και του ηλεκτρικού φορτίου των ελαφρών πυρήνων και αντι-πυρήνων  που παράγονται κατά τη διάρκεια συγκρούσεων βαρέων ιόντων στον LHC.

Πριν από λίγες ημέρες, το πείραμα Συμμετρίας Βαρονίου- Αντιβαρονίου (BASE) είχε επίσης δημοσιεύσει μια εργασία στο Nature, επιβεβαιώνοντας την CPT συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Επομένως, οι φυσικοί ψάχνουν για κάποια παραβίαση του θεωρήματος CPT, το οποίο θα μπορούσε να εξηγήσει την ασυμμετρία της ύλης με την αντιύλη. Το πείραμα ALICE προσπαθεί να βρει ίχνη αυτής της παραβίασης, μετρώντας με υψηλή ακρίβεια τις ιδιότητες των σωματιδίων και των αντισωματιδίων που παράγονται με τις συγκρούσεις στο εσωτερικό του επιταχυντή.

Ο δρόμος είναι ακόμη μακρύς με τον επιταχυντή  LHC στην αναζήτηση της υπερσυμμετρίας. Ή στον αποκλεισμό της. Αν δεν δοθούν απαντήσεις από τον επιταχυντή LHC το επόμενο βήμα είναι μεγαλύτερος επιταχυντής ο οποίος ήδη σχεδιάζεται στο CERN.

Αλλά, και μέχρι εδώ που έφθασαν οι προσπάθειες είναι αξιοσημείωτες. Έχει αναπτυχθεί μια γνώση στην Ευρώπη στην τεχνολογία επιταχυντών και παράλληλες τεχνολογίες (υπεραγωγιμότητα, μαγνήτες, κρυογενική, υλικά, λογισμικό) που αν δεν συνεχιστεί θα υπάρξει μεγαλύτερο κόστος τόσο για την επανεκπαίδευση κατάλληλων επιστημόνων όσο και για την κάλυψη του χάσματος από την πρόοδο άλλων χωρών που επενδύουν στην θεμελιώδη έρευνα.