Δευτέρα, 14 Ιουνίου 2010

Το κυνήγι φαντασμάτων προάγει τη γνώση


Υστερα από τρία χρόνια συστηματικής μελέτης των δισεκατομμυρίων στοιχειωδών σωματιδίων τα οποία ταξίδευαν με ταχύτητες λίγο μικρότερες από αυτή του φωτός, κατάφεραν να καταγράψουν τη «μετάλλαξη» του πιο φευγαλέου, ανάλαφρου και συνεπώς του πιο άπιαστου συστατικού της ύλης του Σύμπαντος: του νετρίνου.
Η συγκεκριμένη έρευνα ανατρέπει την ευρέως αποδεκτή άποψη ότι αυτά τα «άυλα» στοιχειώδη σωματίδια δεν διέθεταν καθόλου μάζα. Απ' ό,τι φαίνεται, όχι μόνο διαθέτουν μάζα αλλά και μπορούν να μετατρέπονται σε ελαφρώς διαφορετικά μέλη αυτής της αινιγματικής ομάδας στοιχειωδών σωματιδίων. Γεγονός που έχει σοβαρές επιπτώσεις στην επιστήμη της μικροφυσικής: αφ' ενός διαψεύδει μία από τις βασικές παραδοχές του «καθιερωμένου μοντέλου» της σωματιδιακής φυσικής και αφ' ετέρου δημιουργεί νέες προοπτικές στην έρευνα των στοιχειωδών σωματιδίων και της κοσμολογίας.
Η μικροφυσική, δηλαδή η αναζήτηση των στοιχειωδέστερων συστατικών της ύλης και των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων, από την πρώτη στιγμή που διατυπώθηκε αποτέλεσε μια διαρκή πρόκληση για τον κοινό νου. Ηδη από τον 5ο αιώνα π.Χ., όταν ο Λεύκιππος και ο Δημόκριτος τόλμησαν, πρώτοι αυτοί, να διατυπώσουν την ατομική θεωρία, όταν δηλαδή πρότειναν να κατανοήσουμε τον οικείο και ορατό μακροσκοπικό κόσμο που μας περιβάλλει μέσω των ανοίκειων και αόρατων μικροσκοπικών «ατόμων», οι απόψεις τους χλευάστηκαν ή παρανοήθηκαν.
Σήμερα βέβαια θεωρείται από όλους προφανές ότι προϋπόθεση κάθε επιστημονικής εξήγησης των περίπλοκων μακροσκοπικών φαινομένων είναι η σε βάθος κατανόηση των απλούστερων δυνατών -αλλά αόρατων- συστατικών τους στοιχείων. Χρειάστηκαν όμως δύο χιλιάδες χρόνια στην ανθρώπινη σκέψη για να αναγνωρίσει την πραγματική σημασία και κυρίως τη δύναμη των εξηγήσεων του ορατού μέσω του αόρατου· δύο χιλιετίες για να βρει τις κατάλληλες επιστημονικές μεθόδους που θα καθιστούσαν «ορατό» ό,τι μέχρι τότε παρέμενε αόρατο και καλά κρυμμένο.
Τα μυστικά των «φαντασμάτων»
Χάρη στην επινόηση των κατάλληλων θεωρητικών και πειραματικών «εργαλείων» κατά τη διάρκεια του περασμένου αιώνα, οι φυσικοί επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα άτομα δεν είναι «άτομα», δηλαδή μη περαιτέρω διαιρέσιμα: μολονότι αποτελούν διακριτά και αναγνωρίσιμα επίπεδα οργάνωσης της ύλης, δεν είναι τα πιο στοιχειώδη και άρα τα αδιαίρετα συστατικά της ύλης. Αντίθετα, αποδείχτηκε ότι και αυτά με τη σειρά τους αποτελούνται από στοιχειωδέστερα δομικά συστατικά.
Ολα τα άτομα, ως γνωστόν, αποτελούνται από έναν πυρήνα (από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και από ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια), ενώ γύρω από τον πυρήνα περιστρέφονται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Ειδικότερα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια (τα λεγόμενα νουκλεόνια), παρ' ότι αποτελούν όντως τα υποατομικά σωματίδια που συνθέτουν τους πυρήνες των ατόμων, εντούτοις δεν είναι ούτε στοιχειώδη ούτε αδιαίρετα.
Πράγματι, μόλις άρχισαν να χρησιμοποιούν στην έρευνα τους πρώτους επιταχυντές, διαπίστωσαν κατά το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα ότι οι πυρήνες όλων των ατόμων προκύπτουν από την ένωση διαφορετικών υποατομικών σωματιδίων. Ανακάλυψαν μάλιστα έναν τόσο μεγάλο αριθμό από νέα «στοιχειώδη» σωματίδια, ώστε άρχισαν να αμφιβάλλουν για το κατά πόσο θα έπρεπε να θεωρούνται όντως «στοιχειώδη» όλα αυτά τα σωματίδια.
Μόλις συνήλθαν από αυτό το σοκ οι φυσικοί προσπάθησαν να βάλουν κάποια τάξη σε αυτόν τον φαινομενικά ατελείωτο αριθμό «στοιχειωδών» σωματιδίων. Και τα κατάφεραν!
Σήμερα γνωρίζουμε ότι κάθε υλικό σώμα στο Σύμπαν προκύπτει από την αλληλεπίδραση δύο μόνο βασικών οικογενειών στοιχειωδών σωματιδίων: των αδρονίων και των λεπτονίων (βλ. Πλαίσιο). Για παράδειγμα, τα νουκλεόνια, δηλαδή το κάθε ένα από τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συγκροτούν τον πυρήνα του ατόμου, αποτελείται μόνο από τρία κουάρκ, δηλαδή από στοιχειώδη σωματίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων (όλα τα κουάρκ είναι αδρόνια, από την αρχαιοελληνική λέξη «αδρός», που σημαίνει δυνατός).
Εκτός όμως από τον πυρήνα, υπάρχουν και τα ηλεκτρόνια. Αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια ανήκουν στη μεγάλη οικογένεια των λεπτονίων, που περιλαμβάνει όλα τα σωματίδια που δεν είναι κουάρκ, δηλαδή όλα όσα δεν «αισθάνονται» τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και αλληλεπιδρούν μόνο μέσω ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Στη μεγάλη οικογένεια των λεπτονίων, εκτός από τα ηλεκτρόνια ανήκουν τα «μυόνια» και τα «ταυ» καθώς και τα τρία είδη νετρίνων. Τα λεπτόνια χωρίζονται σε τρεις υποομάδες: στην πρώτη ομάδα βρίσκουμε τα ηλεκτρόνια και τα ηλεκτρονικά νετρίνα, στη δεύτερη τα μυόνια και τα μυονικά νετρίνα και τέλος τα σωματίδια «ταυ» και τα νετρίνα-ταυ.
Τι στο καλό όμως είναι τα νετρίνα και τι τα χρειαζόμαστε; Η απάντηση σε αυτό το εύλογο ερώτημα δεν είναι καθόλου προφανής. Και αυτό γιατί, όπως και με όλα τα άλλα υποατομικά σωματίδια, η ανάγκη ύπαρξής τους ήταν αρχικά καθαρά υποθετική και εξυπηρετούσε θεωρητικές ανάγκες και μόνο πολύ αργότερα έγινε δυνατή η εμπειρική επιβεβαίωση της ύπαρξής τους.
Κατά τη δεκαετία του 1930 ο μεγάλος Ιταλός ατομικός φυσικός Ενρίκο Φέρμι πρότεινε το όνομα «νετρίνο» (δηλαδή μικρό νετρόνιο) για να περιγράψουμε το αινιγματικό σωματίδιο που προκύπτει από την αυθόρμητη διάσπαση του νετρονίου· τη γνωστή διάσπαση-β, μια θεμελιώδη πυρηνική διεργασία κατά την οποία από ένα ουδέτερο νετρόνιο προκύπτουν δύο υποατομικά σωματίδια: ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο και ένα αρνητικό ηλεκτρόνιο.
Μελετώντας αυτές τις διασπάσεις-β οι φυσικοί διαπίστωσαν κάτι πολύ παράξενο. Ενώ υπάρχει διατήρηση του συνολικού ηλεκτρικού φορτίου, από ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο (νετρόνιο) προκύπτουν δύο: ένα αρνητικό (ηλεκτρόνιο) και ένα θετικό (πρωτόνιο). Δυστυχώς όμως, στα δύο σωματίδια που προέκυπταν από τη διάσπαση-β δεν υπήρχε και διατήρηση της συνολικής ορμής και ενέργειας. Μήπως αυτές οι θεμελιώδεις φυσικές αρχές διατήρησης δεν ισχύουν για τα στοιχειώδη σωματίδια; Η απάντηση σε αυτή την καταστροφική προοπτική ήταν η θεωρητική επινόηση των αόρατων τότε νετρίνων: μόνο η παραδοχή της ύπαρξης τέτοιων «άυλων» σωματιδίων με πιθανά μηδενική μάζα μπορούσε να εγγυηθεί ότι ο μικρόκοσμος διαθέτει μια πολύπλοκη μεν αλλά εν τέλει νομοτελειακή οργάνωση!
Οταν ρώτησαν τον Ενρίκο Φέρμι, λίγο πριν πεθάνει, το 1954, αν πίστευε ότι ήταν εφικτή η ανίχνευση νετρίνων με τα διαθέσιμα τότε τεχνολογικά μέσα, αυτός απάντησε απερίφραστα όχι. Και όμως, ύστερα από δύο χρόνια (το 1956), ο νεαρός φυσικός Κλάιντ Κάουμαν, ο οποίος του είχε υποβάλει αυτό το ερώτημα, κατάφερε να ανιχνεύσει εμπειρικά την παραγωγή νετρίνων.
Ετσι το νετρίνο, το σωματίδιο-φάντασμα, εισήλθε στον κόσμο του παρατηρήσιμου. Ομως, εφόσον υπάρχει πραγματικά, δεν θα πρέπει να έχει κάποια μάζα και να αλληλεπιδρά με τον υπόλοιπο υλικό κόσμο; Σε αυτά τα ενοχλητικά ερωτήματα προσπαθεί να απαντήσει τα τελευταία χρόνια ένα πολύ φιλόδοξο διεθνές ερευνητικό πρόγραμμα, τα πρώτα σημαντικά συμπεράσματα του οποίου έγιναν γνωστά μόλις πριν από δέκα ημέρες.
Μια παγίδα για νετρίνα
Μελετώντας τη συμπεριφορά των πιο ακριβοθώρητων και φευγαλέων συστατικών της ύλης, των νετρίνων, οι ερευνητές του διεθνούς πειράματος «OPERA» διαπίστωσαν ότι αυτά τα «αόρατα» σωματίδια όχι απλώς διαθέτουν κάποια μάζα αλλά και μπορούν να «μεταλλάσσονται» αυθόρμητα: «Είναι σαν να έχεις ένα σκυλί που μπορεί να μετατρέπεται σε γάτα στη διάρκεια ενός περιπάτου», δήλωσε χαρακτηριστικά ένας διευθυντής ερευνών περιγράφοντας, πριν από λίγες ημέρες, τις ανακαλύψεις τους.
Το πρόγραμμα «OPERA» είναι ένα διεθνές πείραμα που πραγματοποιείται στην Ευρώπη και συνίσταται στην εκπομπή μιας πυκνής δέσμης νετρίνων, η οποία παράγεται στον μεγάλο επιταχυντή που βρίσκεται στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στη Γενεύη. Αφού διασχίσει μια απόσταση 732 χιλιομέτρων μέσα από την οροσειρά των Αλπεων, η δέσμη αυτή φτάνει, μέσα σε 2,4 χιλιοστά του δευτερολέπτου, στο Ιταλικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής (INFN) του Gran Sasso της Ιταλίας, όπου φιλοξενείται ένας μεγάλος ανιχνευτής νετρίνων. Εκεί βρίσκεται μια γιγάντια «φωτογραφική μηχανή» που ονομάζεται «OPERA-1», ζυγίζει 1,3 τόνους και είναι ειδικά κατασκευασμένη για να «απαθανατίζει» τα νετρίνα που φτάνουν σε αυτή.
Από το CERN εκπέμπονται μόνο μυονικά νετρίνα τα οποία, όπως διαπίστωσαν, αφού διανύσουν ένα μέρος της διαδρομής, υφίστανται μια «ταλάντωση», δηλαδή κατά κάποιο τρόπο «μεταλλάσσονται», ή, όπως λένε οι κβαντικοί φυσικοί, αλλάζουν «γεύση» και από μυονικά νετρίνα μετατρέπονται σε νετρίνα-ταυ! Μέχρι σήμερα από τα δισεκατομμύρια νετρίνα που καταλήγουν στον ανιχνευτή OPERA-1, μόνο ελάχιστα διατηρούν μέχρι τέλους τη νέα τους «ταυτότητα». Και το ίδιο θα πρέπει να συμβαίνει με τα απείρως περισσότερα νετρίνα που παράγονται από τον Ηλιο και σε ελάχιστο χρόνο διανύουν το ηλιακό μας σύστημα.
Τι σημαίνει αυτό; Πολύ απλά ότι αν, όπως φαίνεται, τα σωματίδια αυτά μπορούν κατά τη διαδρομή τους να υποστούν ταλαντώσεις, τότε θα πρέπει οπωσδήποτε να έχουν κάποια ελάχιστη, αλλά υπολογίσιμη, μάζα. Συνεπώς χρειάζεται να αναθεωρήσουμε την εσφαλμένη αντίληψη που επικρατούσε μέχρι σήμερα στο «καθιερωμένο μοντέλο», ότι δηλαδή τα νετρίνα δεν έχουν μάζα.
Το γεγονός ότι αυτά τα αινιγματικά σωματίδια μπορούν να υφίστανται τέτοιες κβαντικές ταλαντώσεις και να μεταμορφώνονται όπως οι χαμαιλέοντες έχει γεννήσει σε κάποιους θεωρητικούς φυσικούς την ελπίδα ότι ίσως τα νετρίνα να είναι οι ιδανικοί υποψήφιοι που συγκροτούν τη λεγόμενη «σκοτεινή ύλη», μια εντελώς αόρατη μορφή ύλης που, όπως αποκαλύφθηκε τα τελευταία χρόνια, καλύπτει μεγάλο μέρος -ίσως το 96%- της συνολικής ύλης του σύμπαντος.
Εξάλλου, υποστηρίζουν αυτοί οι ερευνητές, τα νετρίνα είναι τα πιο μικρά ή φευγαλέα στοιχειώδη σωματίδια αλλά και τα πιο πολυάριθμα μετά τα φωτόνια, τα άλλα αόρατα σωματίδια που μεταφέρουν το φως σε ολόκληρο το Σύμπαν. Και μάλιστα ο συνολικός αριθμός τους είναι τόσο μεγάλος, ώστε, μολονότι σπανίως αλληλεπιδρούν με τη γνωστή μας ύλη, αποκλείεται να μην έχουν επηρεάσει και να εξακολουθούν να επηρεάζουν τη δομή και κυρίως την εξέλιξη του Σύμπαντος.