Αντιύλη (2 άρθρα)

Σε δημοσίευση στο περιοδικό Nature, οι φυσικοί της ερευνητικής ομάδας BASE στο CERN, περιγράφουν την ακριβέστερη σύγκριση, μέχρι τώρα, μεταξύ πρωτονίων και αντιπρωτονίων. Αναλύοντας τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο ‘εργοστάσιο’ αντιύλης του CERN, η ομάδα BASE μέτρησε το πηλίκο q/m (ηλεκτρικό φορτίο προς μάζα) των πρωτονίων (p) και των αντιπρωτονίων () με εκπληκτική ακρίβεια. Διαπίστωσαν ότι οι δύο λόγοι ταυτίζονται με μια πειραματική αβεβαιότητα 16 προς ένα τρισεκατομμύριο:

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, τα σωματίδια ύλης και αντιύλης μπορεί να διαφέρουν, π.χ. στον τρόπο με τον οποίο μετατρέπονται σε άλλα σωματίδια, αλλά οι περισσότερες ιδιότητές τους, συμπεριλαμβανομένων και των μαζών τους, πρέπει να είναι πανομοιότυπες. Η εύρεση οποιασδήποτε μικρής διαφοράς μεταξύ των μαζών πρωτονίων και αντιπρωτονίων, ή μεταξύ των λόγων q/m, θα έσπαγε μια θεμελιώδη συμμετρία που ονομάζεται συμμετρία CPT και θα οδηγούσε σε νέα φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Μια τέτοια διαφορά θα μπορούσε επίσης να ρίξει φως στο γιατί το σύμπαν αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ύλη, παρόλο που κατά την Μέγάλη Έκρηξη προέκυψαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Όμως, οι διαφορές μεταξύ σωματιδίων ύλης και αντιύλης που προκύπτουν από τα πειράματα είναι τάξεις μεγέθους μικρότερες από τις τιμές που απαιτούνται για να κλονίσουν το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Τα αρχικά CPT αναφέρονται, C: στην συζυγία φορτίου, τον μετασχηματισμό όπου ένα σωματίδιο αντικαθίσταται από το αντισωματίδιό του, P: στην ομοτιμία, η οποία συνδέεται με τον μετασχηματισμό αναστροφής του χώρου, και T: στη συμμετρία αναστροφής του χρόνου, όπου εναλλάσσονται οι χρονικές συντεταγμένες t και -t.
Oι ισχυρές και οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις παραμένουν αναλλοίωτες κάτω από τους προαναφερθέντες μετασχηματισμούς C, P και T, ενώ οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν μεμονωμένα και τις 3 αυτές συμμετρίες. Όμως, όταν οι μετασχηματισμοί C, P, Τ εφαρμόζονται μαζί, ως μετασχηματισμός CPT, τότε όλες οι αλληλεπιδράσεις – ασθενείς, ισχυρές και ηλεκτρομαγνητικές – παραμένουν αναλλοίωτες. Αυτό είναι το θεώρημα CPΤ και διατυπώνεται απλούστερα ως εξής: ένα σύστημα παραμένει αμετάβλητο αν τα σωματίδια αντικατασταθούν από τα κατοπτρικά συμμετρικά αντισωματίδιά τους και αντιστραφεί η ροή του χρόνου. To «αναλλοίωτο CPT» μας εγγυάται ότι ένα σωματίδιο και το αντισωματίδιό του έχουν ίσες μάζες, ίσους χρόνους ζωής, ίδιο σπιν, αλλά αντίθετους προσθετικούς κβαντικούς αριθμούς όπως το ηλεκτρικό φορτίο, η z συνιστώσα του ισοσπίν, ο κβαντικός αριθμός της παραξενιάς κ.ά.Όλα τα πειράματα που έχουν γίνει μέχρι σήμερα δείχνουν ότι δεν παραβιάζεται η συμμετρία CPT.

Για να πραγματοποιηθούν οι μετρήσεις πρωτονίων και αντιπρωτονίων, η ομάδα BASE εγκλώβισε τα αντιπρωτόνια και τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (άτομα υδρογόνου στα οποία προστίθεται ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο που χρησιμιμοποιώνται ως υποκατάστατα των πρωτονίων), σε μια συσκευή που ονομάζεται παγίδα Penning. Εκεί, ένα σωματίδιο ακολουθεί μια κυκλική τροχιά με συχνότητα, κοντά στη συχνότητα του κυκλότρου, η ακτίνα της οποίας εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου και τον λόγο του ηλεκτρικού φορτίου προς την μάζα του σωματιδίου.

Διοχετεύοντας αντιπρωτόνια και αρνητικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου στην παγίδα, η ομάδα BASE συνέκρινε, κάτω από τις ίδιες συνθήκες, τον λόγο q/m (φορτίο προς μάζα) των πρωτονίων και των αντιπροτωνίων. Διαπίστωσαν ότι είναι ίσoι με ακρίβεια 16 προς 1000000000000! Αυτό το αποτέλεσμα είναι τέσσερις φορές ακριβέστερο σε σχέση με την αντίστοιχη προηγούμενη μέτρηση.

Εκτός από τη σύγκριση του λόγου q/m πρωτονίων και αντιπρωτονίων με πρωτοφανή ακρίβεια, η ομάδα BASE χρησιμοποίησε τις μετρήσεις της για να θέσει αυστηρά όρια σε θεωρίες πέρα ​​από το Καθιερωμένο Πρότυπο οι οποίες παραβιάζουν την συμμετρία CPT, καθώς και για να ελέγξει την ασθενή αρχή ισοδυναμίας. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, διαφορετικά σώματα στο ίδιο βαρυτικό πεδίο υφίστανται την ίδια επιτάχυνση απουσία δυνάμεων τριβής. Το πείραμα BASE και οι μετρήσεις συχνότητας περιστροφής πρωτονίων και αντιπρωτονίων στο κύκλοτρο έγιναν στο βαρυτικό πεδίο στην επιφάνεια της Γης. Οποιαδήποτε διαφορά της βαρυτικής αλληλεπίδρασης των πρωτονίων με την αντίστοιχη βαρυτική αλληλεπεδρίση των αντιπρωτονίων θα οδηγούσε σε διαφορά μεταξύ των συχνοτήτων περιστροφής πρωτονίων και αντιπρωτονίων.

Oι φυσικοί του BASE δεν βρήκαν τέτοια διαφορά μέσα στα όρια του σφάλματος του πειράματος. Το σφάλμα αυτής της μέτρησης είναι συγκρίσιμο με το αντίστοιχο σφάλμα των πειραμάτων που μελετούν την απευθείας ελεύθερη πτώση των πρωτονίων στο πεδίο βαρύτητας της Γης.

Πηγή

Ένα υποατομικό σωματίδιο μπορεί να πραγματοποιεί εναλλαγή στο αντισωματιδιακό «alter-ego» του και μετά να επιστρέφει στην προηγούμενη κατάστασή του, όπως έδειξαν φυσικοί στο CERN. Σε μια μέτρηση υψηλής ακριβείας που έγινε στο πλαίσιο του πειράματος LHCb στο CERN απέδωσε τα πρώτα στοιχεία πως τα αποκαλούμενα γοητευτικά μεσόνια «charm mesons»  μπορούν να αλλάζουν σε αντισωματίδια και μετά ξανά πίσω στην προηγούμενή τους κατάσταση.

Ήταν γνωστό εδώ και πάνω από 10 χρόνια πως τα γοητευτικά μεσόνια- υποατομικά σωματίδια που περιέχουν ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ- μπορούν να ταξιδεύουν ως μείγμα των καταστάσεων σωματιδίου και αντισωματιδίου τους, ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως μείξη (mixing). Ωστόσο το νέο αυτό αποτέλεσμα δείχνει για πρώτη φορά πως μπορούν να παρουσιάζουν ταλάντωση/ εναλλαγή μεταξύ των δύο αυτών καταστάσεων.

Χρησιμοποιώντας αυτά τα νέα στοιχεία, οι επιστήμονες μπορούν να επιχειρήσουν να δώσουν απαντήσεις σε κάποια από τα μεγαλύτερα ερωτήματα στη Φυσική σχετικά με το πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια εκτός του Καθιερωμένου Προτύπου. Ένα από αυτά είναι το αν αυτές οι εναλλαγές προκαλούνται από άγνωστα σωματίδια που δεν προβλέπονται.

Στον περίεργο κόσμο της κβαντικής φυσικής, το γοητευτικό μεσόνιο μπορεί να είναι ο εαυτός του και το αντισωματίδιό του ταυτόχρονα. Η κατάσταση αυτή είναι γνωστή ως κβαντική υπέρθεση και έχει ως αποτέλεσμα δύο σωματίδια, το καθένα με τη δική του μάζα: Μια βαρύτερη και μια ελαφρύτερη έκδοση του σωματιδίου. Αυτή η υπέρθεση επιτρέπει στο γοητευτικό μεσόνιο να πραγματοποιεί ταλάντωση μεταξύ του εαυτού του και του αντισωματιδίου του.

Χρησιμοποιώντας δεδομένα που συνελέγησαν κατά τη δεύτερη «διαδρομή» του LHC (Large Hadron Collider) ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης μέτρησαν μια διαφορά μάζας μεταξύ των δύο σωματιδίων 10 ^-38 gr. Μια μέτρηση τέτοιας ακρίβειας και βεβαιότητας είναι δυνατή μόνο όταν το φαινόμενο παρατηρείται πολλές φορές, και αυτό είναι δυνατό μόνο χάρη στην παραγωγή πολλών γοητευτικών μεσονίων σε συγκρούσεις στον LHC.

Η ανακάλυψη αυτού του φαινομένου «ξεκλειδώνει» μια νέα φάση ερευνών στη Φυσική, με τους ερευνητές να επιδιώκουν τώρα να κατανοήσουν την ίδια τη διαδικασία ταλάντωσης- κάτι που θα μπορούσε να αποτελέσει σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για την επίλυση του μυστηρίου της ασυμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Πηγή