Αντιύλη (4 άρθρα)

Φυσικοί στο CERN κατασκεύασαν ένα δοχείο βάρους περίπου ενός τόνου για να μεταφέρουν μόνο 92 υποατομικά σωματίδια αντιύλης χωρίς αυτά να εξαϋλωθούν

Η αντιύλη συνίσταται από τα λεγόμενα αντισωματίδια, τα οποία έχουν ίδια μάζα με τα κανονικά σωματίδια αλλά έχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία και μαγνητικές ιδιότητες. Για κάθε σωματίδιο της ύλης, υπάρχει το αντίστοιχο αντισωματίδιο:
● το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου (αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο) είναι το ποζιτρόνιο (έχει θετικό φορτίο),
● το αντισωματίδιο του πρωτονίου (θετικό φορτίο) είναι το αντιπρωτόνιο (έχει αρνητικό φορτίο) και
● το αντισωματίδιο του νετρονίου (ηλεκτρικά ουδέτερο) το αντινετρόνιο παραμένει ουδέτερο, αλλά αποτελείται από αντι-κουάρκ αντί για τα κανονικά κουάρκ.
Ένα αντιπρωτόνιο με ένα ποζιτρόνιο, μπορεί να σχηματίσει ένα άτομο αντι-υδρογόνου, το οποίο επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν και να μελετήσουν σε εργαστήρια όπως το CERN, όπου έχουν δημιουργηθεί επίσης πυρήνες αντιδευτερίου, αντιηλίου-3 και αντιηλίου-4).

Οι φυσικοί πραγματοποίησαν ένα εντυπωσιακό επίτευγμα: φόρτωσαν σε ένα φορτηγό αντιύλη και την πήγαν βόλτα. Είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες καταφέρνουν να μεταφέρουν αντιύλη έξω από το εργαστήριο, κάτι που θα μπορούσε να βοηθήσει στην έναρξη μιας νέας εποχής ανακαλύψεων σχετικά με την αντιύλη.

Η αντιύλη προκύπτει με φυσικό τρόπο από κάποια ραδιενεργά στοιχεία ή στις πυρηνικές αντιδράσεις κοσμικών φαινομένων στο εσωτερικό των άστρων, στις εκρήξεις σουπερνόβα ή από τις συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων. Μπορεί επίσης να παραχθεί σε εξειδικευμένες εγκαταστάσεις όπως το Εργοστάσιο Αντιύλης στο CERN. Όταν η ύλη και η αντιύλη έρθουν σε «επαφή», εξαϋλώνονται απελευθερώνοντας τεράστια ποσά ενέργειας, με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αλλά και νέων, βραχύβιων υποατομικών σωματιδίων. (Σ’ αυτό φαινόμενο βασίζονται κάποιες σημαντικές διαγνωστικές εξετάσεις που γίνονται στα νοσοκομεία. Για παράδειγμα, στην εξέταση PET scan – Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων – στα νοσοκομεία χρησιμοποιούνται ραδιενεργά ισότοπα που εκπέμπουν ποζιτρόνια (αντιηλεκτρόνια) μέσα στο σώμα για να εντοπίσει την συγκέντρωση των καρκινικών κυττάρων.)

Το φαινόμενο της εξαύλωσης καθιστά την αντιύλη απίστευτα σπάνια και εξαιρετικά δύσκολη στη μελέτη της. Έτσι, για να διερευνήσουν πραγματικά την αντιύλη που δημιουργούν, οι ερευνητές πρέπει να την παγιδεύσουν, αλλά οι επιταχυντές σωματιδίων στο CERN δημιουργούν «μαγνητικό θόρυβο» που διαταράσσει τυχόν μετρήσεις της αντιύλης. Γι αυτό θέλουν να την μεταφέρουν σε άλλα εργαστήρια. Αλλά πρώτα έπρεπε να βρουν πώς θα το κάνουν.

Σύμφωνα με τους ερευνητές: «Στην αρχή θέλαμε να κατασκευάσουμε κάτι που να χωράει στο πορτμπαγκάζ ενός αυτοκινήτου. Όταν όμως αρχίζεις να εξετάζεις τις λεπτομέρειες για το τι ακριβώς χρειάζεται ώστε να φτιαχτεί αυτή η παγίδα, ο εξοπλισμός γίνεται όλο και μεγαλύτερος». Στο εσωτερικό της κρυογονικής παγίδας των αντιπρωτονίων πρέπει να επικρατεί υπερυψηλό κενό, θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν, καθώς και ένα μαγνητικό πεδίο που αναγκάζει τα χαμηλής ενέργειας αντισωματίδια να κινούνται σε κυκλικές τροχιές. Η τελική συσκευή που σχεδίασαν – ουσιαστικά ένα τεράστιο κουτί – κατέληξε να ζυγίζει περίπου έναν τόνο και χρειάστηκε γερανός για την ανύψωσή της. Ωστόσο, κατάφεραν να διατηρήσουν τις διαστάσεις της τέτοιες ώστε να χωράει να περάσει μέσα από μια κανονική πόρτα. Μεταφέροντας την αντιύλη σε άλλα εργαστήρια, μακριά από τον μαγνητικό θόρυβο των επιταχυντών, οι μετρήσεις μπορούν πλέον να γίνουν με εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη ακρίβεια.

Έτσι, πριν από λίγες ημέρες οι φυσικοί των πειραμάτων BASE^(*) και PUMA^(**), έβαλαν στην παγίδα 92 αντιπρωτόνια, τα φόρτωσαν σε ένα φορτηγό και τα πήγαν βόλτα περίπου μιάμιση ώρα γύρω από την πανεπιστημιούπολη του CERN. Η ομάδα παρακολουθούσε τα αντιπρωτόνια καθ’ όλη τη διάρκεια της βόλτας και διαπίστωσε όταν επέστρεψαν στο εργαστήριο πως όλα παρέμειναν σώσ και αβλαβή. Τελικά, ελπίζουν πως κάποια μέρα τα αντιπρωτόνια θα μεταφερθούν μετά από οκτάωρο ταξίδι από το CERN στο Πανεπιστήμιο Heinrich Heine του Ντίσελντορφ για περαιτέρω μελέτη.

Η μελέτη των σωματιδίων αντιύλης θα βοηθήσει τους φυσικούς να λύσουν μεταξύ άλλων, και ένα αναπάντητο μυστήριο: γιατί η κανονική ύλη επιβίωσε μετά την Μεγάλη Έκρηξη αντί να αλληλοεξολοθρευτεί πλήρως με την αντιύλη.

(*) μελετά τις μαγνητικές ιδιότητες των αντιπρωτονίων με ασύλληπτη ακρίβεια
(**) στόχος του είναι να μεταφέρει την αντιπρωτόνια στον επιταχυντή ISOLDE για να συγκρουστούν με σπάνια ραδιενεργά ισότοπα

ΠΗΓΗ

Ίσως η πιο επικίνδυνη και ασταθής ουσία που γνωρίζει η ανθρωπότητα είναι η αντιύλη. Συνδυάστε την με την ύλη και θα εξαφανιστεί, απελευθερώνοντας μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Οι φυσικοί όχι μόνο ξέρουν πώς να φτιάχνουν αντιύλη, αλλά προσπαθούν να την συγκεντώσουν και να την μεταφέρουν. Ακούγεται επικίνδυνο. Είναι στ’ αλήθεια;

Η μελέτη των ιδιοτήτων της αντιύλης είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να κατανοήσουμε μερικούς από τους πιο βασικούς νόμους της φύσης. Οι επιστήμονες έχουν ήδη αναπτύξει τεχνικές για τη μελέτη μεμονωμένων σωματιδίων ύλης, όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, και ελπίζουν ότι θα καταφέρουν το ίδιο πράγμα με τα αντίστοιχα της αντιύλης. Αν τα πειράματα αποκαλύψουν διαφορές μεταξύ ύλης και αντιύλης θα είναι μια πολύ σημαντική ανακάλυψη. Οι φυσικοί του CERN, αναπτύσουν μαγνητικές παγίδες που παγιδεύουν αντιπρωτόνια και μπορούν έτσι να τα μεταφέρουν. Αυτό σημαίνει ότι στο εγγύς μέλλον θα μπορούμε να «ταχυδρομούμε» την αντιύλη. Πόσο επικίνδυνο μπορεί να είναι κάτι τέτοιο; Την απάντηση δίνει η πιο γνωστή εξίσωση στον κόσμο, η εξίσωση του Αϊνστάιν που εκφράζει την ισοδυμαμία μάζας-ενέργειας: Ε=mc² , όπου m είναι η μάζα και c=300.000.000 m/sec(μέτρα ανά δευτερόλεπτο), η ταχύτητα του φωτός που υψώνεται στο τετράγωνο δίνοντας έναν τεράστιο αριθμό.

Πάρτε για παράδεiγμα 1 g (γραμμάριο) αντιύλης και ένα γραμμάριο ύλης, συνολικά δύο γραμμάρια ή 0,002 kg (κιλά). Πολλαπλασιάζοντας με την ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο παίρνουμε ένα τεράστιο ποσό ενέργειας 1,8^.10¹⁴Joules.
Ένα Joule είναι μονάδα μέτρησης ενέργειας. Ένα Joule μπορεί να αυξήσει την θερμοκρασία περίπου 4 γραμμαρίων νερού κατά 1^οC. Όμως 1,8^.10¹⁴Joules είναι πάρα πολλά. Ως τάξη μεγέθους ισοδυναμεί με την ενέργεια που απελευθερώθηκε από τις ατομικές βόμβες που έδωσαν τέλος στον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Κι αυτό ακούγεται τρομακτικό. Και γίνεται ακόμα πιο τρομακτικό γιατί η αντιύλη δεν είναι επιστημονική φαντασία. Είναι αληθινή.

Όμως η παραγωγή αντιύλης του CERN είναι ελάχιστη. Συγκριτικά, από το 1985 έως το 2011, το Fermilab λειτουργούσε ως το πιο ισχυρό εργοστάσιο παραγωγής αντιύλης στον πλανήτη. Συνολικά παρήγαγε περίπου 250 δισεκατομμύρια αντιπρωτόνια ανά ώρα. Έτσι, αν οι εγκαταστάσεις του Fermilab λειτουργούσαν 24 ώρες την ημέρα χωρίς διακοπή, τότε θα χρειάζονταν 280 εκατομμύρια χρόνια για να παραχθεί ένα γραμμάριο αντιύλης! Πρόκειται για ένα τρομερά μεγάλο χρονικό διάστημα. Πριν από 280 εκατομμύρια χρόνια δεν είχαν εμφανιστεί ούτε οι δεινόσαυροι. Αν αθροίζαμε όλα τα αντιπρωτόνια που δημιουργήθηκαν στο Fermilab, τότε θα παίρναμε περίπου 20 νανογραμμάρια αντιύλης. Η συνολική ενέργεια που θα απελευθερωνόταν αν εξαϋλώνονταν 20 νανογραμμάρια αντιύλης με την αντίστοιχη ύλη, αρκεί για να θερμάνουμε ένα κυβικό μέτρο καφέ από την θερμοκρασία δωματίου μέχρι την θερμοκρασία σερβιρίσματός του. Αλλά τι να σου κάνει ένα κυβικό μέτρο καφέ την άνοιξη, όταν βάζεις τα ρολόγια μια ώρα μπροστά εφαρμόζοντας την ηλιθιότητα της θερινής ώρας;

Αν δεν σας αρέσει η αναλογία του καφέ, ισοδύναμη είναι ποσότητα της ενέργειας που θα ζεστάνει αρκετό νερό για να κάνετε ένα χαλαρωτικό μπάνιο. Αν κάποιος μπορούσε να δημιουργήσει ένα γραμμάριο αντιύλης, τότε ναι θα έπρεπε να ανησυχούμε. Αλλά η αντιύλη είναι τρομερά δύσκολο να δημιουργηθεί σε μεγάλες, άρα και επικίνδυνες ποσότητες. Για παράδειγμα, αν χρησιμοποιούσαμε τους σύγχρονους επιταχυντές και κατασκευάζαμε μια εξειδικευμένη μονάδα συνεχούς παραγωγής αντιύλης, ακόμα και τότε θα χρειαζόταν περίπου ένα εκατομμύριο χρόνια για να φτιάξουμε ένα μόνο γραμμάριο αντιύλης!

Για περισσότερες λεπτομέρειες παρακολουθείστε το βίντεο με τον Don Lincoln που ακολουθεί:

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