Ορόσημο: Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων αποκαλύπτει πως η ύλη καταφέρνει να επιβιώσει σε ακραίες συνθήκες

Μια ομάδα φυσικών από το Πολυτεχνείο του Μονάχου (TUM) και το CERN έλυσε έναν από τους πιο επίμονους γρίφους της σωματιδιακής φυσικής, ανατρέποντας όσα πιστεύαμε για τη συμπεριφορά της ύλης σε ακραίες συνθήκες. Η ανακάλυψη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, εξηγεί πώς είναι δυνατόν να σχηματίζονται και να επιβιώνουν ευαίσθητοι ατομικοί πυρήνες μέσα στις πιο θερμές «φωτιές» που έχει ανάψει ποτέ ο άνθρωπος.

Η απάντηση που έδωσαν οι επιστήμονες είναι απρόσμενα απλή: η ύλη δεν επιβιώνει από το χάος. Γεννιέται μόλις αυτό κοπάσει.

Το παράδοξο του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC)

Στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, οι συγκρούσεις πρωτονίων δημιουργούν θερμοκρασίες που ξεπερνούν κατά 100.000 φορές τη θερμοκρασία στον πυρήνα του Ήλιου. Σε αυτό το κολασμένο περιβάλλον, οι δυνάμεις είναι τόσο βίαιες που διαλύουν κάθε δομή. Θεωρητικά, τίποτα σύνθετο δεν θα έπρεπε να μένει ανέπαφο.

Κι όμως, τα πειράματα εντόπιζαν συνεχώς δευτέριo (πυρήνες που αποτελούνται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο) καθώς και τα αντίστοιχα σωματίδια αντιύλης, το αντιδευτέριο. Το δευτέριο είναι ένας εξαιρετικά «εύθραυστος» δεσμός. Η ενέργεια που κρατά ενωμένα τα συστατικά του είναι ασθενής, πράγμα που σημαίνει ότι σε τέτοιες θερμοκρασίες θα έπρεπε να διασπάται ακαριαία. Η παρουσία του εκεί ήταν, μέχρι πρότινος, φυσικώς αδύνατη.

Η λύση: Όλα είναι θέμα χρονισμού

Η ερευνητική ομάδα, χρησιμοποιώντας δεδομένα από το πείραμα ALICE, απέδειξε ότι το μυστήριο δεν κρύβεται στην αντοχή των σωματιδίων, αλλά στη στιγμή της γέννησής τους. Τα σωματίδια δευτέριου δεν σχηματίζονται κατά την αρχική, βίαιη φάση της σύγκρουσης. Αν το έκαναν, θα καταστρέφονταν αμέσως.

Αντιθέτως, δημιουργούνται αργότερα. Περίπου το 90% των παρατηρούμενων σωματιδίων δευτέριου σχηματίζονται όταν η «κοσμική σούπα» αρχίζει να ψύχεται και να ηρεμεί.

Ο μηχανισμός είναι ο εξής: Κατά τη σύγκρουση παράγονται υπερ-βραχύβια σωματίδια υψηλής ενέργειας, γνωστά ως «συντονισμοί» (resonances). Καθώς αυτά τα σωματίδια διασπώνται, απελευθερώνουν πρωτόνια και νετρόνια. Επειδή όμως αυτό συμβαίνει σε μεταγενέστερο χρόνο, όταν το περιβάλλον είναι πλέον λιγότερο εχθρικό, τα συστατικά αυτά προλαβαίνουν να ενωθούν και να σχηματίσουν σταθερούς πυρήνες δευτερίου (ή αντιδευτερίου).

Μια νέα ματιά στην ισχυρή αλληλεπίδραση

Η καθηγήτρια Laura Fabbietti του TUM, η οποία ηγήθηκε της μελέτης, εξηγεί πως η ανακάλυψη αυτή αποτελεί ορόσημο για την κατανόηση της «ισχυρής αλληλεπίδρασης», της θεμελιώδους δύναμης που συγκρατεί τον πυρήνα του ατόμου.

«Οι μετρήσεις μας δείχνουν ξεκάθαρα: οι ελαφροί πυρήνες δεν σχηματίζονται στο καυτό αρχικό στάδιο της σύγκρουσης, αλλά αργότερα, όταν οι συνθήκες έχουν γίνει κάπως πιο ψυχρές και ήρεμες», δηλώνει η Fabbietti. Ουσιαστικά, η φύση βρίσκει έναν τρόπο να ανασυνταχθεί μέσα από τις στάχτες της ενέργειας.

Από το CERN στο Διάστημα και τη Σκοτεινή Ύλη

Η σημασία της ανακάλυψης εκτείνεται πολύ πέρα από τα εργαστήρια της Ελβετίας. Ο Δρ. Maximilian Mahlein, ερευνητής στην ομάδα της Fabbietti, τονίζει ότι αυτός ο μηχανισμός «καθυστερημένης γέννησης» είναι παγκόσμιος.

Ελαφροί ατομικοί πυρήνες σχηματίζονται συνεχώς στο Διάστημα μέσω των κοσμικών ακτίνων. Η ακριβής κατανόηση του πώς και πότε δημιουργούνται αυτοί οι πυρήνες (και ειδικά οι πυρήνες αντιύλης) είναι κρίσιμη για το κυνήγι της Σκοτεινής Ύλης.

Πολλά μοντέλα προβλέπουν ότι η Σκοτεινή Ύλη, όταν αλληλεπιδρά ή καταστρέφεται, παράγει αντιύλη. Για να εντοπίσουμε όμως αυτό το σήμα, πρέπει πρώτα να ξέρουμε πόση αντιύλη παράγεται φυσιολογικά από τις κοσμικές συγκρούσεις. Η μελέτη του TUM προσφέρει πλέον το απαραίτητο υπόβαθρο για να διαχωρίσουμε τον «θόρυβο» του Σύμπαντος από το πολυπόθητο σήμα της Σκοτεινής Ύλης.

Το πείραμα ALICE

Η επιτυχία αυτή πιστώνεται σε μεγάλο βαθμό στις δυνατότητες του ανιχνευτή ALICE. Λειτουργώντας σαν μια γιγαντιαία κάμερα υψηλής ταχύτητας, το ALICE μπορεί να καταγράψει και να ανακατασκευάσει την τροχιά έως και 2.000 σωματιδίων από μία και μόνο σύγκρουση. Αυτή η ακρίβεια επέτρεψε στους ερευνητές να «δουν» πίσω στο χρόνο και να αναπαραστήσουν τα πρώτα μικροδευτερόλεπτα μετά το Big Bang, επιβεβαιώνοντας πως ακόμα και στο απόλυτο χάος, η δημιουργία της ύλης ακολουθεί αυστηρούς, αν και καθυστερημένους, κανόνες.