Το αίνιγμα των νετρίνων

Το μεγαλύτερο πείραμα, που έγινε ποτέ για τα πιο παράξενα υποατομικά σωματίδια, μπορεί να ανοίξει νέους ορίζοντες στη Φυσική

Τμήμα των εγκαταστάσεων του επιταχυντή σωματιδίων στο Φέρμιλαμπ.

Το Βαθύ Υπόγειο Πείραμα Νετρίνων, ή DUNE από τα αρχικά της ονομασίας του στα Αγγλικά, το μεγαλύτερο στο είδος του που έγινε ποτέ, πρόκειται να εκτοξεύει νετρίνα, που θα παράγονται από επιταχυντή σωματιδίων στο εργαστήριο Φέρμιλαμπ στο Ιλινόις των ΗΠΑ, προς έναν υπόγειο ανιχνευτή θαμμένο στη Νότια Ντακότα, όπου θα φτάνουν έχοντας περάσει μέσα από 1.300 χιλιόμετρα εδάφους. Πρόκειται για ένα διεθνές ερευνητικό πρόγραμμα, προϋπολογισμού 1,5 δισεκατομμυρίου δολαρίων, που χρηματοδοτείται και από τον CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών), αλλά πραγματοποιείται σε αμερικανικό έδαφος, με στόχο να ρίξει λίγο φως στα μυστηριώδη αιθέρια σωματίδια, που αποκαλούνται νετρίνα. Στο πείραμα, που θα ξεκινήσει το 2020 και θα διαρκέσει 20 χρόνια, συμμετέχουν 1.000 ερευνητές από 30 χώρες. Η διπλάσιας ισχύος ακτίνα νετρίνων, ο εκατονταπλάσιου μεγέθους απώτερος ανιχνευτής και τα 500 παραπάνω χιλιόμετρα της διαδρομής σε σχέση με το προηγούμενο πείραμα του είδους, θεωρείται ότι θα επιτρέψουν στα νετρίνα να επιδείξουν καλύτερα την παράξενη συμπεριφορά τους.
Οπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) του CERN οδήγησε στην ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς, επιβεβαιώνοντας την ύπαρξη ενός άγνωστου έως τότε αφανούς πεδίου, που υπάρχει παντού στο σύμπαν, έτσι οι επιστήμονες ελπίζουν ότι το DUNE θα οδηγήσει μέσω των νετρίνων σε βαθύτερη κατανόηση της φυσικής πραγματικότητας. «Πιστεύουμε ότι βρισκόμαστε στο όριο πριν από την εκδήλωση της επόμενης μεγάλης επανάστασης στη σωματιδιακή Φυσική», δήλωσε ο εκπρόσωπος του DUNE, Μαρκ Τόμσον, από το πανεπιστήμιο Κέιμπριτζ.

Ταραξίες

Τα νετρίνα υποστηρίζουν τέτοιες μεγαλεπήβολες επιδιώξεις, επειδή είναι τα σωματίδια που αποκλίνουν από το Καθιερωμένο Μοντέλο, την καλύτερη έως τώρα περιγραφή των υποατομικών σωματιδίων και των φυσικών νόμων που τα διέπουν. Αν και το Καθιερωμένο Μοντέλο περιγράφει και εξηγεί τη συμπεριφορά όλων των άλλων γνωστών σωματιδίων με μεγάλη ακρίβεια, προβλέπει λαθεμένα ότι τα νετρίνα δεν έχουν μάζα. Ομως, πριν από 15 χρόνια, πειράματα στον Καναδά και την Ιαπωνία απέδειξαν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα, έστω και ελάχιστη, αν και μάλλον δεν την αποκτούν όπως τα άλλα σωματίδια (μέσω των αλληλεπιδράσεων με το πεδίο Χιγκς). Αντίθετα, φαίνεται ότι με τη μάζα τους σχετίζεται κάποιο σωματίδιο, κάποιο πεδίο και φαινόμενα που η επιστήμη δεν έχει αποκαλύψει ακόμη. «Γνωρίζουμε ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν είναι πλήρες - συμβαίνουν κι άλλα πράγματα, αλλά δεν γνωρίζουμε τι», λέει ο Στέφεν Παρκ, φυσικός στο Φέρμιλαμπ.
Τα πανάλαφρα νετρίνα ακόμη και να μην είχαν μάζα, θα ήταν πάλι το ίδιο υλικά, όπως οτιδήποτε άλλο πραγματικό. Η μάζα είναι μια ιδιότητα της ύλης, δεν είναι καθολικό χαρακτηριστικό της, δεν ταυτίζεται με αυτή. Τα νετρίνα κινούνται με ταχύτητα σχεδόν ίση με του φωτός και διαπερνούν τα άτομα συνήθως χωρίς να αλληλεπιδράσουν με αυτά. Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη ούτε την ακριβή τους μάζα (που όμως υπολογίζουν ότι είναι λιγότερο από ένα εκατοντάκις χιλιοστό της πολύ μικρής μάζας του ηλεκτρονίου), ούτε πολλά άλλα χαρακτηριστικά τους. «Μόλις αρχίσαμε να μετράμε τις ιδιότητες των νετρίνων σε ένα επίπεδο ανάλογο με εκείνο άλλων σωματιδίων. ... μπορεί να υπάρχουν νέα είδη νετρίνων, τα νετρίνα να μιλάνε με άλλα σωματίδια που δεν μιλάνε με κανέναν άλλον», λέει ο Αντρέ ντε Γκουβέα του πανεπιστημίου Νορθγουέστερν.

Επίπεδα οργάνωσης της ύλης

Το πείραμα DUNE ίσως αποκαλύψει, μεταξύ άλλων, αν υπάρχουν και δεξιόστροφα νετρίνα, καθώς αυτό είναι προϋπόθεση για να αποκτούν μάζα τα νετρίνα αλληλεπιδρώντας με το πεδίο Χιγκς, εκτός κι αν συμβαίνει το απίθανο τα δεξιόστροφα νετρίνα να μην αλληλεπιδρούν με τίποτα στη φύση. Ομως, η πιθανότητα η μάζα των νετρίνων να σχετίζεται με το Χιγκς αμφισβητείται ακριβώς επειδή είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη από τη μάζα ακόμη και του ηλεκτρονίου. Ισως, επίσης, αποκαλυφθεί αν τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana, δηλαδή αν είναι αντισωματίδια του εαυτού τους, πράγμα όχι αδύνατο, καθώς δεν έχουν φορτίο. Στην περίπτωση αυτή, όμως, θα πρέπει να υπάρχει και ένα ζευγάρι νετρίνων με πολύ μεγάλη μάζα, το οποίο δεν έχει ανακαλυφθεί έως τώρα. Ισως ακόμη ανακαλυφθούν και νέες γεύσεις νετρίνων. «Ιστορικά πάντοτε κάναμε πρόοδο εξερευνώντας τη φύση σε διαφορετικές κλίμακες», λέει ο ντε Γκουβέα.
Το DUNE θα επικεντρώσει στην παράξενη τάση των νετρίνων να αλλάζουν ταυτότητα, μια διαδικασία που ονομάζεται ταλάντωση. Τα σωματίδια αυτά συναντώνται σε τρεις γνωστές ποικιλίες, οι «γεύσεις», όπως ονομάζονται: Νετρίνα ηλεκτρονίου, νετρίνα μιονίου και νετρίνα ταυ. Οι επιστήμονες μπορούν να τα διακρίνουν όταν συμβαίνουν αυτές οι σπάνιες αλληλεπιδράσεις τους με άτομα μέσα σε ανιχνευτές, επειδή παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα. Τα νετρίνα ηλεκτρονίου παράγουν ηλεκτρόνια, τα νετρίνα μιονίου μιόνια και τα νετρίνα ταυ σωματίδια ταυ (τα μιόνια και τα ταυ είναι βαρύτερα «ξαδέρφια» των ηλεκτρονίων). Παραδόξως, όμως, αυτές οι τρεις γεύσεις είναι μεταλλάξιμες. Τα νετρίνα μπορεί να φύγουν από το Φέρμιλαμπ ως νετρίνα μιονίου και να φτάσουν στη Νότια Ντακότα ως νετρίνα ηλεκτρονίου ή ακόμη και νετρίνα ταυ. Απ' όσο γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων μόνο τα νετρίνα επιδεικνύουν τέτοιου είδους μετάλλαξη.

Ενα λυμένο μυστήριο, πολλά άλυτα

Οταν ανακαλύφθηκε προ δεκαπενταετίας η μετάλλαξη των νετρίνων κατά τη διαδρομή, λύθηκε και ένα μυστήριο που κρατούσε από τη δεκαετία του 1960, όταν οι επιστήμονες άρχισαν να μελετούν τα νετρίνα που εκπέμπει ο Ηλιος, διαπιστώνοντας ότι στη Γη έφτανε μόνο το ένα τρίτο απ' όσα υπολόγιζαν, με βάση τις πυρηνικές αντιδράσεις που τα παράγουν μέσα στο άστρο. Αποδείχτηκε ότι καθώς οι επιστήμονες με τα όργανα που διέθεταν μετρούσαν μόνο τα νετρίνα ηλεκτρονίου, έχαναν τα άλλα δύο τρίτα, που είχαν μετατραπεί σε νετρίνα μιονίου και ταυ καθώς ταξίδευαν προς τη Γη. Η επίλυση του προβλήματος οδήγησε και στο συμπέρασμα που αποτέλεσε πλήγμα για το Καθιερωμένο Μοντέλο, καθώς για να γίνεται η ταλάντωση των νετρίνων μεταξύ των τριών γεύσεων, τα σωματίδια αυτά θα έπρεπε να είχαν μάζα.
Για να αλλάζουν γεύση, τα νετρίνα πρέπει να αποτελούνται με την κβαντομηχανική έννοια από διαφορετικές «καταστάσεις μάζας». Καθώς ταξιδεύουν, τα σωματίδια που σχετίζονται με κάθε κατάσταση μάζας, κινούνται με ελαφρώς διαφορετική ταχύτητα, ως αποτέλεσμα της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας, που εκδηλώνεται πιο έντονα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Στο πέρασμα του χρόνου, αυτή η διαφορά θεωρείται ότι κάνει το μείγμα καταστάσεων μάζας να μεταβάλλεται, έτσι που ένα σωματίδιο που στην αφετηρία ήταν νετρίνο μιονίου, να έχει μετατραπεί στον «τερματισμό» σε νετρίνο ηλεκτρονίου ή νετρίνο ταυ. Μετρώντας πόσα νετρίνα ταλαντώθηκαν σε άλλες γεύσεις μεταξύ Ιλινόις και Νότιας Ντακότα, το DUNE σκοπεύει να προσδιορίσει τη μαθηματική σχέση μεταξύ των τριών(;) διαφορετικών μαζών που μπορεί να έχει ένα νετρίνο. Οι μετρήσεις φυσικά θα είναι στατιστικές, καθώς τα νετρίνα που θα έχουν καταγραφεί στην αφετηρία (μέσω αλληλεπίδρασης με τον εκεί ανιχνευτή), δεν θα είναι τα ίδια που θα φτάσουν στον τερματισμό (και θα καταγραφούν αλληλεπιδρώντας με τον εκεί ανιχνευτή).
Λόγω της ικανότητάς τους να διαπερνούν άνετα την ύλη, τα νετρίνα χρησιμοποιούνται και για την τομογραφία του εσωτερικού του πλανήτη μας. Οι ανακαλύψεις γύρω από τα νετρίνα ίσως δώσουν απάντηση και στο κοσμολογικό πρόβλημα γιατί το σύμπαν αποτελείται από ύλη και όχι από αντιύλη.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»