Με την αποθήκευση και χρήση ατόμων αντιύλης, το πείραμα ALPHA στο CERN ανοίγει νέους δρόμους στην έρευνα στοιχειωδών σωματιδίων
[This article was written for a greek national newspaper in early March. The pandemic changed the newspaper’s planning and the article never appeared, until it turned into this post. It reports on the ALPHA experiment playing with anti-hydrogen and finding its behaviour similar to hydrogen’s to stunning accuracy. It has fewer bad jokes than the usual for this blog.]
[Αυτό το άρθρο γράφτηκε για ημερήσια εφημερίδα στις αρχές Μαρτίου. Η πανδημία άλλαξε το σχεδιασμό της εφημερίδας και το άρθρο δε δημοσιεύτηκε, μέχρι τώρα που μεταμορφώθηκε σε ανάρτηση. Έχει λιγότερα κρύα αστεία απ’ό,τι συνηθίζει αυτό το μπλογκ.]
Αν και το άκουσμα της αντιύλης φέρνει στο μυαλό επιστημονική φαντασία, πρόκειται για “νόμιμη” έκφανση του φυσικού κόσμου· για κάθε είδος υποατομικού σωματιδίου μπορεί να υπάρξει το αντίστοιχο αντι-σωματίδιο που θα έχει την ίδια μάζα αλλά αντίθετες τιμές ηλεκτρικού φορτίου και άλλων χαρακτηριστικών ιδιοτήτων. Αντιύλη παρασκευάζεται τακτικά για ερευνητικούς σκοπούς αλλά και εφαρμογές (με πιο διαδεδομένα τα ποζιτρόνια λόγω της τομογραφίας PET), σε μικρές ποσότητες και για μικρούς χρόνους αφού η επαφή της με την κανονικη ύλη οδηγεί στην αμοιβαία εξαΰλωση. Ουσιαστικά το κυριότερο ερώτημα γύρω από την αντιύλη είναι γιατί δεν υπήρξε στο σύμπαν – ένα βασανιστικό ερώτημα για τη σημερινή φυσική, αφού η εμφάνιση ίσης ποσότητας ύλης και αντιύλης στη Μεγάλη Έκρηξη θα ήταν καθ’όλα εύλογη αλλά θα είχε οδηγήσει στην εξαφάνιση και των δύο και σε έναν κόσμο γεμάτο μόνο με ακτινοβολία.
Μια πρώτη πιθανή απάντηση εμφανίστηκε τη δεκαετία του ’60 όταν ανακαλύφθηκε ότι η ασθενής πυρηνική δύναμη, υπεύθυνη για τις ραδιενεργές διασπάσεις, ακολουθεί ελαφρώς διαφορετικούς κανόνες για ορισμένα αντισωματίδια. Αρχικά υπήρξε ελπίδα πως αυτή η απόκλιση ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη θα μπορούσε να βρίσκεται πίσω από το έλλειμμα στο ισοζύγιό τους. Εν τέλει όμως αποδείχθηκε υπερβολικά μικρή για να αποτελεί την εξήγηση.
Παρ’όλ’αυτά όλες οι υποψήφιες διαφορές στη συμπεριφορά αντισωματιδίων εξακολουθούν να ερευνώνται με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια. Σε αυτή την προσπάθεια ένα πιο σύνθετο σύστημα, όπως είναι το άτομο αντιυδρογόνου, αποτελεί πραγματικό “πολυεργαλείο” όντας ευαίσθητο σε μία ποικιλία από πιθανές αιτίες απόκλισης. Ταυτόχρονα όμως είναι και δυσεύρετο.
Το 2010 το ALPHA έγινε μόλις το πρώτο πείραμα που σταθεροποίησε άτομα αντιυδρογόνου, ενώ κατόπιν πέτυχε την αποθήκευσή τους επί δεκάδες ώρες. Σύμφωνα με τον επικεφαλής Jeffrey Hangst ήταν ένα αποτέλεσμα που στηρίχθηκε σε περισσότερα από είκοσι χρόνια έρευνας. Τελικός στόχος του πειράματος ήταν η μέτρηση της ενέργειας που έχουν τα ποζιτρόνια στις διαφορετικές τροχιές τους γύρω από τον πυρήνα. Αυτό επετεύχθη με χρήση λέιζερ που δίνοντας κατάλληλα ποσά ενέργειας στα ποζιτρόνια τα αναγκάζει να αλλάξουν τροχιά. Ακολουθεί με τη βοήθεια μαγνητικού πεδίου η επιλεκτική εκτίναξη των πιο ενεργειακών αντι-ατόμων έξω από το χώρο αποθήκευσής τους, επιτρέποντας την καταμέτρησή τους.
Εν τέλει οι μετρήσεις του φάσματος ενεργειών στις διαφορετικές τροχιές αποτελούν την “υπογραφή” του ατόμου. Στα αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν στις 20 Φεβρουαρίου στην επιθεώρηση Nature, αυτή βρέθηκε ίδια με του υδρογόνου με ακρίβεια δισεκατομμυριοστών, ανοίγοντας την πόρτα για ένα πλήθος ελέγχων θεωρητικών προβλέψεων.
Η πρώτη διαπίστωση που έγινε αφορά μία από τις κυριότερες πιθανές πηγές απόκλισης. Η λεγόμενη συμμετρία CPT (φορτίου-ομοτιμίας-χρόνου) εκφράζει την παραδοχή ότι οι φυσικές διεργασίες εξελίσσονται κατά τον ίδιο τρόπο σε συστήματα που είναι ισοδύναμα, και οποιαδήποτε διαφορά ανάμεσα στις τροχιακές ενέργειες του υδρογόνου και του αντιυδρογόνου θα σήμαινε ότι δεν ισχύει. Τα αποτελέσματα άφησαν τη CPT αλώβητη αν και το θέμα δεν έχει κλείσει οριστικά. Όπως μας εξηγεί ο Takamasa Momose, ερευνητής του ALPHA στο Πανεπιστήμιο της British Columbia, “η πειραματική ακρίβεια που έχουμε δεν είναι ακόμα αρκετή για να κρίνουμε αν το έλλειμμα αντιύλης στο σύμπαν προέρχεται από παραβίαση της CPT ή όχι – αλλά βρισκόμαστε στο σωστό δρόμο για τη βελτίωσή της”. Άλλες διαπιστώσεις αφορούν τη συμφωνία με το συνολικό θεωρητικό υπόβαθρο. “Η επιβεβαίωση της ισχύος της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής στην αντιύλη είναι ένα από τα κυριότερα ευρήματά μας” θα προσθέσει, αναφερόμενος στη θεωρία που περιγράφει τα φορτισμένα σωματίδια και την αλληλεπίδραση φωτός και ύλης· είναι μάλιστα χαρακτηριστικό ότι η ανάπτυξή της παρακινήθηκε από τις ίδιες μετρήσεις στο άτομο υδρογόνου πριν εφτά δεκαετίες. Το κομβικό σημείο είναι ότι οι τροχιές γύρω από τον πυρήνα διαμορφώνονται από πολλούς παράγοντες, προσφέροντας έτσι πολύπλευρο ελέγχο της θεωρίας. Επιπλέον, η ευαισθησία τους δεν περιορίζεται στη γνωστή φυσική αλλά και σε πιθανά νέα φαινόμενα και σωματίδια, ένα πεδίο στο οποίο έχει πλέον εισέλθει η ομάδα του ALPHA.
Τα επόμενα χρόνια οι μετρήσεις αναμένεται να βελτιωθούν αισθητά με κύρια μέσα τη σταθεροποίηση των ατόμων με λέιζερ και την αναβάθμιση του επιταχυντή που τροφοδοτεί το πείραμα με αντιπρωτόνια. Παράλληλα, θα εξελίσσονται τόσο η μελέτη των ιδιοτήτων της αντιύλης όσο και η αναζήτηση νέων φαινομένων. Η επιτυχία των πρώτων μετρήσεων δείχνει ότι μόλις άνοιξε η αυλαία της έρευνας σε αντιάτομα, συστήματα που μάλλον δεν εμφανίζονται από μόνα τους στη φύση.
Τα άτομα αντιυδρογόνου αποτελούνται από ένα αντιπρωτόνιο και ένα ποζιτρόνιο (αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου) που περιστρέφεται γύρω του. Στο πείραμα ALPHA τα αντιπρωτόνια έρχονται από την επιτάχυνση και ρίψη πρωτονίων σε μεταλλικό στόχο, με την πρόσκρουση να δημιουργεί νέα σωματίδια, ανάμεσά τους και αντιπρωτόνια που απομονώνονται με χρήση μαγνητών. Όσο για τα ποζιτρόνια, εκλύονται από ραδιενεργό νάτριο. Οι δύο πληθυσμοί αναμιγνύονται και σχηματίζουν άτομα αντιυδρογόνου.
Το μαγνητικό πεδίο του κάθε ατόμου είναι ελαφρά άνισο, γεγονός που επιτρέπει στο ισχυρό πεδίο μιας “μαγνητικής παγίδας” να τα συγκρατεί αιωρούμενα επί ώρες, μακριά από τα τοιχώματά της και την εξαΰλωση. Ένας από τους επόμενους στόχους του πειράματος είναι η ακινητοποίηση των ατόμων μέσω κατάλληλης απορρόφησης και εκπομπής φωτός λέιζερ. Η σχεδόν απόλυτη ακινησία τους θα ισοδυναμεί με θερμοκρασία μικρότερη του 0.1 βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273οC).