Το Νόμπελ Φυσικής για το 2015 θα απονεμηθεί σε δύο πρωταγωνιστές της σωματιδιακής φυσικής «για την ανακάλυψη της ταλάντωσης των νετρίνων, η οποία δείχνει ότι τα νετρίνα έχουν μάζα», όπως ανακοίνωσε η επιτροπή ειδικών στη Στοκχόλμη.
Υστερα από χρόνια υπομονετικής παρατήρησης και ανάλυσης της συμπεριφοράς δισεκατομμυρίων στοιχειωδών σωματιδίων που κινούνται με ταχύτητες λίγο μικρότερες από αυτήν του φωτός, αυτοί οι επιστήμονες κατάφεραν τελικά να καταγράψουν την «ταλάντωση» των πιο άπιαστων και αινιγματικών συστατικών του Σύμπαντος: των νετρίνων.
Με τις έρευνές τους ανέτρεψαν οριστικά την ευρέως αποδεκτή άποψη ότι αυτά τα «άυλα» στοιχειώδη σωματίδια δεν διαθέτουν καθόλου μάζα.
Απ’ ό,τι φαίνεται, όχι μόνο διαθέτουν μάζα, αλλά μπορούν να αλλάζουν ταυτότητα και να μεταμορφώνονται σε ένα από τα τρία διαφορετικά είδη αυτής της αινιγματικής ομάδας στοιχειωδών σωματιδίων.
Γεγονός που, όπως θα δούμε, έχει δύο τουλάχιστον σοβαρές επιδράσεις: αφ’ ενός διαψεύδει μία από τις βασικές παραδοχές του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής και αφ’ ετέρου δημιουργεί νέες προοπτικές στην έρευνα των στοιχειωδών σωματιδίων και της κοσμολογίας.
Η ιδέα της μικροφυσικής, δηλαδή της αναζήτησης των στοιχειωδέστερων συστατικών της ύλης και των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων, από την πρώτη στιγμή που διατυπώθηκε αποτέλεσε μια διαρκή πρόκληση για τον κοινό νου.
Ηδη από τον 5ο αιώνα π.Χ., όταν ο Λεύκιππος και ο Δημόκριτος τόλμησαν, πρώτοι αυτοί, να διατυπώσουν την ατομική θεωρία, όταν δηλαδή πρότειναν να κατανοήσουμε τον οικείο και ορατό μακροσκοπικό κόσμο που μας περιβάλλει μέσω των ανοίκειων και αόρατων μικροσκοπικών «ατόμων», οι απόψεις τους χλευάστηκαν ή, ακόμη χειρότερα, παρανοήθηκαν για αιώνες.
Η ανθρώπινη σκέψη χρειάστηκε πάνω από δύο χιλιετίες για να αναγνωρίσει την πραγματική σημασία και κυρίως τη δύναμη των εξηγήσεων του ορατού μέσω του αόρατου· δύο χιλιετίες για να βρει τις κατάλληλες επιστημονικές μεθόδους που θα καθιστούσαν «ορατό» ό,τι μέχρι τότε παρέμενε αόρατο και καλά κρυμμένο.
Σήμερα, θεωρείται απολύτως λογικό, σχεδόν προφανές, ότι βασική προϋπόθεση για να εξηγηθούν τα περίπλοκα μακροσκοπικά φαινόμενα είναι η σε βάθος κατανόηση των απλούστερων μικροσκοπικών -αλλά αόρατων- συστατικών τους στοιχείων. Και το φετινό Νόμπελ Φυσικής για την έρευνα των νετρίνων είναι η πιο πρόσφατη επιβεβαίωση αυτής της θεμελιώδους επιστημολογικής αρχής.
Μικροφυσική ή πώς εξηγείται το ορατό μέσω του αόρατου
Στις αρχές Οκτωβρίου ανακοινώθηκε στη Στοκχόλμη ότι το φετινό Νόμπελ Φυσικής θα το μοιραστούν από κοινού ο Ιάπωνας Τακαάκι Καζίτα (Takaaki Kajita) και ο Καναδός Αρθουρ Μπρους ΜακΝτόναλντ (Arthur B. McDonald) «για την ανακάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων, που αποδεικνύουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα», σύμφωνα με τη μάλλον ψυχρή επίσημη ανακοίνωση.
Πρόκειται για δύο πρωτοπόρους ερευνητές των νετρίνων οι οποίοι, εδώ και χρόνια, διευθύνουν δύο μεγάλα πειράματα σωματιδιακής φυσικής που κατάφεραν τελικά να διαφωτίσουν τη φύση και τη συμπεριφορά των ιδιαίτερα αινιγματικών «νετρίνων»: το «Super-Kamiokande» στην Ιαπωνία και το «Sudbury Neutrino Observatory» ή SNO στον Καναδά.
Γιατί όμως τα νετρίνα θεωρούνται τόσο αινιγματικά και τι ακριβώς αποκάλυψαν αυτές οι δύο έρευνες; Μέχρι πρόσφατα τα νετρίνα ήταν για τη Φυσική κυριολεκτικά τα «σωματίδια-φαντάσματα» του γνωστού μας Σύμπαντος.
Μολονότι πολυπληθή -μόνο τα σωματίδια του φωτός (τα φωτόνια) είναι περισσότερα- τα νετρίνα περιγράφονται ως τα ελαφρύτερα, χωρίς ηλεκτρικό φορτίο, και τα λιγότερο κατανοητά από όλα τα γνωστά σωματίδια που υπάρχουν στη Φύση.
Αυτά τα «μοναχικά» σωματίδια αλληλεπιδρούν ελάχιστα με τη γνωστή μας ύλη και μόνο μέσω «ασθενών αλληλεπιδράσεων»: κυριολεκτικά χιλιάδες δισεκατομμύρια νετρίνα περνούν κάθε στιγμή μέσα από τη Γη και μέσα από το σώμα μας, χωρίς να συναντούν κανένα εμπόδιο, λες και είναι φαντάσματα.
Το γεγονός αυτό καθιστά εξαιρετικά δύσκολη τη μελέτη τους και απαιτούνται τεράστιοι ανιχνευτές σωματιδίων ικανοί να απομονώνουν τις δέσμες νετρίνων που παράγονται σε αφθονία στο Σύμπαν από πολύ ισχυρές πηγές, όπως π.χ. είναι τα άστρα: τα περισσότερα νετρίνα που ανιχνεύουμε παράγονται από τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του Ηλιου και από εκεί, ένας απίστευτα μεγάλος αριθμός από αυτά ταξιδεύουν έως τη Γη.
Τέτοιους πανίσχυρους ανιχνευτές σωματιδίων χρησιμοποίησαν οι ερευνητές στην Ιαπωνία και τον Καναδά για να καταφέρουν να παγιδεύσουν και τελικά να μελετήσουν τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις των νετρίνων με τη γνωστή μας ύλη. Για τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκε το 1996, έξω από το Τόκιο, ο ιαπωνικός ανιχνευτής «Super-Kamiokande».
Είναι ένα τεράστιο μεταλλικό κουτί θαμμένο στο βάθος της γης που περιέχει μια πισίνα πλάτους 40 μέτρων με 50 τόνους πολύ καθαρό νερό, ενώ στα μεταλλικά του τοιχώματα έχουν τοποθετηθεί, απ’ άκρη σ’ άκρη, πάνω από 11 χιλιάδες ευαίσθητοι ανιχνευτές φωτός.
Τα περισσότερα νετρίνα που διαπερνούν αδιάφορα την πισίνα είναι ατμοσφαιρικά, δηλαδή προέρχονται από κοσμικές ακτίνες που βομβαρδίζουν τον πλανήτη μας χωρίς συνήθως να συγκρούονται με τα υλικά αντικείμενα που συναντούν και χωρίς να αφήνουν το παραμικρό ίχνος.
Ωστόσο, όπως είχε προβλέψει -ή μάλλον όπως ήλπιζε- ο Τακαάκι Καζίτα, ο διευθυντής αυτών των ερευνών, κάθε τόσο ένα νετρίνο συγκρουόταν με ένα ηλεκτρόνιο ή με έναν ατομικό πυρήνα, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται άλλα υποατομικά σωματίδια, γεγονός που καταγραφόταν αυτομάτως από τους ανιχνευτές!
Τα φαντάσματα απειλούν το Καθιερωμένο Μοντέλο
Με αυτό το έμμεσο αλλά ιδιοφυές τέχνασμα ο Ιάπωνας φυσικός και οι συνεργάτες του κατάφεραν όχι μόνο να διακρίνουν σε ποια από τις τρεις οικογένειες ή τύπους νετρίνων ανήκε το συγκεκριμένο νετρίνο, αν δηλαδή ήταν ηλεκτρονικό, μιονικό ή ταυ νετρίνο, αλλά και να παρατηρήσουν ότι μπορούσε να «ταλαντεύεται», δηλαδή να μεταμορφώνεται από έναν τύπο νετρίνου σε άλλο!
Ομως, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, τα νετρίνα δεν έχουν μάζα και άρα δεν μπορούν να συγκρούονται με τα σωματίδια, ούτε βέβαια μπορούν να μεταμορφώνονται σε άλλου τύπου νετρίνα. Η λύση σε αυτό το παράδοξο δόθηκε έπειτα από λίγα χρόνια από τον Αρθουρ Μπρους ΜακΝτόναλντ και τις έρευνές του στο «Sudbury Neutrino Observatory».
Εκεί υπάρχει ο καναδικός ανιχνευτής νετρίνων που δημιουργούνται από τον Ηλιο: μια σφαίρα διαμέτρου 18 μέτρων, επενδυμένη στο εσωτερικό της με 9.500 ανιχνευτές, όλα αυτά θαμμένα σε βάθος 2.100 μέτρων κάτω από το έδαφος.
Χάρη σε αυτόν τον ανιχνευτή σωματιδίων ο ΜακΝτόναλντ και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα νετρίνα που φτάνουν στη Γη από τον Ηλιο είναι πολύ λιγότερα από αυτά που προβλέπονταν. Ηταν λες και αυτά τα νετρίνα που έλειπαν, διανύοντας την απόσταση των 150 εκατομμυρίων χιλιομέτρων που μας χωρίζει από τον Ηλιο, να είχαν αλλάξει ταυτότητα!
Οι ερευνητές είχαν πλέον ακλόνητα επιχειρήματα ότι τα νετρίνα μπορούν να ταλαντώνονται, δηλαδή να μεταμορφώνονται στον χρόνο. Ομως, για να συμβαίνει αυτή η ταλάντωση των νετρίνων θα πρέπει οπωσδήποτε να έχουν μη μηδενική μάζα, κάτι που, ενώ έχει πειραματικά επιβεβαιωθεί, δεν περιγράφεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Το πολλαπλώς επιβεβαιωμένο γεγονός ότι τα νετρίνα έχουν μάζα δεν μπορεί να ενταχθεί στο Καθιερωμένο Μοντέλο με απλό τρόπο: για να ενταχθούν αυτές οι κατακτήσεις σε αυτό το μοντέλο θα πρέπει να αλλάξει σημαντικά.
Χρειάζεται μια ανανέωση της θεωρητικής φυσικής αλλά και νέα πειραματικά εργαλεία, πιθανότατα σε πολύ ψηλές ενέργειες, πέρα από τα όρια του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων της Γενεύης (LHC) και ενδεχομένως πέρα από τις σημερινές τεχνολογικές μας δυνατότητες. Πάντως, η μελέτη των νετρίνων λειτουργεί ήδη σαν ένα «παράθυρο» που επιτρέπει στους φυσικούς να κρυφοκοιτάνε σ’ ένα εντελώς άγνωστο κομμάτι της Φύσης.
Η γενεαλογία της φυσικής των νετρίνων
Χάρη στην επινόηση, κατά τη διάρκεια του περασμένου αιώνα, των κατάλληλων θεωρητικών και κυρίως πειραματικών εργαλείων, οι φυσικοί ανακάλυψαν έκπληκτοι ότι τα άτομα δεν είναι «άτομα», δηλαδή μη περαιτέρω διαιρέσιμα. Οπως αποδείχθηκε, και αυτά με τη σειρά τους αποτελούνται από στοιχειωδέστερα δομικά συστατικά.
Σήμερα όλοι συμφωνούν ότι τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα (από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και από ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια), ενώ γύρω από τον πυρήνα περιστρέφονται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια.
Αλλά, όπως τελικά αποδείχθηκε, ούτε τα πρωτόνια και τα νετρόνια (τα λεγόμενα νουκλεόνια) είναι «αδιαίρετα»: με τη χρήση των πρώτων επιταχυντών οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι τα νουκλεόνια που φτιάχνουν τους πυρήνες όλων των ατόμων προκύπτουν και αυτά από την ένωση διαφορετικών μικρότερων υποατομικών σωματιδίων.
Ανακάλυψαν μάλιστα έναν τόσο μεγάλο αριθμό από νέα σωματίδια, ώστε ορισμένοι άρχισαν να αμφιβάλλουν ακόμη και για το αν έχει νόημα η αναζήτηση «στοιχειωδών» υποατομικών σωματιδίων.
Μόλις συνήλθε από αυτό το σοκ η έρευνα στη μικροφυσική προσπάθησε να βάλει κάποια τάξη σε αυτό το τρελοκομείο με τον ατελείωτο αριθμό σωματιδίων. Και ώς έναν βαθμό τα κατάφερε!
Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής που επικρατεί μέχρι σήμερα, κάθε υλικό αντικείμενο προκύπτει από την αλληλεπίδραση δύο μόνο βασικών οικογενειών στοιχειωδών σωματιδίων: των αδρονίων και των λεπτονίων.
Για παράδειγμα, όλα τα νουκλεόνια -δηλαδή το κάθε ένα από τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συγκροτούν τον πυρήνα ενός ατόμου- αποτελούνται μόνο από τρία «κουάρκ»: στοιχειώδη σωματίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων (όλα τα κουάρκ είναι «αδρόνια», από την αρχαιοελληνική λέξη «αδρός», που σημαίνει δυνατός).
Εκτός όμως από τον πυρήνα, υπάρχουν και τα ηλεκτρόνια. Αυτά τα σωματίδια ανήκουν στη μεγάλη οικογένεια των λεπτονίων, η οποία περιλαμβάνει όλα τα σωματίδια που δεν είναι κουάρκ, δηλαδή όσα δεν «αισθάνονται» τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις αλλά αλληλεπιδρούν μόνο μέσω ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Στη μεγάλη οικογένεια των λεπτονίων ανήκουν τα ηλεκτρόνια, τα «μιόνια», τα λεπτόνια «ταυ» καθώς και οι τρεις διαφορετικοί τύποι ή είδη νετρίνων.
Τα λεπτόνια χωρίζονται συνήθως σε τρεις υποομάδες: στην πρώτη ομάδα βρίσκουμε τα ηλεκτρόνια και τα ηλεκτρονικά νετρίνα, στη δεύτερη τα μιόνια και τα μιονικά νετρίνα και τέλος τα σωματίδια «ταυ» και τα ταυ-νετρίνα.
● Σε τι ακριβώς χρησιμεύουν τα «ενοχλητικά» νετρίνα;
Η απάντηση του Καθιερωμένου Μοντέλου σε αυτό το ερώτημα δεν είναι καθόλου προφανής ούτε ικανοποιητική. Και αυτό γιατί, όπως και με όλα τα άλλα υποατομικά σωματίδια, η ανάγκη ύπαρξής τους ήταν αρχικά καθαρά υποθετική, δηλαδή εξυπηρετούσε θεωρητικές ανάγκες. Μόνο πολύ μετά την εισαγωγή τους στο «τρελοκομείο» της σωματιδιακής φυσικής έγινε δυνατή η πειραματική επιβεβαίωση ή διάψευση της ύπαρξής τους.
Κατά τη δεκαετία του 1930 ο μεγάλος Ιταλός ατομικός φυσικός Ενρίκο Φέρμι πρότεινε το όνομα «νετρίνο» (δηλαδή μικρό και ελαφρύ νετρόνιο) για να περιγράψει το αινιγματικό σωματίδιο που, όπως υπέθεταν τότε, θα μπορούσε να προκύπτει από την αυθόρμητη διάσπαση του νετρονίου, τη λεγόμενη «Βήτα-διάσπαση».
Πρόκειται για έναν θεμελιώδη πυρηνικό μηχανισμό που αποκαθιστά τη συμμετρία πρωτονίων νετρονίων και άρα τη μάζα του πυρήνα με τη μετατροπή ενός πρωτονίου σε νετρόνιο (ή αντιστρόφως).
Μελετώντας όμως τις β-διασπάσεις οι φυσικοί διαπίστωσαν κάτι πολύ παράξενο. Ενώ υπάρχει διατήρηση του συνολικού ηλεκτρικού φορτίου, π.χ. από ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο (νετρόνιο) προκύπτουν δύο: ένα αρνητικό (ηλεκτρόνιο) και ένα θετικό (πρωτόνιο), στα δύο σωματίδια που προέκυπταν από τη β-διάσπαση δεν υπήρχε δυστυχώς και διατήρηση της συνολικής ορμής και ενέργειας. Μήπως αυτές οι τόσο θεμελιώδεις για τη φυσική αρχές διατήρησης δεν ισχύουν για τα στοιχειώδη σωματίδια;
Η απάντηση σε αυτή την καταστροφική προοπτική ήταν η υπόθεση ύπαρξης των αόρατων τότε νετρίνων: μόνο η εισαγωγή τέτοιων «άυλων» σωματίδιων με μηδενική μάζα μπορούσε να εγγυηθεί ότι ο μικρόκοσμος διαθέτει μια πολύπλοκη μεν αλλά εν τέλει νομοτελειακή οργάνωση που δεν παραβιάζει βασικούς φυσικούς νόμους!
Εκτοτε, το σωματίδιο-φάντασμα έγινε αντικείμενο πολλών ερευνών για να μάθουμε αν τελικά έχει κάποια μάζα και μπορεί να «ταλαντεύεται», δηλαδή να μεταμορφώνεται στον χρόνο.
Σε αυτό το αποφασιστικό ερώτημα απάντησαν θετικά οι πειραματικές έρευνες των τελευταίων 20 ετών, έρευνες που επιβραβεύτηκαν συχνά με το βραβείο Νόμπελ, όπως φέτος.
