Επιστημονική ομάδα που εργάζεται στον μεγαλύτερο ατομικό σπαστήρα του κόσμου εντόπισε ένα παράξενο υποατομικό σωματίδιο κατά τη διάρκεια της μετατροπής του από ύλη σε αντιύλη. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να μας βοηθήσει να καταλάβουμε πώς σώθηκε το σύμπαν από την ολική εξόντωση αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Χρησιμοποιώντας δεδομένα από τη δεύτερη φάση λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης εντόπισαν το «γοητευτικό μεσόνιο» (charm meson) – ένα μικροσκοπικό σωματίδιο που περιέχει μια υλική και μια αντιυλική εκδοχή του κουάρκ, του θεμελιώδους δομικού στοιχείου της ύλης – να πραγματοποιεί εναλλαγή στο αντισωματιδιακό «alter-ego» του και μετά να επιστρέφει στην προηγούμενη κατάστασή του.

Κάθε σωματίδιο έχει ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο με την ίδια μάζα, διάρκεια ζωής και περιστροφή, αλλά με αντίθετο φορτίο. Ορισμένα σωματίδια, όπως το φωτόνιο (σωματίδια φωτός) είναι το αντισωματίδιο του εαυτού του, ενώ άλλα μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα ως ύλη και αντιύλη, χάρη στις παράξενες ιδιορρυθμίες ενός φαινομένου που ονομάζεται κβαντική υπέρθεση.

Πρόκειται για ένα θεμελιώδες φαινόμενο της κβαντομηχανικής, όπου δύο κβαντικές καταστάσεις προστίθενται μεταξύ τους με τρόπο που τους επιτρέπει να συνυπάρχουν ταυτόχρονα. Με άλλα λόγια, κάθε κβαντική κατάσταση είναι το άθροισμα πολλαπλών διακριτών βασικών καταστάσεων.

Όταν το γοητευτικό μεσόνιο (που επίσημα ονομάζεται D0) και το αντίστοιχο αντισωματίδιο του (αντι-D0) υπάρχουν σε υπέρθεση, τα κύματα του D0 και του αντι-D0 επικαλύπτονται με διάφορους τρόπους για να σχηματίσουν δύο άλλα σωματίδια ύλης, που ονομάζονται D1 και D2, τα οποία βρίσκονται επίσης σε κατάσταση υπέρθεσης. Παρόλο που τα D1 και D2 αποτελούνται από τα ίδια συστατικά σωματιδίων (D0) και αντισωματιδίων (αντι-D0) μεταξύ τους, έχουν ελαφρώς διαφορετικά μίγματα του καθενός, δίνοντάς τους διαφορετικές μάζες και χρόνους ζωής. Το αντίστροφο ισχύει επίσης- τα D1 και D2 μπορούν επίσης να επικάθονται και να παράγουν D0 ή αντι-D0, ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο προστίθενται το ένα πάνω στο άλλο.

«Μπορείτε να θεωρήσετε το D0 ως ένα μείγμα από D1 και D2, ή το D1 ως ένα μείγμα από D0 και αντι-D0, είναι απλώς δύο τρόποι με τους οποίους μπορούμε να εξετάσουμε το ίδιο φαινόμενο», δήλωσε στο Live Science ο συν-συγγραφέας Κρις Παρκς, πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και εκπρόσωπος του LHC.

Επειδή η μάζα αυτών των σωματιδιακών κυμάτων καθορίζει το μήκος κύματός τους και επομένως τον τρόπο με τον οποίο παρεμβάλλονται μεταξύ τους, η διαφορά μάζας μεταξύ του βαρύτερου D1 και του ελαφρύτερου D2 καθορίζει πόσο γρήγορα το γοητευτικό μεσόνιο εναλάσσεται μεταξύ των δυο καταστάσεων.

Και αυτή η διαφορά μάζας είναι απολύτως μικροσκοπική: 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000001 γραμμάρια ( 1×10-38g). 

Για να κάνουν μια τόσο ακριβή μέτρηση, οι ερευνητές παρατήρησαν 30,6 εκατομμύρια γοητευτικά μεσόνια αμέσως μετά τη δημιουργία τους, όταν δύο πρωτόνια συγκρούστηκαν μεταξύ τους μέσα στον LHC. Τα γοητευτικά μεσόνια διανύουν ελάχιστη απόσταση πριν διασπαστούν σε ελαφρύτερα σωματίδια, αλλά οι εξαιρετικά ακριβείς ανιχνευτές μέσα στον επιταχυντή σωματιδίων, επέτρεψαν στην ομάδα να συγκρίνει τα γοητευτικά μεσόνια που διένυσαν τη μικρότερη απόσταση με εκείνα που πήγαν πιο μακριά. Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτή τη διαφορά για να υπολογίσουν τη διαφορά στη μάζα μεταξύ των δύο πιθανών καταστάσεων.

Αυτή είναι η δεύτερη φορά που ένα σωματίδιο συλλαμβάνεται να ταλαντώνεται μεταξύ ύλης και αντιύλης με αυτόν τον τρόπο, ενώ η πρώτη ήταν μια μέτρηση του 2006 για το «παράξενα όμορφο μεσόνιο». Αλλά ο εντοπισμός αυτού του γεγονότος στο γοητευτικό μεσόνιο ήταν πολύ πιο δύσκολος, επειδή το ασταθές σωματίδιο διασπάται πριν προλάβει να κάνει την εναλλαγή, σύμφωνα με τους ερευνητές.

«Αυτό που κάνει αυτή την ανακάλυψη της ταλάντωσης στο σωματίδιο του γοητευτικού μεσονίου τόσο εντυπωσιακή είναι ότι, σε αντίθεση με τα όμορφα μεσόνια, η ταλάντωση είναι πολύ αργή και επομένως εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθεί μέσα στο χρόνο που χρειάζεται το μεσόνιο για να διασπαστεί», ανέφερε σε ανακοίνωσή του ο συν-συγγραφέας Γκάι Γουίλκινσον, πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.

Τα σωματίδια που μπορούν να κάνουν το άλμα μεταξύ ύλης και αντιύλης είναι σημαντικά επειδή βρίσκονται στον πυρήνα του ερωτήματος σχετικά με την δημιουργία του σύμπαντος.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο– τη φυσική θεωρία που περιγράφει τα δομικά συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις- η ύλη και η αντιύλη δημιουργήθηκαν σε ίσες ποσότητες κατά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ωστόσο, το σύμπαν στο οποίο ζούμε αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ύλη. Και επειδή η ύλη και η αντιύλη αλληλοεξουδετερώνονται κατά την επαφή τους, το σύμπαν θα έπρεπε να είχε καταστραφεί την ίδια στιγμή ή αμέσως μετά την γέννησή του. Ποια ήταν λοιπόν η αιτία της ανισορροπίας;

Σύμφωνα με κάποιες θεωρίες, σωματίδια όπως το γοητευτικό μεσόνιο μπορεί να έσωσαν το υλικό σύμπαν από την εκμηδένιση – ειδικά αν μεταβαίνουν από την αντιύλη στην ύλη πιο συχνά από ό,τι πηγαίνουν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ο αναβαθμισμένος LHC που πρόκειται να τεθεί και πάλι σε λειτουργία τον επόμενο Σεπτέμβριο και με παρόμοιες έρευνες για μεσόνια που πρόκειται να διεξαχθούν στο πλαίσιο του πειράματος Belle II της Ιαπωνίας, η ανακάλυψη περαιτέρω ενδείξεων μπορεί να μην είναι τόσο μακριά.

Οι ερευνητές προδημοσίευσαν τα ευρήματά τους στις 7 Ιουνίου στον ιστότοπο arXiv, οπότε η μελέτη δεν έχει αξιολογηθεί ακόμη από ομότιμους.

 

ΠΗΓΗ: Live Science

www.ertnews.gr