Τα νετρίνα ίσως εξηγήσουν γιατί η ύλη επικράτησε της αντιύλης

Ένα πρόβλημα που απασχολεί για δεκαετίες τους φυσικούς είναι η επικράτηση της ύλης έναντι της αντιύλης.

Για την ύλη ακόμα και να μην γνωρίζουμε τον ακριβή επιστημονικό ορισμό της όλοι μπορούμε να αντιληφθούμε το τι είναι. Είναι ό,τι μας περιβάλλει, ό,τι μπορούμε να αγγίξουμε, όπως το ποντίκι του υπολογιστή που κρατάτε αυτή τη στιγμή, αλλά και ό,τι δεν μπορούμε να αγγίξουμε -έστω διαισθητικά-, όπως ο αέρας. Τι είναι όμως η αντιύλη;

Μπορεί να ακούγεται κάτι εντελώς εξωτικό και εξωπραγματικό μιας και οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας την χρησιμοποιούν συνεχώς στα βιβλία τους γράφοντας για τεράστιες εκρήξεις μεταξύ γαλαξιών ή ακόμα και για ταξίδια στο χρόνο, αλλά στην πραγματικότητα είναι κάτι πολύ συνηθισμένο .

Η αντιύλη είναι μια μορφή ύλης, η οποία αποτελείται από τα λεγόμενα αντισωματίδια. Τα αντισωματίδια είναι αντίστοιχα με τα σωματίδια της ύλης, αλλά έχοντας αντίθετες κάποιες από τις ιδιότητές τους, όπως το ηλεκτρικό φορτίο.

Για παράδειγμα το πρωτόνιο έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ το αντισωματίδιό του, δηλαδή το αντιπρωτόνιο, έχει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Όταν ένα σωματίδιο έρθει σε επαφή με ένα αντισωματίδιο, εξαϋλώνονται, δηλαδή εξαφανίζονται και στη θέση τους αφήνουν ενέργεια.

Εικόνα 1: Γραφική απεικόνιση εξαΰλωσης σωματιδίων ύλης και αντιύλης.

Λίγο μετά τη δημιουργία του Σύμπαντος (Big Bang), και συγκεκριμένα μετά από 10-43 δευτερόλεπτα, υπήρχε μια “σούπα” από όλα τα σωματίδια. Τα σωματίδια ύλης και αντιύλης που υπήρχαν ήταν σε ίσες ποσότητες και ήταν σε θερμική ισορροπία, δηλαδή για κάθε σωματίδιο υπήρχε ακριβώς το αντίστοιχο αντισωματίδιο, τα οποία εξαϋλώνονταν συνεχώς, αλλά και αντίστοιχα δημιουργούνταν (δίδυμη γένεση) με τον ίδιο ρυθμό. Όταν η ηλικία του Σύμπαντος έγινε 10-32 δευτερόλεπτα, όπου μόνο η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής πυρηνική δύναμη παρέμειναν ενωμένες (Ηλεκτρασθενής Εποχή), υπήρξε μια μικρή ανωμαλία στην ποσότητα ύλης και αντιύλης. Ευτυχώς για μας, η ύλη φαίνεται να υπερτερεί της αντιύλης σε αναλογία 1:1.000.000.000. Δηλαδή για ένα δισεκατομμύριο σωματίδια, υπήρχε μόνο ένα αντισωματίδιο. Έτσι αντί να υπάρχει μόνο ενέργεια στο Σύμπαν από τις αλλεπάλληλες εξαϋλώσεις, δημιουργήθηκαν οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες και φυσικά εμείς!

Μία πιθανή απάντηση σε αυτόν το γρίφο φαίνεται να έχουν επιστήμονες από το πείραμα Τ2Κ, το οποίο μελετά νετρίνα.

Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια και εμφανίζονται σε τρεις τύπους- νετρίνο του ηλεκτρονίου, νετρίνο του μιονίου και νετρίνο του ταυ. Αυτά τα σωματίδια έχουν μεν πολύ μικρή μάζα, αλλά το γεγονός ότι έχουν μάζα τους επιτρέπει να ταλαντώνονται- μετατρέπονται από τον ένα τύπο στον άλλο.

Εικόνα 2: Ο ανιχνευτής Super-Kamiokande του πειράματος Τ2Κ. (Είναι πραγματική φωτογραφία!)

Το πείραμα Τ2Κ (Tokai to Kamioka) ξεκίνησε το 2009 στην Ιαπωνία και στέλνει δέσμες από νετρίνα και αντινετρίνα προς τον ανιχνευτή Super-Kamiokande σε απόσταση 295Km. Αυτή η απόσταση είναι επίτηδες μεγάλη για να προλάβουν τα νετρίνα να ταλαντωθούν από τον ένα τύπο στον άλλο. Πιο συγκεκριμένα, στέλνουν νετρίνα ή αντινετρίνα μιονίου και με κατάλληλους ανιχνευτές μετράνε πόσα νετρίνα ή αντινετρίνα ηλεκτρονίου, αντίστοιχα, καταφθάνουν.

Μετά από μετρήσεις μίας δεκαετίας, παρατήρησαν μια απόκλιση στον αριθμό νετρίνων και αντινετρίνων ηλεκτρονίου που ανιχνεύονται.

Αυτή η απόκλιση δεν είναι αναμενόμενη, επειδή γενικά η ύλη και η αντιύλη πρέπει να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο, δηλαδή όσα νετρίνα μιονίου έγιναν νετρίνα ηλεκτρονίου, τόσα αντινετρίνα μιονίου πρέπει να ταλαντωθούν σε αντινετρίνα ηλεκτρονίου. Παρατηρήθηκε, λοιπόν, παραβίαση της συμμετρίας CP (CP violation).

Η συμμετρία CP (Charge Parity) είναι αυτή που αφήνει αμετάβλητη τη Φυσική, αν αλλάξουμε τα σωματίδια με αντισωματίδια. Η παραβίασή της σημαίνει ότι ένα σύμπαν με αντισωματίδια θα εξελισσόταν διαφορετικά από το δικό μας. Η ασθενής αλληλεπίδραση επιτρέπει μία μικρή παραβίαση αυτής της συμμετρίας, αλλά δεν είναι αρκετή για να εξηγήσει την ύλη που τελικά υπάρχει στη φύση.

Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι κατέφθαναν λιγότερα αντινετρίνα ηλεκτρονίου από το αναμενόμενο. Οι υπεύθυνοι του πειράματος περιμένουν να συλλέξουν κι άλλα δεδομένα για να υπάρξει μεγαλύτερη στατιστική βεβαιότητα. Αλλά αν αποδειχθεί ότι όντως τα νετρίνα σπάνε την συμμετρία CP και συμπεριφέρονται διαφορετικά από τα αντίστοιχα αντισωματίδια τους, τότε κατά τις πρώτες στιγμές της δημιουργία του Σύμπαντος η παραβίαση αυτής της συμμετρίας θα υπήρχε σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Αυτό ίσως δικαιολογεί αυτή τη μεγάλη διαφορά που παρατηρούμε μεταξύ της ύλης και της αντιύλης που υπάρχει, οπότε θα έχουμε τη λύση στο πρόβλημα που ταλανίζει για χρόνια την επιστημονική κοινότητα.

Πηγές:

[1] W. N. Cottingham,& D. A. Greenwood (2002). Εισαγωγή στην Πυρηνική Φυσική, ΤΥΠΩΘΗΤΩ.

[2] Perkins D. H. (2009). Particle Astrophysics. Oxford University Press

[3] Δανέζης Μ.,& Θεοδοσίου Σ (2012). Το Σύμπαν που αγάπησα. ΔΙΑΥΛΟΣ

[4] Shu F. H. (2010). Αστροφυσική, Τόμος Α’. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης

[5] https://www.t2k-experiment.org/

[6] https://www.sciencenews.org/article/mounting-evidence-suggests-neutrinos-are-key-why-antimatter-is-rare?fbclid=IwAR2qZ20F9erjNH09kviOnPQj5P8UHFgi9LLmQ0YcuhHfINRZ_IOe6r2Ge3Q

[7] http://www.physics4u.gr/blog/2020/06/05/η-εξέλιξη-του-σύμπαντος/

Φωτογραφικές πηγές:

Εικόνα κεφαλίδας και εικόνα 1: https://t2k-experiment.org/wp-content/uploads/slideshow3-700×468.jpg
Εικόνα 2: https://www.worldsciencefestival.com/programs/matter-antimatter-answering-cosmic-riddle-existence/

Πληροφορίες συντάκτη:

Χάρης Παινέσης

O Χάρης είναι πτυχιούχος του Τμήματος Φυσικής του ΕΚΠΑ. Από μικρό παιδί ενδιαφερόταν για τα μαθηματικά και τις φυσικές επιστήμες και τελικά επέλεξε τον τομέα της Φυσικής Υψηλών Ενεργειών.

Πάντα του άρεσε να ερμηνεύει τον τρόπο λειτουργίας των πραγμάτων γύρω του και ακόμα περισσότερο να τον εξηγεί στους γύρω του. Επειδή οι φίλοι του δεν συμμερίζονταν αυτόν τον ενθουσιασμό του και δεν τον άφηναν να τους τα εξηγήσει, αποφάσισε να τα γράψει στο Science Behind.gr!

See author's posts

Πληροφορίες συντάκτη:

Χάρης Παινέσης

You Might Also Like

Εμπρός… πίσω!

Κορoναϊός | Ορίστηκαν τα νοσοκομεία αναφοράς σε όλη τη χώρα

SARS-CoV-2, Chloroquine και Favipiravir | Ένας ερευνητικός μαραθώνιος

Έναρξη του 4ου κύκλου του Σχολείου Φροντιστών για τη νόσο του Alzheimer