Κατανοώντας την ασυμμετρία στο πρωτόνιο αποκαλύπτονται λεπτομέρειες της αντιύλης στο εσωτερικό του

Η ασυμμετρία στο πρωτόνιο μπερδεύει τους φυσικούς, αλλά μια νέα ανακάλυψη μπορεί να επαναφέρει παλιές θεωρίες για να την εξηγήσουν. Η συμμετρία – που εμφανίζεται σε περιοχές που εκτείνονται από το μαθηματικά και την τέχνη μέχρι τους ζώντες οργανισμούς και τους γαλαξίες – είναι μια σημαντική υποκείμενη δομή στη φύση. Χαρακτηρίζει το σύμπαν μας και το επιτρέπει να μελετηθεί και να κατανοηθεί. Λόγω του ότι η συμμετρία είναι ένα τέτοιο διάχυτο θέμα στη φύση, οι φυσικοί είναι ιδιαίτερα συνεπαρμένοι όταν ένα αντικείμενο μοιάζει σαν να πρέπει να είναι συμμετρικό, αλλά δεν είναι. Όταν οι φυσικοί αντιμετωπίζουν τέτοιες σπασμένες συμμετρίες, είναι όπως όταν βρίσκουν ένα αντικείμενο με μια παράξενη αντανάκλαση στον καθρέφτη.

Το πρωτόνιο, ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο που υπάρχει στο κέντρο κάθε ατόμου, εμφανίζει ασυμμετρία στην σύνθεσή του. Φυσικοί από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) και οι συνεργάτες τους πρόσφατα διερεύνησαν την πολυπλοκότητα αυτής της γνωστής σπασμένης συμμετρίας μέσω ενός πειράματος που διενεργήθηκε στον Επιταχυντή του Εθνικού Εργαστηρίου Fermi του DOE. Τα αποτελέσματα του πειράματος θα μπορούσαν να αλλάξουν την έρευνα του πρωτονίου επαναφέροντας θεωρίες των εσωτερικών του διεργασιών που είχαν απορριφθεί προηγουμένως.

Το εξαγόμενο από το πείραμα αντίκειται στο συμπέρασμα μελέτης από τα τέλη της δεκαετία του 1990, που επίσης διεξήχθη στο Fermilab. Οι επιστήμονες μπορούν τώρα να επανεξετάσουν θεωρίες για να περιγράψουν την ασυμμετρία στο πρωτόνιο που είχε αποκλειστεί από το παλιό πείραμα. Η κατανόηση των ιδιοτήτων του πρωτονίου βοηθάει τους φυσικούς να απαντήσουν ορισμένες από τις πιο θεμελιακές ερωτήσεις σε όλες τις επιστήμες και ερευνώντας τον κόσμο στο πιο εσωτερικό επίπεδο, οι επιστήμονες δίνουν ώθηση στην τεχνολογία που χρησιμοποιούμε κάθε μέρα. Οι μελέτες του πρωτονίου έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη της θεραπείας του καρκίνου με πρωτόνια, στη μέτρηση της ακτινοβολίας πρωτονίων κατά τη διάρκεια διαστημικών ταξιδιών και ακόμη στην κατανόηση της διαμόρφωσης των άστρων στο πρώιμο σύμπαν.

Αζευγάρωτη ύλη

Ακριβώς όπως τα σχήματα μπορούν να έχουν συμμετρία, τα σωματίδια μπορούν επίσης. Ένας τέλειος κύκλος συνίσταται από δυο ημικύκλια του ίδιου μεγέθους αντικρυστά σε αντίθετες κατευθύνσεις και κάθε τύπος σωματιδίου στο σύμπαν έχει ένα αντισωματίδιο της ίδιας μάζας με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Οι δομικοί λίθοι του πρωτονίου περιλαμβάνουν σωμάτια που ονομάζονται κουάρκ και τα αντισωμάτιά τους που αποκαλούνται αντικουάρκ. Εμφανίζονται σε «γεύσεις», όπως επάνω, κάτω, αντι-επάνω και αντι-κάτω. Τα κουάρκ και τα αντικουάρκ δένονται μαζί στο εσωτερικό του πρωτονίου με μια ισχυρή πυρηνική δύναμη. Η ένταση της δύναμης αυτής μπορεί να κάνει να αναδυθούν ζεύγη κουάρκ και αντικουάρκ από το τίποτε και τα ζευγάρια αυτά υπάρχουν για ένα σύντομο χρονικό διάστημα πριν εξαφανίσει το ένα το άλλο. Αυτή η «θάλασσα» των κουάρκ και αντικουάρκ που προβάλλουν ως ύπαρξη και το αντίστροφο είναι πάντοτε παρούσα μέσα στο πρωτόνιο.

Από απόσταση, ένα πρωτόνιο εμφανίζεται να συγκροτείται από τρία σωμάτια που αποκαλούνται κουάρκ. Όμως μια «πλησιέστερη ματιά» αποκαλύπτει μια θάλασσα σωματίων που αναδύονται στην ύπαρξη και το αντίστροφο, καταδύονται στο «τίποτε». Η εικόνα από το Quanta Magazine.

Περιέργως, σε κάθε δεδομένη στιγμή, υπάρχουν τρία περισσότερα κουάρκ από ότι αντικουάρκ: δυο περισσότερα επάνω κουάρκ από ότι αντι-επάνω κουάρκ και ένα περισσότερο κάτω κουάρκ από ότι αντι-κάτω κουάρκ. Με άλλα λόγια, αυτά τα παράταιρα κουάρκ δεν έχουν τα αντίστοιχα της ανιύλης. Η ασυμμετρία αυτή είναι ο λόγος που τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα, επιτρέποντας τα άτομα – και έτσι την ύλη – να υπάρχει.

«Ακόμη έχουμε ατελή κατανόηση των κουάρκ σε ένα πρωτόνιο και πώς αυτά προσδίδουν τις ιδιότητες του πρωτονίου», αναφέρει ο Paul Reimer, φυσικός στο Argonne. «Η φευγαλέα φύση των ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ καθιστά την παρουσία τους στο πρωτόνιο δύσκολο να μελετηθεί, όμως σε αυτό το πείραμα, ανιχνεύσαμε τις εξαφανίσεις των αντικουάρκ, τα οποία μας έδωσαν βαθύτερη γνώση για την ασυμμετρία».

Το πείραμα προσδιόρισε ότι υπάρχουν πάντα περισσότερα αντι-κάτω κουάρκ στο πρωτόνιο από ότι αντι-επάνω κουάρκ, χωρίς να ενδιαφέρουν οι ορμές των κουάρκ. Το σημαντικό αυτού του αποτελέσματος είναι η αντίφασή του με το συμπέρασμα του πειράματος του Fermilab στα τέλη της δεκαετίας του 1990, το οποίο υποστήριξε ότι σε υψηλών τιμών ορμές, αντιστρέφεται η ασυμμετρία του πρωτονίου, που σημαίνει ότι τα αντι-επάνω κουάρκ αρχίζουν να κυριαρχούν στα αντι-κάτω κουάρκ. «Σχεδιάσαμε το νέο πείραμα για να εξετάσουμε αυτές τις μεγάλες ορμές και να προσδιορίσουμε αν αυτή η αλλαγή συμβαίνει πράγματι», λέει ο Reimer. «Δείξαμε ότι υπάρχει μια ομαλή ασυμμετρία χωρίς αντιστροφή του λόγου μεταξύ αντι-επάνω και αντι-κάτω κουάρκ».

Αναδομώντας την εξαΰλωση

Για να ερευνήσουν τα κουάρκ και τα αντικουάρκ στο πρωτόνιο, οι επιστήμονες έριξαν δέσμες πρωτονίων σε στόχους και μελέτησαν τα επακόλουθα των συγκρούσεων των σωματιδίων. Ιδιαίτερα, μελέτησαν τι συμβαίνει μετά από τη σύγκρουση ενός πρωτονίου από τη δέσμη με ένα πρωτόνιο από το στόχο. Όταν τα πρωτόνια συγκρούονται, τα κουάρκ και τα αντικουάρκ από τα πρωτόνια εξαϋλώνονται μεταξύ τους. Στη συνέχεια, δυο νέα θεμελιώδη σωμάτια, αποκαλούμενα μυόνια, προκύπτουν από την εξαΰλωση, δρώντας ως υπογραφή της αλληλεπίδρασης. Από αυτές τις αλληλεπιδράσεις, οι επιστήμονες προσδιόρισαν τον λόγο των αντι-επάνω κουάρκ προς τα αντι-κάτω κουάρκ στην περιοχή των μεγάλων ορμών.

«Επιλέξαμε να μετρήσουμε τα μυόνια επειδή μπορούν περάσουν μέσω των υλικών καλύτερα από ότι τα περισσότερα από τα άλλα θραύσματα της σύγκρουσης», είπε ο Reimer. Στο ενδιάμεσο των στόχων και των συσκευών μέτρησης, η ομάδα τοποθέτησε ένα τοίχο από σίδηρο πέντε μέτρων πάχους για να σταματήσει άλλα σωμάτια από το να περάσουν και να θολώσουν τα σήματά τους. Όταν τα μυόνια χτύπησαν τις συσκευές μέτρησης στο τέλος της διαδρομής τους, οι επιστήμονες αναπαράστησαν τις εξαϋλώσεις κουάρκ-αντικουάρκ από τις μετρήσεις, πράγμα που τους επέτρεψε να επιβεβαιώσουν τον ομαλό, σταθερό λόγο των αντι-επάνω προς τα αντι-κάτω κουάρκ.

Μια δεύτερη ματιά

«Αυτό που νομίζαμε ότι είδαμε στο προηγούμενο πείραμα δεν είναι αυτό που συμβαίνει», ανέφερε ο Donald Geesaman, φυσικός στο Argonne, ο οποίος συμμετείχε τόσο στην παρούσα όσο και στην προηγούμενη μελέτη. «Γιατί, όμως; Αυτό είναι το επόμενο βήμα». Οι θεωρίες που είχαν απορριφθεί μετά την αντίφασή τους με τα αποτελέσματα του προηγούμενου πειράματος παρέχουν καλύτερη περιγραφή των νέων δεδομένων και οι επιστήμονες μπορούν να τα επανεξετάσουν με μεγαλύτερη εμπιστοσύνη λόγω αυτού του πειράματος. Οι θεωρίες αυτές θα δικαιολογήσουν περαιτέρω πειράματα για την ασυμμετρία στα πρωτόνια και άλλα σωματίδια, προσθέτοντας στην κατανόησή μας για τη θεωρία που καλύπτει τα κουάρκ.

Τα στοιχεία σχετικά με τη φύση των κουάρκ στο πρωτόνιο τελικά οδηγούν σε καλύτερη κατανόηση του ατομικού πυρήνα. Η κατανόηση του πυρήνα μπορεί να αποσαφηνίσει τις ιδιότητες του ατόμου και πώς αντιδρούν μεταξύ τους τα διαφορετικά χημικά στοιχεία. Η έρευνα στα πρωτόνια ακουμπάει πάνω σε πεδία, στα οποία συμπεριλαμβάνονται η χημεία, η αστρονομία, η κοσμολογία και η βιολογία, οδηγώντας σε προόδους στην ιατρική, στην επιστήμη των υλικών και άλλα. Πείραμα και θεωρία μπλέκονται σε έναν κύκλο που συμβάλλει στην σημαντική έρευνα, με το πείραμα να οδηγεί τη σκέψη και να οριοθετεί τη θεωρία, αναφέρει μεταξύ άλλων ο Geesaman, και η έρευνα της φύσης μας δίνει γνώσεις για τη δυναμική του πρωτονίου.

Πηγή: Argonne National Laboratory

Περισσότερα στη δημοσίευση: The asymmetry of antimatter in the proton. Nature.

Διαβάστε επίσης το πολύ ενδιαφέρον άρθρο: Decades-Long Quest Reveals Details of the Proton’s Inner Antimatter. Quanta Magazine.

Σημείωση egno: Η εικόνα του κειμένου, από το Brookhaven National Laboratory, είναι γραφική αναπαράσταση του πρωτονίου. Οι μεγάλες σφαίρες αναπαριστούν τα τρία κοινής αποδοχής κουάρκ, οι μικρές σφαίρες αναπαριστούν τα άλλα κουάρκ που συγκροτούν το πρωτόνιο και τα ελατήρια αναπαριστούν την πυρηνική δύναμη που κρατάει μαζί τα κουάρκ.