Η πρώτη μέτρηση της αλληλεπίδρασης των αντι-πρωτονίων που καθιστά εφικτή την ύπαρξη πυρήνων αντιύλης

Ψάχνοντας στα συντρίμμια από τις συγκρούσεις σωματιδίων που αναπαράγουν τις συνθήκες του πολύ πρώιμου σύμπαντος, επιστήμονες για πρώτη φορά μέτρησαν τη δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ ζευγών αντι-πρωτονίων. Όπως η δύναμη που συνδέει τα συνηθισμένα πρωτόνια μεταξύ τους στο εσωτερικό των πυρήνων των ατόμων, η δύναμη μεταξύ των αντι-πρωτονίων είναι ελκτική και ισχυρή.

Τα πειράματα εξελίχθηκαν στον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC), στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, θα μπορούσαν να προσφέρουν σημαντική γνώση μέσα σε ένα μεγαλύτερο όγκο αντιύλης, που περιλαμβάνει πυρήνων αντιύλης ανιχνεύθηκαν στον RHIC και μπορεί επίσης να βοηθήσουν τους επιστήμονες να διερευνήσουν ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της επιστήμης: Γιατί το σημερινό σύμπαν συνίσταται κυρίως από συνηθισμένη ύλη χωρίς, πρακτικά, να βρεθεί αντιύλη, ενώ η υπόθεση είναι ότι στην αρχή-αυτή που ονομάζουν Μεγάλη Έκρηξη-ύλη και αντιύλη παρήχθησαν σε ίσες ποσότητες.

Ο RHIC είναι το τέλειο μέρος για να μελετηθεί η αντιύλη επειδή ένα από τα λίγα μέρη στη Γη όπου είναι δυνατή η παραγωγή του ασύλληπτου υλικού σε άφθονες ποσότητες. Αυτό γίνεται οδηγώντας σε σύγκρουση πυρήνες βαρέων ατόμων, όπως ο χρυσός, τον ένα επάνω στο άλλο με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αυτές οι συγκρούσεις παράγουν συνθήκες παρόμοιες με αυτές που πληρούσαν το σύμπαν μικρο-δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, με θερμοκρασίες 250000 φορές μεγαλύτερες από αυτές του κέντρου του ήλιου σε μια περιοχή του μεγέθους ενός μόνο ατομικού πυρήνα. Όλη αυτή η ενέργεια περιορισμένη σε ένα τόσο μικρό μέρος, δημιουργεί ένα πλάσμα στοιχειωδών δομικών λίθων της ύλης, κουάρκ, γλοιόνια και χιλιάδες νέα σωματίδια ύλης και αντιύλης σε ίσες ποσότητες.

«Έχουμε το πλεονέκτημα της ικανότητας να παράγουμε μεγάλα ποσά αντιύλης, έτσι μπορούμε να πραγματοποιήσουμε αυτή τη μελέτη», δήλωσε ο Aihong Tang, φυσικός στο Brookhaven.

Η συνεργασία STAR είχε προηγούμενη εμπειρία ανιχνεύοντας και μελετώντας σπάνιες μορφές αντιύλης στις οποίες συμπεριλαμβάνονται αντι-άλφα σωματίδια, τους περισσότερους πυρήνες αντιύλης που δημιουργήθηκαν ποτέ σε ένα εργαστήριο, που το καθένα αποτελείται από δυο αντι-πρωτόνια και δυο αντι-νετρόνια. Αυτά τα πειράματα τους οδήγησαν στη γνώση του πώς τα αντι-πρωτόνια αλληλεπιδρούν μέσα σε αυτά τα μεγαλύτερα σύνθετα αντικείμενα. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, «η δύναμη μεταξύ των αντι-πρωτονίων είναι μια συνέλιξη των αλληλεπιδράσεων με όλα τα άλλα σωματίδια», είπε ο Tang. «θελήσαμε να μελετήσουμε την απλή αλληλεπίδραση των ασύνδετων αντι-πρωτονίων για να έχουμε μια «πιο καθαρή» θέα αυτής της δύναμης.

Για να το κάνουν αυτό ερεύνησαν τα δεδομένα του STAR από συγκρούσεις χρυσού με χρυσό για ζεύγη αντι-πρωτονίων που ήταν αρκετά κοντά να αντιδράσουν καθώς αναδύονται από την πύρινη σφαίρα της αρχικής σύγκρουσης.

Οι επιστήμονες βρήκαν ότι η δύναμη μεταξύ ζευγαριών αντι-πρωτονίων είναι ελκτική, όπως η ισχυρή πυρηνική δύναμη που κρατά τα συνηθισμένα άτομα μαζί. Με δεδομένο ότι είχαν ήδη ανακαλύψει δέσμιες καταστάσεις αντι-πρωτονίων και αντι-νετρονίων-αυτών των πυρήνων αντιύλης-αυτό δεν ήταν που εντυπωσίασε. Όταν τα αντι-πρωτόνια είναι κοντά μαζί, η ισχυρή δύναμη αλληλεπίδρασης υπερνικά την τάση όπως αυτή των (αρνητικά) φορτισμένων σωματιδίων να απωθούν το ένα το άλλο με τον ίδιο τρόπο που επιτρέπει θετικά φορτισμένα πρωτόνια να ενώνουν το ένα με το άλλο μέσα στους πυρήνες των συνηθισμένων ατόμων.

Στην πραγματικότητα, οι μετρήσεις δείχνουν ότι δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ ύλης και αντιύλης στον τρόπο που συμπεριφέρεται η ισχυρή δύναμη. Είναι, στο πλαίσιο της ακρίβειας αυτών των μετρήσεων, που ύλη και αντιύλη εμφανίζεται να είναι τέλεια συμμετρικές. Αυτό σημαίνει, τουλάχιστον με την ακρίβεια που οι επιστήμονες μπορούν να πετύχουν, ότι δεν εμφανίζεται να είναι κάποια ασυμμετρική ιδιοτροπία της ισχυρής δύναμης που ευθύνεται για τη συνέχιση της ύπαρξης της ύλης στο σύμπαν και την σημερινή ανεπάρκεια της αντιύλης. Αλλά οι επιστήμονες επισημαίνουν ότι δεν θα μπορούσαν να ξέρουν εάν δεν είχαν γίνει αυτά τα πειράματα.

«Υπάρχουν πολλοί τρόποι να ελέγξουμε για την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης και υπάρχουν πιο ακριβείς έλεγχοι, αλλά εκτός από την ακρίβεια, είναι σημαντικό να ελεγχθεί με διαφορετικούς ποιοτικά τρόπους. Αυτό το πείραμα ήταν ένας ποιοτικά νέος έλεγχος», δήλωσε ο Richard Lednický, επιστήμονας του STAR από το Joint Institute for Nuclear Research, στη Dubna της Ρωσίας και το Ινστιτούτο Φυσικής, της Ακαδημίας Επιστημών της Τσεχίας, στην Πράγα.

«Η επιτυχής εφαρμογή της τεχνικής που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την ανάλυση ανοίγει μια συναρπαστική δυνατότητα για να εξερευνηθούν οι λεπτομέρειες της ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ άλλων ειδών σωματιδίων που άφθονα παράγονται», είπε, σημειώνοντας ότι το RHIC και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) είναι ιδανικά κατάλληλα για αυτές τις μετρήσεις, που είναι δύσκολο να εκτιμηθούν με άλλα μέσα.

Πηγή: Brookhaven National Lab

Περισσότερα στην δημοσίευση: Measurement of interaction between antiprotons, Nature (2015)