Στον ίδιο κόσμο

Από το χθεσινό ΒΗΜΑ το άρθρο του Τάσου Καφαντάρη για τα (εν πολλοίς δυσνόητα) επιτεύγματα των τριών ιαπώνων που κερδίζουν το Νόμπελ Φυσικής 2008:

"Στη χρονιά της κορύφωσης της αγωνίας των φυσικών για το αν ο Μεγάλος Συγκρουσιακός Επιταχυντής Αδρονίων του CΕRΝ (LΗC) θα βρει το σωματίδιο που ευθύνεται για τη δημιουργία μάζας στο Σύμπαν- το μποζόνιο του Χιγκς- ήταν μάλλον απίθανο η επιτροπή απονομής των βραβείων Νομπέλ να μείνει ανεπηρέαστη. Και, όντως, απένειμαν το Βραβείο Φυσικής του 2008 στους «προφήτες» του μηχανισμού δημιουργίας του υλικού μας κόσμου. Ηταν τρεις- και οι τρεις Ιάπωνες-, ονόματι Γιοϊσίρο Ναμπού, Μακότο Κομπαγιάσι και Τοσιχίντε Μασκάουα. Το βραβείο μοιράστηκε στα δύο, το μισό στον Ναμπού (Υoichiro Νambu, Ινστιτούτο Φέρμι του Σικάγου) και το άλλο μισό στους Κομπαγιάσι και Μασκάουα (Μakoto Κobayashi, του Ινστιτούτου Υψηλής Ενέργειας ΚΕΚ της Ιαπωνίας, και Τoshihide Μaskawa, του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Υukawa του Κιότο). Αντίστοιχα θα μοιραστούν οι τρεις τους και το ποσό των 10 εκατ. σουηδικών κορονών που συνοδεύει το βραβείο. Αλλά γιατί ακριβώς το κέρδισαν;

Το παράδοξο της συμμετρίας
Η ιστορία ξεκινάει από το 1905, όταν ο Αϊνστάιν ανακάλυψε πως ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι έννοιες ανεξάρτητες η μία από την άλλη- όπως πιστεύαμε- αλλά διαπλέκονται σχηματίζοντας τον τετραδιάστατο χωροχρόνο. Ωστόσο, παρά το ότι στη θεωρία του Αϊνστάιν οι μετρήσεις του χώρου και του χρόνου γίνονται σχετικές, για εμάς οι νόμοι της φυσικής συνεχίζουν να ισχύουν όπως πριν. Αυτή η παραδοξότητα ισχύει λόγω μιας συμμετρίας- της λεγόμενης «συμμετρίας Lorentz». Αλλά πενήντα χρόνια μετά την ανακάλυψη του Αϊνστάιν αποδείχθηκε ότι το... βόλεμά μας με τη συμμετρία του Λόρεντζ συνεπαγόταν μία ακόμη πιο σημαντική συμμετρία, εκείνη ανάμεσα στην ύλη και στην αντιύλη (το Θεώρημα CΡΤ).

Σύμφωνα με αυτό το νέο θεώρημα, η ύλη και η αντιύλη- επομένως και τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης - θα έπρεπε να έχουν ταυτόσημες μάζες. Αυτό αποδείχθηκε πειραματικά και αποτελεί τη σπονδυλική στήλη της καθεστώσας φυσικής σήμερα, του Καθιερωμένου Μοντέλου (Standard Μodel). Τότε όμως πώς προέκυψε το υλικό Σύμπαν; Αν κατά τη Μεγάλη Εκρηξη- εδώ και 14 δισεκατομμύρια χρόνια- η ύλη και η αντιύλη ήταν ισοδύναμες, θα έπρεπε να είχαν εξουδετερωθεί, παράγοντας μόνον ενέργεια. Πώς «περίσσεψε» ύλη και τέθηκε ο σπόρος της δημιουργίας πλανητών και ζωής;

Ο πρώτος που εντόπισε τη δυνατότητα δημιουργίας του υλικού κόσμου σε μια «σπασμένη συμμετρία» ήταν ο ρώσος φυσικός και νομπελίστας Αντρέι Σαχάροφ- που απεβίωσε εφέτος. Το 1967 έθεσε τρεις συνθήκες για τη δημιουργία υλικού κόσμου: Η πρώτη έλεγε ότι οι νόμοι της φυσικής διαχωρίζουν την ύλη από την αντιύλη, η δεύτερη ότι ο κόσμος γεννήθηκε από τη Μεγάλη Εκρηξη (Βig Βang) και η τρίτη ότι τα πρωτόνια του κάθε ατομικού πυρήνα αποσυντίθενται. Αυτή η τρίτη συνθήκη υπονοεί ότι η ύλη μπορεί να εξαφανιστεί, άρα και ο κόσμος μας να πεθάνει. Ευτυχώς, τα πειράματα έχουν δείξει πως τα πρωτόνια παραμένουν σταθερά για 10 στην 33η χρόνια, οπότε... έχουμε ακόμη χρόνο.

Αν η θεωρία του Σαχάροφ ήταν σωστή, θα έπρεπε να είχε συμβεί μια καταλυτική ρήξη της συμμετρίας ύλης - αντιύλης κατά τη Μεγάλη Εκρηξη. Αλλά πώς, με ποιον μηχανισμό; Παρέμενε μυστήριο ως το 1972, όταν δύο νεαροί (τότε) ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κιότο, οι Κομπαγιάσι και Μασκάουα, βρήκαν τη λύση στην κβαντική φυσική: Τα στοιχειώδη σωματίδια που ονομάζονται καόνια (kaon) απαρτίζονται από τη ζεύξη ενός κουάρκ και ενός αντικουάρκ. Η ασθενής δύναμη που τα συνδέει τα κάνει να ανταλλάσσουν συνεχώς ταυτότητες, μετατρέποντας τα κουάρκ σε αντικουάρκ και τούμπαλιν. Αν υπάρξουν οι κατάλληλες συνθήκες, αυτή η συμμετρία ύλης- αντιύλης μπορεί να σπάσει.

Αυτή η «ανταλλαγή ταυτοτήτων» αποδείχθηκε ότι γινόταν μεταξύ των μελών της ίδιας οικογένειας στοιχείων. Αλλά, αν κάτι τέτοιο συνέβαινε και με σπάσιμο της συμμετρίας ύληςαντιύλης, θα έπρεπε να υπάρχει και μία ακόμη οικογένεια κουάρκ, την οποία ως τότε δεν γνωρίζαμε. Επίσης, σύμφωνα με τον μηχανισμό διάσπασης της συμμετρίας που εισήγαγαν οι δύο Ιάπωνες, θα έπρεπε να παραβιάζεται η συμμετρία και στα σωματίδια μεσόνια-Β (Β-mesons), που είναι δέκα φορές βαρύτερα από τα καόνια.

Τελικά η «προφητεία» των Κομπαγιάσι και Μασκάουα επαληθεύτηκε. Το 1974 ανακαλύφθηκε το «charm quark», το 1977 το «bottom quark» και το 1994 το «top quark». Οσο για τα μεσόνια-Β, η διάσπαση της συμμετρίας τους επιβεβαιώθηκε πανηγυρικά το 2001, από τα πειράματα του επιταχυντή Βelle, στην Τσουκούμπα της Ιαπωνίας, και στον επιταχυντή SLΑC του Πανεπιστημίου Στάνφορντ, στην Καλιφόρνια.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής περιλαμβάνει όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια της ύλης συν τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Αλλά δεν εξηγεί γιατί τα σωματίδια έχουν τόσο διαφορετικές μάζες και γιατί οι δυνάμεις διαφέρουν τόσο πολύ μεταξύ τους. Ή ακόμη και γιατί έχουν καν μάζα! Για παράδειγμα, οι φορείς της ασθενούς δύναμης, οι W και Ζ, έχουν συγκριτικά μεγάλο βάρος, ενώ το φωτόνιο- που είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης- δεν έχει καθόλου μάζα.

Η υποψία που έχουμε σήμερα- και είναι αυτή για την οποία αναζητούμε αποδείξεις με το πείραμα στο CΕRΝείναι ότι υπάρχει μία ακόμη σποραδική ρήξη συμμετρίας. Είναι ο λεγόμενος «μηχανισμός του Ηiggs», σύμφωνα με τον οποίο μια τέτοια ρήξη συμμετρίας επήλθε μεταξύ των δυνάμεων κατά τη Μεγάλη Εκρηξη και έδωσε στα σωματίδια τις μάζες τους.

Η χαρτογράφηση αυτού του μηχανισμού δόθηκε το 1960 από έναν άλλο Ιάπωνα, τον Γιοϊσίρο Ναμπού, ο οποίος τότε ερευνούσε τις ρήξεις συμμετρίας κατά την υπεραγωγιμότητα. Συγκεκριμένα, έκανε θεωρητικούς υπολογισμούς για το πώς, σε υπεραγώγιμες συνθήκες, τα ηλεκτρικά ρεύματα αρχίζουν ξαφνικά να ρέουν χωρίς αντίσταση. Είχε τη διορατικότητα να αντιληφθεί ότι το κενό- η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση- δεν ανταποκρίνεται στις συνθήκες συμμετρίας. Μετέφερε τους υπολογισμούς του στον χώρο των στοιχειωδών σωματιδίων και βρήκε ότι η συμμετρία του κβαντικού πεδίου διασπάται!

Η συνέχεια
Μπορεί να πέρασαν 48 και 36 χρόνια, αντίστοιχα, αλλά οι τρεις Ιάπωνες δικαιώθηκαν με την εφετινή απονομή του Νομπέλ Φυσικής. Τώρα πια, οι φυσικοί κλίνουν να πιστεύουν ότι κατά τη Μεγάλη Εκρηξη υπήρχε ένα πεδίο ενέργειας- το επιλεγόμενο «πεδίο Ηiggs»- το οποίο ήταν απολύτως συμμετρικό και όλα τα σωματίδια είχαν μηδενική μάζα. Αλλά, με την ψύξη που επακολούθησε της Εκρηξης, το πεδίο αυτό έπεσε στη χαμηλότερη ενεργειακή του στάθμη και έγινε ασταθές. Η συμμετρία του διαρρήχθηκε «αυθορμήτως» και μεταβλήθηκε σε... μια σούπα στοιχειωδών σωματιδίων. Τότε ήταν που τα σωματίδια αυτά απορρόφησαν διαφορετικά ποσά ενέργειας και απέκτησαν τις διαφορετικές μάζες τους. Κάποια, όπως τα φωτόνια, δεν «κόλλησαν στη σούπα» και δεν πήραν μάζα. Ομως, σε αντιδιαστολή, το γιατί τα ηλεκτρόνια απέκτησαν μάζα είναι ένα άλλο μυστήριο που... περιμένει την απάντησή του".

Για την αντιγραφή
ΜΟΝΑ - ΖΥΓΑ

(Πηγή της εικόνας)