Σε πειράματα στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στις ΗΠΑ, μια διεθνής ομάδα φυσικών εντόπισε τους βαρύτερους «αντι-πυρήνες» που έχουν δει ποτέ. Τα μικροσκοπικά αντικείμενα αποτελούνται από εξωτικά σωματίδια αντιύλης .
Οι μετρήσεις του πόσο συχνά παράγονται αυτές οι οντότητες και οι ιδιότητές τους επιβεβαιώνουν την τρέχουσα κατανόησή μας για τη φύση της αντιύλης και θα βοηθήσουν στην αναζήτηση ενός άλλου μυστηριώδους είδους σωματιδίων - της σκοτεινής ύλης - στο βαθύ διάστημα.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται σήμερα στο Nature .
Η ιδέα της αντιύλης είναι λιγότερο από έναν αιώνα παλιά. Το 1928, ο Βρετανός φυσικός Paul Dirac ανέπτυξε μια πολύ ακριβή θεωρία για τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων που έκανε μια ανησυχητική πρόβλεψη: την ύπαρξη ηλεκτρονίων με αρνητική ενέργεια, η οποία θα έκανε αδύνατο το σταθερό σύμπαν στο οποίο ζούμε.
Ευτυχώς οι επιστήμονες βρήκαν μια εναλλακτική εξήγηση για αυτές τις καταστάσεις «αρνητικής ενέργειας»: αντιηλεκτρόνια, ή δίδυμα του ηλεκτρονίου με το αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.
Τα αντιηλεκτρόνια ανακαλύφθηκαν σε πειράματα το 1932, και από τότε οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όλα τα θεμελιώδη σωματίδια έχουν τα δικά τους ισοδύναμα αντιύλης.
Ωστόσο, αυτό εγείρει ένα άλλο ερώτημα. Τα αντιηλεκτρόνια, τα αντιπρωτόνια και τα αντινετρόνια θα πρέπει να μπορούν να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν ολόκληρα αντιάτομα, και μάλιστα αντιπλανήτες και αντιγαλαξίες. Επιπλέον, οι θεωρίες μας για τη Μεγάλη Έκρηξη υποδηλώνουν ότι ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης πρέπει να έχουν δημιουργηθεί στην αρχή του σύμπαντος.
Αλλά όπου κι αν κοιτάξουμε, βλέπουμε ύλη - και μόνο ασήμαντες ποσότητες αντιύλης. Πού πήγε η αντιύλη; Αυτό είναι ένα ερώτημα που προβληματίζει τους επιστήμονες για σχεδόν έναν αιώνα.
Τα σημερινά αποτελέσματα προέρχονται από το πείραμα STAR , που βρίσκεται στον Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων Relativistic στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στις ΗΠΑ.
Το πείραμα λειτουργεί συνθλίβοντας τους πυρήνες βαρέων στοιχείων όπως το ουράνιο ο ένας στον άλλο με εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα. Αυτές οι συγκρούσεις δημιουργούν μικροσκοπικές, έντονες «βολίδες» που αναπαράγουν για λίγο τις συνθήκες του σύμπαντος στα πρώτα χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Κάθε σύγκρουση παράγει εκατοντάδες νέα σωματίδια και το πείραμα STAR μπορεί να τα ανιχνεύσει όλα. Τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια είναι βραχύβιες, ασταθείς οντότητες που ονομάζονται πιόνια, αλλά μερικές φορές εμφανίζεται κάτι πιο ενδιαφέρον.
Στον ανιχνευτή STAR, τα σωματίδια μεγεθύνονται μέσα από ένα μεγάλο δοχείο γεμάτο αέριο μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο - και αφήνουν ορατά ίχνη στο πέρασμά τους. Μετρώντας το «πάχος» των μονοπατιών και το πόσο κάμπτονται στο μαγνητικό πεδίο, οι επιστήμονες μπορούν να βρουν τι είδους σωματίδιο το παρήγαγε.
Η ύλη και η αντιύλη έχουν αντίθετο φορτίο, επομένως οι διαδρομές τους θα κάμπτονται προς αντίθετες κατευθύνσεις στο μαγνητικό πεδίο.
«Αντιυπερυδρογόνο»
Στη φύση, οι πυρήνες των ατόμων αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια. Ωστόσο, μπορούμε επίσης να φτιάξουμε κάτι που ονομάζεται «υπερπυρήνας», στον οποίο ένα από τα νετρόνια αντικαθίσταται από ένα υπερόνιο – μια ελαφρώς βαρύτερη εκδοχή του νετρονίου.
Αυτό που εντόπισαν στο πείραμα STAR ήταν ένας υπερπυρήνας από αντιύλη ή ένας αντιυπερπυρήνας. Στην πραγματικότητα, ήταν ο βαρύτερος και πιο εξωτικός πυρήνας αντιύλης που έχει δει ποτέ.
Για να είμαστε συγκεκριμένοι, αποτελείται από ένα αντιπρωτόνιο, δύο αντινετρόνια και ένα αντιυπερόνιο και έχει το όνομα αντιυπερυδρογόνο-4. Μεταξύ των δισεκατομμυρίων ιόντων που παράγονται, οι ερευνητές του STAR εντόπισαν μόλις 16 πυρήνες αντιυπερυδρογόνου-4.
Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις
Η νέα μελέτη συγκρίνει αυτούς τους νέους και βαρύτερους αντιπυρήνες καθώς και μια σειρά από άλλους ελαφρύτερους αντιπυρήνες με τους αντίστοιχους στην κανονική ύλη. Οι υπερπυρήνες είναι όλοι ασταθείς και αποσυντίθενται μετά από περίπου ένα δέκατο του νανοδευτερόλεπτου.
Συγκρίνοντας τους υπερπυρήνες με τους αντίστοιχους αντιυπερπυρήνες τους, βλέπουμε ότι έχουν πανομοιότυπες ζωές και μάζες – αυτό ακριβώς θα περιμέναμε από τη θεωρία του Dirac.
Οι υπάρχουσες θεωρίες κάνουν επίσης καλή δουλειά στην πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο παράγονται ελαφρύτεροι αντιυπερπυρήνες πιο συχνά, και βαρύτεροι πιο σπάνια.
Ένας σκιώδης κόσμος επίσης;
Η αντιύλη έχει επίσης συναρπαστικούς δεσμούς με μια άλλη εξωτική ουσία, τη σκοτεινή ύλη. Από τις παρατηρήσεις, γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη διαπερνά το σύμπαν και είναι πέντε φορές πιο διαδεδομένη από την κανονική ύλη - αλλά ποτέ δεν μπορέσαμε να την εντοπίσουμε άμεσα.
Ορισμένες θεωρίες της σκοτεινής ύλης προβλέπουν ότι εάν δύο σωματίδια σκοτεινής ύλης συγκρουστούν, θα εκμηδενιστούν το ένα το άλλο και θα παράγουν μια έκρηξη σωματιδίων ύλης και αντιύλης. Αυτό θα παράγει τότε αντιυδρογόνο και αντιήλιο - και ένα πείραμα που ονομάζεται Άλφα Μαγνητικό Φασματόμετρο στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό το αναζητά.
Αν παρατηρούσαμε αντιήλιο στο διάστημα, πώς θα ξέραμε αν είχε παραχθεί από τη σκοτεινή ύλη ή την κανονική ύλη; Λοιπόν, μετρήσεις όπως αυτή η νέα από το STAR μας επιτρέπουν να βαθμονομήσουμε τα θεωρητικά μας μοντέλα για το πόση αντιύλη παράγεται σε συγκρούσεις κανονικής ύλης. Αυτό το τελευταίο έγγραφο παρέχει πληθώρα δεδομένων για αυτόν τον τύπο βαθμονόμησης.
Τα βασικά ερωτήματα παραμένουν
Έχουμε μάθει πολλά για την αντιύλη τον περασμένο αιώνα. Ωστόσο, δεν είμαστε ακόμα πιο κοντά στο να απαντήσουμε στο ερώτημα γιατί βλέπουμε τόσο λίγο από αυτό στο σύμπαν.
Το πείραμα STAR απέχει πολύ από το να είναι μόνο του στην αναζήτηση της κατανόησης της φύσης της αντιύλης και πού πήγαν όλα. Η εργασία σε πειράματα όπως το LHCb και η Αλίκη στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ελβετία θα ενισχύσει την κατανόησή μας αναζητώντας σημάδια διαφορών στη συμπεριφορά μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Ίσως μέχρι το 2032, όταν θα συμπληρωθούν τα εκατό χρόνια από την αρχική ανακάλυψη της αντιύλης, θα έχουμε κάνει κάποια βήματα στην κατανόηση της θέσης αυτής της περίεργης κατοπτρικής ύλης στο σύμπαν – και ακόμη και πώς συνδέεται με το αίνιγμα της σκοτεινής ύλης.