Αντιύλη: Γιατί δεν υπερίσχυσε στο πρώιμο σύμπαν;

Αντιύλη: Star Trek Enterprise-κινητήρας αντιύλης
Αντιύλη: Star Trek Enterprise Πηγή: screenrant.com

Σε αυτό το άρθρο θα μιλήσουμε για την αντιύλη και για μια πρόσφατη ανακάλυψη σχετικά με αυτήν. Αν και μπορεί να μην ξέρετε τι ακριβώς είναι, πιστεύω ότι κάπου έχετε ακούσει για αυτήν.  Θυμηθείτε την ταινία “Illuminati: Οι Πεφωτισμένοι” που είναι βασισμένη στο ομώνυμο βιβλίο του Dan Brown(ή αλλιώς “Angels and Demons”). Στην ταινία, ο καθηγητής Λάνγκτον (Tom Hanks) προσπαθεί να σταματήσει μια αίρεση, τους Illuminati, οι οποίοι έχουν κλέψει μια βόμβα αντιύλης και σκοπεύουν να ανατινάξουν το Βατικανό. Επίσης, στο Star Trek, το διαστημόπλοιο Enterprise κινείται με αντιύλη. Αν και στην πραγματικότητα δεν υπάρχει κάτι από αυτά τα δύο, μας δίνουν μια ιδέα ως προς το γιατί είναι τόσο σημαντική.

Τι γνωρίζουμε για την αντιύλη;

Τι είναι όμως η αντιύλη; Ξέρουμε ότι ένα άτομο αποτελείται από ηλεκτρόνια τα οποία περιστρέφονται γύρω από ένα πυρήνα από πρωτόνια και νετρόνια. Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, τα πρωτόνια θετικό και τα νετρόνια ουδέτερο. Από αυτά αποτελείται η ύλη,  ό,τι βλέπουμε γύρω μας, από τα καθημερινά αντικείμενα μέχρι τη Γη, τους πλανήτες, τα άστρα αποτελούνται από άτομα. Για παράδειγμα, από νετρόνια είναι φτιαγμένοι οι λεγόμενοι αστέρες νετρονίων.  Το 1928, ο Paul Dirac ανακάλυψε μια μαθηματική εξίσωση που αποδείκνυε την ύπαρξη αντιύλης. Δηλαδή, για κάθε υποατομικό σωματίδιο υπάρχει ένα αντίστοιχο  δίδυμο αντισωματίδιο με αντίθετο φορτίο. Αυτά είναι το αντιηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο με θετικό φορτίο, το αντιπρωτόνιο με αρνητικό και το αντινετρόνιο με ουδέτερο. Αργότερα, ανακαλύφθηκαν και πειραματικά. Αφού υπάρχουν υποατομικά αντισωματίδια, αυτό σημαίνει ότι μπορούν να υπάρξουν και αντιάτομα και κατ’ επέκταση αντιστοιχεία, όπως το αντιυδρογόνο.

Ανιτύλη: Αντιυδρογόνο
Αντιύλη: Τροχιές ατόμων αντιυδρογόνου από τo πρόγραμμα ALPHA του CERN Credit: Chukman So/University of California, Berkeley

Το πρόβλημα με την αντιύλη είναι ότι αλλαεξουδετερώνεται με την ύλη όταν αυτά τα δύο έρθουν σε επαφή, δημιουργώντας έκρηξη. Κατά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), δηλαδή τη στιγμή της δημιουργίας του σύμπαντος, υποθέτουμε ότι υπήρχαν ίσες, συμμετρικές ποσότητες ύλης και αντιύλης. Οπότε γιατί σήμερα υπάρχει (πολύ) περισσότερη ύλη από ότι αντιύλη; Γιατί υπάρχει ύλη; Γιατί υπάρχει το σύμπαν; Κανονικά, όλη η ύλη δεν θα έπρεπε να αλληλοξεουδετερωθεί με όλη την αντιύλη; Σε αυτό το ερώτημα προσπάθησε να απαντήσει ο Αντρέι Ζαχάροφ. Υποστήριξε ότι κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, υπήρχε μια αμελητέα ασυμμετρία στην ποσότητα ύλης και αντιύλης, η οποία ονομάζεται “παραβίαση CP”.Αυτό το φαινόμενο το έχουν μελετήσει και αρκετές έρευνες. Από το υπόλοιπο δηλαδή αυτής της αλληλοεξουδετέρωσης δημιουργήθηκε το σύμπαν που βλέπουμε.

Δύο θεωρίες για την ύλη και την αντιύλη

Μία από τις επικρατέστερες θεωρίες σχετικά με την επικράτηση της ύλης έναντι της αντιύλης στο πρώιμο σύμπαν είναι η ηλεκτρασθενής βαρυογένεση. Αυτή η θεωρία υποθέτει επιπλέον εκδοχές ενός σωματιδίου, του μποζόνιου Higgs(ή “σωματίδιο του θεού”).  Αν αυτά τα “ξαδέρφια” του σωματιδίου αυτού υπάρχουν, ίσως βοήθησαν να ξεκινήσει απότομα μια μεταβατική φάση στο πρώιμο  σύμπαν, παρόμοια με τη μεταβολή του νερού από υγρό σε αέριο, που πιθανώς να οδήγησε σε περισσότερη ύλη από ότι αντιύλη στο Διάστημα.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Νεφέλωμα του κάβουρα
Το νεφέλωμα του κάβουρα που δημιουργήθηκε μετά από έκρηξη supernova Πηγή: hubblesite.org Credits:NASA, ESA,J. DePasquale(STScI),and R. Hurt (Caltech/IPAC)

Η άλλη επικρατέστερη θεωρία λέγεται λεπτογένεση και προέρχεται από τα νετρίνα (neutrino). Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια και είναι ελαφρύτερα από όλα τα υπόλοιπα σωματίδια και είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Συνήθως περνούν μέσα από την συνηθισμένη ύλη ανεμπόδιστα και χωρίς να εντοπίζονται. Μπορούν να δημιουργηθούν στους πυρήνες των άστρων, κατά τη διάρκεια μιας έκρηξης ενός supernova αστέρα, στους αστέρες νετρονίων, σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, σε πυρηνικές βόμβες ή σε επιταχυντές σωματιδίων(όπως ο LHC που υπάρχει στο CERN). Σύμφωνα με τη θεωρία της λεπτογένεσης, εκτός από τα συνηθισμένα νετρίνα, υπήρχαν και βαριά νετρίνα τεραστίων διαστάσεων τα οποία θα μπορούσαν να δημιουργηθούν μόνο με την παρουσία πάρα πολλής ενέργειας και πολύ υψηλών θερμοκρασιών που υπήρχαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το σύμπαν είναι πολύ καυτό και πυκνό. Όταν αυτά τα σωματίδια έσπασαν αναπόφευκτα σε άλλα, πιο σταθερά, ίσως παρήγαγαν ελαφρώς περισσότερη ύλη από ότι αντιύλη ως υποπροϊόντα, καταλήγοντας στο σύμπαν που βλέπουμε σήμερα.

Μια πολλά υποσχόμενη ανακάλυψη

Επιστήμονες από το πείραμα T2K (Tokai to Kamioka)  στην Ιαπωνία έκαναν μια ανακοίνωση που υποστηρίζει την θεωρία της λεπτογένεσης. Τα νετρίνα ,όπως κάθε σωματίδιο, έχουν και το αντίστοιχο αντισωματίδιο, τα αντινετρίνα. Στο πείραμα, οι ερευνητές του Τ2Κ παρατήρησαν ότι τα νετρίνα και τα αντινετρίνα δεν δρουν απλώς το ένα σαν καθρέφτης του άλλου, αλλά συμπεριφέρονται εντελώς διαφορετικά. Αυτή η διαφορά ανάμεσα σε ένα σωματίδιο και στο αντίστοιχο του αντισωματίδιο λέγεται “παραβίαση CP” και είναι σημαντικό στοιχείο στην απάντηση της ερώτησης γιατί η ύλη είναι περισσότερη από την αντιύλη.

Κατάλοιπα από έκρηξη supernova
Κατάλοιπα από έκρηξη supernova Πηγή: hubblesite.org Credits: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) Acknowledgment: Y.-H. Chu (UIUC), S. Kulkarni (Caltech), and R. Rothschild (UCSD)

Όμως το παραπάνω πείραμα δεν είναι αρκετό για να αποδειχτεί η θεωρία της λεπτογένεσης, αλλά θα χρειαστούν κι άλλες αποδείξεις. Μία από αυτές θα μπορούσε να είναι ότι τα νετρίνα και τα αντινετρίνα είναι στην πραγματικότητα το ίδιο σωματίδιο. Αν και ακούγεται παράξενο, θα μπορούσε να συμβαίνει. Η ύλη και αντιύλη θεωρούνται πανομοιότυπες εκτός από την αντιστροφή στο ηλεκτρικό τους φορτίο. Όμως, τα νετρίνα δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, οπότε θα μπορούσαν να είναι ταυτόχρονα ύλη και αντιύλη. Αν αυτό είναι πραγματικότητα, θα εξηγούσε γιατί τα νετρίνα είναι τόσο ελαφριά, πολύ πιό ελαφριά από όλα τα άλλα σωματίδια. Η Jessica Turner, θεωρητική φυσικός στο Fermilab, είπε:” Η λεπτογένεση είναι ένας πολύ κομψός τρόπος ερμηνείας. Πρώτα, απαντάς στο γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη από ότι αντιύλη. Δεύτερον, εξηγείς γιατί τα νετρίνα έχουν τόσο μικρή μάζα”.

Αντιύλη:Fermilab
Το κτήριο Wilson Hall, κεντρικό κτήριο του Fermilab, Πηγή:vms.fnal.gov, Photographer:Reidar Hahn

Όμως, το σύμπαν μας επιφυλάσσει εκπλήξεις. Πιθανόν να μην συνέβησαν ούτε η λεπτογένεση ούτε η ηλεκτρασθενής βαρυογένεση. H Seyda Ipek, θεωρητική φυσικός στο  University of California, είπε:” Αυτές οι δύο δεν είναι οι μόνες επιλογές. Ο θεωρητικός τομέας είναι τεράστιος.”  Η Jessica Turner συμπληρώνει:”Πιστεύω ότι πρέπει να είμαστε ανοιχτοί σε νέες πιθανότητες. Η φύση εκτυλίσσεται όπως εκτυλίσσεται και αυτό δεν μπορούμε να το ελέγξουμε. Απλώς, βάζουμε τα δυνατά μας για να την κατανοήσουμε”.

 

Πηγές:

en.wikipedia.org

scientificamerican.com

Κάκου,Μ.(2008),Η φυσική του ανέφικτου, Αθήνα: Εκδόσεις ΑΒΓΟ


Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Παναγιώτα Μπαμπουρδά

Έχω σπουδάσει στο τμήμα Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Ασχολούμαι με την δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Στον ελεύθερο μου χρόνο μου αρέσει να ζωγραφίζω,να χορεύω tango και latin χορούς, να βγάζω φωτογραφίες, να διαβάζω λογοτεχνία και να βλέπω ταινίες. Με ενδιαφέρουν πολύ η Αστρονομία και η Αστροφυσική.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;