Φυσική

Από το 1983, οι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντή Fermi στην Μπατέιβια του Ιλινόις μελετούν το υποατομικό βασίλειο μέσω των συγκρούσεων πρωτονίων και αντιπρωτονίων υψηλής ενέργειας που πραγματοποιούνται στο Tevatron, τον ισχυρότερο επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών του κόσμου. Την επόμενη χρονιά, ωστόσο, η πρωτοπορία της έρευνας όσον αφορά τη φυσική υψηλών ενεργειών μετακομίζει στην Ευρώπη, όπου ο ακόμη ισχυρότερος Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) θα αρχίσει να λειτουργεί κοντά στη Γενεύη. Το Fermilab από την πλευρά του σκοπεύει να σταματήσει τη λειτουργία τού Tevatron έως το 2010. Αντί όμως να διαλύσουν το όλο συγκρότημα, οι υπεύθυνοι του εργαστηρίου σκιαγράφησαν ένα φιλόδοξο σχέδιο χρήσης μερικών από τα μέρη του επιταχυντή με σκοπό την ενίσχυση ενός πολλά υποσχόμενου ερευνητικού προγράμματος που αφορά τη μελέτη του μυστηριώδους νετρίνου ―οι παράδοξες ιδιότητες του οποίου ίσως μας προσφέρουν τεκμήρια για την ύπαρξη νέων φυσικών νόμων.

Οι νέοι στόχοι του εργαστηρίου συνάδουν και με το έργο του ανθρώπου στον οποίο οφείλει το όνομά του, του ιταλού φυσικού Enrico Fermi, ο οποίος και επινόησε την ονομασία «νετρίνο» για το συγκεκριμένο σωματίδιο ―σημαίνει «μικρό και ουδέτερο σωματίδιο». Τα νετρίνα απαντούν σε τρεις τύπους που καλούνται γεύσεις (flavors). Τα πλέον συνηθισμένα είναι τα νετρίνα του ηλεκτρονίου (ή ηλεκτρονιακά νετρίνα), τα οποία παράγονται άφθονα κατά τις αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στον Ήλιο. [Οι άλλες δύο γεύσεις είναι τα νετρίνα του μιονίου (ή μιονικά νετρίνα) και του ταυ.] Επειδή τα νετρίνα δεν διαθέτουν ηλεκτρικό φορτίο και επιπλέον αλληλεπιδρούν με τα υπόλοιπα σωματίδια μόνο μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, διαπερνούν την ύλη σχεδόν ανεμπόδιστα, οπότε είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευτούν. Μέχρι πρόσφατα δε, οι περισσότεροι επιστήμονες θεωρούσαν ότι τα νετρίνα δεν έχουν ούτε μάζα· όμως στα τέλη της δεκαετίας τού 1990 ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα σωματίδια αυτά αλλάζουν γεύση καθώς ταξιδεύουν ―μετατροπή που μπορεί να συμβαίνει μόνο εφόσον αυτά διαθέτουν μάζα.

Η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι αυτές οι αλλαγές γεύσης πρέπει να έχουν το χαρακτήρα ταλαντώσεων, οπότε οι φυσικοί προσπαθούν τώρα να μετρήσουν πόσο συχνά αλλάζουν γεύση τα νετρίνα καθώς και την πιθανότητα κάθε τέτοιας μετατροπής. Ενώ τα προηγούμενα πειράματα παρατηρούσαν παθητικά τα νετρίνα που είχαν δημιουργηθεί στον Ήλιο ή την ατμόσφαιρα της Γης, οι ερευνητές τού Fermilab αποφάσισαν να παραγάγουν ισχυρές δέσμες νετρίνων χρησιμοποιώντας τους ίδιους επιμέρους επιταχυντές που προμηθεύουν το Tevatron με πρωτόνια (τα υψηλής ενέργειας πρωτόνια προσκρούουν ορμητικά σε στόχους από πυρήνες βηρυλλίου, παράγοντας πιόνια· αυτά, με τη σειρά τους, εκπέμπουν κατά τη διάσπασή τους νετρίνα). Το 2002, οι ερευνητές ξεκίνησαν ένα πείραμα στρέφοντας μια δέσμη μιονικών νετρίνων κατά μιας γιγαντιαίας σφαιρικής δεξαμενής, μισό χιλιόμετρο μακριά. Η δεξαμενή έχει διάμετρο 12 μέτρα (είναι γνωστή ως ανιχνευτής MiniBooNE) και περιέχει 800 περίπου τόνους ορυκτελαίου και 1.500 φωτοπολλαπλασιαστές ―οι οποίοι ανιχνεύουν τις σπάνιες αναλαμπές που προκαλούν οι αλληλεπιδράσεις των νετρίνων με το ορυκτέλαιο. Η ομάδα τού MiniBooNE αναλύει αυτή την περίοδο τα δεδομένα τριών ετών για να προσδιορίσει πόσα σωματίδια άλλαξαν γεύση «εν πτήσει» μετατρεπόμενα σε ηλεκτρονιακά νετρίνα.

Το 2005, ερευνητές τού Fermilab ξεκίνησαν το πρόγραμμα MINOS, στο πλαίσιο του οποίου μια ακόμη ισχυρότερη δέσμη μιονικών νετρίνων, έχοντας διανύσει απόσταση 735 χιλιομέτρων, καταλήγει σε έναν ογκώδη ανιχνευτή εγκατεστημένο στο εγκαταλελειμμένο ορυχείο σιδήρου στην περιοχή Σουντάν της βόρειας Μινεσότα (η μακρά διαδρομή προσφέρει στα σωματίδια περισσότερο χρόνο για ταλαντώσεις γεύσης). Τον περασμένο Μάρτιο [2006], οι επιστήμονες του MINOS ανακοίνωσαν ότι μόνο τα μισά περίπου από τα αναμενόμενα μιονικά νετρίνα κατέφτασαν στον ανιχνευτή τού παραπάνω ορυχείου, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα υπόλοιπα άλλαξαν γεύση «καθ’ οδόν». Τα αποτελέσματα αυτά ήταν συνεπή με εκείνα του προγενέστερου χρονικά πειράματος Κ2Κ, στο πλαίσιο του οποίου μελετήθηκαν τα μιονικά νετρίνα που έστελνε ένας επιταχυντής από το εργαστήριο ΚΕΚ της Ιαπωνίας.

Οι ερευνητές τού Fermilab σχεδιάζουν τώρα ένα πείραμα ονόματι Minerva, με το οποίο θα βελτιωθεί η ακρίβεια των μετρήσεων του MINOS μέσω μελέτης των αλληλεπιδράσεων νετρίνων με ατομικούς πυρήνες. Οι επιστήμονες έχουν αρχίσει επίσης να σχεδιάζουν μια μελέτη ονόματι NOvA· σύμφωνα με αυτή, προβλέπεται η εγκατάσταση ενός ακόμα τεράστιου ανιχνευτή στη Μινεσότα με σκοπό τον εντοπισμό ηλεκτρονιακών νετρίνων που προκύπτουν από τις ταλαντώσεις γεύσης οι οποίες λαμβάνουν χώρα στις δέσμες τού MINOS.

Επειδή οι περισσότεροι ανιχνευτές νετρίνων είναι σχεδιασμένοι να αναγνωρίζουν μία μόνο γεύση, κανένα πείραμα δεν μπορεί από μόνο του να μετρήσει όλες τις παραμέτρους των νετρινικών ταλαντώσεων. Ευτυχώς, παρόμοιες έρευνες στην Ιαπωνία ίσως συμπληρώσουν τις αμερικανικές μελέτες. Για να αυξήσουν τις πιθανότητες επιτυχίας τους, οι μηχανικοί τού Fermilab «πιέζουν» τους επιταχυντές τους προκειμένου να μεγιστοποιήσουν την ισχύ της δέσμης τού MINOS, κάτι που με τη σειρά του ανεβάζει τον αριθμό των αλληλεπιδράσεων νετρίνων οι οποίες πραγματοποιούνται στον ανιχνευτή. Μόλις το Tevatron σταματήσει να λειτουργεί, το εργαστήριο σκοπεύει να αυξήσει την ισχύ της δέσμης ακόμη παραπάνω, αναδιαμορφώνοντας εγκαταστάσεις που τώρα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή και αποθήκευση πρωτονίων.

Οι επιστήμονες συνεπαίρνονται από τις νετρινικές ταλαντώσεις, διότι ενδέχεται αυτές να μας αποκαλύψουν φαινόμενα τα οποία δεν εξηγούνται από το Καθιερωμένο Μοντέλο ―τούτη την εξαιρετικά επιτυχή, μα ατελή, θεωρία της σωματιδιακής φυσικής (βλ. Gordon Kane, «Το λυκαυγές της φυσικής: πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο», Scientific American - Ελληνική Έκδοση, Νοέμβριος 2003). Για παράδειγμα, τα αποτελέσματα του MiniBooNE ίσως επιβεβαιώσουν την ύπαρξη ενός τέταρτου είδους νετρίνου ―του επονομαζόμενου «στείρου» νετρίνου (sterile neutrino)― το οποίο δεν υπόκειται στην ασθενή δύναμη, ενδέχεται όμως να συμμετέχει σε καινοφανείς αλληλεπιδράσεις που δεν έχουν ακόμα προσδιοριστεί. «Το νετρίνο είναι ένα από τα λιγότερο κατανοητά σωματίδια», τονίζει ο Richard Van de Water, μέλος της ομάδας τού MiniBooNE. «Αν υπάρχει φυσική που δεν την έχουμε ανακαλύψει ακόμα, η φύση θα μπορούσε κάλλιστα να την έχει κρύψει εκεί».

Επιστημονικά Νέα - Αύγουστος, 2006