Πείραμα Alice στο CERΝ, συμπαντικά μυστήρια και θεώρημα CPT

Πώς έμοιαζε το σύμπαν λίγες μόλις στιγμές μετά τη γέννησή του και για ποιον λόγο «γεννήθηκε» η ύλη που μας περιβάλλει, αφού τα πρώτα σωματίδια που δημιουργήθηκαν τότε θα έπρεπε να αλληλοεξουδετερωθούν πλήρως με τα αντισωματίδια που σχηματίσθηκαν παράλληλα;

Αυτό το ερώτημα βρίσκεται στο επίκεντρο του πειράματος ALICE, το οποίο διεξάγεται στο CERN της Γενεύης, όπου παράλληλα πραγματοποιούνται πολλές ακόμη έρευνες στην κοσμολογία και τη σωματιδιακή φυσική. Στον ισχυρότερο αυτή τη στιγμή επιταχυντή στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, οι ερευνητές του CERN αναγκάζουν σε βίαιες συγκρούσεις πρωτόνια και πυρήνες μολύβδου.

Οι θερμοκρασίες στο εσωτερικό του επιταχυντή είναι 100.000 φορές μεγαλύτερες από αυτές στον Ήλιο. «Έτσι, αναπαράγουμε συνθήκες που είναι αρκετά παρεμφερείς με ό,τι συνέβαινε λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη», λέει η Λόρα Φαμπιέτι, καθηγήτρια φυσικής στο πανεπιστήμιο του Μονάχου. Μαζί με τον Τόμστεντ Τόμας, η Φαμπιέτι είναι επικεφαλής των δύο ερευνητικών ομάδων του ALICE από το Μόναχο.

Αυτό που αναπαράγεται στο εργαστήριο είναι πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων, το οποίο είχε σχηματισθεί ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Η ποσότητα τεχνητού πλάσματος κουάρκ-γκλουονίων παραμένει σταθερή για λιγότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Αν και αυτό το διάστημα είναι πολύ σύντομο, δίνει τη δυνατότητα στους ερευνητές να ανατρέξουν πίσω στον χρόνο, και στην εποχή όπου το σύμπαν είχε εξαιρετικά μικρή «ηλικία».

Το πείραμα ALICE φιλοδοξεί να γράψει στην προσπάθεια να διελευκάνει ένα από τα σημαντικότερα συμπαντικά μυστήρια. Σύμφωνα με το θεώρημα CPT (φορτίο, ομοτιμία, χρόνος), υπάρχει μία θεμελιώδης συμμετρία ανάμεσα στα σωματίδια και τα αντισωματίδια του σύμπαντος.

Ειδικότερα, δεν θα έπρεπε να υπάρχει διαφορά ανάμεσα στο σύμπαν μας και ένα σύμπαν όπου αντισωματίδια είχαν πάρει τη θέση όλων των σωματιδίων, και το αντίστροφο. Ωστόσο, είναι αποδεδειγμένο πως υπάρχει κάποια διαφορά, επειδή σύμφωνα με τη θεωρία της κοσμικής δημιουργίας, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη θα πρέπει να δημιουργήθηκαν ίσες ποσότητες σωματιδίων και αντισωματιδίων.

Επιπλέον, όταν σωματίδια συγκρούονται με αντισωματίδια, τότε αλληλοεξουδετερώνονται. Ωστόσο, αν και αυτό θα σήμαινε πως δεν θα έπρεπε σήμερα να υπάρχει το παραμικρό «δομικό στοιχείο» ύλης και αντιύλης, ξέρουμε πως η ύλη κατακλύζει το σύμπαν και η αντιύλη είναι σχεδόν ολοκληρωτικά απούσα. Κάτι που σημαίνει πως, στην αρχή της κοσμικής δημιουργίας, τα σωματίδια έστω και ελαφρώς υπερτερούσαν των αντισωματιδίων.

Επομένως, οι φυσικοί ψάχνουν για κάποια παραβίαση του θεωρήματος CPT, το οποίο θα μπορούσε να εξηγήσει την ασυμμετρία της ύλης με την αντιύλη. «Το πείραμα ALICE προσπαθεί να βρει ίχνη αυτής της παραβίασης, μετρώντας με υψηλή ακρίβεια τις ιδιότητες των σωματιδίων και των αντισωματιδίων που παράγονται με τις συγκρούσεις στο εσωτερικό του επιταχυντή», εξηγεί η επιστήμονας.

Στην πρόσφατη μελέτη των επιστημόνων, ερεύνησαν την αναλογία μάζας-φορτίου σε πυρήνες του ηλίου-3 και δευτέριου, όπως και των αντισωματιδίων τους. Το φορτίο και η μάζα υπολογίζονται μέσα σε έναν ανιχνευτή αερίων, ονόματι TPC (Time Projection Chamber). Το TPC είναι επομένως η «καρδιά» του πειράματος ALICE.

Τα αποτελέσματα της μελέτης, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό «Nature Physics» είναι τα ακριβέστερα που έχουν γίνει έως σήμερα και επιβεβαιώνουν το θεώρημα συμμετρία. Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν ήδη στα σκαριά βελτιώσεις στους ανιχνευτές ALICE, με σκοπό να αυξήσουν ακόμη περισσότερο την ακρίβεια των δεδομένων και να προσεγγίσουν την απάντηση.

«Αυτή τη στιγμή μπορούμε να καταγράφουμε 500 συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτο», εξηγεί η Φαμπιέτι. «Σύντομα θα ανεβάσουμε αυτό το νούμερο στις 50.000 συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτό».  

Η εγκατάσταση των νέων ανιχνευτών σχεδιάζεται για το 2018.