Επιστήμονες του CERN έλυσαν ένα μυστήριο δεκαετιών της σωματιδιακής φυσικής – Τι ανακάλυψαν
Ερευνητές από το TUM, εργαζόμενοι στο CERN, έκαναν μια πρωτοποριακή ανακάλυψη που αποκαλύπτει πώς σχηματίζονται τα δευτερόνια.
Μία ακόμη μακροχρόνια ερώτηση στην πυρηνική φυσική απαντήθηκε. Επιστήμονες που εργάζονται στο πείραμα ALICE στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, με επικεφαλής ερευνητές από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου (TUM), παρατήρησαν άμεσα πώς μερικοί από τους απλούστερους ατομικούς πυρήνες και τα αντίστοιχά αντισωματίδιά τους (αντιύλη) δημιουργούνται σε ακραίες συγκρούσεις σωματιδίων.
Αυτοί οι πυρήνες, γνωστοί ως δευτερόνια και αντιδευτερόνια, αποτελούνται ο καθένας από μόλις δύο δομικά στοιχεία, καθιστώντας τους ιδανικούς ανιχνευτές για τη μελέτη των πιο θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης.
Στην καρδιά κάθε ατομικού πυρήνα βρίσκεται η ισχυρή αλληλεπίδραση, η δύναμη που συνδέει τα πρωτόνια και τα νετρόνια μεταξύ τους. Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια που απαιτούνται για τον σχηματισμό δευτερονίων δεν υπάρχουν από την αρχή της σύγκρουσης.
Αντίθετα, αναδύονται από τη διάσπαση εξαιρετικά βραχύβιων, υψηλής ενέργειας καταστάσεων σωματιδίων (οι λεγόμενοι συντονισμοί ή resonances) και στη συνέχεια συνδυάζονται για να σχηματίσουν τους ελαφρούς πυρήνες. Η ίδια διαδικασία ισχύει και για τα σωματίδια αντιύλης. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο κορυφαίο περιοδικό Nature.
Τα πειράματα λαμβάνουν χώρα σε συγκρούσεις πρωτονίων στον LHC στο CERN, όπου οι θερμοκρασίες εκτοξεύονται στιγμιαία σε τιμές περισσότερο από 100.000 φορές θερμότερες από το κέντρο του Ήλιου. Κάτω από τέτοιες βίαιες συνθήκες, ευαίσθητα αντικείμενα όπως τα δευτερόνια και τα αντιδευτερόνια αναμενόταν να διαλυθούν σχεδόν αμέσως. Σε τελική ανάλυση, ένα δευτερόνιο αποτελείται από μόλις ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, που συγκρατούνται από μια σχετικά ασθενή δύναμη δέσμευσης.
Παρά το γεγονός αυτό, αυτοί οι ελαφροί πυρήνες έχουν παρατηρηθεί επανειλημμένα σε προηγούμενα πειράματα. Οι νέες μετρήσεις δείχνουν τώρα γιατί: περίπου το 90 τοις εκατό των παρατηρούμενων (αντι)δευτερονίων σχηματίζονται μέσω αυτής της οδού διάσπασης συντονιστικών καταστάσεων, και εμφανίζονται αργότερα, αφού οι συνθήκες αρχίσουν να ψύχονται.
Η φυσικός σωματιδίων του TUM, Καθ. Laura Fabbietti, ερευνήτρια στην Ερευνητική Ομάδα Αριστείας ORIGINS και στο SFB1258, τονίζει: «Το αποτέλεσμά μας είναι ένα σημαντικό βήμα προς μια καλύτερη κατανόηση της ‘ισχυρής αλληλεπίδρασης’ – αυτής της θεμελιώδους δύναμης που συνδέει πρωτόνια και νετρόνια μεταξύ τους στον ατομικό πυρήνα. Οι μετρήσεις δείχνουν ξεκάθαρα: οι ελαφροί πυρήνες δεν σχηματίζονται στο καυτό αρχικό στάδιο της σύγκρουσης, αλλά αργότερα, όταν οι συνθήκες έχουν γίνει κάπως πιο ψυχρές και πιο ήρεμες».
Ο Δρ. Maximilian Mahlein, ερευνητής στην Έδρα Πυκνής και Παράξενης Αδρονικής Ύλης της Fabbietti στη Σχολή Φυσικών Επιστημών του TUM, εξηγεί: «Η ανακάλυψή μας είναι σημαντική όχι μόνο για τη θεμελιώδη έρευνα πυρηνικής φυσικής. Ελαφροί ατομικοί πυρήνες σχηματίζονται επίσης στο σύμπαν – για παράδειγμα, σε αλληλεπιδράσεις κοσμικών ακτίνων. Θα μπορούσαν ακόμη και να παρέχουν ενδείξεις για τη μυστήρια ακόμη σκοτεινή ύλη. Με τα νέα μας ευρήματα, τα μοντέλα για το πώς σχηματίζονται αυτά τα σωματίδια μπορούν να βελτιωθούν, και τα κοσμικά δεδομένα να ερμηνευθούν με μεγαλύτερη αξιοπιστία».
Το CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικής Έρευνας) είναι το μεγαλύτερο ερευνητικό κέντρο στον κόσμο για τη φυσική σωματιδίων. Βρίσκεται στα σύνορα μεταξύ Ελβετίας και Γαλλίας κοντά στη Γενεύη. Το κεντρικό του στοιχείο είναι ο LHC, ένας υπόγειος δακτύλιος επιταχυντή μήκους 27 χιλιομέτρων.
Σε αυτόν, πρωτόνια συγκρούονται με ταχύτητα σχεδόν ίση με αυτή του φωτός. Αυτές οι συγκρούσεις αναδημιουργούν συνθήκες παρόμοιες με εκείνες που υπήρχαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη – θερμοκρασίες και ενέργειες που δεν εμφανίζονται πουθενά στην καθημερινή ζωή. Οι ερευνητές μπορούν έτσι να διερευνήσουν πώς δομείται η ύλη στο πιο θεμελιώδες επίπεδό της και ποιοι φυσικοί νόμοι ισχύουν εκεί.
Μεταξύ των πειραμάτων στον LHC, το ALICE (A Large Ion Collider Experiment, δηλαδή ένα πείραμα σύγκρουσης μεγάλων ιόντων) είναι ειδικά σχεδιασμένο για τη μελέτη των ιδιοτήτων της λεγόμενης ισχυρής αλληλεπίδρασης – της δύναμης που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί στους ατομικούς πυρήνες.
Το ALICE λειτουργεί σαν μια γιγάντια κάμερα, ικανή να παρακολουθεί με ακρίβεια και να ανακατασκευάζει έως και 2000 σωματίδια που δημιουργούνται σε κάθε σύγκρουση. Στόχος είναι η ανακατασκευή των συνθηκών των πρώτων κλασμάτων του δευτερολέπτου του σύμπαντος – και μέσω αυτού να κατανοήσουμε καλύτερα πώς μια σούπα από κουάρκ και γκλουόνια γέννησε για πρώτη φορά σταθερούς ατομικούς πυρήνες και τελικά την ύλη.
Η Ερευνητική Ομάδα Αριστείας (Cluster of Excellence) ORIGINS διερευνά τον σχηματισμό και την εξέλιξη του σύμπαντος και των δομών του – από γαλαξίες, αστέρια και πλανήτες μέχρι τα ίδια τα δομικά στοιχεία της ζωής.
Το ORIGINS ακολουθεί την πορεία από τα μικρότερα σωματίδια στο πρώιμο σύμπαν έως την εμφάνιση βιολογικών συστημάτων. Παραδείγματα περιλαμβάνουν την αναζήτηση συνθηκών που θα μπορούσαν να επιτρέψουν εξωγήινη ζωή και μια βαθύτερη κατανόηση της σκοτεινής ύλης.
Τον Μάιο του 2025, η δεύτερη φάση χρηματοδότησης της ομάδας, που προτάθηκε από κοινού από το TUM και το Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), εγκρίθηκε ως μέρος της άκρως ανταγωνιστικής Στρατηγικής Αριστείας των γερμανικών ομοσπονδιακών και κυβερνήσεων – κρατών.
Το Συνεργατικό Ερευνητικό Κέντρο «Νετρίνα και Σκοτεινή Ύλη στην Αστρο- και Σωματιδιακή Φυσική» (SFB 1258) εστιάζει στη θεμελιώδη φυσική, όπου η ασθενής αλληλεπίδραση, μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, βρίσκεται στο επίκεντρο.
Η τρίτη περίοδος χρηματοδότησης του SFB1258 ξεκίνησε τον Ιανουάριο του 2025.