Η Βαρύτητα Αντιμετωπίζει Όλους Ίσα;
Φαντάσου να αφήνεις μια μπάλα του μπόουλινγκ και μια φτερό να πέσουν ταυτόχρονα. Στο κενό, θα φτάσουν στο έδαφος ακριβώς την ίδια στιγμή. Ο Γαλιλαίος το κατάλαβε πριν από αιώνες. Ο Αϊνστάιν το έκανε θεμέλιο ολόκληρης της θεωρίας της βαρύτητας. Το ονόμασε αρχή ισοδυναμίας. Είναι η ραχοκοκαλιά του σύμπαντος.
Μέχρι σήμερα όμως; Την έχουμε δοκιμάσει μόνο με τα "συνηθισμένα" σωματίδια. Πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια. Τα υλικά του κόσμου που βλέπουμε και αγγίζουμε.
Τι γίνεται με τους βαρείς συγγενείς τους;
Αυτό ακριβώς θέλουν να μάθουν ερευνητές από το ETH Zurich και το Ινστιτούτο Paul Scherrer στην Ελβετία. Και για να το κάνουν, χρησιμοποιούν ένα από τα πιο παράξενα σωματίδια του σύμπαντος.
Γνώρισε το Μιόνιο
Το μιόνιο είναι σαν τον υπέρβαρο ξάδερφο του ηλεκτρονίου. Ίδιο σε όλα, αλλά 200 φορές βαρύτερο. Και εδώ αρχίζει το ενδιαφέρον: οι φυσικοί δεν έχουν ιδέα γιατί υπάρχουν αυτές οι βαρύτερες "γενιές" σωματιδίων.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο — η καλύτερη θεωρία μας — περιγράφει τρεις γενιές ύλης. Πρώτη γενιά: τα γνωστά πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια. Δεύτερη γενιά: μιόνια και οι φίλοι τους. Τρίτη γενιά: ακόμα βαρύτερα πράγματα που λέγονται ταυ.
"Γιατί έχουμε αυτές τις επιπλέον γενιές; Και γιατί ακριβώς τρεις;"
Εξαιρετική ερώτηση. Δεν ξέρουμε. Και αυτή η απορία οδήγησε την ομάδα σε μια σκέψη: μήπως τα βαρύτερα σωματίδια δεν αντιδρούν στη βαρύτητα με τον ίδιο τρόπο;
Το Πρόβλημα με τα Μιόνια
Θέλεις να ελέγξεις αν τα μιόνια πέφτουν με την ίδια ταχύτητα με τα ηλεκτρόνια; Εύκολο, σωστά; Απλώς άφησέ τα να πέσουν.
Αν μόνο ήταν τόσο απλό.
Πρόβλημα νούμερο ένα: τα μιόνια είναι μοναχικά. Ζουν μόλις 2,2 μικροδευτερόλεπτα πριν διασπαστούν σε άλλα σωματίδια. Δηλαδή 0,0000022 δευτερόλεπτα. Δεν μπορείς να κάνεις πειράματα πτώσης με κάτι που εξαφανίζεται τόσο γρήγορα.
Πρόβλημα νούμερο δύο: αν χρησιμοποιούσες φορτισμένο μιόνιο, τυχόν ηλεκτρομαγνητικά πεδία θα "πνίγαν" την ασθενή βαρυτική έλξη. Η βαρύτητα είναι αδύναμη δύναμη. Χάνεται εύκολα μέσα σε άλλες.
Η λύση; Δημιούργησε μιονίουμ.
Φτιάχνοντας το Πιο Παράξενο Άτομο
Μιονίουμ ακούγεται σαν τίτλος επιστημονικής φαντασίας, αλλά υπάρχει. Πάρε ένα θετικά φορτισμένο αντιμιόνιο και συνδύασέ το με ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο. Τι παίρνεις;
Ένα ουδέτερο άτομο που είναι υβρίδιο ύλης και αντιύλης.
Ουδέτερο σημαίνει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία δεν θα επηρεάσουν τη μέτρηση της βαρύτητας. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για παρατηρήσεις.
Αλλά υπάρχει ακόμα το πρόβλημα της ταχύτητας. Οι παραδοσιακές μέθοδοι δημιουργούσαν μιονίουμ που κινούνταν τυχαία σε όλες τις κατευθύνσεις. Άχρηστο για ακριβείς μετρήσεις.
Η λύση ήρθε με το "ψυχρό" μιονίουμ: άτομα που κινούνται σχεδόν με την ίδια ταχύτητα και κατεύθυνση. Αυτό κάνει το πείραμα εφικτό.
Πυροβολώντας Άτομα με Πυροβόλο Ατόμων
Εδώ γίνεται πραγματικά ενδιαφέρον. Για να δημιουργήσουν αυτή τη δέσμη ψυχρού μιονίου, η ομάδα χρησιμοποιεί υπέρρευστο ήλιο σε θερμοκρασία λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Δηλαδή μείον 273 βαθμούς Κελσίου.
Το υπέρρευστο ήλιο είναι ένα κβαντικό υγρό όπου τα άτομα χάνουν την ατομική τους ταυτότητα και το υγρό γίνεται τελείως αβαρές. Δεν ανέχεται ακαθαρσίες. Είναι η ντίβα των υγρών.
Όταν τα αντιμιόνια από τον επιταχυντή του PSI μπαίνουν σε αυτό το ήλιο, επιβραδύνονται. Όταν ένα αντιμιόνιο "αρπάξει" ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και γίνει μιονίουμ, συμβαίνει κάτι μαγικό: το χημικό δυναμικό μέσα στο υγρό δρα σαν μικροσκοπικός πύραυλος και εκτοξεύει το νέο άτομο προς τα πάνω.
Ο επικεφαλής της έρευνας Jesse Zhang το περιγράφει υπέροχα: "Χρησιμοποιούμε το χημικό δυναμικό σαν ατομικό πυροβόλο."
Το λατρεύω. Πυροβόλο ατόμων μέσα από κβαντικό υγρό για να ελέγξουμε τον Αϊνστάιν. Η επιστήμη είναι φοβερή.
Τι Ακολουθεί;
Η ομάδα κατασκευάζει τώρα ένα παρεμβολόμετρο. Είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί τα κυματικά χαρακτηριστικά των ατόμων για να μετρήσει απίστευτα μικρές επιδράσεις. Όταν τα άτομα μιονίου ανεβοκατεβαίνουν λόγω της βαρύτητας της Γης, το παρεμβολόμετρο θα ανιχνεύσει τυχόν λεπτές αλλαγές στα κυματικά τους μοτίβα.
Αν ο Αϊνστάιν είχε δίκιο και η αρχή ισοδυναμίας ισχύει και για τα σωματίδια δεύτερης γενιάς, το μιονίουμ θα συμπεριφερθεί ακριβώς όπως η συνηθισμένη ύλη.
Αλλά αν υπάρχει η παραμικρή απόκλιση; Τότε μιλάμε για βραβείο Νόμπελ. Για ολοσχερή αναγραφή των βιβλίων φυσικής.
Ειλικρινά, ελπίζω να βρουν κάτι. Όχι επειδή θέλω τον Αϊνστάιν να κάνει λάθος. Αλλά επειδή εδώ και αιώνες ελέγχουμε την αρχή ισοδυναμίας με τα ίδια είδη ύλης. Είναι καιρός να δοκιμάσουμε νέα πράγματα. Είναι καιρός να δούμε αν το σύμπαν παίζει δίκαια με όλα τα σωματίδια του ή μόνο με αυτά που ξέρουμε.
Το πείραμα μπορεί τελικά να μας αποκαλύψει γιατί η φύση δημιούργησε πολλαπλές γενιές ύλης. Αυτό είναι τεράστιο για ένα σωματίδιο που ζει μόλις 2,2 μικροδευτερόλεπτα.
Μερικές φορές τα πιο βραχρύβια πράγματα μας διδάσκουν τα πιο βαθιά μαθήματα.
Πηγή: ScienceDaily