Την 31η Μαΐου 2010 ένα ανακοινωθέν από το Εθνικό Εργαστήριο Ανίχνευσης Νετρίνων Gran Sasso της Ιταλίας προκάλεσε ρίγη συγκίνησης στη διεθνή κοινότητα των φυσικών: Για πρώτη φορά στα παγκόσμια πειραματικά χρονικά ένα νετρίνο συνελήφθη να αλλάζει «γεύση»! Λίγο μετά, κατά τη διάρκεια του διεθνούς συνεδρίου «Νeutrino 2010- ΧΧΧΙV Ιnternational Conference in Νeutrino Ρhysics and Αstrophysics» που έλαβε χώρα στο Μέγαρο Μουσικής Αθηνών μεταξύ 13-19 Ιουνίου, ανακοινώθηκε από το πείραμα ΜΙΝΟS των ΗΠΑ ότι μια διαταραχή στην ταλάντωση των νετρίνων ενόσω ταξιδεύουν μέσα από τη Γη ενδεχομένως δείχνει αλληλεπίδρασή τους με τα πετρώματά της!
Οι μη φυσικοί εξ ημών θα αναρωτηθούμε ίσως τι είναι αυτά τα νετρίνα… Μήπως τα ουδετερόνια, που μας έλεγαν στο γυμνάσιο ότι εμπεριέχονται στον πυρήνα των ατόμων; Αλλά όχι, εκείνα τα λέμε νετρόνια (neutrons). Τα νετρίνα (neutrinos) είναι κάτι ξαδελφάκια των ηλεκτρονίων, που υποτίθεται ότι δεν έχουν ούτε φορτίο ούτε μάζα- άρα… φαντάσματα. Τότε γιατί μας νοιάζουν;
«Αγγελιαφόροι» του Βig Βang
Ο πιο απλός λόγος που νοιαζόμαστε είναι διότι τα νετρίνα είναι οι πρεσβευτές που φθάνουν ως εμάς από την εικαζόμενη απαρχή του σύμπαντος κόσμου- την περίφημη Μεγάλη Εκρηξη (Βig Βang). Οντας δημιουργήματα της γενεσιουργού πυρηνικής σύντηξης, ταξιδεύουν έκτοτε στο Σύμπαν και- από την καταγραφή τους στο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων, το γνωστό πείραμα CΟΒΕ- μπορέσαμε να «φωτογραφίσουμε» το Σύμπαν στη νηπιακή του ηλικία. Ενας δεύτερος λόγος είναι ότι από την ανίχνευση νετρίνων που εκλύονται κατά την κατάρρευση αστέρων μπορούμε να μάθουμε δευτερογενώς πολλά για τον μηχανισμό θανάτου-αναγέννησης στη φύση. Και ένας τρίτος είναι ότι μέσω της μελέτης των νετρίνων που εκλύονται από την πυρηνική σύντηξη στον ήλιο μας ίσως μάθουμε επιτέλους πώς «δουλεύει» αυτή η πηγή ζωής του πλανήτη μας και φθάσουμε σε σημείο να προβλέπουμε τη συμπεριφορά του. Κατά τα λοιπά… μπορούμε να συνεχίσουμε να ζούμε χωρίς την έγνοια τους. Ετσι κι αλλιώς, γύρω στο 1 τρισεκατομμύριο νετρίνα διαπερνούν το σώμα του καθενός μας ανά δευτερόλεπτο, χωρίς να νιώθουμε τίποτε! Ο,τι δεν μας πειράζει, γιατί να το «πειράζουμε»;
Αυτή είναι μια καθησυχαστική αντίληψη των πραγμάτων για τον μέσο νου, αλλά υπάρχει και μια άλλη που διαταράσσει σφόδρα τη νιρβάνα του: Το Διαδίκτυο σφύζει από θεωρίες για το τι επιπτώσεις μπορεί να έχουν η «αλλαγή γεύσης» των νετρίνων στον πλανήτη μας και η αλληλεπίδραση με τα πετρώματά του. Η πιο δραματική οπτικοποίηση αυτών των θεωριών έγινε στην πρόσφατη ταινία «2012», όπου η αναμενόμενη νέα εκκίνηση κύκλου κηλίδων στον Ηλιο θα έφερνε καταιγίδα νετρίνων στη Γη, που αυτή τη φορά θα μεταλλάσσονταν, θα συμπεριφέρονταν ως μικροκύματα και θα υπερθέρμαιναν τον πυρήνα της, με επακόλουθο την αντιστροφή των μαγνητικών πόλων της, τον κατακλυσμό… την επαλήθευση των Μάγιας, του Νοστράδαμου και της Αποκάλυψης… αλληλούια!
Οπότε σκόπιμο είναι να ξεδιαλύνουμε μια για πάντα το τι τρέχει με αυτά τα φαντάσματα και αν η «αλλαγή γεύσης τους» επιφέρει και αλλαγή πλεύσης της μοίρας μας.
Σωματίδια και Δυνάμεις
Το τι ακριβώς σήμαινε η ανακοίνωση της 31ης Μαΐου μάς εξήγησε ο αναπληρωτής καθηγητής Φυσικής στο ΕΜΠ και συντονιστής της Ελληνικής Ομάδας Εκλαΐκευσης, κ. Νικόλαος Τράκας, ως εξής:
Τα τελευταία 30-35 χρόνια η κατανόησή μας για την έσχατη δομή της ύλης περιγράφεται από το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Μodel), στο οποίο διακρίνουμε:
1. Τα σωματίδια ύλης:
6 κουάρκ: u (up, άνω), d (down, κάτω), c (charm, χαριτωμένο), s (strange, παράξενο), t (top, υψηλό) και b (bottom, χαμηλό) και 6 λεπτόνια: e (ηλεκτρόνιο), μ (μιόνιο), τ (ταυ), νe (νετρίνο ηλεκτρονίου), νμ (νετρίνο μιονίου) και ντ (νετρίνο ταυ).
2.Τις 3 δυνάμεις/ αλληλεπιδράσεις: την ηλεκτρομαγνητική, την ασθενή (πυρηνική) και την ισχυρή (πυρηνική). Οι αλληλεπιδράσεις αυτές επενεργούν πάνω στα σωματίδια ύλης μέσω ανταλλαγής του αντίστοιχου σωματιδίου/ φορέα: ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης είναι το φωτόνιο. Φορείς της ασθενούς είναι τα τρία σωματίδια W+, W- και Ζ0 και, τέλος, της ισχυρής είναι οκτώ σωματίδια με το γενικό όνομα γκλουόνια. (Η τέταρτη θεμελιώδης αλληλεπίδραση, η βαρύτητα, δεν συμπεριλαμβάνεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο.)
Ζευγάρια ύλης και ταλάντωση
Επειδή τα νετρίνα «αισθάνονται» μόνο την ασθενή αλληλεπίδραση, θα περιοριστούμε σε αυτήν. Ως προς αυτήν την αλληλεπίδραση τα 6 κουάρκ και τα 6 λεπτόνια κατατάσσονται σε ζευγάρια. Τρία ζευγάρια κουάρκ: (u, d), (c, s), (t, b) και τρία ζευγάρια λεπτονίων: (νe, e), (νμ, μ) και (ντ, τ). Η ασθενής αλληλεπίδραση μετατρέπει το ένα μέλος των παραπάνω 6 ζευγαριών στο άλλο μέλος του ίδιου ζευγαριού. Για παράδειγμα, το u μετατρέπεται σε d, το c σε s ή το νe σε e (ή και το ανάποδο). Το «κακό» ήταν ότι από πολύ νωρίς είχαν παρατηρηθεί (βέβαια με πολύ μικρή πιθανότητα) και μετατροπές που «έμπλεκαν» τα ζευγάρια των κουάρκ: για παράδειγμα, το u μετατρεπόταν σε s. Στη γλώσσα της κβαντομηχανικής (δηλαδή τη φυσικής που διέπει τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων) αυτό μπορεί να περιγραφεί λέγοντας ότι η φυσική κατάσταση του δεύτερου κουάρκ κάθε ζευγαριού είναι μείγμα και των τριών κουάρκ: d, s και b. Στα λεπτόνια, η πειραματικά επιβεβαιωμένη ως πρόσφατα παραδοχή ότι τα νετρίνα νe, νμ, και ντ δεν είχαν μάζα απέτρεπε αυτό το μπέρδεμα μεταξύ των ζευγαριών.
Ολα πήγαιναν καλά ώσπου (στη δεκαετία του 1960) άρχισαν να παρατηρούνται «παράξενα» φαινόμενα με τα νετρίνα. Ενώ, βάσει ενός καλά επιβεβαιωμένου προτύπου «λειτουργίας» του Ηλιου μας, περιμέναμε να παρατηρήσουμε έναν ορισμένο αριθμό νετρίνων νe να εκπέμπονται από τον Ηλιο, ο αριθμός που παρατηρήθηκε ήταν σημαντικά μικρότερος. Πού «χάθηκαν» τα υπόλοιπα νετρίνα; Εδώ θα πρέπει να σημειώσουμε ότι ήδη από το 1957 ο Βruno Ρontecorvo είχε μιλήσει για την περίπτωση «ταλάντωσης» μεταξύ των διαφορετικών τύπων νετρίνου (το 1969 δημοσιεύθηκε το περίφημο σχετικό άρθρο από τους Gribov και Ρontecorvo). Τι ακριβώς προβλέπει το φαινόμενο της ταλάντωσης των νετρίνων; Αν τα νετρίνα έχουν μάζα, τότε, ανάλογα με τα κουάρκ, θα πρέπει να παρουσιάζεται μείξη μεταξύ των νετρίνων των διαφορετικών ζευγαριών. Ετσι μια φυσική κατάσταση νετρίνου μπορεί να περιέχει διαφορετικά ποσοστά από κάθε ένα από τα τρία νετρίνα. Αυτή η ποσόστωση μεταβάλλεται με τον χρόνο, οπότε μια κατάσταση μπορεί, για παράδειγμα, να ξεκινήσει αμιγώς ως νe και κατά τη μεγάλη διαδρομή που κάνουν τα νετρίνα προτού αλληλεπιδράσουν με την ύλη να αλλάξουν σε μια κατάσταση αμιγώς ντ. Πολλά πειράματα ως σήμερα επιβεβαίωσαν το πρόβλημα «έλλειψης» κάποιου συγκεκριμένου είδους από τα νετρίνα, αλλά κανένα πείραμα δεν είχε επιβεβαιώσει την εμφάνιση ενός είδους νετρίνου διαφορετικού από αυτό που αναμενόταν.
Το πείραμα της ΟΡΕRΑ
Τι ακριβώς το καινούργιο εμφανίστηκε τώρα; Υστερα από επτά χρόνια προετοιμασίας, το 2006 το πείραμα ΟΡΕRΑ στο Εθνικό Ιταλικό Εργαστήριο του Gran Sasso (120 χλμ. από τη Ρώμη) άρχισε να δέχεται δέσμη μιονικών νετρίνων, νμ, από το CΕRΝ, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής, έξω από τη Γενεύη. Επειτα από ένα ταξίδι 732 χλμ.- σε ευθεία γραμμή, μέσα από τον φλοιό της Γης και σε χρόνο 2,4 χιλιοστών του δευτερολέπτου- τα νμ φθάνουν στο Ιταλικό Εργαστήριο. Αν το νετρίνο αλλάξει από νμ σε ντ, και το το ντ αλληλεπιδράσει με την ύλη, το πείραμα ΟΡΕRΑ θα παρατηρούσε ένα λεπτόνιο τ. Αυτό ακριβώς έγινε, η παρατήρηση του λεπτονίου τ είναι γεγονός! Τα τρία χρόνια που πέρασαν για την παρατήρηση του πρώτου τ δείχνουν ακριβώς τόσο την πολύ μικρή πιθανότητα αλληλεπίδρασης του νετρίνου όσο και τη δυσκολία του πειράματος.
Ποιος είναι ο αντίκτυπος αυτού του γεγονότος; Κατ΄ αρχάς η επιβεβαίωση ότι τα νετρίνα έχουν μάζα, έστω και πολύ μικρή σε σχέση με τις μάζες των άλλων στοιχειωδών σωματιδίων, γιατί, όπως προαναφέρθηκε, η «ταλάντωση» μεταξύ των διαφορετικών τύπων νετρίνων είναι δυνατή μόνον αν αυτά έχουν μάζα. Αυτό σημαίνει ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο χρειάζεται κάποιου είδους «ρετουσάρισμα». Ο δεύτερος σημαντικός αντίκτυπος είναι ότι η αφθονία των νετρίνων στο Σύμπαν, σε συνδυασμό με τη μη μηδενική μάζα τους, συμβάλλει στην κατανόηση της λεγόμενης «σκοτεινής ύλης» του Σύμπαντος, δηλαδή ύλης που δεν ακτινοβολεί και, επομένως, μη άμεσα παρατηρήσιμης, αλλά που η ύπαρξή της τεκμαίρεται από έμμεσες παρατηρήσεις (για παράδειγμα, την κίνηση αστέρων γύρω από τα κέντρα των γαλαξιών). Η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται ότι καλύπτει το 25% της ύλης του Σύμπαντος, ενώ η συνηθισμένη ύλη καλύπτει το 4%. Το τεράστιο υπόλοιπο ποσοστό θεωρείται ότι αποτελεί τη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια.
ΥΓ.: Οσοι γνωρίζουν αγγλικά μπορούν να διαβάσουν μια εξαιρετικά κατατοπιστική περιήγηση στον κόσμο των νετρίνων στην ιστοσελίδα http://www.ps.uci.
edu/~superk/neutrino.html Επίσης, για μια απολαυστική ανάγνωση του ιστορικού εξιχνίασης των νετρίνων, διαβάστε το άρτι εκδοθέν βιβλίο «Ο άνθρωπος νετρίνο», που παρουσιάζουμε στη σελίδα 11.
