Η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης

Η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης στο σύμπαν αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της σωματιδιακής φυσικής και κοσμολογίας. Θεωρείται ένα από τα πιο πειστικά στοιχεία για την ύπαρξη καινούργιων φαινομένων στο σύμπαν — φαινομένων που δεν έχουν παρατηρηθεί άμεσα ακόμη.

Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή.

Σε αντίθεση με τη συνηθισμένη ύλη, τα θεμελιώδη συστατικά της αντιύλης έχουν αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Για παράδειγμα, ένα άτομο υδρογόνου («ύλη») αποτελείται από ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο στον πυρήνα του, και ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα. Ένα άτομο «αντι-υδρογόνου» αποτελείται από ένα «αντι-πρωτόνιο» στον πυρήνα του και ένα «αντι-ηλεκτρόνιο» (ή «ποζιτρόνιο») που περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα του. Το αντι-πρωτόνιο είναι ένα σωματίδιο με τα ίδια χαρακτηριστικά όπως το πρωτόνιο, μόνο που έχει αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Το ίδιο ισχύει και για το αντι-ηλεκτρόνιο.

Η αντιύλη είχε προκύψει σαν έννοια μέσα από την προσπάθεια που έκανε ο Άγγλος φυσικός P. Dirac να παντρέψει τη σχετικότητα με την κβαντομηχανική το 1928. Ο Dirac προσπαθούσε να περιγράψει φαινόμενα υποατομικής κλίμακας, τα οποία περιγράφονταν μεν κβαντομηχανικά αλλά με μη αμελητέες διορθώσεις λόγω σχετικότητας.  Διαπίστωσε ότι μπορούσε να φτιάξει μία μαθηματικά συνεπή θεωρία αν για κάθε σωματίδιο της φύσης υπήρχε και ένα αντισωματίδιο. Μελετώντας την κοσμική ακτινοβολία, το 1932, ο Αμερικανός φυσικός C. Anderson ανακάλυψε το πρώτο σωματίδιο αντιύλης: το αντι-ηλεκτρόνιο. Στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν και άλλα σωματίδια αντιύλης. To 1995 στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής (CERN) κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο  για πρώτη φορά άτομα αντι-υδρογόνου. Σήμερα, αντι-σωματίδια χρησιμοποιούνται και σε πρακτικές εφαρμογές, όπως το PET (Positron Emission Tomography =  τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίου), μία εξαιρετικά χρήσιμη ιατρική εφαρμογή που χρησιμοποιεί αντι-ηλεκτρόνια.

Αντιύλη έχει παρατηρηθεί  και στο σύμπαν σαν συστατικό της κοσμικής ακτινοβολίας. Η κοσμική ακτινοβολία είναι ακτινοβολία σωματιδιακής φύσης (κυρίως πρωτόνια) που έρχεται στη Γη από το διάστημα. Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στις αρχές του 20ού αιώνα και η ακριβής προέλευσή της, κυρίως στις πιο υψηλές ενέργειες, αποτελεί ακόμη ενεργό αντικείμενο έρευνας. Η αντιύλη στην κοσμική ακτινοβολία είναι συμβατή με τη δευτερογενή παραγωγή της. Αυτό σημαίνει ότι φαίνεται να παράγεται από αντιδράσεις υψηλής ενέργειας σωματιδίων με την ύλη, διαδικασία παρόμοια με αυτή κατά την οποία παρασκευάζονται αντι-σωματίδια στο εργαστήριο σήμερα. Πρωτογενής αντιύλη στο σύμπαν είναι δυνατόν να εντοπιστεί μέσω της χαρακτηριστικής αλληλεπίδρασης μεταξύ σωματιδίων και αντισωματιδίων. Για παράδειγμα, αν ένα κομμάτι του σύμπαντος αποτελούνταν από αντιύλη, κοσμική ακτινοβολία εκπεμπομένων αντιπρωτονίων θα αντιδρούσε με τη συνηθισμένη ύλη στο δικό μας μέρος του σύμπαντος δίνοντας ένα χαρακτηριστικό φάσμα στην ακτινοβολία γ (υψηλής ενέργειας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), το οποίο και μελετούν οι αστροφυσικοί. Η μη ύπαρξη τέτοιων χαρακτηριστικών στην ακτινοβολία γ είναι μία από τις σημαντικότερες ενδείξεις για την απουσία πρωτογενούς αντιύλης στο σύμπαν.

Μέχρι το 1964 επικρατούσε η άποψη ότι ύλη και αντιύλη έχουν ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες. Τη χρονιά εκείνη οι Αμερικανοί φυσικοί James Cronin και Val Fitch, μελετώντας σπάνιες διασπάσεις σωματιδίων, ανακάλυψαν ότι η ασθενής πυρηνική δύναμη δρα διαφορετικά σε σωματίδια και σε αντι-σωματίδια. Υπάρχουν συνεπώς διαφορές μεταξύ ύλης και αντιύλης. Η παρατήρηση αυτή είναι θεμελιώδους σημασίας, όχι μόνο για τη σωματιδιακή φυσική, αλλά και για την κοσμολογία.

Η κοσμολογική σημασία της αντιύλης διαπιστώθηκε με την ανάπτυξη της Θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, που αποτελεί τη βάση για τη σύγχρονη κοσμολογία. Η Μεγάλη Έκρηξη είναι ένα κοσμολογικό μοντέλο που κατασκευάστηκε για να εξηγήσει πώς παρήχθησαν οι ελαφροί πυρήνες στη φύση (δευτέριο, τρίτιο κλπ.) σε συνδυασμό με την παρατηρούμενη διαστολή του σύμπαντος. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, το σύμπαν ήταν μια ζεστή  και πυκνή «σούπα» που σταδιακά κρύωσε και αραίωσε. Η Μεγάλη Έκρηξη ήταν μία θεωρία ανάμεσα στης άλλες μέχρι το 1964. Τη χρονιά εκείνη, μία από τις θεμελιώδης προβλέψεις αυτής της θεωρίας, η ύπαρξη μιας ακτινοβολίας υποβάθρου κατάλοιπο της εποχής κατά το οποίο το σύμπαν ήταν πολύ πιο θερμό, επιβεβαιώθηκε τυχαία από τους Penzias και Wilson. Έκτοτε, παρατηρησιακές μετρήσεις την έχουν αναγάγει σε μία από τις πιο επιτυχημένες θεωρίες της σύγχρονης Φυσικής.

Από τα παρατηρησιακά δεδομένα που έχουν συλλεχθεί μέχρι στιγμής γνωρίζουμε ότι στην κοσμική σούπα που υπήρχε στο πρώιμο σύμπαν υπήρχαν παρόμοιες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Καθώς το σύμπαν κρύωνε, η αντιύλη αντέδρασε με την ύλη και παρήγαγε ακτινοβολία. Ωστόσο, εξαιτίας των μικρών διαφορών μεταξύ σωματιδίων και αντι-σωματιδίων, στο τέλος αυτής της διαδικασίας έμεινε πολύ περισσότερη ύλη παρά αντιύλη. Για τον λόγο αυτό το σύμπαν σήμερα αποτελείται κυρίως από ύλη, ενώ η αντιύλη απαντά σε πολύ μικρές ποσότητες, που ανάγονται σε δευτερογενή παραγωγή της σε υψηλοενεργειακές διαδιδασίες στο σημερινό σύμπαν. Η διαφορά αυτή αναφέρεται σαν ασυμμετρία ύλης-αντιύλης.

Παρότι είμαστε σίγουροι για το ότι η διαδικασία που περιγράψαμε στην προηγούμενη παράγραφο πράγματι συνέβη, δεν γνωρίζουμε τι είδους διαφορά μεταξύ σωματιδίων και αντισωματιδίων προκάλεσε την ασυμμετρία αυτή. Οι μετρήσεις των Cronin και Fitch έδειξαν διαφορές που είναι πάρα πολύ μικρές για να εξηγήσουν πώς προέκυψε μία τόσο μεγάλη ασυμμετρία. Από τη δεκαετία του ’80 ξεκίνησε μια πιο συστηματική προσπάθεια για να βρεθούν τέτοιου είδους διαφορές. Η προσπάθεια αυτή οδήγησε σε ανακαλύψεις φαινομένων με διαφορετική συμπεριφορά μεταξύ σωματιδίων και αντισωματιδίων. Ωστόσο, τα φαινόμενα που έχουν ανακαλυφθεί δεν φαίνεται να είναι τόσο ισχυρά όσο απαιτεί το μέγεθος της παρατηρούμενης ασυμμετρίας. Ως εκ τούτου, πιστεύεται ότι υπάρχουν φαινόμενα που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμα και τα οποία δημιούργησαν την ασυμμετρία.

Υπάρχουν αρκετές υποθέσεις για τη φύση των διαδικασιών που δημιούργησαν στην ασυμμετρία ύλης-αντιύλης. Είναι πιθανό να σχετίζεται με τη φυσική των νετρίνων, υποατομικών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μόνο με την ασθενή πυρηνική δύναμη. Μπορεί να σχετίζεται επίσης και με το σωματίδιο Higgs, που ανακαλύφθηκε το 2012 στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN. Σε κάθε περίπτωση, τα διάφορα ενδεχόμενα μελετούνται διεξοδικά — και τελικά θα μάθουμε αν κάποιες από τις υποθέσεις μας είναι σωστές, ή αν τελικά η Φύση αποδειχθεί περισσότερο έξυπνη από εμάς.

[ Συν-συγγραφέας του παρόντος άρθρου είναι ο Νίκος Ρομποτής, Λέκτορας στο Πανεπιστήμιο του Liverpool ].

[ Εικονογράφηση: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research),The University of Tokyo ].