Οι «μεταμορφώσεις» των νετρίνων κλονίζουν τα θεμέλια της Φυσικής - Σπύρος Μανουσέλης

Πριν από λίγες μέρες, στις 22.05.2018, μια διεθνής ομάδα φυσικών που συνεργάζονται στο πλαίσιο ενός πολυετούς ερευνητικού προγράμματος του CERN έκανε μια εντυπωσιακή ανακοίνωση που αναστάτωσε τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Βασιζόμενοι σε μια σειρά από πειράματα που εστιάζουν στη φύση και τη συμπεριφορά των νετρίνων, των πιο αινιγματικών σωματιδίων που υπάρχουν στο Σύμπαν, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι πρέπει να θεωρείται πλέον βέβαιο πως τα νετρίνα όχι μόνο έχο

υν μάζα αλλά μπορούν και να αλλάζουν, γεγονός που δεν συνάδει με ό,τι πίστευαν, μέχρι πρόσφατα, οι φυσικοί βασιζόμενοι στο καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. 

Ισως αυτό να ακούγεται ως μια ασήμαντη λεπτομέρεια στον ήδη αρκετά περίπλοκο κόσμο της σωματιδιακής φυσικής. Ομως, όπως θα δούμε, οι συνέπειες αυτών των πειραμάτων, που περιγράφονται με το ακρωνύμιο OPERA, είναι ανατρεπτικές και κάποιοι φυσικοί μιλούν ήδη για την αυγή μιας... νέας Φυσικής. 

Το πρόγραμμα «OPERA» είναι ένα πολυετές διεθνές πείραμα που πραγματοποιείται στην Ευρώπη και το οποίο συνίσταται στην εκπομπή μιας πυκνής δέσμης νετρίνων, η οποία παράγεται από τον πανίσχυρο επιταχυντή του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών (CERN, φωτ. 1), που βρίσκεται στα σύνορα της Ελβετίας με τη Γαλλία. 

Αφού διασχίσει μια απόσταση 732 χιλιομέτρων μέσα από την οροσειρά των Αλπεων, η δέσμη νετρίνων φτάνει, μέσα σε 2,4 χιλιοστά του δευτερολέπτου, στο Ιταλικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής (INFN, φωτ. 2) στο Γκραν Σάσο της Ιταλίας, όπου βρίσκεται ένας τεράστιων διαστάσεων και πολύ ευαίσθητος ανιχνευτής νετρίνων. 

Στην Ιταλία υπάρχει δηλαδή μια γιγάντια «φωτογραφική μηχανή» που ονομάζεται «OPERA-1», ζυγίζει 3.000 τόνους και είναι ειδικά κατασκευασμένη ώστε να «απαθανατίζει» όλα τα νετρίνα που φτάνουν σε αυτήν από το CERN. 

Μελετώντας τη συμπεριφορά των νετρίνων, των πιο ακριβοθώρητων και φευγαλέων συστατικών της ύλης, οι επιστήμονες του προγράμματος «OPERA» διαπίστωσαν έκπληκτοι ότι αυτά τα σωματίδια όχι απλώς διαθέτουν κάποια μάζα (την οποία και υπολόγισαν), αλλά επιπλέον μπορούν και να «μεταμορφώνονται» αυθόρμητα.

Τα νετρίνα πάνε... OPERA

Πράγματι, ενώ από τον επιταχυντή του CERN παράγονται και εκπέμπονται μόνο μιονικά νετρίνα τα οποία, έχοντας διανύσει ένα μέρος της διαδρομής προς την Ιταλία, εντελώς απρόσμενα υφίστανται μια «ταλάντωση», δηλαδή κατά κάποιο τρόπο «μεταμορφώνονται» ή, όπως λένε οι κβαντικοί φυσικοί, αλλάζουν «γεύση» ή «άρωμα» και από μιονικά νετρίνα μετατρέπονται σε νετρίνα-ταυ! 

Οπως διευκρινίζουν οι ερευνητές σε σχετικό άρθρο που μόλις δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Physical Review Letters», από τα δισεκατομμύρια νετρίνα που καταλήγουν στον ανιχνευτή OPERA στην Ιταλία, μόνο ελάχιστα από αυτά αλλάζουν «γεύση» (από τα μιονικά σε ταυ-νετρίνα), ενώ τα περισσότερα διατηρούν την αρχική τους ταυτότητα. Το ίδιο ακριβώς γνωρίζουμε ότι συμβαίνει με τα απείρως περισσότερα νετρίνα που παράγονται από τον Ηλιο και σε ελάχιστο χρόνο διατρέχουν όλο το ηλιακό μας σύστημα. 

Τι όμως σημαίνει αυτό το επαρκώς τεκμηριωμένο γεγονός; Πολύ απλά ότι, εφόσον αυτά τα σωματίδια μπορούν, κατά τη διαδρομή τους, να υποστούν «ταλαντώσεις» και να παραλλάσσουν, τότε πρέπει οπωσδήποτε να διαθέτουν κάποια ελάχιστη –αλλά διόλου αμελητέα– μάζα. Συνεπώς, οφείλουμε να αναθεωρήσουμε την πειραματικά διαψευσμένη άποψη του «καθιερωμένου προτύπου» για τα νετρίνα, η οποία αυθαίρετα επέβαλε σε αυτά τα σωματίδια να μην έχουν μάζα και να μη μεταμορφώνονται ποτέ. 

Από την άλλη, η επιβεβαίωση του γεγονότος ότι τα αινιγματικά νετρίνα μπορούν όντως να υφίστανται τέτοιες κβαντικές ταλαντώσεις και να παραλλάσσουν τη μορφή τους όπως οι χαμαιλέοντες, γέννησε σε μερικούς θεωρητικούς φυσικούς την ελπίδα ότι αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να είναι οι ιδανικοί υποψήφιοι για να γεμίσουν το κενό της λεγόμενης «σκοτεινής ύλης», της αόρατης και εντελώς ανεξήγητης μορφής ύλης που όπως φαίνεται αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής ύλης του σύμπαντος. 

Μια ελπίδα που πολύ γρήγορα διαψεύσθηκε ύστερα από πιο νηφάλιους και ακριβείς υπολογισμούς: η συνολική μάζα όλων των νετρίνων, μολονότι είναι αρκετά μεγάλη, δεν επαρκεί για να καλύψει το τεράστιο έλλειμμα ύλης που δημιουργεί η σκοτεινή ύλη. 

Παρ’ όλα αυτά, όπως αποκάλυψαν οι πρόσφατες έρευνες, τα νετρίνα είναι όντως τα πιο μικρά σε μάζα και άρα τα πιο φευγαλέα και ακριβοθώρητα στοιχειώδη σωματίδια, ταυτόχρονα όμως είναι και τα πιο πολυάριθμα σωματίδια στο Σύμπαν μετά τα φωτόνια, τα επίσης αόρατα σωματίδια που μεταφέρουν το φως. 

Παρά το γεγονός, λοιπόν, ότι τα νετρίνα αλληλεπιδρούν σπανίως με τη γνωστή μας ύλη, ο συνολικός αριθμός τους είναι τόσο μεγάλος ώστε αποκλείεται να μην έχουν επηρεάσει και να μην επηρεάζουν σημαντικά τη συνολική δομή και κυρίως την εξέλιξη του Σύμπαντος. 

Για να κατανοήσουμε πόσο ακριβοθώρητα και «αγοραφοβικά» είναι τα νετρίνα, αρκεί να αναφέρουμε ότι στο πρόγραμμα OPERA, η πρώτη πειραματικά επιβεβαιωμένη ταλάντωση, δηλαδή μεταμόρφωση ενός μόνο από τα δισεκατομμύρια μιονικά νετρίνα σε νετρίνο-ταυ καταγράφεται από τον ανιχνευτή το 2010, ενώ ανάμεσα στο 2012 και το 2015 καταγράφονται άλλες τέσσερις ταλαντώσεις. 

Κατόπιν, χάρη σε μια νέα πιο ισχυρή τεχνική ανάλυσης του συνόλου των δεδομένων που συλλέχθηκαν από το 2008 έως το 2012 οι ειδικοί κατάφεραν να αποκαλύψουν συνολικά μόνο 10 τέτοιες ταλαντώσεις νετρίνων! 

Ενας πραγματικά μικρός αριθμός καταγεγραμμένων μεταμορφώσεων που, εντούτοις, για τη μικροφυσική θεωρείται απολύτως επαρκής (στατιστικά) ως επιβεβαίωση αυτών των σπάνιων αλλά υπαρκτών συμβατών. 

«Είναι πολύ ικανοποιητικό το να βλέπει κάνεις, σήμερα, ότι αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα υπερβαίνουν κατά πολύ το στατιστικό όριο επιτυχίας που προβλέπαμε και είχαμε θέσει όταν ξεκινήσαμε αυτό το νεο πείραμα» όπως δήλωσε φανερά ικανοποιημένος ο καθηγητής Τζοβάνι Ντε Λέλις (G. De Lellis), υπεύθυνος συντονισμού του πειράματος «OPERA».

Εκτός προτύπου

Το εύλογο ερώτημα που προκύπτει από αυτά τα πειράματα είναι αν το «καθιερωμένο πρότυπο» (standard model) της σύγχρονης μικροφυσικής είναι σε θέση να περιγράφει και να προβλέπει με ακρίβεια τα θεμελιώδη συστατικά του φυσικού κόσμου. 

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα δεν είναι καθόλου εύκολη, δεδομένου ότι στις περισσότερες προβλέψεις το πρότυπο αυτό έχει αποδειχτεί εξαιρετικά ακριβές και παραγωγικό. 

Στην περίπτωση, όμως, των νετρίνων απέτυχε παταγωδώς, υπενθυμίζοντας στους φυσικούς ότι, παρά την εντυπωσιακή πρόοδο των γνώσεών τους –ή μάλλον εξαιτίας της συνεχούς βελτίωσης αυτών των γνώσεων– πρέπει να αποδεχτούν το γεγονός ότι, σήμερα, κατανοούν επαρκώς μόνο ένα μικρό μέρος από τις θεμελιώδεις δομές και τις διεργασίες του φυσικού κόσμου. 

Ενα απτό παράδειγμα αυτής της (εγγενούς;) ανεπάρκειας ακόμη και των πιο επιτυχημένων φυσικών μοντέλων μας προσφέρει η πρόσφατη πειραματική διάψευση δύο σημαντικών προβλέψεων του καθιερωμένου προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο θεωρούσε δεδομένο ότι τα νετρίνα δεν έχουν καθόλου μάζα και άρα δεν μπορούν να «μεταμορφώνονται», να μετατρέπονται δηλαδή από έναν σε άλλο τύπο νετρίνων. 

Αναλύοντας, ωστόσο, με μια νέα τεχνική ανάλυσης τα πειραματικά δεδομένα που είχαν καταγραφεί από το 2008 έως το 2012, οι ερευνητές του προγράμματος «OPERA» διαπίστωσαν ότι δεν ισχύει καμία από τις παραπάνω προβλέψεις, γεγονός που θέτει σε αμφισβήτηση την αξιοπιστία του καθιερωμένου προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, τουλάχιστον σε ό,τι αφορά τα νετρίνα. 

Για να κατανοήσουμε τη σημασία και τις συνέπειες αυτής της ανακάλυψης πρέπει να περιγράψουμε, πολύ συνοπτικά, τι υποστηρίζει το κυρίαρχο και, κατά τα άλλα, ιδιαίτερα επιτυχημένο πρότυπο. 

Οταν, στα μέσα του 20ού αιώνα, οι φυσικοί άρχισαν να χρησιμοποιούν τους πρώτους επιταχυντές σωματιδίων, διαπίστωσαν ότι οι πυρήνες όλων των ατόμων προκύπτουν από την ένωση ενός μεγάλου αριθμού διαφορετικών υποατομικών σωματιδίων. 

Μόλις συνήλθαν από αυτό το πρώτο σοκ, προσπάθησαν να βάλουν κάποια τάξη στον φαινομενικά ατελείωτο αριθμό «στοιχειωδών» σωματιδίων. Και τα κατάφεραν! 

Ετσι, σήμερα, γνωρίζουμε ότι κάθε υλικό σώμα στο Σύμπαν προκύπτει από την αλληλεπίδραση δύο μόνο οικογενειών στοιχειωδών σωματιδίων: των αδρονίων και των λεπτονίων. 

Για παράδειγμα, τα νουκλεόνια, δηλαδή το καθένα από τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συγκροτούν τον πυρήνα του ατόμου, αποτελείται μόνο από τρία κουάρκ, δηλαδή από τρία στοιχειώδη σωματίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων: όλα τα κουάρκ είναι λοιπόν αδρόνια, από την αρχαιοελληνική λέξη «αδρός», που σημαίνει δυνατός. 

Εκτός όμως από τον «στιβαρό» πυρήνα, υπάρχουν και τα ηλεκτρόνια, που είναι πολύ πιο ανάλαφρα και φευγάτα. Αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια ανήκουν στη μεγάλη οικογένεια των λεπτονίων, που περιλαμβάνει όλα τα σωματίδια που δεν είναι κουάρκ, δηλαδή όσα σωματίδια δεν «αισθάνονται» τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και αλληλεπιδρούν μόνο μέσω ασθενών πυρηνικών δυνάμεων. Στη μεγάλη οικογένεια των λεπτονίων, εκτός από τα ηλεκτρόνια, ανήκουν τα «μιόνια» και τα σωματίδια «ταυ» καθώς και οι τρεις αντίστοιχοι τύποι ή «γεύσεις» νετρίνων (ηλεκτρονικά, μιονικά και ταυ νετρίνα). 

Τα λεπτόνια λοιπόν ταξινομούνται από το καθιερωμένο πρότυπο σε τρεις υποομάδες: στην πρώτη ομάδα βρίσκουμε τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα ηλεκτρονίων, στη δεύτερη τα μιόνια και τα νετρίνα μιονίων και τέλος τα σωματίδια «ταυ» και τα νετρίνα-ταυ. Είναι πλέον σαφές το γιατί η πρωτοποριακή έρευνα των νετρίνων πραγματοποιήθηκε «εκτός προτύπου» και επιβάλλει κάποιες ριζικές ανατροπές στις φυσικές προκαταλήψεις μας. 

Κυριολεκτικά δισεκατομμύρια νετρίνα περνούν κάθε στιγμή μέσα από τη Γη και μέσα από το σώμα μας, χωρίς να συναντούν κανένα εμπόδιο, λες και είναι φαντάσματα και ίσως γι’ αυτό, τις τελευταίες δεκαετίες, αποτέλεσαν το ιδανικό «θήραμα» για τους ερευνητές στο πεδίο της μικροφυσικής: γνωρίζουν με απόλυτη βεβαιότητα ότι αυτά υπάρχουν χωρίς να τα έχουν δει ποτέ, επειδή αυτά τα μοναχικά σωματίδια αλληλεπιδρούν ελάχιστα με τη γνωστή μας ύλη και αυτό μόνο μέσω «ασθενών αλληλεπιδράσεων». 

Γεγονός που εξηγεί το γιατί αποδείχτηκε εξαιρετικά δύσκολη η ανίχνευσή τους και απαιτούνται τεράστιοι ανιχνευτές σωματιδίων οι οποίοι, σε πολύ ακραίες φυσικές συνθήκες, μπορούν να απομονώνουν τις δέσμες νετρίνων που παράγονται σε αφθονία στο Σύμπαν από πολύ ισχυρές πηγές, όπως π.χ. είναι τα άστρα. 

Τα περισσότερα νετρίνα που ανιχνεύονται παράγονται από τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του Ηλιου και από εκεί, ένας απίστευτα μεγάλος αριθμός από αυτά ταξιδεύουν έως τη Γη. 

Εναν τέτοιο πανίσχυρο ανιχνευτή σωματιδίων, όπως είδαμε, χρησιμοποίησαν στο πείραμα «OPERA» για να παγιδεύσουν και τελικά να μελετήσουν τις σπάνιες ταλαντώσεις των νετρίνων και τις αλληλεπιδράσεις τους με τη γνωστή μας ύλη.

Η αυγή της Νέας Φυσικής;

Γιατί, όμως, οι μεγάλοι θεωρητικοί φυσικοί του παρελθόντος αναγκάσθηκαν να εισαγάγουν τα μέχρι τότε ανύπαρκτα νετρίνα; 

Κατά τη δεκαετία του 1930, ο μεγάλος Ιταλός ατομικός φυσικός Ενρίκο Φέρμι πρότεινε το όνομα «νετρίνο» (δηλαδή μικρό νετρόνιο) για να περιγράψει το υποθετικό και εντελώς απαρατήρητο σωματίδιο που θα έπρεπε να προκύπτει από την αυθόρμητη διάσπαση ενός νετρονίου· τη γνωστή στη μικροφυσική ως «διάσπαση-β», μια θεμελιώδη πυρηνική διεργασία κατά την οποία από ένα ουδέτερο νετρόνιο προκύπτουν δύο υποατομικά σωματίδια: ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο και ένα αρνητικό ηλεκτρόνιο. 

Δυστυχώς, όμως, στα δύο σωματίδια που προέκυπταν από τη διάσπαση-β δεν παρατηρείται η προβλεπόμενη διατήρηση της συνολικής ορμής και ενέργειας. 

Μήπως τελικά αυτές οι θεμελιώδεις φυσικές αρχές διατήρησης δεν ισχύουν για τα στοιχειώδη σωματίδια; Η μόνη εναλλακτική λύση σε αυτή την καταστροφική προοπτική ήταν η επινόηση των αόρατων τότε νετρίνων: μόνο η παραδοχή της ύπαρξης τέτοιων σωματιδίων «φαντασμάτων» μπορούσε να εγγυηθεί ότι ο μικρόκοσμος διαθέτει μια πολύπλοκη μεν, αλλά εν τέλει νομοτελειακή φυσική οργάνωση. 

Μόνο πολύ αργότερα, οι φυσικοί επιβεβαίωσαν πειραματικά ότι τα νετρίνα όχι μόνο υπάρχουν αλλά είναι όντως ηλεκτρικά ουδέτερα, έχουν εξαιρετικά μικρή μάζα και είναι απίστευτα «ντροπαλά». 

Παρά τις ιδιοτροπίες τους, όμως, τα νετρίνα φαίνεται πως κρύβουν τις απαντήσεις σε ερωτήματα που ταλανίζουν τη Φυσική εδώ και πολλές δεκαετίες: γιατί στο ορατό Σύμπαν κυριαρχεί η ύλη, ενώ η αντιύλη είναι τόσο σπάνια; 

Πώς δημιουργούνται οι υπερκαινοφανείς αστέρες και τι απομένει στο διάστημα ως η σωματιδιακή μαρτυρία του εκρηκτικού τους τέλους; Πώς ήταν το Σύμπαν ελάχιστα δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Εκρηξη; 

Οπως υποστηρίζουν ολοένα και περισσότεροι επιφανείς φυσικοί, οι απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα ίσως να κρύβονται στην παρουσία και τη δράση αυτών των περίεργων αλλά κάθε άλλο παρά επιστημονικά αδιαφανών σωματιδίων. 

Αν ως «νέα Φυσική» περιγράφεται συνήθως η ανάπτυξη εκείνων των ερευνητικών πεδίων που είτε δεν προβλέπονται είτε δεν ερμηνεύονται από το καθιερωμένο πρότυπο, τότε ασφαλώς οι πρόσφατες εξελίξεις ανοίγουν τον δρόμο για μια κάπως διαφορετική Φυσική. 

Τώρα, το αν αυτή είναι και «νέα» Φυσική, πρέπει να αποδειχτεί στην πράξη.