Η πέμπτη δύναμη ίσως κρύβεται στα έγκατα της Γης. Particle Physics Research Sheds New Light On Possible 'Fifth Force of Nature'

H συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό της Γης μπορεί να αποκαλύψει την πέμπτη δύναμη. This picture depicts the long-range spin-spin interaction (blue wavy lines) in which the spin-sensitive detector on Earth’s surface interacts with geoelectrons (red dots) deep in Earth’s mantle. The arrows on the geoelectrons indicate their spin orientations, opposite that of Earth’s magnetic field lines (white arcs). (Credit: Illustration: Marc Airhart (University of Texas at Austin) and Steve Jacobsen (Northwestern University).)

Fundamental Forces of Nature

Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις η βαρυτική, η ηλεκτρομαγνητική, η ισχυρή πυρηνική και η ασθενής πυρηνική. Επιστήμονες έχουν προτείνει την ύπαρξη μιας ακόμη, η οποία και αναζητείται. Ομάδα αμερικανών ερευνητών δημιούργησε έναν χάρτη της κίνησης των ηλεκτρονίων στα βάθη του πλανήτη, στο εσωτερικό του μανδύα. Όπως υποστηρίζουν ο χάρτης αυτός μπορεί να βοηθήσει στην αποκάλυψη αυτής της πέμπτης δύναμης.

Τα ηλεκτρόνια

Ένα ηλεκτρόνιο εκτός από την περιφορά του γύρω από τον πυρήνα, πραγματοποιεί και μια περιστροφική κίνηση γύρω από τον άξονά του – πρόκειται για τη λεγόμενη ιδιοπεριστροφή ή ιδιοστροφορμή (spin). Η ιδιοπεριστροφή αυτή δημιουργεί γύρω από το ηλεκτρόνιο ένα μαγνητικό πεδίο. Με την παρουσία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, το μαγνητικό πεδίο του ηλεκτρονίου προσανατολίζεται με δυο διαφορετικούς τρόπους ως προς τη διεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου:

O μανδύας

Ο γήινος μανδύας είναι ένα παχύ και ημίρρευστο στρώμα το οποίο βρίσκεται ανάμεσα στον εξωτερικό πυρήνα και τον φλοιό. Μανδύα διαθέτουν και άλλοι πλανήτες. Ο μανδύας της Γης ξεκινά σε βάθος περίπου 30 χλμ μέχρι τα 2.900 χλμ κάτω από την επιφάνεια της Γης και καταλαμβάνει περίπου το 70% του όγκου της.

Η πέμπτη δύναμη

Εκτός από τις τέσσερις δυνάμεις έχει προταθεί και η ύπαρξη άλλης μιας, η οποία θεωρείται ότι αποτελεί μια μορφή μαγνητικής δύναμης που δεν εξασθενεί με τον ίδιο ρυθμό που εξασθενούν οι άλλες τέσσερις καθώς επεκτείνονται στον χώρο. Με απλά λόγια αυτή η πέμπτη δύναμη «αντέχει» και διατηρεί την ισχύ της ακόμη και σε μεγάλη απόσταση από την πηγή της.

Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία παράγονται όταν δύο σωματίδια ανταλλάσσουν τα λεγόμενα «εικονικά φωτόνια» που εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς. Ορισμένοι φυσικοί έχουν διατυπώσει την άποψη ότι είναι πιθανό να υπάρχει άλλο ένα σωματίδιο το οποίο λειτουργεί με ανάλογο τρόπο παράγοντας έτσι μια ακόμη θεμελιώδη δύναμη.

Το σωματίδιο

Ως υποψήφιο έξτρα εικονικό σωματίδιο έχει προταθεί το λεγόμενο «αντισωματίδιο». Πρόκειται για μια μυστηριώδη οντότητα η οποία, σύμφωνα με τους επιστήμονες που υποστηρίζουν την ύπαρξη της, έχει ασυνήθιστες ιδιότητες. Η μάζα του ποικίλλει ανάλογα με τον τρόπο που εμείς το μετράμε, ιδιότητα που οι ειδικοί ονομάζουν «κλιμακωτή αμεταβλητότητα».

Αποτέλεσμα αυτής της ιδιότητας είναι η ανταλλαγή που πραγματοποιεί το αντισωματίδιο – η εμφάνιση και εξαφάνιση των εικονικών του σωματιδίων – να γίνεται με πιο αργό ρυθμό. Αυτό σημαίνει ότι η δύναμη αυτή έχει πολύ μεγάλη εμβέλεια δράσης. Οι προσπάθειες που έχουν γίνει μέχρι τώρα στα εργαστήρια δεν έχουν καταφέρει ωστόσο να βρουν κάποια ίχνη του αντισωματιδίου.

Ο χάρτης

The polarized electron-spin density on a plane that contains Earth's rotation axis and Amherst, Mass., generated by a computer simulation. The black arrows indicate only the direction of the electron spins, while the color shading of the plot indicates the magnitude of the polarized electron spin density. The density of the arrows on the plot is not meaningful. The component of the field into or out of the page is not shown. The electron spin density within the core (white central circle) is assumed to be zero. The violet arrow corresponds to the north orientation and location of the Amherst apparatus. The vertical axis is along Earth's rotation axis, and the axis labels have units of kilometers. Credit: Daniel Ang and Larry Hunter (Amherst College)

Επιστήμονες του Amherst College στη Μασαχουσέτη ρίχνουν στο τραπέζι μια επαναστατική ιδέα. Να χρησιμοποιήσουμε τη Γη ως εργαστήριο για να εντοπίσουμε το αντισωματίδιο. Οι ακραίες συνθήκες στον μανδύα επηρεάζουν την ιδιοστροφορμή των ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα να επηρεάζεται το γήινο μαγνητικό πεδίο.

Οι ερευνητές δημιούργησαν έναν χάρτη της ιδιοπεριστροφής των ηλεκτρονίων στα βάθη του μανδύα της Γης. Υποστηρίζουν ότι ο χάρτης αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εντοπισθεί το αντισωματίδιο σε εργαστηριακές συνθήκες. Η ερευνητική ομάδα έκανε μια πρώτη προσπάθεια στο εργαστήριο με βάση τα στοιχεία του. Αφού μελέτησαν τα δεδομένα του γεωμαγνητικού πεδίου ανέλυσαν τις ιδιοστροφορμές των ηλεκτρονίων και το πώς αυτές οι ιδιοστροφορμές αλληλεπιδρούν με σωματίδια στο εργαστήριο μέσω της πέμπτης δύναμης. Τα αποτελέσματα όμως ήταν αρνητικά. Δεν εμφανίστηκε κανένα ίχνος της πέμπτης δύναμης.

Physics Professor Larry Hunter

«Αυτό δεν σημαίνει ότι πρέπει να απορριφθεί η θεωρία της πέμπτης δύναμης. Απλά μας λέει ότι, αν υπάρχει, είναι ιδιαίτερα ασθενής» αναφέρει ο Λάρι Χάντερ, επικεφαλής της μελέτης. Ο Χάντερ τονίζει ότι πρέπει να συνεχιστούν οι προσπάθειες εντοπισμού της πέμπτης δύναμης και ότι δεν πρέπει να αποθαρρύνονται οι ερευνητές αφού στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτούνται πολλά χρόνια προσπάθειας για μια τέτοιου είδους ανακάλυψη. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science».