Μέτρησαν για πρώτη φορά την αντιύλη! The Interactions Between Antiprotons Have Been Measured For The First Time

Οι επιστήμονες κατάφεραν για πρώτη φορά να μελετήσουν την αντιύλη. Scientists working at Brookhaven National Laboratory, including physicists at Rice University, have announced the first measurements of the attractive force between antiprotons. The discovery gives physicists new ways to look at the forces that bind matter and antimatter. Credit: Brookhaven National Laboratory

Επιστήμονες στις ΗΠΑ έκαναν την πρώτη μέτρηση στην ελκτική δύναμη μεταξύ των αντιπρωτονίων, δηλαδή των σωματιδίων της αντιύλης, φωτίζοντας έτσι ένα από τα μυστήρια της Φυσικής: γιατί μπορούν να συγκροτούνται πυρήνες αντιύλης και να μην υπάρχει μόνο ύλη στο σύμπαν. Δεν μπόρεσαν όμως να εξηγήσουν γιατί η ύλη είναι τόσο περισσότερη από την αντιύλη.

Η δύναμη

Την ισχυρή αλληλεπίδραση ή ισχυρή δύναμη αντιλαμβανόμαστε σήμερα ως την αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ και των γκλουονίων, η οποία περιγράφεται από τη θεωρία της κβαντικής χρωμοδυναμικής (quantum chromodynamics - QCD). Η ισχυρή δύναμη είναι η θεμελιώδης δύναμη η οποία μεταφέρεται από τα γκλουόνια, και ασκείται πάνω στα κουάρκ, τα αντικουάρκ, καθώς και τα ίδια τα γκλουόνια για να σχηματίσουν τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα άλλα αδρόνια. Επίσης, σε μεγαλύτερη κλίμακα, είναι η δύναμη που κρατά τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί για να σχηματίσουν τους πυρήνες των ατόμων. An animation of the nuclear force (or residual strong force) interaction between a proton and a neutron. The small colored double circles are gluons, which can be seen binding the proton and neutron together. These gluons also hold the quark-antiquark combination called the pion together, and thus help transmit a residual part of the strong force even between colorless hadrons. Anticolors are shown as per this diagram.

Όπως η ισχυρή πυρηνική δύναμη που συγκρατεί τους πυρήνες των κανονικών πρωτονίων στα άτομα της ύλης, έτσι και στην περίπτωση της αντιύλης, όπως διαπίστωσαν οι επιστήμονες, υπάρχει μια αντίστοιχη ισχυρή ελκτική δύναμη. Τα σωματίδια της αντιύλης (αντιπρωτόνια) έχουν ίδιες μάζες με εκείνα της κανονικής ύλης (πρωτόνια), αλλά αντίθετα ηλεκτρικά φορτία.

Στην αρχή του σύμπαντος, η Μεγάλη Έκρηξη εκτιμάται ότι δημιούργησε ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, όμως σήμερα η αντιύλη είναι πολύ σπάνια. Αν και υπάρχουν πολλές θεωρίες για την αιτία, η οριστική εξήγηση διαφεύγει ακόμη από τους επιστήμονες. Η μέτρηση που έγινε στα αντιπρωτόνια, θα βοηθήσει να μελετηθεί καλύτερα η φύση της αντιύλης, η οποία είναι δυνατό να παραχθεί σε επιταχυντές σωματιδίων όπως του CERN, αν και σε μικρές ποσότητες.

Οι συγκρούσεις

Το επίτευγμα ρίχνει φως σε ένα μεγάλο μυστήριο της Φυσικής. Zhengqiao Zhang, a graduate student from the Shanghai Institute of Applied Physics, with STAR physicist Aihong Tang at the STAR detector of the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

Τα νέα πειράματα έγιναν στον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) του Εθνικού Εργαστηρίου Μπρουκχέιβεν του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και παρουσιάζονται στην επιθεώρηση «Nature». Η δημιουργία αντιύλης έγινε με τη σύγκρουση πυρήνων βαρέων ατόμων χρυσού μεταξύ τους, σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Η ελκτική δύναμη μεταξύ των αντιπρωτονίων επιτρέπει στα σωματίδια αυτά, όταν πλησιάζουν μεταξύ τους, να συγκρατούνται μαζί, υπερνικώντας έτσι την απωθητική δύναμη που ασκούν τα αρνητικά ηλεκτρικά φορτία τους.

Οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν ότι δεν υπάρχει διαφορά στον τρόπο που η ισχυρή πυρηνική δύναμη συμπεριφέρεται στην ύλη και στην αντιύλη. Έτσι, η ύλη και η αντιύλη φαίνονται να είναι τελείως συμμετρικές, οπότε η σημερινή παρατηρούμενη ασυμμετρία στις ποσότητές τους στο σύμπαν παραμένει μέγα μυστήριο, όπως τόνισαν οι επιστήμονες.Αν οι φυσικοί είχαν βρει κάποια διαφορά στη δύναμη που «συγκολλά» την αντιύλη, τότε αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει την σημερινή σχεδόν ανυπαρξία της αντιύλης σε σχέση με την ύλη - μόνο που τέτοια διαφορά δεν διαπιστώθηκε. 

Πηγή: The STAR Collaboration. Measurement of interaction between antiprotons. Nature, 2015 DOI: 1038/nature15724.