Μια πρωτοποριακή τεχνική που χρησιμοποιεί νετρόνια μπορεί να διερευνήσει σύμφωνα με τους ερευνητές την θεωρία των χορδών, τις έξτρα διαστάσεις του σύμπαντος ή ακόμα και την σκοτεινή ύλη.
Η ιδέα βασίζεται στις μικροσκοπικές μεταβολές της βαρύτητας καθώς δρα σε αργά κινούμενα νετρόνια μέσα σε μια μικροσκοπική κοιλότητα. Σε ένα άρθρο στο περιοδικό Nature περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο τα νετρόνια μεταπηδούν από τη μια βαρυτική κβαντική κατάσταση στην άλλη. Αυτά τα κβαντικά άλματα μπορούν να τεστάρουν την θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα – και τυχόν αποκλίσεις από αυτή – με εκπληκτική ακρίβεια.
Από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις (τη βαρυτική, τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ασθενή πυρηνική και την ισχυρή πυρηνική δύναμη), η βαρύτητα είναι μακράν η ασθενέστερη και για τον λόγο αυτό η κβαντική της φύση δεν είχε αποδειχθεί μέχρι το 2002. Πάνω σ’ αυτό εργάστηκε μια ομάδα ερευνητών στο Ινστιτούτο Laue-Langevin (ILL) χρησιμοποιώντας αργά κινούμενα νετρόνια. Τα νετρόνια δημιουργούνται σε έναν αντιδραστήρα σχάσης και αποκτούν απίστευτα μικρές ταχύτητες με τη χρήση υλικών που ονομάζονται επιβραδυντές. Τα νετρόνια που «συμμετέχουν» στο πείραμα κινούνται με ταχύτητες περίπου πέντε μέτρα ανά δευτερόλεπτο – μόλις το ένα εκατοστό της ταχύτητας που έχουν τα μόρια του αέρα.
Τα νετρόνια χρησιμοποιούνται σ’ αυτά τα πειράματα διότι είναι ηλεκτρικά ουδέτερα – έτσι ώστε στο πείραμα η μόνη δύναμη που θα «αισθάνονται» να είναι η βαρυτική.
Τα νετρόνια εκτοξεύονται μεταξύ δυο παραλλήλων πλακών – που απέχουν μεταξύ τους απόσταση 25 μm (μικρόμετρα)-όσο το μισό πλάτος μιας τρίχας.
Η πάνω πλάκα απορροφά νετρόνια και η κάτω τα ανακλά. Καθώς αυτά διέρχονται διαμέσου των πλακών διαγράφουν μια καμπύλη, όπως ακριβώς μια μπάλα που εκτοξεύεται οριζόντια στο πεδίο βαρύτητας. Αν αυτά χτυπήσουν στην κάτω πλάκα πριν ολοκληρώσουν την διαδρομή τους, τότε ανακλώνται και αν φτάσουν στην πάνω πλάκα απορροφούνται – οπότε δεν ανιχνεύονται στην άλλη άκρη των πλακών.
Το καινούργιο στο πείραμα της ομάδας ΙLL είναι η εισαγωγή επονομαζόμενου πιεζοηλεκτρικού αντηχείου στην κάτω πλάκα. Σκοπός του είναι το «τίναγμα» της κάτω πλάκας σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Οι ερευνητές παρατήρησαν εξάρτηση στον αριθμό των νετρονίων που ανιχνεύονται στο τέλος της διαδρομής των πλακών από τη συχνότητα δόνησης της κάτω πλάκας. Διαπίστωσαν συγκεκριμένες συχνότητες «συντονισμού» στις οποίες τα νετρόνια έτειναν να απορροφηθούν.
Αυτές οι συχνότητες αντιστοιχούν στις κβαντικές βαρυτικές καταστάσεις των νετρονίων. Οι ερευνητές ήταν σε θέση για πρώτη φορά να εξαναγκάσουν τα νετρόνια να μεταβούν από την μια κβαντική κατάσταση στην άλλη.
Ενώ ο νόμος της νευτώνειας βαρύτητας ξέρουμε ότι ισχύει για κοσμολογικές αποστάσεις, το να ελεγχθεί η ισχύς του σε πολύ μικρές αποστάσεις είναι εξαιρετικά δύσκολο. Και οποιαδήποτε απόκλιση από το νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου θα μπορούσε να κρύβει επιχειρήματα για νέα φυσική.
«Με τη θεωρία μπορεί κανείς να υποθέσει ότι υπάρχει μόνο η καθαρή βαρύτητα του Νεύτωνα, οπότε για μια μετάβαση χρειάζεσαι μια συγκεκριμένη ενέργεια» δηλώνει ο Peter Geltenbort μέλος της ομάδας ILL. «Τώρα μπορούμε να συγκρίνουμε την ενέργεια αυτή με την ενέργεια που έχουμε μετρήσει και αν υπάρχει κάποια απόκλιση τότε αυτή θα ήταν ένα σημάδι ότι η βαρύτητα του Νεύτωνα δεν ισχύει κατά 100% στις μικρές αποστάσεις. Κάθε τέτοια απόκλιση θα μπορούσε να δώσει επιχειρήματα για τη ύπαρξη του σωματιδίου που είναι γνωστό ως axion (αξιόνιο), το οποίο με τη σειρά του θα αποδείκνυε την ύπαρξη και τη φύση της σκοτεινής ύλης.
«Τα πειράματα στην αστροφυσική και την αστρονομία δίνουν στις μεγάλες αποστάσεις πολύ στενά όρια [για την ύπαρξη των αξιονίων], όχι όμως για τις μικρές αποστάσεις. Αυτές είναι οι ίδιες θεωρίες που περιγράφουν τα φαινόμενα στις μεγάλες κλίμακες, αλλά με τη μέθοδό μας θα ψάξουμε για τα αξιόνια σε πολύ μικρές κλίμακες» σύμφωνα με τον Geltenbort.
Το ίδιο ισχύει και για τα υπερσυμμετρικά σωματίδια, μέρος από κάποιες διατυπώσεις της θεωρίας των χορδών οι οποίες υποδεικνύουν ότι υπάρχουν κι άλλες επιπλέον διαστάσεις στις μικροσκοπικές κλίμακες, οι οποίες απαιτούν την πειραματική ακρίβεια που μόλις τώρα έγινε δυνατή από την ομάδα ILL...
bbc.co.uk/news/science - www.nature.com
(*)Πειράματα με νετρόνια με σκοπό την αποκάλυψη των κβαντικών ιδιοτήτων της βαρύτητας έγιναν - πριν από 10 περίπου χρόνια - από τον Valery Nesvizhevsky και τους συνεργάτες πάλι στο Ινστιτούτο Laue-Langevin (V Nesvizhevsky et al 2001 Nature 415 297). Τότε οι φυσικοί παρατήρησαν για πρώτη φορά τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης, κάτω από την επίδραση της βαρύτητας. Το πείραμα είχε σκοπό να ελέγξει με ακρίβεια την ισοδυναμία μεταξύ αδρανειακών και βαρυτικών μαζών – την αιτία που όλες οι μάζες έχουν την ίδια επιτάχυνση σ' ένα βαρυτικό πεδίο, όπως επίσης και να επιβεβαιώσει την ηλεκτρική ουδετερότητα των νετρονίων.... |
| Ο πυρηνικός αντιδραστήρας στο Ινστιτούτο Laue-Langevin (ILL) |
Από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις (τη βαρυτική, τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ασθενή πυρηνική και την ισχυρή πυρηνική δύναμη), η βαρύτητα είναι μακράν η ασθενέστερη και για τον λόγο αυτό η κβαντική της φύση δεν είχε αποδειχθεί μέχρι το 2002. Πάνω σ’ αυτό εργάστηκε μια ομάδα ερευνητών στο Ινστιτούτο Laue-Langevin (ILL) χρησιμοποιώντας αργά κινούμενα νετρόνια. Τα νετρόνια δημιουργούνται σε έναν αντιδραστήρα σχάσης και αποκτούν απίστευτα μικρές ταχύτητες με τη χρήση υλικών που ονομάζονται επιβραδυντές. Τα νετρόνια που «συμμετέχουν» στο πείραμα κινούνται με ταχύτητες περίπου πέντε μέτρα ανά δευτερόλεπτο – μόλις το ένα εκατοστό της ταχύτητας που έχουν τα μόρια του αέρα.
Τα νετρόνια χρησιμοποιούνται σ’ αυτά τα πειράματα διότι είναι ηλεκτρικά ουδέτερα – έτσι ώστε στο πείραμα η μόνη δύναμη που θα «αισθάνονται» να είναι η βαρυτική.
Τα νετρόνια εκτοξεύονται μεταξύ δυο παραλλήλων πλακών – που απέχουν μεταξύ τους απόσταση 25 μm (μικρόμετρα)-όσο το μισό πλάτος μιας τρίχας.
Η πάνω πλάκα απορροφά νετρόνια και η κάτω τα ανακλά. Καθώς αυτά διέρχονται διαμέσου των πλακών διαγράφουν μια καμπύλη, όπως ακριβώς μια μπάλα που εκτοξεύεται οριζόντια στο πεδίο βαρύτητας. Αν αυτά χτυπήσουν στην κάτω πλάκα πριν ολοκληρώσουν την διαδρομή τους, τότε ανακλώνται και αν φτάσουν στην πάνω πλάκα απορροφούνται – οπότε δεν ανιχνεύονται στην άλλη άκρη των πλακών.
Αυτές οι συχνότητες αντιστοιχούν στις κβαντικές βαρυτικές καταστάσεις των νετρονίων. Οι ερευνητές ήταν σε θέση για πρώτη φορά να εξαναγκάσουν τα νετρόνια να μεταβούν από την μια κβαντική κατάσταση στην άλλη.
Ενώ ο νόμος της νευτώνειας βαρύτητας ξέρουμε ότι ισχύει για κοσμολογικές αποστάσεις, το να ελεγχθεί η ισχύς του σε πολύ μικρές αποστάσεις είναι εξαιρετικά δύσκολο. Και οποιαδήποτε απόκλιση από το νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου θα μπορούσε να κρύβει επιχειρήματα για νέα φυσική.
«Με τη θεωρία μπορεί κανείς να υποθέσει ότι υπάρχει μόνο η καθαρή βαρύτητα του Νεύτωνα, οπότε για μια μετάβαση χρειάζεσαι μια συγκεκριμένη ενέργεια» δηλώνει ο Peter Geltenbort μέλος της ομάδας ILL. «Τώρα μπορούμε να συγκρίνουμε την ενέργεια αυτή με την ενέργεια που έχουμε μετρήσει και αν υπάρχει κάποια απόκλιση τότε αυτή θα ήταν ένα σημάδι ότι η βαρύτητα του Νεύτωνα δεν ισχύει κατά 100% στις μικρές αποστάσεις. Κάθε τέτοια απόκλιση θα μπορούσε να δώσει επιχειρήματα για τη ύπαρξη του σωματιδίου που είναι γνωστό ως axion (αξιόνιο), το οποίο με τη σειρά του θα αποδείκνυε την ύπαρξη και τη φύση της σκοτεινής ύλης.
«Τα πειράματα στην αστροφυσική και την αστρονομία δίνουν στις μεγάλες αποστάσεις πολύ στενά όρια [για την ύπαρξη των αξιονίων], όχι όμως για τις μικρές αποστάσεις. Αυτές είναι οι ίδιες θεωρίες που περιγράφουν τα φαινόμενα στις μεγάλες κλίμακες, αλλά με τη μέθοδό μας θα ψάξουμε για τα αξιόνια σε πολύ μικρές κλίμακες» σύμφωνα με τον Geltenbort.
Το ίδιο ισχύει και για τα υπερσυμμετρικά σωματίδια, μέρος από κάποιες διατυπώσεις της θεωρίας των χορδών οι οποίες υποδεικνύουν ότι υπάρχουν κι άλλες επιπλέον διαστάσεις στις μικροσκοπικές κλίμακες, οι οποίες απαιτούν την πειραματική ακρίβεια που μόλις τώρα έγινε δυνατή από την ομάδα ILL...
bbc.co.uk/news/science - www.nature.com
physicsworld.com
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου