Νόμπελ Φυσικής για τα νετρίνα, τους χαμαιλέοντες του υποατομικού κόσμου

Δύο ερευνητές μοιράζονται το φετινό Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψη ότι τα φευγαλέα σωματίδια νετρίνα μπορούν να μεταμορφώνονται από το ένα είδος στο άλλο, ανακοίνωσε η επιτροπή των βραβείων στη Στοκχόλμη.

Ο Ιάπωνας Τακάκι Καζίτα και ο Καναδός Άρθουρ ΜακΝτόναλντ μοιράζονται το βραβείο και το χρηματικό έπαθλο που το συνοδεύει «για την ανακάλυψη της ταλάντωσης των νετρίνων, η οποία δείχνει ότι τα νετρίνα έχουν μάζα», αποφάσισε η επιτροπή στο Ινστιτούτο Καρολίνσκα.

Ουσιαστικά οι δύο ερευνητές έδειξαν ότι τα νετρίνα, στοιχειώδη υποατομικά σωματίδια που διαπερνούν κατά δισεκατομμύρια τη Γη χωρίς να καταδέχονται να αλληλεπιδράσουν με την κανονική ύλη, μπορούν να αλλάζουν «ταυτότητα» και να μεταμορφώνονται από ένα είδος νετρίνου σε άλλο, με ελαφρώς διαφορετική μάζα.

Η ανακάλυψη, σημειώνει η επιτροπή, δημιουργεί την πρώτη μεγάλη ρωγμή στο λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο είχε αντέξει για δεκαετίες σε κάθε πειραματική πρόκληση.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο, το οποίο περιγράφει όλα τα στοιχειώδη συστατικά της ύλης, απαιτεί από τα νετρίνα να μην έχουν μάζα. Η απόδειξη του αντιθέτου «καθιστά προφανές ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν μπορεί να είναι η πλήρης θεωρία για τη λειτουργία των θεμελιωδών συστατικών του Σύμπαντος».

Χαμαιλέοντες

Αν και η ύπαρξη των νετρίνων επιβεβαιώθηκε μόλις τη δεκαετία του 1950, τα σωματίδια αυτά είναι στη πραγματικότητα τα πιο άφθονα στο Σύμπαν μετά τα φωτόνια. Έρχονται σε τρία είδη, ή «γεύσεις», τα νετρίνα ηλεκτρονίων, τα νετρίνια μυονίων και νετρίνα ταυ.

Πάνω από 60 δισεκατομμύρια νετρίνα ηλεκτρονίων που παράγονται από πυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο λούζουν κάθε τετραγωνικό εκατοστό της Γης κάθε δευτερόλεπτο. Τα περισσότερα απλά διαπερνούν τον πλανήτη, ελάχιστα όμως συγκρούονται με άλλα σωματίδια και επιτρέπουν έτσι την ανίχνευσή τους. Ένας μικρότερος αριθμός νετρίνων παράγονται από την πρόσκρουση κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα.

Το μεγάλο πρόβλημα είναι ότι τα ηλιακά νετρίνα ηλεκτρονίων που μπορούν να ανιχνευθούν στη Γη είναι τρεις φορές λιγότερα από το αναμενόμενο -τα δύο τρίτα αυτών των σωματιδίων δείχνουν να έχουν εξαφανιστεί μυστηριωδώς.

Η απάντηση στο μυστήριο ήρθε τελικά από τους δύο γιγάντιους ανιχνευτές στους οποίους εργάστηκαν οι δύο νομπελίστες.

Ο Ιάπωνας Τακάκι Καζίτα, ο οποίος γεννήθηκε το 1959 και είναι σήμερα καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, χρησιμοποίησε τον ανιχνευτή Super-Kamiokande, ο οποίος κατασκευάστηκε σε ένα παλιό ορυχείο ψευδαργύρου και αποτελείται από μια δεξαμενή με 50.000 τόνους νερού. Είναι σχεδιασμένος να ανιχνεύει νετρίνα που παράγονται στην ατμόσφαιρα.

Ο Καναδός Άρθουρ ΜακΝτόναλντ, ο οποίος γεννήθηκε το 1943 και είναι σήμερα καθηγητής στο Queen's University του Καναδά, εργάστηκε στον ανιχνευτή SNO μέσα σε ένα εγκαταλειμμένο ορυχείο νικελίου κοντά στο Οντάριο.

Και οι δύο ανιχνευτές είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν λάμψεις φωτός που εμφανίζονταν σε δεξαμενές νερού κατά τις εξαιρετικά σπάνιες συγκρούσεις νετρονίων. Η διαφορά είναι ότι ο SNO ανιχνεύει αποκλειστικά νετρίνα από τον Ήλιο.

Οι μελέτες των δύο ερευνητών απέδειξαν ότι τα νετρίνα που δείχνουν να έχουν εξαφανιστεί στην πραγματικότητα έχουν απλώς αλλάξει «γεύση». Η μεταμόρφωση αυτή είναι αδύνατη αν τα νετρίνα δεν έχουν έστω και μικρή μάζα.

Πώς συμβαίνει όμως αυτή η μεταμόρφωση; Στην κβαντική φυσική, ένα σωματίδιο με συγκεκριμένη ενέργεια μπορεί να περιγραφεί και ως κύμα συγκεκριμένης συχνότητας. Τα νετρίνα συμπεριφέρονται σαν τρία κύματα που κινούνται ταυτόχρονα σε υπέρθεση και αντιστοιχούν σε διαφορετικές γεύσεις νετρίνων με ελαφρώς διαφορετική μάζα. 

Όταν τα κύματα αυτά διαδίδονται στον χώρο, βγαίνουν εκτός φάσης. Ανάλογα με το σημείο όπου κανείς ανιχνεύει τα κύματα, η φάση είναι διαφορετική και τα νετρίνα εμφανίζονται με διαφορετικές ταυτότητες.

Η παράξενη αυτή συμπεριφορά οφείλεται στο γεγονός ότι οι τρεις γεύσεις νετρίνων έχουν ελαφρώς διαφορετικές μάζες. Οι μάζες αυτές πρέπει να είναι μικρές, μέχρι σήμερα όμως δεν έχουν μετρηθεί. Και η μέτρηση των μαζών είναι απαραίτητο να γίνει πριν μπορέσουν οι φυσικοί να προχωρήσουν ένα βήμα πιο πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Αναπάντητο παραμένει εξάλλου το ερώτημα του εάν υπάρχουν άλλες, άγνωστες ως σήμερα γεύσεις.

Οι απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα αναμένονται να επιτρέψουν στη σωματιδιακή φυσική να περάσει στο επόμενο κεφάλαιο.

Η ανακοίνωση του Νόμπελ Φυσικής έρχεται μια μέρα μετά το Ιατρικής-Φυσιολογίας. Ακολουθούν το Νόμπελ Χημείας την Τετάρτη, Λογοτεχνίας την Πέμπτη και Οικονομικών Επιστημών τη Δευτέρα.

Η απονομή των βραβείων πραγματοποιείται κάθε χρόνο στις 10 Δεκεμβρίου σε μια πανηγυρική τελετή στη Στοκχόλμη. Εξαίρεση το Νόμπελ Ειρήνης που απονέμεται στο Όσλο.