Γράφει ο Μανώλης Τσεσμελής
Η εγκατάσταση για τη βασική έρευνα φυσικής -Cern Neutrino Beam to
Gran Sasso (CNGS)- στοχεύει στην κατανόηση μερικών εκ των μυστηρίων πιου
περιβάλλουν τα νετρίνα-ουδέτερα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με
την ύλη και που έχουν πολύ μικρή μάζα. Υπάρχουν τρία είδη-ή
“γεύσεις”-νετρίνων: το νετρίνο ηλεκτρονίου, το νετρίνο μιονίου και το
ταυ νετρίνο. Αλλά φαίνεται ότι τα νετρίνα είναι οι χαμαιλέοντες του κόσμου των σωματιδίων : μπορούν να αλλάζουν από τη......
μία «γεύση» στην άλλη.
Αυτός ο σπάνιος μετασχηματισμός, που ονομάζεται “ταλάντωση” εμφανίζεται
όταν τα νετρίνα ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις. Είναι σημαντικό να
ερευνηθούν οι ταλαντώσεις, δεδομένου ότι έχουν άμεση σχέση με τη μικρή
μάζα των νετρίνων.
Το CNGS στέλνει νετρίνα μιονίου από το CERN στο
Gran Sasso National Laboratory, 730 χιλιόμετρα μακριά , στην Ιταλία.
Εκεί, δύο πειράματα, OPERA και ICARUS, διερευνούν αν κάποιο από τα
νετρίνα μιονίου έχει μετατραπεί σε ταυ νετρίνο. Για να δημιουργηθεί η
δέσμη νετρίνων, μια δέσμη πρωτονίων από το Super Proton Synchrotron στο
Cern κατευθύνεται σε ένα στόχο από γραφίτη, δημιουργώντας σωματίδια που
ονομάζονται πιόνια και καόνια. Αυτά τα σωματίδια περνούν μέσα από
σύστημα δύο μαγνητικών φακών που εστιάζουν τα σωματίδια σε μια παράλληλη
δέσμη προς την κατεύθυνση του Gran Sasso . Στη συνέχεια, μέσα σε μία
σήραγγα μήκους 1 χλμ., τα πιόνια και καόνια διασπούν σε μιόνια και
νετρίνο μιονίου. Στο τέλος αυτού του τούνελ διάσπασης, ένας 18μ. Πάχους
μπλόκ από γραφίτη και μέταλλο απορροφά τα υπόλοιπα πρωτόνια και τα
πιόνια και καόνια που δεν έχουν διασπαθεί. Τα μιόνια σταματούν μέσα στη
γη πέρα από τη σήραγγα. Μόνο τα νετρίνια μιονίου παραμένουν για να
περάσουν μέσα από τη γη στο μεγάλο ταξίδι τους προς την Ιταλία.
Το πείραμα OPERA
εγκαινιάστηκε το 2006, με κύριο στόχο τη μελέτη των ταλαντώσεων του
μιονίου νετρίνου σε ταυ νετρίνο. Ενα πρώτο τέτοιο συμβάν παρατηρήθηκε το
2010, αποδεικνύοντας τη μοναδική ικανότητα του πειράματος στην
ανίχνευση του ισχνού σήματος του ταυ νετρίνο.
Το πείραμα OPERA
έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί από ομάδα ερευνητών από Βέλγιο,
Γαλλία, Γερμανία, Ελβετία, Ιαπωνία, Ισραήλ, Ιταλία, Κορέα, Κροατία,
Ρωσία και Τουρκία. Περιλαμβάνει σήμερα, περίπου 160 ερευνητές από 30
οργανισμούς από τις 11 χώρες. Πρόκειται για πολύπλοκη επιστημονική
επιχείρηση που έχει πραγματοποιηθεί χάρη στην ικανότητα ενός μεγάλου
αριθμού επιστημόνων, μηχανικών, τεχνικών και φοιτητών, και με την ισχυρή
δέσμευση των διαφόρων φορέων του έργου.
Ενα πρόσφατο και
συναρπαστικό αποτέλεσμα από το πείραμα OPERA βασίζεται στην παρατήρηση
του πάνω από 15.000 νετρίνο γεγονότα που έχουν μετρηθεί στο Gran Sasso,
και το αποτέλεσμα φαίνεται να δείχνει ότι τα νετρίνα ταξιδεύουν
με ταχύτητα 20 μέρη ανά εκατομμύριο υψηλότερη από την ταχύτητα του
φωτός, τη μέγιστη ταχύτητα στη Φύση σύμφωνα με τη θεωρία της
σχετικότητας του Αϊνστάϊν.
Η μέτρηση που έγινε από το
πείραμα OPERA είναι σε αντίθεση με τους καθιερωμένους νόμους της Φύσης,
αν και η επιστήμη προοδεύει συχνά με την ανατροπή των καθιερωμένων
προτύπων. Για το λόγο αυτό, πολλές έρευνες έχουν γίνει για αποκλίσεις
από τη θεωρία της σχετικότητας του Αινστάϊν, και μέχρι στιγμής δεν έχει
βρεθεί καμία τέτοια απόδειξη. Οι ισχυροί περιορισμοί που προκύπτουν από
αυτές τις παρατηρήσεις καθιστούν την απίθανη ερμηνεία που δίδει η
μέτρηση του πειράματος OPERA , όσον αφορά την τροποποίηση της θεωρίας
του Αϊνστάιν, και παρέχουν περαιτέρω ισχυρούς λόγους για την αναζήτηση
νέων ανεξάρτητων μετρήσεων.
Λόγω των πιθανών εκτεταμένων συνεπειών
ενός τέτοιου αποτελέσματος απαιτούνται ανεξάρτητες μετρήσεις πριν το
αποτέλεσμα διαψευσθεί ή επιβεβαιωθεί. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο
το πείραμα OPERA αποφάσισε να κάνει ευρέως γνωστό το αποτέλεσμα για
περαιτέρω έλεγχο στις 23 Σεπτεμβρίου 2011.
Για την εκπλήρωση αυτής της μελέτης, το πείραμα OPERA συνεργάστηκε με ειδικούς στον τομέα της μετρολογίας από το CERN και άλλα ιδρύματα
για να εκτελέσει μια σειρά από μετρήσεις υψηλής ακριβείας της απόστασης
μεταξύ της πηγής και του ανιχνευτή, και του χρόνου που απαιτείται για
την πτήση των νετρίνων. Η απόσταση μεταξύ της προέλευσης της δέσμης των
νετρίνων και του πειράματος OPERA μετρήθηκε με αβεβαιότητα 20 cm για την
απόφαση των 730 χιλιομέτρων. Ο χρόνος της πτώσης για τα νετρίνα
προσδιορίζεται με ακρίβεια μικρότερη των 10 νανοδευτερολέπτων,
χρησιμοποιώντας εξελιγμένα μέσα, συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων
συστημάτων GPS και ατομικά ρολόγια. Ο χρόνος απόκρισης της γραμμικής
δέσμης CNGS και του ανιχνευτή OPERA έχει επίσης μετρηθεί με μεγάλη
ακρίβεια.
Μετά την παρουσίαση του πειράματος OPERA στο CERN, στις
23 Σεπτεμβρίου 2011, καλώντας για έλεγχο των αποτελεσμάτων του από την
ευρύτερη κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής, το πείραμα επανελέγχει την
ανάλυση των γεγονότων και λαμβάνει υπόψη χρήσιμες προτάσεις από ένα ευρύ
φάσμα πηγών. Ενα βασικό τέστ ήταν να επαναληφθεί η μέτρηση με πολύ
σύντομους παλμούς δέσμης από το CERN . Αυτό επέτρεψε τη μέτρηση του
χρόνου από τα πρωτόνια που, τελικά, οδηγούν στην ακτίνα νετρίνων, η
(οποία πρέπει να μετρηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια).
Η δέσμη που
αποστέλλεται από το CERN αποτελείται από παλμούς των τριών
νανοδευτερολέπτων που χωρίζονται έως και 524 νανοδευτερόλεπτα. Με αυτή
τη μέθοδο περίπου 20 καθαρά γεγονότα νετρίνων μετρήθηκαν στο Gran Sasso
και συνδέονται ακριβώς με τον παλμό από το CERN . Αυτή η εξέταση
επιβεβαιώνει την ακρίβεια των μετρήσεων του χρόνου του πειράματος ΟPERA,
αποκλείοντας μία πιθανή πηγή συστηματικού σφάλματος. Οι νέες μετρήσεις
δεν αλλάζουν το αρχικό συμπέρασμα.
Παρ΄όλα αυτά, η παρατηρούμε νη
αρχική μέτρηση της ταχύτητας των νετρίων χρόνο από το CERN στο Gran
Sasso εξακολουθεί να χρειάζεται περαιτέρω εξέταση και ανεξάρτητη μέτρηση
προτού να μπορέσει να διαψευθεί ή να επιβεβαιωθεί. Ενας σίγουρος τρόπος
για να σιγουρευθούμε είναι να κάνουμε ένα παρόμοιο πείραμα, κάπου
αλλού, και με μια διαφορετική πειραματική διάταξη. Αυτό
συμβαίνει τώρα σε διάφορα εργαστήρια Φυσικής στην Ασία, την Ευρώπη και
στις ΗΠΑ και μέσα σε δύο χρόνια θα πρέπει να έχουμε πιο ακριβή στοιχεία
για το θέμα.
Οι πιθανές επιπτώσεις των μετρήσεων του
πειράματος ΟPERA στον τομέα της Επιστήμης είναι πολύ μεγάλες και
συναρπαστικές. Το νετρίνο θα συνεχίσει να μας εκπλήσσει με τα μυστήρια
του.
*Ο Καθηγητής Μανόλης Τσεσμελής είναι Ανώτερος Φυσικής CERN-Γραφείο Γενικού Διευθυντή και Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης