Για περισσότερες από τρεις δεκαετίες, ένα παράξενο εύρημα σε πειράματα με νετρίνα προβληματίζει τους φυσικούς. Πειράματα με ανιχνευτές που βασίζονται στο γάλλιο έχουν καταγράψει περίπου 20% λιγότερα νετρίνα από όσα προβλέπουν οι θεωρητικοί υπολογισμοί, ένα φαινόμενο που έγινε γνωστό ως «ανωμαλία του γαλλίου».
Τώρα, μια νέα θεωρητική μελέτη υποστηρίζει ότι ίσως τελικά δεν κρύβεται πίσω από το φαινόμενο ένα άγνωστο σωματίδιο ή μια νέα δύναμη της φύσης. Το πρόβλημα μπορεί να βρίσκεται σε μια μαθηματική παραδοχή που χρησιμοποιείται εδώ και χρόνια για την περιγραφή των συγκεκριμένων πειραμάτων.
Τα νετρίνα είναι από τα πιο μυστηριώδη σωματίδια της φύσης. Είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν και μπορούν να ταλαντώνονται, μετατρεπόμενα αυθόρμητα μεταξύ των τριών γνωστών τύπων τους. Από τη δεκαετία του 1990, όμως, αρκετά πειράματα με γάλλιο κατέγραφαν περίπου ένα πέμπτο λιγότερα νετρίνα από τα αναμενόμενα.
Η αναπάντεχη αυτή διαφορά οδήγησε στην υπόθεση ότι κάποια από τα νετρίνα μπορεί να μετατρέπονται σε έναν τέταρτο τύπο, τα λεγόμενα «στείρα» νετρίνα. Πρόκειται για υποθετικά σωματίδια που θα αλληλεπιδρούν ακόμη λιγότερο με την ύλη και, επομένως, θα μπορούσαν να περνούν απαρατήρητα από τους ανιχνευτές.
Η επιβεβαίωση μιας τέτοιας υπόθεσης θα είχε τεράστιες συνέπειες για τη σωματιδιακή φυσική, καθώς το Καθιερωμένο Πρότυπο, το θεωρητικό πλαίσιο που περιγράφει τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις τους, θα έπρεπε να τροποποιηθεί.
Ο Ματέο Καντέντου από το Πανεπιστήμιο του Κάλιαρι στην Ιταλία και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν τώρα ότι ίσως δεν χρειάζεται καμία τέτοια δραστική αλλαγή. Οι νέοι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι η φαινομενική έλλειψη νετρίνων μπορεί να εξηγείται από τον τρόπο με τον οποίο μοντελοποιούνται μαθηματικά τα πειράματα.
Η έρευνα ξεκίνησε σχεδόν τυχαία. Ο Καντέντου προετοιμαζόταν να διδάξει ένα μάθημα για τη φυσική των νετρίνων και, θέλοντας να είναι προετοιμασμένος για πιθανές ερωτήσεις των φοιτητών του, αποφάσισε να επανεξετάσει όλα τα βήματα των υπολογισμών που χρησιμοποιήθηκαν για να εξηγηθεί η «ανωμαλία του γαλλίου».
Κατά τη διαδικασία εντόπισε μια λεπτομέρεια που του κέντρισε το ενδιαφέρον και αποφάσισε να τη συζητήσει με συναδέλφους του.
«Σταδιακά έγινε ένα είδος εμμονής», εξηγεί ο ίδιος. «Αυτό που ξεκίνησε ως μια προσπάθεια να κατανοήσω έναν παλιό τύπο αρκετά καλά ώστε να μπορώ να τον διδάξω, κατέληξε να ανοίξει έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο προσέγγισης της ανωμαλίας».
Το κλειδί βρίσκεται στον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιείται το πείραμα. Όταν ένα άτομο γαλλίου χτυπηθεί από ένα νετρίνο, μετατρέπεται σε άτομο γερμανίου και παράγεται ένα ηλεκτρόνιο. Για να υπολογίσουν πόσα νετρίνα έφτασαν στον ανιχνευτή, οι ερευνητές μετρούν την αλληλεπίδραση του γερμανίου με το ηλεκτρόνιο και στη συνέχεια χρησιμοποιούν τους υπολογισμούς αντίστροφα για να εκτιμήσουν τον αριθμό των νετρίνων.
Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι οι κβαντικές κυματοσυναρτήσεις του ηλεκτρονίου και του νετρίνου, οι μαθηματικές περιγραφές που κωδικοποιούν τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους, παραμένουν ουσιαστικά αμετάβλητες καθώς κινούνται μέσα στον πυρήνα του ατόμου που μετατρέπεται.
Αυτή ακριβώς την παραδοχή αποφάσισαν να εξετάσουν πιο προσεκτικά ο Καντέντου και οι συνεργάτες του.
Προς έκπληξή τους, διαπίστωσαν ότι αν αυτή η υπόθεση εγκαταλειφθεί, τότε η φαινομενική έλλειψη νετρίνων της τάξης του 20% μπορεί να εξηγηθεί, εφόσον ο πυρήνας του ατόμου διαθέτει συγκεκριμένες ιδιότητες.
Με άλλα λόγια, δεν είναι απαραίτητο να υποθέσουμε την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου ή μιας νέας θεμελιώδους αλληλεπίδρασης.
«Δεν χρειάζεται να προσθέσουμε ένα νέο σωματίδιο ή μια νέα αλληλεπίδραση», λέει ο Καντέντου, υπογραμμίζοντας τη σημασία της νέας προσέγγισης.
Η ιδέα έχει ήδη προκαλέσει ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα. Ο Γιοάχιμ Κοπ από το Πανεπιστήμιο Γιοχάνες Γκούτενμπεργκ του Μάιντς στη Γερμανία χαρακτηρίζει τη μελέτη «ένα ενδιαφέρον στοιχείο που αξίζει περαιτέρω μελέτη».
Σύμφωνα με τον ίδιο, οι προσπάθειες να επεκταθεί το Καθιερωμένο Πρότυπο ώστε να εξηγηθούν τα αποτελέσματα των πειραμάτων απαιτούν «πραγματικά παράξενα και υπερβολικά λεπτομερώς ρυθμισμένα θεωρητικά μοντέλα». Για τον λόγο αυτό θεωρεί ότι η νέα ανάλυση είναι πιο πολλά υποσχόμενη.
Ωστόσο, το μυστήριο δεν θεωρείται ακόμη λυμένο. Για να επιβεβαιωθεί η νέα ερμηνεία, θα πρέπει να μελετηθεί ανεξάρτητα η πυρηνική δομή του γαλλίου και του γερμανίου, είτε μέσα από νέες μετρήσεις είτε μέσω πιο ακριβών θεωρητικών υπολογισμών.
Ο Άντε Ράβλιτς από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν θεωρεί επίσης ότι η μελέτη κινείται προς τη σωστή κατεύθυνση. Όπως σημειώνει, θα χρειαστούν πιο εξελιγμένοι υπολογισμοί που θα βασίζονται σε μικροσκοπικά μοντέλα της πυρηνικής δομής. Παράλληλα, όμως, η νέα εργασία αποδεικνύει ότι η πιο αυστηρή αντιμετώπιση των κυματοσυναρτήσεων του ηλεκτρονίου και του νετρίνου μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην προσπάθεια επίλυσης της ανωμαλίας.
Ο Ράβλιτς εκτιμά ότι θα ακολουθήσουν αρκετές νέες μελέτες από πυρηνικούς φυσικούς. Τα νετρίνα, άλλωστε, δεν αποτελούν μόνο ένα πολύτιμο εργαλείο για τον έλεγχο του Καθιερωμένου Προτύπου. Διαδραματίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στην κατανόηση αστροφυσικών φαινομένων, μεταξύ των οποίων και οι εκρήξεις μαζικών άστρων.
Η ερευνητική ομάδα του Καντέντου έχει ήδη ξεκινήσει εργασίες για επόμενες μελέτες, σε συνεργασία με επιστήμονες που ειδικεύονται στη μελέτη της πυρηνικής δομής των ατόμων.
Η νέα προσέγγιση ενδέχεται, τέλος, να αποδειχθεί χρήσιμη και για τα μελλοντικά πειράματα με νετρίνα. Οι επιστήμονες θα μπορούν να λάβουν υπόψη τους με μεγαλύτερη ακρίβεια τις ιδιότητες του ατομικού πυρήνα και να αναζητήσουν πιο αξιόπιστα ενδείξεις για την ύπαρξη διαφορετικών τύπων νετρίνων.
Έτσι, ένα μυστήριο που επί δεκαετίες θεωρούνταν πιθανό παράθυρο σε νέα φυσική μπορεί τελικά να έχει μια πολύ πιο συμβατική εξήγηση: όχι ένα άγνωστο σωματίδιο, αλλά μια λεπτομέρεια στους υπολογισμούς που ίσως είχε παραμείνει απαρατήρητη.
Με πληροφορίες από Newscientist / Physical Review Letters
