Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Αντιύλη

1. Τα μονοπάτια της Σκέψης

α. Εμπλουτίζοντας τη νεογέννητη

Κβαντομηχανική

β. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου

γ. Η θάλασσα του Dirac. Αντιηλεκτρόνιο.

δ. Η παρέμβαση του Oppenheimer

2. Ο δρόμος των εργαστηριακών αναζητήσεων

α. Κοσμική ακτινοβολία

β. 1932, Καλιφόρνια και Cloud Chamber.

Ο γιος των Σουηδών μεταναστών και ο Robert Millikan

γ. Ποζιτρόνια. Δεν είναι εξωγήινοι εισβολείς

δ. Δίδυμη γένεση και Annihilation.

3. O απόηχος

α. Αντιύλη στη ραδιενέργεια β.

β. Αντιπρωτόνιο και αντινετρόνιο

γ. Φωτόνιο. Ούτε ύλη ούτε αντιύλη

4. Κουάρκ και αντικουάρκ

α. Θάλαμος φυσαλίδων, ο νέος πρωταγωνιστής.

β. Κουάρκ

γ. Αντικουάρκ

δ. Όταν το κουάρκ συναντά το αντικουάρκ

5. Νετρίνο και αντινετρίνο

α. Νετρίνο, ένα πλάσμα της σκέψης του Pauli

β. Τα νετρίνα υπάρχουν και όχι μόνο στη σκέψη των θεωρητικών

γ. Αντινετρίνο

6. Η αντιύλη αποθηκεύεται ;

7 Η αντιύλη στην έρευνα. Ευρώπη και LEP.

Δημιούργημα της ανθρώπινης σκέψης, ενταγμένο στο εγχείρημα για μια περιγραφή του Σύμπαντος, η Αντιύλη ως λέξη αλλά και ως θεωρητική πρόταση έκανε την εμφάνισή της τον 20^ο αιώνα για να αξιοποιηθεί από τους φυσικούς – εκτός των άλλων – και στην τολμηρή τους απόπειρα για την καταγραφή μιας «βιογραφίας» του υλικού Κόσμου. Σύμφωνα με τις θεωρήσεις του σήμερα η Αντιύλη «υπάρχει» .

Όπως συνέβη και τη θεωρία της σχετικότητας αλλά και με την ανακάλυψη του νετρίνο, η θεωρητική ιδέα προηγήθηκε και η εργαστηριακή αναζήτηση ακολούθησε. Η χρονική απόσταση ανάμεσα στη θεωρητική σύλληψη και στην εμπειρική επιβεβαίωση – για την ακρίβεια στην ανίχνευση του πρώτου σωματιδίου αντιύλης – ήταν τέσσερα περίπου χρόνια .

1. Τα μονοπάτια της Σκέψης.

α. Εμπλουτίζοντας τη νεογέννητη Κβαντομηχανική

Η ιδέα για Αντιύλη γεννήθηκε, το 1928, μέσα στις εξισώσεις ενός 26χρονου ιδιαίτερα σημαντικού ευρωπαίου ερευνητή. Ήταν έτος 1930 όταν κυκλοφόρησε το The Principles of Quantum Mechanics, ένα από τα σημαντικότερα βιβλία Φυσικής του 20^ου αιώνα. Συγγραφέας ο 28χρονος Paul Dirac, γιος Ελβετού, γεννημένος στο Bristol της Αγγλίας. Το εγχείρημα του Dirac είχε ως στόχο να εμπλουτίσει τη νεογέννητη τότε Κβαντομηχανική με στοιχεία από τη θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας. Μέχρι τότε οι αναφερόμενες σε ηλεκτρόνιο εξισώσεις της Κβαντομηχανικής – κυρίως η εξίσωση Schrödinger - περιορίζονταν σε ταχύτητες του σωματιδίου μικρές σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός. O Dirac θέλησε να προχωρήσει σε μια γενίκευση.

β. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου

23 περίπου χρόνια νωρίτερα , στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, για την περιγραφή της σχέσης ανάμεσα σε μάζα και ενέργεια ενός σωματιδίου,

ο Albert Einstein είχε προτείνει την εξίσωση

E² = (mc²)² + (pc)²

Ο όρος mc² αναφέρεται στην «αποθηκευμένη ενέργεια λόγω της μάζας και ο όρος pc στην ενέργεια κίνησης, δεδομένου ότι το p παριστάνει την ορμή του σωματιδίου – γινόμενο της μάζας του και της ταχύτητάς του .Αυτό που θέλησε να κάνει ο Dirac ήταν να καταγράψει την τιμή Ε της ενέργειας ενός ηλεκτρονίου όχι ως (+ - ) τετραγωνική ρίζα μιας ποσότητας αλλά ως ένα άθροισμα δύο ποσοτήτων, η μία από τις οποίες να περιέχει την ποσότητα mc² και η άλλη την pc.

Χρειαζόταν δύο αριθμούς, ένα α κι έναν b, τέτοιους ώστε E = bmc² + apc .

Αλλά οι αριθμοί αυτοί δεν υπάρχουν.

Ας δούμε το παράδειγμα της σχέσης του αριθμού 10 με τους 8 και 6. Ισχύει

10² = 8² + 6² . Αν αναζητήσουμε δύο αριθμούς a και b τέτοιους ώστε 10 = 8α + 6b.

Από την τελευταία σχέση προκύπτει 10² = 8² α ² + 6² b ² + 96 ab . Πρέπει λοιπόν 8² + 6² = 8² α ² + 6² b ² + 96 ab . Διαπιστώνουμε δηλαδή ότι για να ισχύουν και οι δύο σχέσεις

( 10² = 8² + 6² και 10 = 8α + 6b ) πρέπει a² = 1 , b² =1 και ab = 0. Αλλά αριθμοί α και b που να ικανοποιούν τις a² = 1 , b² =1 και ab = 0 δεν υπάρχουν

E = bmc² + apc E² = b²(mc²)²+ a²(pc)² + axb(pc x mc²) + bxa(mc²xpc)

ενώ ταυτόχρονα να είναι και E² = (mc²)² + (pc)² .

Το συμπέρασμα είναι ότι για τους αριθμούς α και b πρέπει να ισχύει

α² =1 b² =1 και axb + bxa= 0 .

Αλλά οι αριθμοί αυτοί δεν υπάρχουν ή τουλάχιστον δεν είναι απλοί αριθμοί .

Άρα η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου δεν μπορεί να περιγραφεί ως ένα απλό «άθροισμα της ενέργειας mc²και της ενέργειας κίνησης pc» .

Η ιδέα ήταν : Μπορεί να μην υπάρχουν συνήθεις αριθμοί αλλά υπάρχουν matrix * μήτρες που να ικανοποιούν τις

α² =1 b² =1 και axb + bxa= 0 .

Μέσα από τις matrix ο Dirac μπορούσε να περιγράφει την ενέργεια του ηλεκτρονίου και στις σχετικές εξισώσεις να αναζητεί λύσεις για τις τιμές της.

Οι λύσεις όμως έδειχναν ότι η ενέργεια του ηλεκτρονίου μπορεί να είναι και αρνητική . Τι σήμαινε αυτό ;

γ. Η θάλασσα του Dirac

Αρνητική ενέργεια ήταν κάτι απαράδεκτο για τη σκέψη των φυσικών

αλλά οι μαθηματικές εξισώσεις οδηγούσαν εκεί . Για να αντιμετωπίσει

το αίνιγμα, ο Dirac αξιοποίησε την λεγόμενη Απαγορευτική Αρχή του Pauli ως θεμέλιο για μια καινούρια ιδέα.

Φαντάστηκε ότι αυτό που λέμε « κενό» δεν είναι κάτι άδειο αλλά ένα πηγάδι – άβυσσος χωρίς πυθμένα και ότι η αναρρίχηση σε αυτό σχετίζεται με μια σκάλα με καθένα από τα σκαλοπάτια της να αντιστοιχεί σε μια πιθανή κβαντική κατάσταση, μία θέση για ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Η κορυφή του πηγαδιού αντιστοιχεί σε ενέργεια μηδέν άρα κάθε σκαλοπάτι είναι μια «ιδιοκατάσταση»- μια eigenstate - αρνητικής ενέργειας ενός ηλεκτρονίου. Εφόσον η απαγορευτική Αρχή του Pauli αποκλείει την συγκατοίκηση δύο ηλεκτρονίων της ίδιας eigenstate, κάθε επιπλέον ηλεκτρόνιο εξαναγκάζεται να καταλάβει μία eigenstate θετικής ενέργειας.

Η πρόταση περιέχει την ιδέα ότι «όλα τα σκαλοπάτια - επίπεδα με αρνητικές τιμές ενέργειας - είναι πλήρη και ότι ένα τυχαίο ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να «πέσει» στους αρνητικής ενέργειας αυτούς υποδοχείς με συνέπεια η ύλη να διατηρείται σταθερή».

Μέσα από μια ανάλογη εικόνα, μας προτείνει να φανταστούμε ότι αυτό που λέμε «κενό» είναι μια ήρεμη αόρατη θάλασσα εφόσον τίποτα δεν την διαταράσσει. Η πλήρης θάλασσα είναι η βάση πάνω στην οποία προσδιορίζονται όλες οι ενέργειες. Στην επιφάνεια της θάλασσας ορίζεται το μηδέν ενέργεια. Η εικόνα αυτή με το κενό σαν μια «θάλασσα ηλεκτρονίων» λέγεται και « the Dirac sea ».

Στην πρότασή του, εάν ένα ηλεκτρόνιο μετακινηθεί από τη θάλασσα θα δημιουργηθεί μία οπή –hole .

Η απουσία ενός ηλεκτρονίου με φορτίο αρνητικό και με ενέργεια αρνητική σε σχέση με την ελεύθερη επιφάνεια, θα εκδηλωθεί ως παρουσία-εμφάνιση ενός «παράξενου» σωματιδίου με θετικό φορτίο και θετική ενέργεια, ενός σωματιδίου σαν αυτό που θα ονομαστεί positron.

Ήταν μια παράξενη ιδέα, όπως εξάλλου παράξενη εξακολουθεί να είναι και ολόκληρη η Κβαντομηχανική 85 περίπου χρόνια μετά τη γέννησή της.

Πώς όμως θα μπορούσε να αποσπαστεί ένα αρνητικής ενέργειας ηλεκτρόνιο έτσι ώστε στη θάλασσα του κενού να εμφανιστεί μια τρύπα ; Η απάντηση είναι να μεταβιβαστεί ενέργεια, όπως για παράδειγμα η υψηλών τιμών ενέργεια ενός φωτονίου γ. Αν ένα φωτόνιο γ είχε αρκετή ενέργεια, θα μπορούσε να κλωτσήσει ένα ηλεκτρόνιο από μία ενεργειακή στάθμη αρνητικής ενέργειας σε μια κατάσταση-στάθμη θετικής ενέργειας . Το αποτέλεσμα θα ήταν το φωτόνιο γ να γεννήσει τόσο ένα θετικής ενέργειας ηλεκτρόνιο όσο και μία οπή σε αυτό που λέμε θάλασσα του κενού.

Η οπή είναι

α. απουσία αρνητικής ενέργειας , η οποία εκδηλώνεται ως κατάσταση θετικής ενέργειας και

β. απουσία αρνητικού φορτίου η οποία εκδηλώνεται ως θετικό φορτίο

Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι

η ενέργεια ενός φωτονίου γ μετατρέπεται σε

ηλεκτρόνιο με αρνητικό φορτίο και θετική ενέργεια και σε

σωματίδιο αντι-ηλεκτρόνιο με θετικό φορτίο και θετική επίσης ενέργεια

Τα μαθηματικά, σε συνδυασμό με τις παράξενές αλλά λαμπερές ιδέες, τον οδηγούσαν στην ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου, ενός «αντι-ηλεκτρονίου» – τέρατος με θετικό φορτίο.

Η πρόταση ότι υπάρχει αντιηλεκτρόνιο και ο υπαινιγμός ότι «κάποια στιγμή στο μέλλον η εργαστηριακή εμπειρία θα το ανιχνεύσει» φαινόταν στους περισσότερους κάτι σαν επιστημονική φαντασία.

Στα 1928 υπάρχει εδραιωμένη βεβαιότητα ότι η ύλη συγκροτείται μόνο από πρωτόνια και ηλεκτρόνια και η καινοτομία του Dirac ενοχλούσε. Η εποχή – δεκαετία του 50 – με τα αλλόκοτα σωματίδια που έκαναν την εμφάνισή τους, κυρίως στους επιταχυντές, ήταν ακόμα μακριά . Ακόμα περισσότερο ενοχλούσε το γεγονός ότι η θεωρία προέβλεπε πως αυτά τα θεμελιώδη σωματίδια – το ηλεκτρόνιο και το αντιηλεκτρόνιο – θα μπορούσαν να καταστρέφονται να εξαφανίζονται αλλά και να γεννιόνται από την ακτινοβολία.

Στους μήνες που ακολούθησαν, σε όλες τις ομιλίες του, το ερώτημα «που είναι το αντιηλεκτρόνιο» έκανε διαρκώς την εμφάνισή του. Οι περισσότεροι είχαν την άποψη ότι η οπή είναι πρωτόνιο και ότι αντιηλεκτρόνιο δεν υφίσταται. Ο Peter Capitsa σημαντικός Ρώσος φυσικός της ίδιας γενιάς είχε αποφανθεί ότι ο Dirac, παρά τον ολιγόλογο και κλειστό χαρακτήρα του, έκανε τη σχετική πρόταση για αντιηλεκτρόνιο σαν ένα αστείο .

δ. Η παρέμβαση του Oppenheimer

Η εξίσωση όμως του Dirac είχε ανοίξει τον δρόμο για την Αντιύλη, αλλά από τους φυσικούς της γενιάς εκείνης μόνο ο Robert Oppenheimer το είχε διακρίνει. Υποστήριξε μάλιστα ότι το πειστικό επιχείρημα ότι το ηλεκτρόνιο και το αντιηλεκτρόνιο - σύντροφός του - μπορούν να αναδυθούν από τη «θάλασσα του κενού» θα μπορούσε να λειτουργήσει και αντίστροφα. Να κάνει δηλαδή ένα play back και να δείξει ότι θα μπορούσε να συμβεί και annihilation αφυλοποίηση , από τη συνάντηση δηλαδή ενός Ρωμαίου electron με την Ιουλιέτα antielectron θα μπορούσε να οδηγήσει στον θάνατο και των δύο και ο θάνατος να έχει τη μορφή φωτονίων Τόνισε ότι «σωματίδιο με θετικό φορτίο δεν μπορεί να είναι το πρωτόνιο», διότι έτσι το άτομο του υδρογόνου θα εκδήλωνε αυτοκαταστροφή.

Ο Dirac κατάλαβε αμέσως τη δύναμη της κριτικής του Oppenheimer

και το 1931 δημοσίευσε τα συμπεράσματά του σύμφωνα με τα οποία η hole ήταν ένα νέο σωματίδιο άγνωστο μέχρι εκείνη στους φυσικούς

Όσο για το σχετικά «τεράστιο» πρωτόνιο η εξίσωση έδειχνε ότι και για αυτό υπάρχει ένας αντισύντροφος, ένα αντιπρωτόνιο το οποίο επίσης δεν είχε ανιχνευτεί

Το 1933, κατά την ομιλία του στην απονομή του Νόμπελ Φυσικής, αναφέρθηκε στην ύπαρξη ενός ακόμα σωματιδίου Αντιύλης, του αντιπρωτονίου .

2. Ο δρόμος της εργαστηριακής αναζήτησης

α. Κοσμική ακτινοβολία

Η κοσμική ακτινοβολία – όπως συνήθως την αποκαλούμε αποδίδοντας στη γλώσσα μας το γαλλικό rayonnement cosmique και το γερμανικό Kosmische Strahlung - είναι μια ακόμα ανακάλυψη των φυσικών του 20^ου αιώνα και αναφέρεται σε «σωματίδια – εισβολείς» από το διάστημα. Ο όρος κοσμική ακτινοβολία ή κοσμικές ακτίνες - cosmic rays, rayons cosmiques– δημιουργήθηκε σε μια εποχή που η γενική ιδέα ήταν ότι πρόκειται για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία .

Οι πρώτες ενδείξεις για την ύπαρξή της εμφανίστηκαν την πρώτη δεκαετία του αιώνα, και η ανίχνευσή της εξυπηρετήθηκε αρχικά με ηλεκτρόμετρα και στη συνέχεια με τον Cloud Chamber - θάλαμο νεφών – την πρώτη ουσιαστικά συσκευή η οποία έδινε εικόνες από τα ίχνη και τις τροχιές των αόρατων σωματιδίων. Ο όρος "cosmic rays" προτάθηκε, το 1925, από τον Αμερικανό Robert Millikan, στον οποίο είχε ήδη απονεμηθεί το Νόμπελ Φυσικής για την μέτρηση του φορτίου του ηλεκτρονίου. Ο ίδιος πρότεινε ότι οι κοσμικές ακτίνες είναι πρωτόνια υψηλής ενέργειας και ορισμένα ηλεκτρόνια προερχόμενα από τη σκέδαση ακτίνων γ.

Η έρευνα έφθασε στην κορύφωσή της τη δεκαετία 1927 – 1937 και μια από τις συνέπειες ήταν η ανίχνευση του ποζιτρονίου .

Η κοσμική ακτινοβολία πριν από τη συνάντησή της με τη γήινη ατμόσφαιρα και συγκροτείται από κατά 90% από πρωτόνια- πυρήνες υδρογόνου- , 9% από πυρήνες ηλίου ( σωματίδια alpha ) και κατά 1% από ηλεκτρόνια, βαρύτερους πυρήνες και άλλα σωματίδια

Όταν «φθάνει»

στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας

τα σωματίδια που τη συγκροτούν

συγκρούονται με τα σωματίδια του αέρα με συνέπεια τη δημιουργία άλλων σωματιδίων .

2. California, 1932

1932, Caltech της California και υπό την επίβλεψη του Robert Millikan,

o 27χρονος Carl Anderson, γιος Σουηδών μεταναστών, ερευνά, με τη βοήθεια του Cloud Chamber, την κοσμική ακτινοβολία. Αξιοποιεί ένα ιδιαιτέρως ισχυρό μαγνητικό πεδίο, και καταγράφει τροχιές σωματιδίων, τις οποίες φωτογραφίζει.

Διαπιστώνονται τροχιές οι οποίες αντιστοιχούν σε ηλεκτρόνια αλλά και τροχιές οι οποίες αντιστοιχούν σε σωματίδια με θετικό φορτίο είτε σε ηλεκτρόνια κινούμενα σε αντίθετη κατεύθυνση . Ο Millikan, επικεφαλής του εγχειρήματος υποστηρίζει ότι οι τροχιές αυτές είναι τροχιές πρωτονίων, ενώ ο Anderson υποστηρίζει ότι οι τροχιές των πρωτονίων είναι πιο αδρές και ότι πρόκειται για ηλεκτρόνια κινούμενα σε αντίθετη κατεύθυνση. Και οι δύο αγνοούν τη θεωρία του Dirac .

Ωστόσο ο Anderson, ερευνά την ιδέα του και βάζει ένα δίσκο από μόλυβδο στο μέσον του Chamber. Κάθε σωματίδιο που διέσχιζε τον δίσκο θα είχε παρουσίαζε μείωση της ενέργειάς του οπότε το ίχνος της τροχιάς θα ήταν εξασθενημένο. Με τον τρόπο αυτό θα είχε σοβαρή ένδειξη για το «προς τα που κατευθύνονται» τα αόρατα κινούμενα σωματίδια.

Η έρευνα έδειξε ότι όλα έχουν την ίδια κατεύθυνση και ταυτόχρονα ότι δεν μπορούσε να είναι πρωτόνια . Τα μηνύματα δηλαδή έδειχναν ότι στον θάλαμο εμφανίζονται και σωματίδια με τη μάζα του ηλεκτρονίου αλλά με φορτίο θετικό. Ο διευθυντής του περιοδικού Science News Letter στο οποίο δημοσιεύτηκε η εργασία του Anderson, μαζί με φωτογραφία της τροχιάς, έδωσε στα σωματίδια αντιηλεκτρόνια το όνομα που διατηρούν μέχρι σήμερα. Τα βάφτισε positrons – ποζιτρόνια.

Το πρώτο σωματίδιο της Αντιύλης

είχε γεννηθεί στη Σκέψη ενός Άγγλου με πατέρα μετανάστη από την Ελβετία και

είχε ανιχνευτεί από έναν Αμερικανό γιο Σουηδών μεταναστών .

δ. Δεν είναι εξωγήινοι εισβολείς

Το ερώτημα βέβαια ήταν : Που βρέθηκαν αυτά τα τέρατα ; είναι επισκέπτες που έρχονται από μακριά ; Η έρευνα που έγινε την ίδια εποχή στο Cambridge από έναν Άγγλο , τον Blackett και έναν Ιταλό, τον Occialini, οδήγησε σε μια απάντηση : Τα ποζιτρόνια δεν είναι ΕΞΩΓΗΙΝΟΙ επισκέπτες- εισβολείς προερχόμενοι από άγνωστους τόπους που ταξίδεψαν με την κοσμική ακτινοβολία. Δημιουργούνται στη γήινη ατμόσφαιρα με την έλευση της κοσμικής ακτινοβολίας.

O Blackett, μάλιστα, ήταν αυτός που επεσήμανε ότι το ποζιτρόνιο ήταν το αντισωματίδιο που είχε προβλέψει ο Dirac .

Διότι η ερευνητική αναζήτηση του Anderson δεν συνδεόταν με τη θεωρητική πρόβλεψη του Dirac. O Anderson, δηλαδή, δεν «κυνηγούσε» το αόρατο αντισωματίδιο που είχε προβλέψει ο Dirac. Κατέληξε να ανιχνεύσει ένα άγνωστο σωματίδιο στην κοσμικές ακτίνες , αγνοώντας τη σχετική εργασία του θεωρητικού

ε. Δίδυμη γένεση.

Ένα ποζιτρόνιο μάζας m μπορεί να γεννηθεί από φωτόνια γ αλλά συγχρόνως θα γεννηθεί και το δίδυμο ηλεκτρόνιο-αδελφάκι. Γενικότερα δύο φωτόνια ακτινοβολίας μπορούν να συγκρουστούν, να εξαφανιστούν και να δημιουργηθούν δύο ( ή περισσότερα ) σωματίδια. Ο μηχανισμός της δημιουργίας σωματιδίων από ακτινοβολία μπορεί να γίνει κατανοητός με τη βοήθεια της Κβαντικής Θεωρίας και της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας .

Το φαινόμενο υπακούει στη διατήρηση της ενέργειας και στη διατήρηση της ορμής

Για τη δημιουργία – δίδυμη γένεση – ηλεκτρονίου και ποζιτρονίου,

με βάση τη διατήρηση της ενέργειας μπορούμε να υπολογίσουμε

α. πόση τουλάχιστον πρέπει να είναι η ενέργεια των φωτονίων

β. πόση τουλάχιστον πρέπει να είναι η θερμοκρασία για να συμβεί αυτό

α. Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ . Σύμφωνα με την Ειδική Σχετικότητα, η ισοδύναμη ενέργεια ενός σωματιδίου μάζας m είναι mc².

Η μάζα του ηλεκτρονίου είναι περίπου 9.10^-31 kg και η ταχύτητα c του φωτός στο κενό 3.10⁸m/s

Άρα για να γεννηθούν ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο από δύο φωτόνια πρέπει η ενέργεια κάθε φωτονίου να είναι τουλάχιστον

m_ec² = 9.10^-31. (3.10⁸)² J = 81. 10^-15 J . Για την τιμή της ενέργειας χρησιμοποιείται η μονάδα ένα ηλεκτρονιοβολτ, ίση με την ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο μεταξύ δύο σημείων με διαφορά δυναμικού ένα βολτ, ίση με 1,6. 10^-19 J.

Η τιμή συνεπώς της ενέργειας 81. 10^-15 J σε eV είναι περίπου 0, 511 ΜeV

β. Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ . Για να βρούμε το κατώφλι θερμοκρασίας στην οποία τα φωτόνια θα είχαν σημαντική πιθανότητα να έχουν αυτή την ενέργεια πρέπει να εξισώσουμε την ενέργεια αυτή με το γινόμενο της σταθεράς του Boltzmann επί τη θερμοκρασία.

m_ec² = k T άρα Τ = m_ec² /k

Η σταθερά του Boltzmann ίση με το πηλίκο R/N_A είναι περίπου 8,31/6,02.10 ²³ = 1,38. 10^-23 J/K

H θερμοκρασία – κατώφλι η οποία προκύπτει είναι συνεπώς

Τ = m_ec² /k = 81. 10^-15/1,38. 10^-23 Κ Τ ≈ 5,9 10 ⁹ Κ.

Το κατώφλι αυτό της θερμοκρασίας που απαιτείται για τη δημιουργία ποζιτρονίου και ηλεκτρονίου – 6 δισεκατομμύρια Κέλβιν, περίπου - είναι μια θερμοκρασία πολύ ψηλότερη από κάθε θερμοκρασία που συναντάμε, υπό συνήθεις συνθήκες , στο σημερινό Σύμπαν. Ακόμα και το κέντρο του Ήλιου έχει θερμοκρασία 15 εκατομμυρίων βαθμών περίπου. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι καθόλου συνηθισμένο το να εμφανίζονται «από το τίποτε» ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια στον κενό χώρο ως γεννήματα κάποιας ακτινοβολίας.

Annihilation

H συνάντηση ενός ηλεκτρονίου με ένα ποζιτρόνιο μπορεί να οδηγήσει σε θάνατο και των δύο και ο θάνατος «θα έχει τη μορφή φωτονίων» . Το φαινόμενο λέγεται annihilation και στην ελληνική γλώσσα συνήθως αποδίδεται όχι και τόσο εύστοχα με τον όρο « αφυλοποίηση». Η ενέργεια των φωτονίων που προκύπτουν μπορεί επίσης να προβλεφθεί με βάση τη διατήρηση της ενέργειας και τη διατήρηση της ορμής.

4. Ο απόηχος

α. Υπάρχει Αντιύλη

Η θεωρητική τεκμηρίωση του Dirac σε συνδυασμό με την εργαστηριακή ανίχνευση του Anderson αλλά και με την έρευνα στο Cambridge οδήγησε σύντομα στην εδραίωση της άποψης ότι «υπάρχει Αντιύλη».

Οι ερευνητές της σωματιδιακής φυσικής σε όλο τον Κόσμο ξανακοίταξαν τα φιλμ με τροχιές σε μαγνητικά πεδία και κατέληξαν ότι ορισμένες αντιστοιχούσαν σε ποζιτρόνια αλλά δεν το είχαν προσέξει .

Ξανακοίταξαν τη ραδιενέργεια β μέσα από την ιδέα ότι εκτός από ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να εκπέμπονται και ποζιτρόνια.

Η έρευνα έδειξε ότι πράγματι υπάρχει και η λεγόμενη ραδιενέργεια +β, με εκπομπή ποζιτρονίων .

Σύμφωνα με την καινούρια θεώρηση για κάθε σωματίδιο της ύλης υπάρχει ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο με ακριβώς την ίδια μάζα, με το ίδιο spin και με την ίδια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου και με τη διαφορά ότι το φορτίο του είναι φορτίο με αντίθετο πρόσημο. Εκτός όμως από αυτό η θεώρηση εμπεριείχε και την annihilation που θα λάμβανε χώρα κατά τη συνάντηση του σωματιδίου με το αντισωματίδιό του .

Όταν ο Dirac γέννησε την ιδέα της Αντιύλης τα στοιχειώδη σωματίδια ήταν δύο, το ηλεκτρόνιο και τα πρωτόνιο. Το 1932, την ίδια χρονιά που εντοπίστηκε το ποζιτρόνιο, στην Αγγλία ανακαλύφθηκε ένα ακόμα «θεωρούμενο στοιχειώδες» σωματίδιο , το νετρόνιο, ο χωρίς φορτίο σύντροφος του πρωτονίου και τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης έγιναν τρία.

β. Αντιπρωτόνιο και αντινετρόνιο

Με βάση λοιπόν την προηγούμενη θεώρηση έπρεπε να υπάρχει αντιπρωτόνιο και η αναζήτησή του ήταν ένα από τα σχέδια του μέλλοντος. Η ιδέα ήταν

« βομβαρδισμός στόχου με πρωτόνια υψηλής ενέργειας» και στη δεκαετία του 1950, οι συσκευές που θα δημιουργούσαν σωματίδια υψηλής ενέργειας

- οι επιταχυντές - * * είχαν ήδη ανακαλυφθεί. Μία από αυτές, το BeVatron εγκαταστάθηκε στο Berkeley της California κοντά στο San Francisco. Το όνομά της προερχόταν από το το BeV “Billion electron volts” την ποσότητα ενέργειας – 1000000 ηλεκτρονιοβολτ - που, περίπου, βρίσκεται σε ένα αντιπρωτόνιο.

Το σωματίδιο αντιπρωτόνιο τελικά «εντοπίστηκε», το 1955, εκεί. Επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας ο Αμερικανός Owen Chamberlain και

ο Ιταλό Emilio Segrè και μέλη της ομάδας ο Αμερικανός Clyde Wiegand και

ο ελληνικής καταγωγής, γεννημένος στο Salt Lake City, Θωμάς Υψηλάντης.

Οι δύο επικεφαλής τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής, το 1959 .

Το ερώτημα για την ύπαρξη αντινετρονίου δεν μπορούσε να τεθεί στη βάση

« σωματίδιο με ηλεκτρικό φορτίο αντίθετο από του νετρονίου » διότι το νετρόνιο δεν έχει φορτίο. Τέθηκε ωστόσο στη βάση «σωματίδιο η συνάντηση του οποίου με το νετρόνιο θα οδηγούσε στον θάνατο και των δύο» .

Το αντινετρόνιο ανιχνεύτηκε επίσης στο Berkeley της California , το 1957, από τον Ιταλό Oreste Piccione. Το ερώτημα για την αντι-υλική δομή του αντινετρονίου απαντήθηκε αργότερα όταν οι φυσικοί πρότειναν τη συγκρότηση του νετρονίου με βάση τα κουάρκ.

γ. Φωτόνιο. Ούτε ΥΛΗ ούτε ΑΝΤΙΥΛΗ.

Υπάρχει ύλη με σωματίδια όπως το ηλεκτρόνιο και αντιύλη με σωματίδια όπως το ποζιτρόνιο. Η συνάντησή τους οδηγεί σε εκμηδένιση και εμφάνιση φωτονίων . Το ερώτημα είναι : Τι συμβαίνει με το φωτόνιο ; Είναι σωματίδιο της ύλης ή της αντιύλης. Κάθε μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας - τις ακτίνες γ, ακτίνες Χ, υπεριώδης ακτινοβολία, ορατή ακτινοβολία, υπέρυθρη ακτινοβολία, ραδιοκύματα- συνίσταται από φωτόνια διαφορετικής κάθε φορά συχνότητα και με ενέργεια ανάλογη με τη συχνότητά του. Το φωτόνιο δεν ανήκει ούτε στην ύλη ούτε στην αντιύλη. Είναι ο βασικός εκπρόσωπος μιας ομάδας σωματιδίων για τα οποία δεν ισχύει η Απαγορευτική Αρχή δεν ανήκουν ούτε στην ύλη ούτε στην αντιύλη.

Το 1945 ο Dirac χαρακτήρισε τα σωματίδια αυτά μποζόνια.

Στον αντίποδα βρίσκονται τα φερμιόνια. Είναι τα βασικά συστατικά είτε της ύλης είτε της αντιύλης .

4. Κουάρκ και Αντικουάρκ

α. Θάλαμος φυσαλίδων και επιταχυντής, ο νέοι πρωταγωνιστές.

Το 1932 τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης ήταν τρία αλλά στα χρόνια που ακολούθησαν το μενού άρχισε να εμπλουτίζεται με σωματίδια, τα περισσότερα θνησιγενή, τα οποία οι φυσικοί θεωρούσαν στοιχειώδη. Το 1936 στο Caltech o Anderson εντόπισε στην κοσμική ακτινοβολία το muon μιόνιο, το 1936 στην κοσμική ακτινοβολία, το 1947, στο Bristol της Αγγλίας εντοπίστηκε το pion πιόνιο το οποίο είχε προβλεφθεί θεωρητικά 12 χρόνια νωρίτερα., επίσης το 1947 στο Manchester της Αγγλίας εντοπίστηκε το kaon καόνιο το οποίο χαρακτηρίστηκε strange – παράξενο διότι ζούσε πολύ περισσότερο χρόνο από τα υπόλοιπα .

Τα θνησιγενή αυτά σωματίδια εντοπίζονταν στον Cloud Chamber με βάση τη θεωρία ότι κατά τη σύγκρουση ενός αόρατου και με φορτίο σωματιδίου με άτομα υγρού αέρα δημιουργείται υγρό ίχνος η τροχιά του οποίου συμπίπτει με την τροχιά του αόρατου σωματιδίου.

Ο Cloud Chamber- θάλαμος νεφώσεων, λέγεται και θάλαμος Wilson - ήταν ο βασικός πρωταγωνιστής της έρευνας στο πρώτο μισό του 20^ου αιώνα.

Το 1950, όταν ήδη τα ανιχνευθέντα και τα θεωρητικώς προβλεπόμενα στοιχειώδη σωματίδια ήταν γύρω στα 20, Η ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ εξακολουθούσε να αποτελεί την κύρια πηγή σωματιδίων .

Στα χρόνια που ακολούθησαν η νέα γενιά ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΩΝ

και ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ άλλαξε σε μεγάλο βαθμό την κατάσταση .

Το 1952 μια σημαντική ανακάλυψη - του Donald Arthur Glaser στο University of Michigan - οδήγησε στην αντικατάστασή του Cloud Chamber από τον Bubble Chamber - Θάλαμο φυσαλίδων - τον νέο πρωταγωνιστή . Και ενώ στον Cloud Chamber τα αόρατα σωματίδια δημιουργούσαν ίχνη υγρού, στον Bubble Chamber τα ίδια σωματίδια δημιουργούσαν φυσαλίδες αέρα μέσα σε υγρό περιβάλλον .

Οι εικόνες με τις τροχιές των φυσαλίδων συνέβαλαν ιδιαίτερα στην αποκτυπογράφηση του αόρατου κόσμου .

Παράλληλα κατά τη δεκαετία του 1950, οι επιταχυντές, όπως ο BeVatron του Berkeley , πρόσφεραν δυνατότητες για ανακάλυψη νέων σωματιδίων και σε συνδυασμό με την αξιοποίηση των Bubble Chamber ήρθαν στο ολόκληρες οικογένειες σωματιδίων στα οποία δίνονταν διάφορα ονόματα, τα περισσότερα με γράμματα από το ελληνικό αλφάβητο.

β. Κουάρκ

Τα στοιχειώδη σωματίδια είχαν ξεπεράσει τα 100 και το συνολικό εγχείρημα οδήγησε στην ιδέα μήπως τα σωματίδια αυτά δεν ήταν στοιχειώδη αλλά συγκροτούνται από άλλα σωματίδια έσχατα και τελικά στη θεωρία για την ύπαρξη των κουάρκ και στην – μέσα από

τα εργαστηριακά δεδομένα – εδραίωσή της .

Τα πρώτα χρόνια τα κουάρκ εμφανίζονται σε τρεις «γεύσεις», up, down και strange κουάρκ με το φορτίο του down (- e/3) αλλά βαρύτερο από αυτό.

Λίγα χρόνια αργότερα είχε εδραιωθεί η άποψη ότι το πρωτόνιο δεν είναι στοιχειώδες και συγκροτείται από κουάρκ. Δύο κουάρκ με γεύση up καθένα τους με φορτίο 2e/3 και ένα κουάρκ με γεύση down και φορτίο - e/3 συγκροτούν ένα πρωτόνιο με φορτίο e.

Αντίστοιχα το νετρόνιο δεν είναι στοιχειώδες αλλά συγκροτείται από τρία στοιχειώδη κουάρκ . Δύο κουάρκ με γεύση down και φορτίο - e/3 και ένα με γεύση up και φορτίο 2e/3 συγκροτούν το μηδενικού φορτίου νετρόνιο.

Το σωματίδιο λάμδα Λ⁰ συγκροτείται από ένα κουάρκ up, ένα down και ένα strange .

Το ξι Ξ⁰ συγκροτείται από ένα κουάρκ up, και δύο κουάρκ ένα strange καθένα τους με φορτίο - e/3.

Το ωμέγα Ω^- συγκροτείται από τρία κουαρκ strange.

γ. Αντικουάρκ

Η εξίσωση του Dirac οικοδομήθηκε για ηλεκτρόνια και για πρωτόνια και εμπεριέχει τις γνωστές επιπτώσεις για αντιύλη, προβλέπει δηλαδή ποζιτρόνιο και αντιπρωτόνιο. Ωστόσο η ίδια αυτή εξίσωση ισχύει και για τα κουάρκ και με τον ίδιο ακριβώς τρόπο προβλέπει και την ύπαρξη αντικουάρκ . Όπως το ποζιτρόνιο είναι το αντισωματίδιο «καθρέφτισμα» του ηλεκτρονίου έτσι και το αντικουάρκ είναι σωματίδιο με την ίδια μάζα, το ίδιο μέγεθος και την ίδια ποσότητα φορτίου με το αντίστοιχο κουάρκ και διαφέρει μόνο στο πρόσημο του ηλεκτρικού φορτίου. Το αντικουάρκ του up θα είναι σωματίδιο με αρνητικό φορτίο ίσο με -2e/3, ενώ το αντικουάρκ του down είναι σωματίδιο με θετικό φορτίο ίσο με e/3. Όπως δύο up κι ένα down συγκροτούν ένα πρωτόνιο, δύο anti-up και ένα anti-down συγκροτούν ένα αντιπρωτόνιο με αρνητικό φορτίο. Αντίστοιχα

ένα anti-up και δύο anti-down συγκροτούν κάθε αντινετρόνιο

ενώ τρία anti-strange συγκροτούν το αντι-ωμέγα .

δ. Όταν το κουάρκ συναντά το αντικουάρκ

Η ισχυρή δύναμη είναι αυτή που συγκρατεί τρία κουάρκ στο εσωτερικό ενός πρωτονίου ή τρία αντικουάρκ στο εσωτερικό ενός αντιπρωτονίου. Μπορεί όμως να συγκρατήσει και ένα κουάρκ με ένα αντικουάρκ στο εσωτερικό σωματιδίων που ανιχνεύτηκαν στην κοσμική ακτινοβολία είτε στους μεγάλους επιταχυντές, όπως το πιόνιο ή το καόνιο . Ένας τέτοιος συνδυασμός είναι είτε ύλη είτε αντιύλη . Αν ένα κουάρκ συναντήσει αντικουάρκ σε ένα χώρο μινιατούρα του νεογέννητου Σύμπαντος που εκτείνεται σε 10^-9 μέτρα η συνάντηση θα οδηγήσει σε εξαφάνιση και των δύο. Αυτό σημαίνει ότι σωματίδια όπως τα καόνια και πιόνια δεν επιβιώνουν παρά για ένα μικρό κλάσμα δευτερολέπτου.

Η εργαστηριακή εμπειρία έδειχνε τι συμβαίνει όταν ένα πρωτόνιο συναντά ένα αντιπρωτόνιο. Ορισμένες φορές το ένα παρασύρει το άλλο, άλλοτε συγκρούονται μεταξύ τους και οι συνέπειες ποικίλλουν. Όσο μεγαλύτερες είναι οι τιμές ενέργειας κατά τη σύγκρουση τόσο περισσότερα πιόνια ή ακτίνες γ προκύπτουν ως έκρηξη. Οι ερευνητές διδάχτηκαν πολλά από την εργαστηριακή εμπειρία και αν κάποιος φτιάξει μια πηγή αντιύλης ή μια βόμβα ή εάν κάποιο θραύσμα βράχου αντιύλης προσπέσει στην ατμόσφαιρα μπορούν μέσα από πιθανότητες να προβλέψουν αυτό που θα συμβεί.

Αυτό που δίδαξε η εργαστηριακή εμπειρία είναι ότι η annihilation δεν είναι ακαριαία . Ένα πρωτόνιο και ένα αντιπρωτόνιο, κατά τη συνάντησή τους θα έχουν ένα σύντομο ταγκό, κατά το οποίο θα ερωτοτροπήσουν λίγο πριν οδηγηθούν στον αναπόφευκτο θάνατό τους.

Αν το πρωτόνιο πλησιάσει σχετικώς αργά το αντιπρωτόνιο, θα παγιδευτεί για λίγο στο ηλεκτρικό του πεδίο με σοβαρό ενδεχόμενο να κινηθεί ως δορυφόρος γύρω του, όπως συμβαίνει με το ηλεκτρόνιο στο μοντέλο του Bohr. Δεν θα μείνει όμως εκεί διότι θα εκπέμπει ακτινοβολία γ και η τροχιά θα συρρικνώνεται . Το αντιπρωτόνιο μεταπίπτει σε μια όλο και μικρότερη τροχιά και εισέρχεται έτσι στην περιοχή δράσης της ισχυρής δύναμης, η οποία είναι ακαταμάχητη για πρωτόνια και αντιπρωτόνια. Ο ερωτικός χορός διαρκεί για περίπου ένα εκατοστό του δευτερολέπτου, αλλά από τη στιγμή που δρα η ισχυρή δύναμη η καταστροφή είναι περίπου ακαριαία. Τα σωματίδια εξαφανίζονται αφήνοντας στη θέση του φωτόνια γ και πιόνια. Τα πιόνια, συγκροτούμενα από κουάρκ και αντικουάρκ είναι δομές θνησιγενείς και αυτοκαταστρέφονται αφήνοντας επιπλέον φωτόνια γ και ενδεχομένως ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια και φαντάσματα νετρίνα .

5. Νετρίνο και αντινετρίνο .

α. Νετρίνο, ένα πλάσμα της σκέψης του Pauli

Από τη δεκαετία του 1920 η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

εμπλουτισμένη από την ισοδυναμία μάζας- ενέργειας Ε = mc² είχε γίνει

μία από τις «δέκα εντολές της επιστήμης» ένας οδηγός Αλήθειας.

Ένα από τα φαινόμενα που δεν είχαν ικανοποιητικά ερμηνευτεί ήταν η ραδιενέργεια β .

Η θεωρία που είχε προταθεί παραβίαζε τον νόμο ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ της ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ καθώς έλειπε μια ποσότητα ενέργειας από τον ισολογισμό. Το 1930 για πρώτη φορά σε επιστολή και το 1933 σε δημόσια παρουσίαση ο Wolfgang Pauli - γεννημένος στη Βιέννη δυο χρόνια μεγαλύτερος από τον Dirac - διατηρώντας «θρησκευτική πίστη» στην εντολή της ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ προχώρησε τολμηρά στην επινόηση της ύπαρξης ενός ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ το οποίο όφειλε να έχει πολύ μικρή μάζα και να μην έχει ηλεκτρικό φορτίο . Πίστεψε ότι υπάρχει ένα σωματίδιο – φάντασμα, το οποίο ήταν ίσως αδύνατο να ανιχνευτεί.

Η πρόταση συνάντησε αρχικά αντίσταση ή αδιαφορία. Ανάμεσα στους πολέμιους ήταν ο Niels Bohr, o Hans Bethe συμπέρανε ότι «δεν υπάρχει πρακτικά εφικτός τρόπος να παρατηρηθεί το νετρίνο» , ενώ ο Dirac είχε απορρίψει το νετρίνο προκρίνοντας την εναλλακτική λύση της παραβίασης της Διατήρησης της ενέργειας, την οποία είχε προκρίνει και ο Bohr.

Το 1932, ο συνομίληκός του Pauli , αλλά γεννημένος στη Ρώμη, Enrico Fermi έχοντας πιστέψει στην ύπαρξη του σωματιδίου, του έδωσε και όνομα. Το βάφτισε neutrino που στα ιταλικά σημαίνει «ουδετεροπιτσιρίκι». Στα ελληνικά καταγράφηκε ως ΝΕΤΡΙΝΟ .

Στα χρόνια που ακολούθησαν καμία από τις ιδέες που προτάθηκαν

για την ανίχνευσή του δεν καρποφόρησε .

Το χωρίς ηλεκτρικό φορτίο «πλάσμα της σκέψης του Pauli»

ή δεν αλληλεπιδρούσε με την ύλη

ή εκδήλωνε μια άγνωστη, μέχρι τότε, αλληλεπίδραση

ή δεν υπήρχε .

ίσως, πάλι, η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ να ήταν ένας νόμος

που δεν ίσχυε στην περίπτωσή του

Και κύλησαν χρόνια πολλά με τους φυσικούς, που πίστευαν

στην ύπαρξή του, να κυνηγούν το πιτσιρίκι φάντασμα

Η γόνιμη ιδέα για την ανίχνευση του νετρίνο έκανε τελικά την εμφάνισή της το έτος 1956,

25 ολόκληρα χρόνια μετά τη νοητική σύλληψη, και αυτό έγινε στο USA από τους συνεργαζόμενους Clyde Cowan και Frederick Reines.

Στο μεταξύ οι φυσικοί διέθεταν στο μεν στο ερευνητικό τους οπλοστάσιο, επιταχυντές, πυρηνικούς αντιδραστήρες και θαλάμους φυσαλίδων, ενώ παράλληλα το θεωρητικό τους οπλοστάσιο διέθετε την πεποίθηση για την ύπαρξη ποζιτρονίου αντιύλης και μια θεωρία για την annihilation.

β. Τα νετρίνα υπάρχουν και όχι μόνο στη σκέψη των θεωρητικών

Η ΙΔΕΑ . Ο σχεδιασμός του πειράματος των Cowan και Reines βασιζόταν στην ιδέα ότι ΝΕΤΡΙΝΑ θα βρίσκονταν, σε σημαντική ποσότητα, κοντά σε πυρηνικό αντιδραστήρα

αλλά και στην ιδέα ότι καθένα από αυτά θα αλληλεπιδρούσε με πρωτόνιο p+, με συνέπεια την εμφάνιση ενός νετρονίου n⁰ και ενός ποζιτρονίου e⁺

Στη συνέχεια το ποζιτρόνιο e+ θα συναντούσε ηλεκτρόνιο, θα συνέβαινε annihilation - εξαΰλωση με εμφάνιση δύο ανιχνεύσιμων φωτονίων γ

Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΙΔΕΑΣ . Και αυτό τελικά συνέβη.

Χρησιμοποίησαν πυρηνικό αντιδραστήρα, ένα δοχείο με νερό που «πρόσφερε» τα πρωτόνια και έναν σπινθηριστή μέσα στο δοχείο ο οποίος ανίχνευσε ακτινοβολία γ.

Και τα φωτόνια ανιχνεύτηκαν

Ο σχεδιασμός προέβλεπε και την ανίχνευση των νετρονίων .

Η ΙΔΕΑ . Το κάθε νετρόνιο n⁰ θα μπορούσε να «συλληφθεί» από συγκεκριμένο ατομικό πυρήνα, και η σύλληψη θα συνοδευόταν από ανιχνεύσιμα φωτόνια γ .

Η ΓΝΩΣΗ . Ήξεραν ότι ο πυρήνας του καδμίου ήταν ένα εξαιρετικός «απορροφητής» νετρονίων και ότι η «σύλληψη» κάθε νετρονίου συνοδευόταν από εκπομπή φωτονίου γ n⁰ + ¹⁰⁸ Cd → ¹⁰⁹ Cd + γ

Η ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΙΔΕΑΣ. Στο δοχείο με το νερό είχαν προσθέσει χλωριούχο κάδμιο, Και το εγχείρημα δικαιώθηκε. Με τον σπινθηριστή ανιχνεύτηκαν φωτόνια γ

με μετρήσιμη χρονική καθυστέρηση από τα «άλλα» φωτόνια, αυτά που είχαν προκύψει με την annihilation - εξαΰλωση

Η σύμπτωση των δύο ανιχνεύσεων οδηγούσε σε ένα είδος βεβαιότητας για την ύπαρξη του νετρίνο. Πολλά χρόνια αργότερα, το 1995, στον Frederick Reines , απονεμήθηκε το βραβείο Nobel Φυσικής. Ο Clyde Cowan είχε φύγει από τη ζωή

Το νετρίνο από σωματίδιο φάντασμα έγινε στοιχειώδες σωματίδιο,

ενσωματωμένο στον κορμό της Φυσικής.

Κατά δεκαετία του 1960, ο Leon Ledermann, υποστήριξε ότι υπάρχουν και άλλες δύο «γεύσεις» νετρίνων ( νετρίνο του μιονίου και νετρίνο του ταυ ) και η εξέλιξη τον δικαίωσε.

Τα τρία νετρίνα μαζί με το ηλεκτρόνιο και τα δύο παχουλά ξαδερφάκια του ( το μ και το τ ) συνιστούν την εξάδα των λεπτονίων του σήμερα.

Τα νετρίνα είναι τα πλέον διειδυτικά σωματίδια του Σύμπαντος αλλά και το πλέον ασύλληπτα. Γεννήθηκαν στη σκέψη του Pauli ως σωματίδια με μηδενική μάζα, ήρθαν στο φως της εμπειρίας το 1957 και διατηρήθηκαν στη σκέψη των φυσικών ως σωματίδια με μηδενική μάζα, αλλά κατά την πρώτη δεκαετία του 21^ου αιώνα θεωρήθηκαν σωματίδια με μάζα, αλλά μάζα αφάνταστα μικρή .

γ. Αντινετρίνο

Το νετρίνο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο και για την ένταξή του στην ύλη ή στην αντιύλη υπάρχει πρόβλημα. Βέβαια χωρίς ηλεκτρικό φορτίο είναι και το ΦΩΤΟΝΙΟ αλλά αυτό ανήκει στην οικογένεια των μποζονίων τα οποία δεν έχουν πρόβλημα ένταξης στην ύλη ή στην αντιύλη. Το νετρίνο όμως, μαζί με το ηλεκτρόνιο και τα κουάρκ, ανήκει στην οικογένεια των φερμιονίων τα οποία υπακούουν στην απαγορευτική αρχή και στην εξίσωση του Dirac και «ενδιαφέρεται» για το εάν ανήκει στην ύλη ή στην αντιύλη. Το ερώτημα λοιπόν υπάρχει : «Τι είναι αυτό που διακρίνει ένα χωρίς φορτίο νετρίνο από ένα χωρίς φορτίο αντινετρίνο ;»

Χωρίς ηλεκτρικό φορτίο σωματίδιο είναι και το ΝΕΤΡΟΝΙΟ, αλλά το νετρόνιο έχει εσωτερική δομή και σήμερα θεωρούμε ότι διακρίνεται από το αντινετρόνιο καθώς εκείνο συγκροτείται από δύο κουάρκ down και ένα up ενώ το αντισωματίδιό του συγκροτείται από δύο antidown και ένα antiup. Το πρόβλημα με το νετρίνο είναι ότι δεν έχει εσωτερική δομή, είναι σωματίδιο έσχατο-στοιχειώδες . Είναι ένα «σχεδόν τίποτα» με σπιν το οποίο ταξιδεύει στο χώρο με την ταχύτητα περίπου του φωτός .

Το μόνο που έχει είναι «το δικό του σπιν» αλλά αυτό είναι αρκετό για να διαλευκάνουμε το αίνιγμα ύλη ή αντιύλη ;

Ενώ επί πενήντα περίπου χρόνια η ιδιότητα σπιν ήταν αυτή που μας οδηγούσε στη διάκριση νετρίνο και αντινετρίνο, τα τελευταία πέντε χρόνια η άποψη που φαίνεται να επικρατεί είναι :

ενώ για τα φωτόνιο θεωρούμε ότι δεν είναι ούτε ύλη ούτε αντιύλη,

κάποιες βαριές παραλλαγές των νετρίνων θεωρούμε ότι ανήκουν

και στην ύλη και στην αντιύλη .

Με κριτήριο το σπιν ένα νετρίνο μπορεί σε κάποια στιγμή να είναι δεξιόστροφο ή αριστερόστροφο. Δεξιόστροφο σημαίνει ότι ενώ η ιδιοπεριστροφή του γίνεται κατά τη φορά που στρέφουμε το ανοιχτήρι - τιρμπουσόν ( για να ανοίξουμε το εμφιαλωμένο κρασί ) η κίνηση του γίνεται κατά την κατεύθυνση που προχωρά ο κοχλίας του τιρμπουσόν .

Στην αντίθετη περίπτωση χαρακτηρίζεται αριστερόστροφο .

Σύμφωνα με τη θεωρία της Σχετικότητας τα σωματίδια με μάζα μπορούν να έχουν spin είτε δεξιόστροφο είτε αριστερόστροφο και σε ορισμένες αλληλεπιδράσεις το σπιν τους είναι δυνατόν να αναστρέφεται . Τι συμβαίνει με τη μάζα του νετρίνο ; Τα τελευταία χρόνια έχουμε οδηγηθεί στο συμπέρασμα ότι τα νετρίνα – ή τουλάχιστον αυτά που εκπέμπονται είτε κατά τη ραδιενέργεια είτε κατά τις διεργασίες σύντηξης στο εσωτερικό των άστρων – έχουν μάζα . Πάρα πολύ μικρή μάζα – η συνολική μάζα περίπου 10000 από αυτά είναι η μάζα του ηλεκτρονίου – αλλά όχι μηδενική, όπως τα φωτόνια.

Συνεπώς τόσο τα νετρίνα όσο και τα αντινετρίνα είναι σωματίδια που μπορούν να αναστρέφουν το σπιν τους.

Σήμερα οι φυσικοί για να οδηγηθούν στην ένταξή του νετρίνο

σε ύλη ή σε αντιύλη δεν βασίζονται στο σπιν του

Το πρόβλημα δεν έχει ολοκληρωτικά αντιμετωπιστεί.

Μπορούμε προς το παρόν να περιοριστούμε στην άποψη ότι

υπάρχει ένα σωματίδιο νετρίνο και πως εάν είναι αριστερόστροφο έχει κάποια συγγένεια με το ηλεκτρόνιο ενώ το δεξιόστροφο έχει συγγένεια με ποζιτρόνιο

Ας δούμε όμως και τι σημαίνει «έχει συγγένεια» με ηλεκτρόνιο ή με ποζιτρόνιο

Κατά τη ραδιενέργεια +β, ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο και

α. για να μην παραβιάζεται η διατήρηση του φορτίου θεωρούμε ότι ταυτόχρονα εκπέμπεται ένα ποζιτρόνιο, ενώ

β. για να μην παραβιάζεται η διατήρηση της ενέργεια θεωρούμε ότι εκπέμπεται και ένα νετρίνο, όπως σωστά είχε υποθέσει ο Pauli.

Πρέπει όμως να διατηρηθεί και ο «net number» των φερμιονίων και αυτό ισχύει καθώς το σωματίδιο της αντιύλης ποζιτρόνιο αντισταθμίζεται από το σωματίδιο της ύλης νετρίνο.

Αντίθετα κατά τη ραδιενέργεια β – εκπομπή ηλεκτρονίων – ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο και για να διατηρηθεί το ολικό φορτίο, η ενέργεια και ο «net number» των φερμιονίων, θεωρούμε ότι εκπέμπεται ηλεκτρόνιο, και αντινετρίνο

ν_e + n⁰→ p⁺ + e^-

Αν στη συνέχεια ένα νετρίνο ή ένα αντινετρίνο συγκρουστούν με την ύλη προκαλούν αντίστροφη διεργασία . Ένα νετρίνο μετατρέπει ένα νετρόνιο σε πρωτόνιο με ταυτόχρονη εκπομπή ηλεκτρονίου ,

antinetrino + p⁺→ n⁰ + e⁺

ενώ ένα αντινετρίνο μετατρέπει ένα πρωτόνιο σε νετρόνιο με ταυτόχρονη εκπομπή ποζιτρονίου

Τα νετρίνο έχει κάποια συγγένεια με το ηλεκτρόνιο. Και τα δύο ανήκουν στην ευρύτερη οικογένεια της ύλης. Αντίστοιχα, το αντινετρίνο έχει συγγένεια με το ποζιτρόνιο .

6. Η αντιύλη αποθηκεύεται;

Στο σχετικό ερώτημα για το πώς θα μπορούσαμε να αποθηκεύσουμε αντιύλη η απάντηση είναι δύσκολη διότι σε οποιοδήποτε δοχείο «ύλης» και να τη βάζαμε θα κατέστρεφε τα τοιχώματά του. Υπάρχει ωστόσο απάντηση: Μπορούμε να αποθηκεύσουμε κινούμενα σωματίδια αντιύλης αρκεί ο χώρος να είναι υψηλό κενό, «καλύτερο κι από αυτό του διαστήματος» και η κίνηση των σωματιδίων αυτών να ελέγχεται με μαγνητικά πεδία . Τα σωματίδια λόγου χάρη να κινούνται κυκλικά χωρίς να προσπίπτουν κάπου οπουδήποτε.

7. Τέλη του 20^ου αιώνα. Η αντιύλη στην έρευνα. Ευρώπη.LEP.

Κατά την τελευταία δεκαετία του 20^ου αιώνα, σε βάθος πολλών μέτρων κάτω από ελβετικό και γαλλικό έδαφος, αόρατα σωματίδια της αντιύλης, δημιουργημένα από ανθρώπους, έκαναν «την εμφάνισή τους» ως σωματίδια- ποζιτρόνια για έρευνα.

Αυτό έγινε στον LEP - Large Electon Positron Collider- τον γιγάντιο Collider- συγκρουστή ηλεκτρονίων ποζιτρονίων, το μεγαλύτερο ερευνητικό «εργαλείο» στην ιστορία της επιστήμης.

Ο τεράστιος αυτός δακτύλιος του CERN είχε οκτώ καμπύλους τομείς , καθέναν με μήκος 3 χιλιομέτρων αλλά και ευθύγραμμους τομείς ανάμεσά τους, καθέναν με μήκος 500 μέτρων, με 3500 χιλιάδες μαγνήτες να «λυγίζουν» τις δέσμες ώστε να διαγράφουν τροχιές στο σχήμα του δακτυλίου ενώ 1000 ακόμα μαγνήτες ήταν κατασκευασμένοι έτσι ώστε να εστιάζουν τις δέσμες και να δημιουργούν τεράστιες συγκεντρώσεις ηλεκτρικού φορτίου .

Ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Ηλεκτρόνια προερχόμενα από απογύμνωση –ιονισμό- ατόμων τα οποία είχαν στη συνέχεια επιταχυνθεί από μικρό επιταχυντή και ποζιτρόνια δημιουργημένα από βομβαρδισμό στόχων από βολφράμιο με ηλεκτρόνια και με την ενέργεια της σύγκρουσης να παράγει ποζιτρόνια και περαιτέρω ηλεκτρόνια Τα ποζιτρόνια αποθηκεύονταν σε ένα δακτύλιο συσσώρευσης στο πνεύμα της συσκευής Van der Meer * * * .

Στο εσωτερικό του δακτυλίου, στον χώρο που γίνονταν τα ταξίδια των σωματιδίων επικρατούσε ΚΕΝΟ , υψηλότερο και από το κενό στην επιφάνεια της Σελήνης, το υψηλότερο κενό που δημιουργήθηκε ποτέ στη βιόσφαιρα του δικού μας πλανήτη.

Τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τα ποζιτρόνια της Αντιύλης έτρεχαν με τρομακτική ταχύτητα, διαγράφοντας τον 27 χιλιομέτρων δακτύλιο 11000 φορές το δευτερόλεπτο, ενώ ταυτόχρονα τα μαγνητικά πεδία καθοδηγούσαν τα ποζιτρόνια σε αντίθετες κατευθύνσεις σε σχέση με εκείνες των ηλεκτρονίων. Τα μονοπάτια των μεν μπορούσαν να τα διατηρούν σε διακριτικά μικρή απόσταση από τα μονοπάτια των δε αλλά σε τέσσερα σημεία μικρές ωθήσεις από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία ήταν δυνατόν να εκτρέπουν τις δέσμες έτσι ώστε οι τροχιές να συναντιόνται.

Η όλη κατάσταση ήταν σαν τα αόρατα σωματίδια της ύλης και της αντιύλης να τραγουδούσαν στη Φυσική

μες στις υπόγειες στοές

ώσπου οι τροχιές μας συναντάνε

τις βασικές σου τις Αρχές

Σε αυτές τις συναντήσεις συνέβαινε – με πολύ μικρή βέβαια πιθανότητα αλλά «συνέβαινε» - ένα ταχύτατα κινούμενο ηλεκτρόνιο να συναντά ένα σε αντίθετη κατεύθυνση ταχύτατα κινούμενο ποζιτρόνιο με συνέπεια τον θάνατο και των δύο και την ταυτόχρονη «γέννηση» ποσοτήτων ενέργειας.

Το συνολικό «τοπίο» ήταν κάτι σαν μινιατούρα του Σύμπαντος στις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του .

Εκατοντάδες ερευνητών συνεργάζονταν στο συγκεκριμένο εγχείρημα. Η ανάγκη να έχουν ΑΜΕΣΗ πρόσβαση στα δεδομένα

αλλά και η ανάγκη να μοιράζονται τα αποτελέσματα και να επικοινωνούν άμεσα μεταξύ τους οδήγησε στη μεγάλη ανακάλυψη του www του World Wide Web το οποίο θα σημάδευε τις κοινωνικές εξελίξεις σε βαθμό που δεν μπορούσε κανείς να προβλέψει. Στον μεγάλο Collider του CERN, Ύλη και Αντιύλη αμοιβαία καταστρέφονταν αλλά ταυτόχρονα εκτός από ενέργεια σε μορφή φωτονίων και γεννιόταν και το World Wide Web. Σήμερα στην ίδια θέση λειτουργεί ο τεράστιος LHC - Large Hadron Collider, Μέγας «συγκρουστής» αδρονίων .

Κατά τη δεκαετία του 1990, στο Fermilab– στη Batavia του Illinois - έκανε την εμφάνισή του και ο Tevatron, γιγάντιος επιταχυντής , Collider πρωτονίων και αντιπρωτονίων

Παραπομπές

* Matrix . Οι μήτρες

* * Ο πρώτος σημαντικός επιταχυντής ήταν το Cyclotron δημιούργημα κυρίως του Ernest Lawrence, Αμερικανού φυσικού της γενιάς του Pauli, του Heisenberg, του Anderson και του Dirac. Ήταν η μηχανή που επαναστατικοποίησε τη φυσική των σωματιδίων και εγκαινίασε την εποχή της «μεγάλης και ακριβής επιστήμης». Παράλληλα ήταν η απαρχή μιας εποχής που θα έθετε, για πρώτη φορά, τις ΗΠΑ στην πρωτοπορία της σχετικής έρευνας . Εγκαταστάθηκε το 1932 , στο Berkeley . Επρόκειτο για μία «αμερικανική τεχνολογία» την οποία δεν, κατά τη δεκαετία του 1930, δεν την κατείχε κανείς εκτός από τον Lawrence και τους συνεργάτες του.

Μία σοβαρή μετεξέλιξη ήταν το Synchrotron, δημιούργημα επίσης Αμερικανού, στο Berkeley, το 1945. Ενώ το Cycloton χρησιμοποιούσε σταθερής συχνότητας ηλεκτρικό πεδίο για την αύξηση της ταχύτητας των ηλεκτρονίων και χρονικώς σταθερό μαγνητικό πεδίο για την κυκλική τους κίνηση, στο Synchrotron και τα δύο πεδία ήταν χρονικώς μεταβαλλόμενα. To Bevatron ήταν ένα ασθενούς εστίασης Synchrotron

[

* * * Το 1980 στο CERN, ο Ολλανδός Simon Van der Meer, επινόησε μια συσκευή για την αποθήκευση αντιπρωτονίων, στα πλαίσια ενός σχεδίου έρευνας με βάση τη σύγκρουση πρωτονίων και αντιπρωτονίων .

Η θεωρητική ιδέα για την εργαστηριακή αυτή αναζήτηση ήταν ότι «από τη σύγκρουση πρωτονίων και αντιπρωτονίων» θα μπορούσαν να προκύψουν - όχι απλώς φωτόνια γ, όπως συμβαίνει με τη σύγκρουση ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων - αλλά σωματίδια W και Z, κάτι σαν «βαριά φωτόνια» τα οποία είχαν θεωρητικά προβλεφθεί ως φορείς της ασθενούς δύναμης αλλά δεν είχαν μέχρι τότε εντοπιστεί . Το εγχείρημα, υπό την καθοδήγηση του Carlo Rubia, στέφθηκε τελικά με επιτυχία και πολύ σύντομα ο Simon Van der Meer μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής 1984 με τον Carlo Rubia .