Αναζητώντας τη «πέμπτη δύναμη» της φύσης μέσα στους πυρήνες των ατόμων

Εδώ και δεκαετίες, η φυσική εξηγεί το Σύμπαν βασιζόμενη σε τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις: την ηλεκτρομαγνητική, τη βαρύτητα και τις δύο πυρηνικές δυνάμεις —την ισχυρή και την ασθενή. Όλες οι γνωστές αλληλεπιδράσεις, από την τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο έως τη διάσπαση ενός ατόμου, υπακούν σε αυτές τις τέσσερις επιδράσεις. Όμως, νέα δεδομένα από διεθνή ομάδα φυσικών δείχνουν πως ίσως υπάρχει και κάτι ακόμα: μια πέμπτη δύναμη που μέχρι σήμερα διαφεύγει της προσοχής μας.

Ερευνητές από τη Γερμανία, την Ελβετία και την Αυστραλία προχώρησαν σε μία από τις πιο λεπτομερείς έρευνες για το ενδεχόμενο ύπαρξης μιας άγνωστης δύναμης που δρα βαθιά στο εσωτερικό των ατόμων. Στρέφοντας το βλέμμα τους στους πυρήνες ατόμων ασβεστίου, οι επιστήμονες προσπάθησαν να εντοπίσουν ενδείξεις για μια αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων και νετρονίων, που δεν εξηγείται από το υπάρχον Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της φυσικής.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι το εργαλείο με το οποίο η φυσική περιγράφει τον μικρόκοσμο: σωματίδια όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια, και οι δυνάμεις που τα ενώνουν ή τα απωθούν. Παρότι έχει σταθεί εξαιρετικά ακριβές σε πειραματικές δοκιμές, υπάρχουν ερωτήματα που δεν μπορεί να απαντήσει. Για παράδειγμα, η φύση της Σκοτεινής Ύλης παραμένει άγνωστη. Το ίδιο και η απουσία μιας ποσοτικής θεωρίας για τη βαρύτητα. Και κυρίως, τίποτα δεν εξηγεί γιατί μετά το Big Bang κυριάρχησε η ύλη έναντι της αντιύλης.

Σε αυτή την προσπάθεια να καλυφθούν τα κενά, οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν προτείνει νέες δυνάμεις και σωματίδια. Ανάμεσα σε αυτά βρίσκεται το υποθετικό σωματίδιο Yukawa, ένας πιθανός μεσολαβητής μιας νέας δύναμης που δρα ανάμεσα στα σωματίδια ενός ατομικού πυρήνα. Αν υπάρχει, θα είχε μια διακριτική επίδραση στην αλληλεπίδραση μεταξύ νετρονίων και ηλεκτρονίων.

Η καινοτομία της συγκεκριμένης έρευνας έγκειται στο ότι δεν αναζήτησε αυτή την υποθετική δύναμη σε μακροσκοπικές ή κοσμολογικές κλίμακες, όπως συνήθως επιχειρείται, αλλά μέσα στις τροχιές των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα και συγκεκριμένα, σε πέντε διαφορετικά ισότοπα του ασβεστίου. Οι επιστήμονες παρατήρησαν πώς τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα και ανέλυσαν το πώς αυτή η μετάβαση επηρεάζεται από τη δομή του πυρήνα.

Καθώς αλλάζει ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα, μεταβάλλονται και οι λεπτομέρειες της ατομικής μετάβασης. Οι παραλλαγές αυτές μπορούν να αποτυπωθούν γραφικά σε αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν “King plot”. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, αυτές οι γραφικές παραστάσεις πρέπει να εμφανίζουν ορισμένες προβλέψιμες σχέσεις. Όταν όμως οι τιμές αποκλίνουν —όπως φάνηκε να συμβαίνει σε αυτή την περίπτωση— τότε ανοίγει το ενδεχόμενο ύπαρξης μιας επιπλέον δύναμης που παρεμβαίνει στο σύστημα.

Οι ερευνητές, χρησιμοποιώντας ισότοπα του ασβεστίου σε δύο διαφορετικές καταστάσεις ιονισμού, κατάφεραν να μετρήσουν τις μεταβάσεις των ηλεκτρονίων με ακρίβεια τέτοια που άφηνε μικρά περιθώρια για άγνωστες επιδράσεις. Οι αποκλίσεις που παρατηρήθηκαν θα μπορούσαν να οφείλονται στην επίδραση ενός σωματιδίου με μάζα κάπου μεταξύ 10 και 10 εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (eV), που ίσως δρα ως μεσολαβητής μιας πέμπτης δύναμης.

Αξιοσημείωτο είναι ότι οι ερευνητές κατάφεραν να αποδώσουν σχεδόν ολόκληρη την αβεβαιότητα των αποτελεσμάτων σε έναν μόνο παράγοντα. Αυτό το εύρημα, αντί να προκαλεί απογοήτευση, ενισχύει τη σημασία του πειράματος, αφού υποδηλώνει ότι ίσως πρόκειται για κάτι περισσότερο από απλή μαθηματική απόκλιση.

Αναμφισβήτητα, δεν πρόκειται ακόμη για απόδειξη της ύπαρξης νέας φυσικής. Χρειάζονται περαιτέρω μετρήσεις και βελτιωμένες θεωρητικές προσεγγίσεις για να διαπιστωθεί αν αυτές οι μικρές διαφοροποιήσεις οφείλονται σε ήδη γνωστές επιδράσεις ή αν αποτελούν όντως τις πρώτες ενδείξεις για μια πέμπτη θεμελιώδη δύναμη. Ωστόσο, η μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters δίνει στους επιστήμονες σαφείς κατευθύνσεις για το πού να κοιτάξουν στη συνέχεια.

Αν αποδειχθεί πως μια τέτοια δύναμη υπάρχει, η ανακάλυψη αυτή δεν θα επηρεάσει μόνο το πώς αντιλαμβανόμαστε την ύλη και την ενέργεια, αλλά ίσως οδηγήσει και σε μια νέα γενιά τεχνολογικών εφαρμογών.

*Η κεντρική εικόνα προέρχεται από το blog του Manuel Alfaro στο Medium.

[via]