Η ανακάλυψη που θα μπορούσε να αλλάξει τους νόμους της φύσης αλλά δεν επιβεβαιώθηκε ποτέ – τουλάχιστον όχι ακόμα!

Το φθινόπωρο που μας πέρασε το πείραμα MicroBooNE στο εργαστήριο Fermilab λίγο έξω από το Σικάγο των Ηνωμένων Πολιτειών ανακοίνωσε ότι από τα πειραματικά δεδομένα που έχει συλλέξει μελετώντας ένα μυστηριώδης υποατομικό σωματίδιο, το νετρίνο, δεν έχει ανακαλύψει απολύτως τίποτε! Αν και ακούγεται κάπως οξύμωρο, η σημασία του κάνουμε ένα πείραμα, αλλά δεν ανακαλύψαμε τίποτε μπορεί να έχει κάποτε πολύ μεγάλες συνέπειες. Η επιστήμη δεν είναι πάντοτε για να κάνει καινούργιες ανακαλύψεις, αλλά να βοηθά τον άνθρωπο να ανακαλύψει τον κόσμο στον οποίο ζούμε έστω και αν αυτό γίνεται καταρρίπτοντας ή επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματα προηγούμενων πειραμάτων.

Στην προκειμένη περίπτωση το πείραμα MicroBooNE είναι το πρώτο από τα τρία πειράματα που κατασκευάστηκε στο Fermilab για να επιβεβαιώσει τα αποτελέσματα ενός άλλου πειράματος, του MiniBooNE (προσέξτε την μικρή διαφορά στα ονόματα για να μην μπερδευτείτε στην συνέχεια), το οποίο είχε μερικά χρόνια πριν ανακοινώσει ότι είχε πολύ σοβαρές ενδείξεις για μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις στην ιστορία της φυσικής. Τι ήταν όμως αυτές οι ενδείξεις που ανάγκασαν ένα από τα μεγαλύτερα εργαστήρια σωματιδιακής φυσικής να κατασκευάσει τρία καινούργια πειράματα για να τις επιβεβαιώσει ή να τις απορρίψει;

Ας πάρουμε τα πράγματα με την σειρά. Το νετρίνο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο το οποίο παράγεται κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις. Η Γη συνεχώς βομβαρδίζεται από ένα τεράστιο αριθμό νετρίνο, η μεγάλη πλειοψηφία των οποίων παράγεται στον ήλιο. Κάθε δευτερόλεπτο, από το κάθε μας δάχτυλο περνούν τρισεκατομμύρια νετρίνο! Παρόλα αυτά, τα νετρίνο αντιδρούν πάρα πολύ σπάνια με την ύλη με αποτέλεσμα να περνούν ανενόχλητα μέσα από το σώμα μας και να συνεχίζουν το μακρύ αέναο ταξίδι τους. Σήμερα γνωρίζουμε ότι υπάρχουν τρία είδη νετρίνο, τα οποία έχουν την πολύ περίεργη ιδιότητα καθώς προχωράνε μέσα στον χώρο, να μεταμορφώνονται από το ένα είδος στο άλλο. Αυτό το περίεργο φαινόμενο ονομάζεται “ταλαντώσεις νετρίνο” και δεν έχει ακόμη κατανοηθεί πλήρως.

Το MiniBooNE λοιπόν καθώς μελετούσε τις ταλαντώσεις νετρίνο χρησιμοποιώντας τεχνητές δέσμες νετρίνο (μελέτησε δηλαδή νετρίνο τα οποία παράγονται στο εργαστήριο), παρατήρησε ότι τα αποτελέσματά του δεν συμφωνούσαν με το γεγονός ότι υπάρχουν τρία γνωστά είδη νετρίνο, έχοντας ισχυρές ενδείξεις ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν περισσότερα από τρία είδη. Μάλιστα τα επιπλέον είδη νετρίνο, εκτός από την επίδραση της βαρύτητας, δεν θα αντιδρούσαν καθόλου με την ύλη, για αυτό και ονομάστηκαν “στείρα νετρίνο” (sterile neutrino) – οι φυσικοί καμιά φορά διαλέγουμε περίεργα ονόματα για τα υποατομικά σωματίδια. Ένας από τους μοναδικούς τρόπους να ανακαλυφθούν τα “στείρα νετρινο” είναι να παρατηρήσουμε κάποιες ανωμαλίες στις ταλαντώσεις των τριών “κοινών νετρίνο”. Οι ανωμαλίες αυτές θα υποδήλωναν ότι τα τρία “κοινά νετρίνο” ταλαντώνονται και σε “στείρα νετρίνο”. Αυτές ακριβώς τις ανωμαλίες παρατήρησε το MiniBooNE. Αξίζει να αναφέρουμε ότι και μερικά άλλα πειράματα στο παρελθόν είχαν κάποιες ελαφριές ενδείξεις για την ύπαρξη περισσότερων ειδών νετρίνο, όπως είναι για παράδειγμα το LSND στο Los Alamos.

Γιατί όμως μια τέτοια ανακάλυψη θεωρείτε σημαντική; Αυτό έχει να κάνει με το γεγονός πως η κατανόηση της εξέλιξης του σύμπαντος περνάει μέσα από την κατανόηση των νετρίνο. Ειδικά η επικράτηση της ύλης έναντι στην αντιύλη στα αρχικά στάδια της εξέλιξης του σύμπαντος είναι κάτι που τα νετρίνο μπορούν να ρίξουν άπλετο φως. Αν τα “στείρα νετρίνο” υπάρχουν θα πρόκειται για εντελώς νέο είδος σωματιδίου, κάτι ριζοσπαστικό, που δεν περιγράφεται από τις θεμελιώδης

θεωρίες της φυσικής, όπως το Standard Model. Η ύπαρξη των “στείρων νετρίνο” μπορεί ακόμα να συνδεθεί και με το μυστήριο της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν.

Παρόλα αυτά το MiniBooNE αντιμετώπιζε ένα σοβαρό πρόβλημα, δεν μπορούσε να διακρίνει με μεγάλη ακρίβεια τα ηλεκτρόνια από τα φωτόνια, και τα δυο παράγωγα των αντιδράσεων των “κοινών νετρίνο” με την ύλη. Εάν ένας μεγάλος αριθμός φωτονίων μπερδευτεί με ηλεκτρόνια, τότε οι ταλαντώσεις των νετρίνο θα παρουσιαστούν διαταραγμένες, κάτι που θα μπορούσε να παρερμηνευτεί σαν ένα τέταρτο είδος (“στείρου”) νετρίνο.

Οι ισχυρές ενδείξεις του MiniBooNE έπρεπε να εξεταστούν με περισσότερη λεπτομέρεια. Κάπως έτσι γεννήθηκε το MicroBooNE, το οποίο χρησιμοποίησε 170 τόνους από υγρό αργό για να μελετήσει τις αντιδράσεις των νετρίνο με την ύλη. Το υγρό αργό έχει μοναδικές ιδιότητες στο να ανιχνεύει υποατομικά σωματίδια, είναι κάτι σαν κάμερα υψηλής σωματιδιακής ευκρίνειας. Με άλλα λόγια δεν θα μπορούσε να μπερδέψει εύκολα τα ηλεκτρόνια με τα φωτόνια, όπως το χαμηλής σωματιδιακής ευκρίνειας MiniBooNE. Μετά από 3 χρόνια έρευνας το MicroBooNE δεν επιβεβαιώνει τα αποτελέσματα του MiniBooNE, δεν υπάρχει δηλαδή καμία ένδειξη για “στείρα νετρίνα”. Το ερώτημα όμως παραμένει, αν δεν είναι στείρα νετρίνο τότε πως στην ευχή εξηγούμε τα ανώμαλα αποτελέσματα του MiniBooNE; Πρόκειται για πειραματικό σφάλμα ή μήπως κρύβεται κάτι άλλο; Αυτό ελπίζουμε να το απαντήσουμε με ακόμα δυο πειράματα, τα οποία θα ξεκινήσουν από το 2023 και θα τοποθετηθούν στην ίδια σειρά με το MicroBooNE. Και τα τρία πειράματα θα χρησιμοποιούν υγρό αργό για να μελετήσουν τα νετρίνο. Έτσι, με 3 πειράματα υψηλής σωματιδιακής ευκρίνειας στην σειρά δεν θα υπάρχει καμιά αμφιβολία για το τελικό αποτέλεσμα.

Κατά πόσο οι παρατηρήσεις του MiniBooNE κρύβουν κάτι ανεξήγητο είναι κάτι που δύσκολα θα μάθουμε. Έχουμε καθήκον όμως να κάνουμε ότι είναι δυνατόν με καινούργια και καλύτερα πειράματα να μάθουμε την αλήθεια, και η αλήθεια κάποτε μπορεί να είναι ότι δεν έχουμε ανακαλύψει κάτι, και αφήνουμε την ιδέα των “στείρων νετρίνο” να αναπαυτεί εις τον αιώνα των αιώνων.

Για όσους ενδιαφέρονται μπορούν να διαβάσουν περισσότερα στην επίσημη ανακοίνωση του Fermilab, https://news.fnal.gov/2021/10/microboone-experiments-first-results-show-no-hint-of-a-sterile-neutrino/