Τα νετρίνα ταξιδεύουν ταχύτερα από το φως!

Γράφει ο ΣΠΥΡΟΣ ΜΑΝΟΥΣΕΛΗΣ

Προχθές το απόγευμα στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών (CERN) της Γενεύης πραγματοποιήθηκε η πολυαναμενόμενη ανακοίνωση για τα απρόσμενα πειραματικά δεδομένα σχετικά με τα νετρίνα.

Η επίσημη ανακοίνωση ήλθε -με καθυστέρηση μιας εβδομάδας- να θέσει ένα τέλος στις υπερβολές και τα κουτσομπολιά που από μέρες κυκλοφορούσαν στο Διαδίκτυο σχετικά με τα τελευταία και ιδιαίτερα ανατρεπτικά δεδομένα που μόλις προέκυψαν από το ερευνητικό πρόγραμμα OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus).
Το πρόγραμμα OPERA είναι ένα διεθνές πείραμα που ξεκίνησε το 2006 στη Γενεύη και συνίσταται στην εκπομπή μιας πυκνής δέσμης νετρίνων, η οποία παράγεται από τον μεγάλο επιταχυντή του CERN, διασχίζει μια απόσταση 732 χιλιομέτρων μέσα από την οροσειρά των Αλπεων και φτάνει, μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, στο υπόγειο εργαστήριο του Ιταλικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (INFN) στο Gran Sasso, όπου βρίσκεται ένας πανίσχυρος ανιχνευτής νετρίνων: μια γιγάντια «φωτογραφική μηχανή» που ονομάζεται OPERA, ζυγίζει 1,3 τόνους και είναι ειδικά κατασκευασμένη για να «απαθανατίζει» όλα τα νετρίνα που φτάνουν σε αυτήν (βλ. σχετικά άρθρα μας στην «Ε» 12-06-10 και 03-07-10).
Ζητήσαμε από τον Σταύρο Κατσανέβα, διαπρεπή αστροσωματιδιακό φυσικό και έναν από τους σχεδιαστές του πειράματος OPERA, να μας πει ποια είναι τα νέα δεδομένα που μόλις ανακοίνωσαν στη Γενεύη και γιατί πολλοί ειδικοί πιστεύουν ότι αυτά μπορεί να ανατρέψουν το σκηνικό στη σύγχρονη φυσική.
* Μόλις χθες έγινε στο CERN μια πολύ σημαντική επιστημονική ανακοίνωση. Τι ακριβώς ανακοινώθηκε;
«Ανακοινώθηκαν τα τελευταία αποτελέσματα που προέκυψαν από το πείραμα OPERA. Η ανάλυση των δεδομένων, τα οποία αφορούσαν τη μέτρηση της ταχύτητας κίνησης των νετρίνων, έδωσε ένα πραγματικά απροσδόκητο αποτέλεσμα: τα νετρίνα που ταξιδεύουν από τη Γενεύη έως το Gran Sasso της Ιταλίας και ανιχνεύονται από τον ισχυρότατο ανιχνευτή OPERA, φτάνουν εκεί 60 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου πριν από τον χρόνο που θα χρειαζόταν το φως για να διανύσει στο κενό την ίδια απόσταση. Με άλλα λόγια, φαίνεται ότι τα νετρίνα ταξιδεύουν με ταχύτητα κατά 25 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου υψηλότερη από την ταχύτητα του φωτός στο κενό!
Για να πραγματοποιήσουν αυτή την έρευνα, οι ερευνητές του OPERA, σε συνεργασία με ειδικούς από το CERN και με ειδικά ινστιτούτα μετρολογίας, έπρεπε να κάνουν μια σειρά από μετρήσεις υψηλής ακριβείας προκειμένου να υπολογίσουν επακριβώς τόσο την απόσταση CERN-Gran Sasso όσο και τον χρόνο πτήσης των νετρίνων.
Η απόσταση μεταξύ της πηγής της δέσμης νετρίνων στη Γενεύη (στο CERN) και του ανιχνευτή στην Ιταλία μετρήθηκε με περιθώριο σφάλματος μερικών εκατοστών, ενώ ο χρόνος πτήσης των νετρίνων προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας προηγμένα συστήματα GPS και ατομικά ρολόγια και λαμβάνοντας υπ' όψιν τον χρόνο απόκρισης όλων των στοιχείων της δέσμης νετρίνων και του ανιχνευτή.
Ολα αυτά περιορίζουν το ποσοστό των συστηματικών σφαλμάτων κατά τη μέτρηση σε ένα επίπεδο μικρότερο των 10 εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου: η καταμετρημένη διαφορά χρόνου είναι 6 φορές μεγαλύτερη από το συστηματικό σφάλμα μέτρησης. Η πιθανότητα λοιπόν το σήμα να είναι απλώς μια στατιστική διακύμανση είναι 3 στο εκατομμύριο».
* Γιατί όμως αυτή η ανακάλυψη θεωρείται τόσο σημαντική και έχει προκαλέσει τέτοια αναστάτωση στη διεθνή επιστημονική κοινότητα;
«Το αποτέλεσμα είναι τόσο αναπάντεχο και ο πιθανός αντίκτυπός του στη φυσική τόσο μεγάλος, ώστε θα ήταν μάλλον πρόωρο να επιχειρήσουμε να εξάγουμε συμπεράσματα ή να προτείνουμε ερμηνείες.
Το βέβαιο είναι ότι αυτή η ανακοίνωση θα αποτελέσει την αφορμή για νέα ανάλογα πειράματα, προκειμένου να επιβεβαιωθεί ή να διαψευσθεί το τελευταίο αποτέλεσμα του OPERA. Αρμόζει λοιπόν, προς το παρόν, να υιοθετήσουμε τη στάση του Gellmann, ο οποίος όταν δημοσίευσε τη μελέτη του που προέβλεπε την ύπαρξη των κουάρκς, δήλωσε χαρακτηριστικά: "Ιδού η θεωρία μου για τα κουάρκς, ας ελπίσουμε ότι κάποιος θα βρει πού βρίσκεται το λάθος"».
* Ωστόσο, θα πρέπει να επιμείνουμε: η επιβεβαίωση και από άλλα πειράματα αυτού του εντυπωσιακού αποτελέσματος τι συνέπειες θα έχει στη μικροφυσική αλλά και, γενικότερα, στις τρέχουσες φυσικές θεωρίες μας;
«Η αδιαμφισβήτητη, μέχρι σήμερα, υπόθεση ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό αποτελεί την ανώτερη δυνατή ταχύτητα συνδέεται άρρηκτα με το "αναλλοίωτο" των νόμων της φύσης κάτω από τους λεγόμενους μετασχηματισμούς Lorentz.
Το "αναλλοίωτο" εδώ σημαίνει ότι αυτοί οι μετασχηματισμοί εξασφαλίζουν τη μετάβαση από το ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς στο άλλο χωρίς οι νόμοι της φύσης να αλλάξουν μορφή. Εξάλλου, το αναλλοίωτο των μετασχηματισμών του Lorentz αποτελεί το θεμέλιο της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, της μόνης θεωρίας για τη βαρύτητα που διαθέτουμε σήμερα, δηλαδή της μοναδικής θεωρίας για το "απείρως" μεγάλο. Η ανυπαρξία σωματιδίων ικανών να κινούνται με ταχύτητα μεγαλύτερη αυτής του φωτός είναι η θεμελιακή υπόθεση όχι μόνο της Θεωρίας της Σχετικότητας αλλά και των περισσότερων σύγχρονων θεωριών. Και αυτή ακριβώς τη θεμελιακή υπόθεση φαίνεται πως διαψεύδουν τα νέα πειραματικά δεδομένα.
Ωστόσο, ο εικοστός αιώνας μάς άφησε ως κληρονομιά, εκτός από τη Γενική Σχετικότητα, και μια άλλη σπουδαία θεωρία, την Κβαντομηχανική, η οποία περιγράφει με ακρίβεια το "απείρως" μικρό.
Το πιο προχωρημένο ερευνητικό-θεωρητικό μέτωπο των τελευταίων 40 χρόνων είναι η μεγάλη, αλλά δυστυχώς ανεπιτυχής, προσπάθεια να βρεθεί μια ενοποιημένη θεωρία ικανή να συμπεριλαμβάνει, χωρίς αντιφάσεις, τόσο τη Γενική Σχετικότητα όσο και την Κβαντομηχανική. Σε αυτή τη μεγάλη ενοποίηση αποβλέπουν π.χ. οι θεωρίες των χορδών, της κβαντικής βαρύτητας βρόγχων, οι θεωρίες πολλαπλών διαστάσεων και μεμβρανών κ.ο.κ.
Ομως για μερικές από τις παραπάνω θεωρίες η χωροχρονική δομή αλλάζει σε υψηλές ενέργειες, το συνεχές του χωροχρόνου διαρρηγνύεται σε έναν "κβαντικό αφρό", ο χωροχρόνος γίνεται μια "αναδυόμενη" ιδιότητα των θεμελειωδέστερων αντιδράσεων κ.ο.κ. Γι' αυτές τις θεωρίες το "αναλλοίωτο" των μετασχηματισμών Lorentz δεν είναι παρά μια προσεγγιστική συμμετρία που παραβιάζεται· όσο για την ύπαρξη σωματιδίων που κινούνται ταχύτερα από το φως, παύει να θεωρείται ταμπού. Συνεπώς, οι θεωρίες αυτές προβλέπουν εν γένει τη δυνατότητα ταχυτήτων μεγαλύτερων από την ταχύτητα του φωτός.
Εξάλλου, η ιστορία της φυσικής μάς διδάσκει ότι οι περισσότεροι φυσικοί νόμοι έχουν "ημερομηνία λήξης": κάποια στιγμή ανακαλύπτουμε μια γενικότερη θεωρία και οι μέχρι τότε καθιερωμένη "νόμοι" μετατρέπονται σε περιορισμένες προσεγγίσεις στο πλαίσιο ενός νέου νόμου με πολύ ευρύτερες εφαρμογές. Αυτό ακριβώς συνέβη στη Νευτώνεια Μηχανική, η οποία στις αρχές του εικοστού αιώνα μετετράπη σε επιμέρους προσέγγιση της θεωρίας του Αϊνστάιν για τις πολύ χαμηλές ταχύτητες σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός.
Το πρόγραμμα OPERA, μεταξύ άλλων, ελέγχει τη θεωρία του Αϊνστάιν σε ένα καθεστώς όπου η ενέργεια είναι τουλάχιστον 100 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την πιθανή μάζα των νετρίνων. Αντίστοιχο καθεστώς συναντάται στην κοσμική ακτινοβολία πολύ υψηλής ενέργειας που μελετάται στο πείραμα AUGER στην Αργεντινή, ή στα νετρίνα και τα φωτόνια υψηλής ενέργειας που εκπέμπονται από τα βίαια κοσμικά φαινόμενα.
Είναι λοιπόν απολύτως δικαιολογημένος ο ενθουσιασμός αλλά και η μεγάλη αναστάτωση για αυτή την ανακάλυψη: αν η μέτρηση αυτή επιβεβαιωθεί από άλλα σχετικά πειράματα, τότε το ερευνητικό και θεωρητικό έργο που διανοίγεται για το άμεσο μέλλον είναι τεράστιο. Ισως ανοίξαμε ένα καινούργιο παράθυρο στον κόσμο».
Ποιος είναι ο Σταύρος Κατσανέβας
Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1953. Σπούδασε Φυσική στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και στο Πανεπιστήμιο Paris 11-Orsay. Εργάστηκε για τρία χρόνια στο Εθνικό Εργαστήριο του επιταχυντή Fermi στο Σικάγο των ΗΠΑ, και πέντε χρόνια στο CERN της Γενεύης. Σήμερα διδάσκει στο Πανεπιστήμιο Paris 7 και είναι υπεύθυνος για την έρευνα στην αστροσωματιδιακή Φυσική και την Κοσμολογία στο ΙΝ2Ρ3 (Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων) του CNRS. Από το 2006 είναι ο πρώτος συντονιστής του ευρωπαϊκού προγράμματος ASPERA (Astroparticle Physics European Research Area Network) με στόχο τη συνεργασία των ευρωπαϊκών κρατών για τη χρηματοδότηση των μεγάλων αστροσωματιδιακών προγραμμάτων του προσεχούς μέλλοντος.