Φασματογράφος Μάζας: Μηχάνημα 200 τόνων θα ζυγίσει το ελαφρύτερο σωματίδιο

Μία πειραματική διάταξη που σχεδιάστηκε ειδικά για τη μέτρηση της μάζας του νετρίνου, του ελαφρύτερου σωματιδίου στο σύμπαν, έθεσαν σε λειτουργία την περασμένη Παρασκευή επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καρλσρούης. Με αυτό τον τρόπο, ξεκίνησαν τη δοκιμαστική φάση του πειράματος KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), η οποία αναμένεται να ολοκληρωθεί μέσα στην επόμενη χρονιά, ώστε στη συνέχεια να αρχίσουν να λαμβάνουν κανονικά μετρήσεις.

Οι φυσικοί του Ινστιτούτου αισιοδοξούν πως με το KATRIN θα μπορέσουν να προσδιορίσουν τη μάζα του νετρίνου με τη μεγαλύτερη έως σήμερα ακρίβεια. Μία μέτρηση η οποία ενδεχομένως θα δώσει ενδείξεις για την ισχύ θεωριών που επεκτείνουν το Καθιερωμένο Πρότυπο, δηλαδή τη θεωρία που εξηγεί τα «συστατικά» της ύλης και τις 3 από τις 4 μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις, ενώ ίσως επίσης ρίξει φως σε άγνωστες έως σήμερα συμπαντικές δομές.

«Πρωταγωνιστής» στο KATRIN είναι ένας φασματογράφος μάζας, δηλαδή μία πειραματική διάταξη η οποία μετρά τις μάζες σωματιδίων. Ωστόσο, για να μπορεί να φέρει σε πέρας τον στόχο του πειράματος, ο συγκεκριμένος φασματογράφος είναι θηριώδης, αφού ζυγίζει 200 τόνους και το πλάτος του φτάνει περίπου τα 10 μέτρα.

Μάλιστα, από την πόλη Ντέγκεντορφ της Γερμανίας όπου κατασκευάσθηκε, χρειάσθηκε να μεταφερθεί πλήρως συναρμολογημένο στην Καρλσρούη. Έτσι, παρόλο που οι δύο πόλεις απέχουν 400 χιλιόμετρα, δεν γινόταν να ταξιδέψει οδικώς στον προορισμό του. Αντίθετα, για να φτάσει στο Ινστιτούτο, χρειάστηκε να καλύψει μία απόσταση 9.000 χιλιομέτρων, διασχίζοντας με πλοίο τη Μαύρη Θάλασσα, τη Μεσόγειο και τα παράλια τoυ Βελγίου και της Ολλανδίας.

Το νετρίνο έχει απειροελάχιστη μάζα και μηδενικό φορτίο, ενώ διακρίνεται σε τρία είδη (ή αλλιώς «γεύσεις»), που μάλιστα δεν «ζυγίζουν» το ίδιο. Στην επιστημονική κοινότητα είναι επίσης γνωστό με το παρατσούκλι «σωματίδιο-φάντασμα», αφού είναι τόσο δύσκολο να παρατηρηθεί, που χρειάσθηκαν τρεις περίπου δεκαετίες για να επιβεβαιωθεί πειραματικά πως υπάρχει.

Ο λόγος είναι πως τα νετρίνα αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με την ύλη, αφού για παράδειγμα ένα «σωματίδιο-φάντασμα» μπορεί να διαπεράσει ανενόχλητο ολόκληρη τη Γη. Επομένως, αν και αφθονούν στο διάστημα και στον πλανήτη μας, καθώς π.χ. κάθε δευτερόλεπτο δισεκατομμύρια τέτοια «φευγαλέα» σωματίδια περνούν μέσα από το σώμα μας, η ανίχνευσή τους κάθε άλλο παρά απλή υπόθεση είναι.

Αν και δεν γνωρίζουμε την απόλυτη μάζα του, υπάρχει ένα ανώτατο όριο γι’ αυτήν, το οποίο έχει προσδιορισθεί από τα έως σήμερα πειράματα. Ακόμη κι έτσι, πάντως, είναι ξεκάθαρο για τους επιστήμονες πως το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί έχει πολύ μικρότερη μάζα από τα υπόλοιπα 9 σωματίδια που συγκροτούν την ύλη.

Ορισμένες θεωρίες, που «πηγαίνουν πέρα» από το Καθιερωμένο Πρότυπο και συχνά βασίζονται στην Υπερσυμμετρία, απαντούν στο παραπάνω ερώτημα προτείνοντας διάφορες υποθέσεις για την προέλευση της μάζας του νετρίνου. Έτσι, με τις μετρήσεις του KATRIN, οι υποθέσεις αυτές θα «αναμετρηθούν» με πειραματικά δεδομένα, κάτι που ενδεχομένως θα οδηγήσει στην κατάρριψη μερικών από αυτές.

Από την άλλη μεριά, τα αποτελέσματα από το KATRIN είναι πιθανό να αλλάξουν τα δεδομένα στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης – δηλαδή του μυστηριώδους υλικού που κατακλύζει το σύμπαν, αποτελώντας το 27% της ύλης – ενέργειας του σύμπαντος. Κι αυτό γιατί, ακόμη κι αν η μάζα των νετρίνων είναι πολύ μικρή, μπορεί να έχει τέτοια τιμή που να συμβάλει έως και κατά 20% στη μάζα του σύμπαντος.

Σε αντίθετη περίπτωση, το συμπέρασμα θα είναι πως η συνεισφορά των νετρίνων στη συμπαντική μάζα είναι αμελητέα, κάτι που θα σημαίνει πως τα σωματίδια δεν παίζουν ουσιαστικά ρόλο στον σχηματισμό κοσμικών δομών μεγάλης κλίμακας.