Είναι δυνατή η ανίχνευση των βαρυτονίων;

Posted on 06/04/2014

0


carrierΣτη φύση υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις και σε κάθε μία από αυτές αντιστοιχεί ένα στοιχειώδες σωματίδιο που αποτελεί τον φορέα της δύναμης. Έτσι, οι φορείς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης είναι τα φωτόνια, της ασθενούς τα μποζόνια W± και Ζ0 και της ισχυρής τα γλοιόνια.

Ενώ όλα τα παραπάνω σωματίδια έχουν ανιχνευθεί, ο φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης, το βαρυτόνιο (ή γκραβιτόνιο) όχι μόνο δεν έχει ανιχνευθεί, αλλά δεδομένου ότι η βαρύτητα είναι πάρα πολύ ασθενής διατυπώνονται ισχυρά επιχειρήματα από πολλούς φυσικούς ότι η πειραματική τους ανίχνευση είναι αδύνατη (υπενθυμίζεται ότι υπάρχουν κβαντικές θεωρίες της βαρύτητας που δεν χρειάζονται την ύπαρξη βαρυτονίων).

Ο Freeman Dyson είχε διατυπώσει την άποψη ότι, αν δεν υπάρχει κανένας τρόπος ανίχνευσης ενός βαρυτονίου, τότε τίθεται σε αμφισβήτηση η έννοιά του ως φυσική οντότητα.
Το ίδιο ερώτημα, αν δηλαδή «μπορούν τα βαρυτόνια να ανιχνευθούν», προσπάθησαν να απαντήσουν οι Tony Rothman και Stephen Boughn σε μια ενδιαφέρουσα εργασία που δημοσιεύθηκε πριν από μερικά χρόνια (http://arxiv.org/pdf/gr-qc/0601043v3.pdf).

Ως γνωστόν υπάρχουν ήδη πειράματα που προσπαθούν να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα, κάτι που είναι μεν δύσκολο, αλλά απόλυτα εφικτό. Όμως τα βαρυτικά κύματα θεωρούνται ως σύμφωνες καταστάσεις πολλών βαρυτονίων, με τον ίδιο τρόπο που τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι σύμφωνες καταστάσεις πολλών φωτονίων.

Η απάντηση που έδωσαν οι Rothman και Boughn στην εργασία τους, όσον αφορά την ανίχνευση του βαρυτονίου ήταν απογοητευτική: σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους η ανίχνευσή του είναι μάλλον αδύνατη.

Θεωρώντας ως πηγή βαρυτονίων μαύρες τρύπες (και μάλιστα μίνι μαύρες τρύπες – αρχέγονης προέλευσης), υπολόγισαν την ροή βαρυτονίων σε έναν υποθετικό ανιχνευτή που θα περιείχε υδρογόνο. Η ανίχνευση των βαρυτονίων θα γινόταν προφανώς διαμέσου της ασθενικής του αλληλεπίδρασης με την ύλη. Όπως λοιπόν τα φωτόνια μπορούν να προκαλέσουν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο όταν αλληλεπιδρούν με την ύλη, έτσι και τα βαρυτόνια, σύμφωνα με τους Rothman και Boughn, θα μπορούσαν να προκαλέσουν το αντίστοιχο «βαρυτοηλεκτρικό φαινόμενο».

Οι υπολογισμοί της πιθανότητας αλληλεπίδρασης ενός βαρυτονίου με την ύλη του ανιχνευτή έδειξαν ότι η μάζα του ανιχνευτή βαρυτονίων θα έπρεπε να είναι τεράστια – περίπου όση η μάζα του πλανήτη Δία !

Αλλά και στην περίπτωση που θα μπορούσε να κατασκευαστεί ένας τέτοιος τεράστιος ανιχνευτής, θα εμφανιζόταν κι άλλο δυσεπίλυτο πρόβλημα: η θωράκισή του από διάφορες πηγές «θορύβου», όπως τα νετρίνα και άλλα σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας.
Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των Rothman και Boughn η θωράκιση του ανιχνευτή θα οδηγούσε σε μια κατασκευή τεράστιας μάζας η οποία θα κατέρρεε ως μαύρη τρύπα!

Έτσι, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι με τις υπάρχουσες θεωρίες, η ανίχνευση των βαρυτονίων είναι πρακτικά αδύνατη.

Ο Lawrence Krauss και νομπελίστας Frank Wilczek δημοσίευσαν πρόσφατα μια εργασία με τίτλο «Using cosmology to establish the quantization of gravity» (http://arxiv.org/pdf/1309.5343v2.pdf) όπου ισχυρίζονται ότι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου θα μπορούσε να γίνει το «μονοπάτι» που θα μας αποκάλυψει την ύπαρξη των βαρυτονίων.

Οι Krauss and Wilczek υποδεικνύουν ότι η ύπαρξη των βαρυτονίων και η κβαντική φύση της βαρύτητας μπορεί να βρίσκονται κρυμμένα σε κάποια χαρακτηριστικά της μικροκυματικής ακτινοβολίας από το αρχέγονο σύμπαν.

Ο Krauss αναφερόμενος στα συμπεράσματα των Dyson, Rothman και Boughn, σύμφωνα με τα οποία η κατασκευή ανιχνευτή βαρυτονίων είναι αδύνατη, δήλωσε ότι τελικά το ίδιο το σύμπαν λειτουργεί ως ανιχνευτής βαρυτονίων!

Οι Wilczek και Krauss στην εργασία τους συνδυάζουν πράγματα τα οποία είναι ήδη γνωστά, όπως το ότι ο πληθωρισμός δημιουργεί τις αρχέγονες βαρυτικές διακυμάνσεις, την βαρυτική ακτινοβολία υποβάθρου, που αφήνει τα αποτυπώματά της στην αντίστοιχη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου και ότι η μέτρηση της έντασής της είναι εφικτή σε μελλοντικές μετρήσεις πόλωσης της κοσμικής ακτινοβολίας.

Έτσι, χρησιμοποιώντας διαστατική ανάλυση αποδεικνύουν ότι η ένταση της βαρυτικής ακτινοβολίας υποβάθρου είναι ανάλογη με το τετράγωνο της σταθεράς του Planck. To γεγονός αυτό σύμφωνα με τη θεωρία αποδεικνύει ότι η βαρυτική διαδικασία που οδηγεί στην δημιουργία αυτών των κυμάτων είναι ένα εγγενώς κβαντομηχανικό φαινόμενο.

Αυτό σημαίνει ότι η εύρεση των αποτυπωμάτων των βαρυτικών κυμάτων στην πόλωση της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας θα δώσει επίσης και αποδείξεις για την ύπαρξη των βαρυτονίων. Και αυτό είναι απλά θέμα χρόνου.

Ο νομπελίστας Wilczek δήλωσε ενθουσιασμένος από το γεγονός ότι η διαστατική ανάλυση, μια απλή αλλά με μεγάλο βάθος τεχνική που διδάσκει στους μαθητές του, δίνει μια τόσο καθαρή εικόνα σε ζητήματα που η θεωρητική ανάλυση δεν μπορεί καν να προσεγγίσει.

Σύμφωνα με τον Krauss, η νέα γενιά πειραμάτων την επόμενη δεκαετία ή και πιο σύντομα οι μετρήσεις του δορυφόρου Planck, θα αποδείξουν με τον έμμεσο αυτό τρόπο την ύπαρξη των βαρυτονίων.

phys.org