Νέα ευρήματα λύνουν ένα μυστήριο της φυσικής 30 ετών: Ένα γνωστό, παράξενο σωματίδιο τελικά δεν υπάρχει

Έπειτα από πολλά χρόνια έρευνας, οι ερευνητές που εργάζονται στο πείραμα Micro Booster Neutrino Experiment (MicroBooNE) κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ένα προτεινόμενο σωματίδιο, γνωστό ως στείρο νετρίνο, δεν υπάρχει.

Αυτό το σωματίδιο είχε συζητηθεί ευρέως ως πιθανή απάντηση σε ανεπίλυτα προβλήματα της σωματιδιακής φυσικής.

Δημοσιεύοντας τα ευρήματά τους στο περιοδικό Nature, η ομάδα περιόρισε σημαντικά τη λίστα των εξηγήσεων για ένα από τα πιο επίμονα μυστήρια που αφορούν τα νετρίνα.

«Τα νετρίνα είναι άπιαστα θεμελιώδη σωματίδια που είναι δύσκολο να ανιχνευθούν πειραματικά, ωστόσο συγκαταλέγονται στα πιο άφθονα σωματίδια στο σύμπαν», δήλωσε ο επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα, David Caratelli, ο οποίος ήταν ο συντονιστής φυσικής του πειράματος όταν διεξήχθη αυτή η ανάλυση.

Όπως εξήγησε ο Caratelli, προγενέστερα πειράματα παρήγαγαν αποτελέσματα που έρχονταν σε σύγκρουση με την καθιερωμένη κατανόηση για τα νετρίνα, ωθώντας τους επιστήμονες να εξετάσουν την ύπαρξη ενός τέταρτου τύπου νετρίνου — ενός «στείρου» νετρίνου.

Οι νέες μετρήσεις του MicroBooNE, ωστόσο, δεν υποστηρίζουν αυτή την ιδέα, δείχνοντας ότι τα δεδομένα δεν συνάδουν με την ύπαρξη ενός τέτοιου σωματιδίου.

Ο Caratelli περιέγραψε το αποτέλεσμα ως ένα σημαντικό βήμα προόδου για τον τομέα, σημειώνοντας ότι η εξάλειψη αυτής της μακροχρόνιας υπόθεσης βοηθά στην εντατικοποίηση της αναζήτησης για άλλα εξωτικά σωματίδια.

Παρέχει, επίσης, πολύτιμη καθοδήγηση για την επόμενη γενιά μεγαλύτερων πειραμάτων που έχουν σχεδιαστεί για να διερευνήσουν τη θεμελιώδη φύση των νετρίνων.

Το έργο έλαβε μερική χρηματοδότηση από το Γραφείο Επιστήμης του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (U.S. Department of Energy) και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.

Το αίνιγμα των νετρίνων

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) προσφέρει ένα ισχυρό και εσωτερικά συνεκτικό πλαίσιο για την κατανόηση των σωματιδίων και των δυνάμεων που διαμορφώνουν το σύμπαν, και πολλές από τις προβλέψεις του έχουν επιβεβαιωθεί μέσω πειραμάτων. Παρ’ όλα αυτά, ορισμένες πτυχές παραμένουν ανεξήγητες, συνεχίζοντας να προκαλούν τους φυσικούς.

«Γνωρίζουμε ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο κάνει εξαιρετική δουλειά στην περιγραφή πλήθους φαινομένων του φυσικού κόσμου», δήλωσε ο Matthew Toups, ανώτερος επιστήμονας στο Fermilab και συνεκπρόσωπος του MicroBooNE. «Την ίδια στιγμή, γνωρίζουμε ότι είναι ελλιπές. Δεν εξηγεί τη σκοτεινή ύλη, τη σκοτεινή ενέργεια ή τη βαρύτητα».

Ένα τέτοιο κενό στην κατανόησή μας εντοπίζεται στον τομέα των νετρίνων, για τα οποία το μοντέλο αρχικά προέβλεπε ότι δεν διαθέτουν μάζα.

Ωστόσο, μια σειρά πειραμάτων στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα, που μέτρησαν νετρίνα καθώς κατέφθαναν από το διάστημα, άφησαν αιχμές ότι κάτι περίεργο συνέβαινε με αυτά τα αποκαλούμενα σωματίδια-«φαντάσματα».

Ουσιαστικά, αυτά τα πειράματα παρατήρησαν ότι ορισμένες «γεύσεις» νετρίνων -καθώς αυτά εμφανίζονται σε γεύσεις ηλεκτρονίου, μιονίου ή ταυ νετρίνα- εξαφανίζονταν κατά τη διάρκεια της διαδρομής τους.

Αυτό οδήγησε τους επιστήμονες στο συμπέρασμα ότι τα σωματίδια αυτά ταλαντώνονταν μεταξύ των «γεύσεων» (αναφέρεται στο είδος ενός στοιχειώδους σωματιδίου), αλλάζοντας την ταυτότητά τους κατά τη διάρκεια της πορείας τους.

UC Santa Barbara

«Ο μόνος τρόπος για να συμβεί αυτή η ταλάντωση είναι αν τα νετρίνα έχουν μάζα», εξήγησε ο Caratelli. «Αυτό είναι κάτι που το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν είχε προβλέψει».

Περαιτέρω έρευνες που διεξήχθησαν τη δεκαετία του 1990 στον Ανιχνευτή Νετρίνων Υγρού Σπινθηριστή (LSND) στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος και στο πείραμα MiniBooNE στο Fermilab σχετικά με την ταλάντωση των νετρίνων, αποκάλυψαν ένα ακόμα παζλ: νετρίνα μιονίου να ταλαντώνονται σε νετρίνα ηλεκτρονίου με τρόπο που δεν είναι εφικτός με μόνο τρεις γεύσεις νετρίνων.

«Η πιο δημοφιλής εξήγηση για αυτές τις ανωμαλίες τα τελευταία 30 χρόνια ήταν ένα υποθετικό στείρο νετρίνο», εξήγησε ο Justin Evans, καθηγητής στο University of Manchester και συνεκπρόσωπος του MicroBooNE.

Σε σύγκριση με τα τρία γνωστά νετρίνα, τα οποία αλληλεπιδρούν με τα αντίστοιχα φορτισμένα σωματίδιά τους μέσω της ηλεκτρασθενούς δύναμης, αυτό το υποθετικό τέταρτο νετρίνο δεν θα αλληλεπιδρούσε με κάποιο φορτισμένο αντίστοιχο μέσω της ασθενούς δύναμης.

Εδώ εισέρχεται το MicroBooNE, ένας πιο ευαίσθητος ανιχνευτής που κατασκευάστηκε στο Fermilab για να παρατηρήσει με μεγαλύτερη ανάλυση αυτές τις φαινομενικά ανώμαλες ταλαντώσεις.

Για τη διεξαγωγή της έρευνας, η κοινοπραξία MicroBooNE συνέλεξε δεδομένα από δύο δέσμες νετρίνων στις εγκαταστάσεις του Fermilab από το 2015 έως το 2021. Αυτές οι δέσμες κατευθύνουν τα νετρίνα προς τον θάλαμο χρονικής προβολής υγρού αργού του MicroBooNE, ένα όργανο που επιτρέπει στους ερευνητές να παρατηρούν τα νετρίνα καθώς αλληλεπιδρούν με το εξαιρετικά ευαίσθητο υγρό αργό στο εσωτερικό του θαλάμου.

«Παράγουμε νετρίνα ενός είδους και τοποθετούμε τους ανιχνευτές μας σε βέλτιστες θέσεις, ώστε να μεγιστοποιήσουμε την πιθανότητα εντοπισμού αυτού του στείρου νετρίνου», δήλωσε ο Caratelli.

«Στην πράξη, αυτό που κάναμε ήταν να παράγουμε νετρίνα μιονίου και, αν υπήρχε ένα στείρο νετρίνο, θα βλέπαμε την εμφάνιση νετρίνων ηλεκτρονίου».

Στη συνέχεια, μέτρησαν πόσα νετρίνα ηλεκτρονίου έφτασαν στον ανιχνευτή και εξέτασαν τα δεδομένα συγκρίνοντάς τα με τους ρυθμούς που θα προέκυπταν αν υπήρχε ένα στείρο νετρίνο, αλλά και με την πρόβλεψη για την περίπτωση που δεν υπήρχε.

«Ουσιαστικά, αυτό που αναζητούσαμε ήταν το αποτέλεσμα της εμφάνισης νέων νετρίνων ηλεκτρονίου που προκαλούνται από αυτό το φαινόμενο ταλάντωσης».

Αυτό που είδαν, δήλωσε ο Caratelli, ήταν συνεπές με τη μη ύπαρξη ταλαντώσεων προς ένα στείρο νετρίνο, αποκλείοντας έτσι την ύπαρξη αυτού του υποθετικού σωματιδίου.

Η εργασία αυτή ακολούθησε ένα προγενέστερο αποτέλεσμα υπό την καθοδήγηση της ομάδας του UCSB, το οποίο δημοσιεύθηκε στο Physics Review Letters το καλοκαίρι του 2025 και απέκλειε την περίσσεια νετρίνων ηλεκτρονίου.

Μια «αλλαγή παραδείγματος»

Ενώ η κοινοπραξία έκλεισε οριστικά την πόρτα στην υπόθεση του στείρου νετρίνου, το μυστήριο που αποκάλυψαν τα πειράματα LSND και MiniBooNE παραμένει — ένα μυστήριο στο οποίο οι επιστήμονες ανυπομονούν να εμβαθύνουν με περισσότερους και ισχυρότερους ανιχνευτές.

«Νομίζω ότι πρόκειται για μια αλλαγή παραδείγματος για εμάς», δήλωσε ο Caratelli.

Μετά τον αποκλεισμό της υπόθεσης του στείρου νετρίνου που κυριαρχούσε για περίπου 30 χρόνια, οι ερευνητές ανυπομονούν να διερευνήσουν ένα πολύ ευρύτερο φάσμα θεωριών που θα μπορούσαν να εξηγήσουν αυτή την ανωμαλία και, γενικότερα, να απαντήσουν σε ανοιχτά ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής, συμπεριλαμβανομένης της αποκάλυψης της φύσης της σκοτεινής ύλης.

«Έχουμε πλέον ένα πολύ πιο ποικιλόμορφο μενού επιλογών που διερευνούμε», πρόσθεσε ο Caratelli.

Και για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές έχουν επίσης το πλεονέκτημα της τεχνολογίας και των μεθόδων που ανέπτυξαν και τελειοποίησαν κατά τη διάρκεια της εργασίας τους με το MicroBooNE, ώστε να τις εφαρμόσουν σε προσεγγίσεις πολλαπλών ανιχνευτών.

Μία τέτοια επιλογή εξετάζει εάν τα φωτόνια -είτε από ένα πιθανώς λανθασμένα μοντελοποιημένο υπόβαθρο είτε από μια εναλλακτική ερμηνεία Νέας Φυσικής- μπορεί να ευθύνονται για αυτές τις ανωμαλίες.

Ο καθηγητής φυσικής του UCSB και συνεργάτης του MicroBooNE, Xiao Luo, δημοσίευσε πρόσφατα μια πρώτη ανάλυση που αρχίζει να διερευνά αυτή τη νέα υπόθεση.

Το ευρύτερο πρόγραμμα Short Baseline Neutrino στο Fermilab, στο οποίο συνεισφέρει η ομάδα του UCSB, θα είναι σε θέση να μελετήσει αυτά τα ερωτήματα με ακόμη μεγαλύτερη λεπτομέρεια τα επόμενα χρόνια.

Στο μεταξύ, οι προετοιμασίες και η κατασκευή για το Πείραμα Νετρίνων Βαθέων Υπογείων (Deep Underground Neutrino Experiment – DUNE) βρίσκονται σε εξέλιξη.

Σε βάθος 1,6 χιλιομέτρου κάτω από τη γη, στις εγκαταστάσεις Υπόγειο Ερευνητικό Κέντρο Sanford στη Νότια Ντακότα, ο ανιχνευτής σωματιδίων -ο οποίος θα είναι ο μεγαλύτερος του είδους του που έχει κατασκευαστεί ποτέ- θα δέχεται την πιο έντονη δέσμη νετρίνων υψηλής ενέργειας στον κόσμο, η οποία θα εκτοξεύεται μέσα από το έδαφος από το Fermilab, σε απόσταση 1.300 χιλιομέτρων.

«Το MicroBooNE είναι μεγάλο — έχει το μέγεθος ενός σχολικού λεωφορείου. Αλλά το DUNE έχει την κλίμακα ενός γηπέδου ποδοσφαίρου», δήλωσε ο Caratelli, ο οποίος είναι μέλος της κοινοπραξίας DUNE.

Η ευαισθησία του, η ακρίβειά του και ο όγκος των δεδομένων που θα παράγει θα μπορούσαν να προσφέρουν στους επιστήμονες γνώσεις όχι μόνο για τις ταλαντώσεις των νετρίνων, αλλά και για άλλα μυστήρια της φυσικής με τα οποία σχετίζονται τα νετρίνα, όπως το γιατί το σύμπαν διαθέτει περισσότερη ύλη από αντιύλη.

«Ένα από τα βασικά πράγματα που πέτυχε το MicroBooNE ήταν να μας δώσει αυτοπεποίθηση και να μας διδάξει πώς να χρησιμοποιούμε αυτή την τεχνολογία για να μετράμε τα νετρίνα με υψηλή ακρίβεια», δήλωσε ο Caratelli. «Όσα μάθαμε με το MicroBooNE σχετικά με τον τρόπο ανάλυσης των δεδομένων που φτάνουν στον ανιχνευτή, έχουν όλα άμεση εφαρμογή στο DUNE».

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ Φαντασμαγορική φωτό από το τηλεσκόπιο της ΝASA: Αποκαλύπτει «εργοστάσιο γέννησης άστρων»