Τα μυστικά της φυσικής των νετρίνων

Πριν από τρεις εβδομάδες περιγράψαμε εκτενώς τις πρόσφατες εντυπωσιακές ανακαλύψεις του ερευνητικού προγράμματος OPERA σχετικά με τις μεταμορφώσεις των νετρίνων (βλ. «Ε» 12-6-10). Σήμερα, η στήλη της επιστήμης της «Ε» φιλοξενεί δύο διεθνώς αναγνωρισμένους πρωταγωνιστές της έρευνας αυτών των αινιγματικών σωματιδίων: τη δρα Λουτσία Μποτάνο, γενική διευθύντρια του Εθνικού Ινστιτούτου Gran Sasso της Ιταλίας, και τον δρα Γιώργο Τζανάκο, γνωστό Ελληνα ερευνητή ο οποίος, εκτός από πρωταγωνιστής πολλών αποφασιστικών πειραμάτων, διοργάνωσε τον Ιούνιο το διεθνές συνέδριο «Neutrino 2010» στην Αθήνα. Ας δούμε όμως πώς περιγράφει η Ιταλίδα φυσικός τι ακριβώς ανακάλυψαν στο εργαστήριό της.

- Στο εθνικό ινστιτούτο του Gran Sasso ανακαλύψατε πρόσφατα ότι τα νετρίνα, τα πιο φευγαλέα συστατικά της ύλης, μπορούν να «μεταμορφώνονται»: από μιονικά νετρίνα μετατρέπονται σε ταυ-νετρίνα. Τι ακριβώς σημαίνει για τη μικροφυσική αυτή η σημαντική ανακάλυψη;
«Το φαινόμενο που αναφέρατε παρατηρήθηκε στο πλαίσιο του διεθνούς πειράματος OPERA, που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε από έναν μεγάλο αριθμό ερευνητών από διάφορα πανεπιστημιακά εργαστήρια και ινστιτούτα (Βελγίου, Γαλλίας, Γερμανίας, Ελβετίας, Ιαπωνίας, Ισραήλ, Ιταλίας, Κορέας, Κροατίας, Ρωσίας, Τουρκίας, Τυνησίας). Τα νετρίνα παράγονται από τον επιταχυντή του CERN (Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών) και "πυροβολούνται" σε δέσμες νετρίνων προς το ιταλικό Ινστιτούτο του Gran Sasso, φτάνουν δηλαδή στο εργαστήριό μας μέσα σε μόλις 2,4 χιλιοστά του δευτερολέπτου, αφού διατρέξουν μια απόσταση 730 χιλιομέτρων μέσα από βουνά. Διαπιστώσαμε λοιπόν ότι στο τέλος ενός τόσο μεγάλου ταξιδιού, το νετρίνο είχε μεταμορφωθεί, δηλαδή είχε αλλάξει την ίδια του τη φύση.
Το αποτέλεσμα αυτό αποτελεί την πρώτη άμεση ένδειξη του γεγονότος ότι τα νετρίνα διαθέτουν κάποια μάζα και μπορούν να ταλαντώνονται περνώντας από τη μια "οικογένεια" σωματιδίων στην άλλη. Εδώ και δεκαπέντε χρόνια διαπιστώνεται, από διαφορετικά πειράματα, εξαφάνιση μιας ποσότητας νετρίνων που προέρχονται από τον Ηλιο ή από άλλες πήγες. Ορισμένοι μάλιστα είχαν προτείνει ως πιθανή εξήγηση την "ταλάντωση". Είναι όμως η πρώτη φορά που παρατηρήθηκε άμεσα ένα νετρίνο που ταλαντώνεται, δηλαδή μεταμορφώνεται, σε ένα άλλο. Αυτό αποτελεί ακόμη μία σημαντική ψηφίδα που έρχεται να προστεθεί στη γνώση της φύσης, των βασικών συστατικών της στοιχείων και των νόμων που ρυθμίζουν τις αλληλεπιδράσεις τους. Το σημαντικό αυτό αποτέλεσμα επιτεύχθηκε χάρη στη δεκαετή εντατική συνεργασία πλειάδας επιστημόνων με την υποστήριξη του Εργαστηρίου Gran Sasso, γεγονός που επιβεβαιώνει, για μια ακόμη φορά, τη διεθνή πρωτοκαθεδρία του ανάμεσα στα υπόγεια εργαστήρια αστροσωματιδιακής φυσικής».
- Ποιες συνέπειες έχει για το «Καθιερωμένο Μοντέλο» της σωματιδιακής φυσικής η ανακάλυψη ότι τα νετρίνα ταλαντώνονται και, συνεπώς, ότι διαθέτουν μάζα;
«Πρόκειται για μια ανακάλυψη που ανοίγει τις πόρτες σε μια νέα φυσική. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, που διαμόρφωσαν οι φυσικοί για να εξηγήσουν τη σύσταση του Σύμπαντος, τα νετρίνα δεν διαθέτουν καθόλου μάζα. Θα χρειαστεί επομένως να το διορθώσουμε σε αυτό το σημείο, να διατυπώσουμε νέες εξηγήσεις και να σχεδιάσουμε νέες έρευνες, παρά τις ανατρεπτικές συνέπειες που ενδέχεται να έχουν στην κοσμολογία, την αστροφυσική και τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.
Το αποτέλεσμα του προγράμματος OPERA επιβεβαιώνει την ύπαρξη του φαινομένου της ταλάντωσης των νετρίνων και αυτό, με τη σειρά του, προϋποθέτει αναγκαστικά ότι τα νετρίνα διαθέτουν μια μη μηδενική μάζα. Με ποιο μηχανισμό αποκτούν μάζα τα νετρίνα, αυτό είναι κάτι που δεν το γνωρίζουμε ακόμη. Για ένα πράγμα, ωστόσο, είμαστε βέβαιοι: ότι αυτός ο μηχανισμός συνεπάγεται αναγκαστικά τη διεύρυνση του Καθιερωμένου Μοντέλου με την ένταξη σε αυτό ενός τουλάχιστον νέου θεμελιώδους δομικού συστατικού του Σύμπαντος. Ποιο ακριβώς θα είναι αυτό το δομικό συστατικό αποτελεί ένα ζητούμενο.
Μέχρι σήμερα το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει περάσει επιτυχώς τα τεστ που έγιναν στον ευρωπαϊκό επιταχυντή LEP του CERN (που μετά το 1990 αντικαταστάθηκε από τον ισχυρότερο επιταχυντή LHC), στον Tevatron του Fermilab στο Σικάγο, αλλά και τα πρώτα αποτελέσματα του LHC. Τώρα ανοίγει ο δρόμος για μια νέα φυσική που θα προστεθεί στο Καθιερωμένο Μοντέλο και, σύμφωνα με ορισμένους φυσικούς, ενδέχεται να επηρεάσει τις μελλοντικές ανακαλύψεις του υπερεπιταχυντή LHC. Το βέβαιο, πάντως, είναι ότι αυτή η νέα φυσική θα πρέπει να διευρύνει τα θεμελιώδη συστατικά που αποδέχεται σήμερα το Καθιερωμένο Μοντέλο για να ανοίξει τον δρόμο σε κάποιο νέο στοιχειώδες σωματίδιο που θα εγγυάται τη μάζα των νετρίνων και το φαινόμενο της ταλάντωσης που επιβεβαιώθηκε από το πείραμα OPERA».
- Ποιοι είναι οι αμέσως επόμενοι στόχοι του εργαστηρίου σας;
«Το επιστημονικό πρόγραμμα του Εργαστηρίου Gran Sasso είναι αρκετά ευρύ, δεδομένου ότι στο εσωτερικό του ήδη "τρέχουν" περίπου δεκαπέντε διαφορετικά πειράματα. Οι έρευνές μας προσανατολίζονται κυρίως:
1 Στη φυσική των νετρίνων, είτε αυτά έχουν τεχνητή προέλευση (όπως αυτά στο πείραμα OPERA) είτε είναι νετρίνα κοσμικής προέλευσης.
2Στην έρευνα των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.
3Στη μελέτη των πυρηνικών αντιδράσεων αστροφυσικού ενδιαφέροντος.
Σε αυτά τα πειράματα θα πρέπει να προστεθούν και άλλες διεπιστημονικές έρευνες.
Όσον αφορά ειδικότερα στο πείραμα OPERA, απαιτούνται προφανώς επιπλέον παρατηρήσεις ''μεταμορφωμένων'' νετρίνων, ώστε να έχουμε την οριστική επιβεβαίωση αυτής της ανακάλυψης. Το πρόγραμμα OPERA, συνεπώς, οφείλει να συνεχίσει για τα επόμενα 3 - 4 χρόνια να συγκεντρώνει δεδομένα για τη δέσμη νετρίνων που φτάνουν σε αυτό από το CERN».
- Η σημερινή Ευρώπη μαστίζεται από μια ιδιαίτερα σοβαρή οικονομική κρίση. Εχει, κατά τη γνώμη σας, νόημα να συνεχίσουμε πάση θυσία να επενδύουμε στη βασική (αλλά πολυδάπανη) επιστημονική έρευνα;
«Είναι γενικώς παραδεκτό ότι η επιστημονική έρευνα αποτελεί πλέον μία από τις κινητήριες δυνάμεις της κοινωνικής, πολιτισμικής και οικονομικής ανάπτυξης ενός έθνους. Ενας από τους πρωταρχικούς στόχους της Ε.Ε. είναι να επενδύει ολοένα και περισσότερο στη γνώση, δηλαδή στην εκπαίδευση και την έρευνα. Δυστυχώς απέχουμε ακόμη πολύ από την επίτευξη αυτών των στόχων. Σε περιόδους οικονομικής κρίσης, μάλιστα, αντί να περικόπτουμε τη χρηματοδότηση της βασικής έρευνας, είναι ακόμη πιο επιτακτική η ανάγκη να επενδύουμε σε αυτήν.
Στις παλαιότερες αγροτικές κοινωνίες οι παππούδες μας γνώριζαν καλά ότι σε δύσκολες περιόδους οικονομικής ύφεσης έπρεπε να περιορίζουν όλες τις δαπάνες τους, εκτός από εκείνες που αφορούσαν την αγορά των σπόρων που θα τους εξασφάλιζαν τη γεωργική σοδειά του επόμενου έτους και άρα ήταν το μοναδικό όπλο για να αντιμετωπίσουν την κρίση. Για την ανάπτυξη των σύγχρονων κοινωνιών η εκπαίδευση και η επιστημονική έρευνα αποτελούν τους «σπόρους» τους, συνεπώς όλα τα άλλα μπορούν να περικοπούν έκτος από αυτά.
Επιπλέον, οφείλουμε να χρηματοδοτούμε όχι μόνο την εφαρμοσμένη έρευνα αλλά και τη βασική, και μάλιστα κυρίως αυτήν. Γιατί μόνο μέσω της βασικής έρευνας επιτυγχάνεται ουσιαστική πρόοδος της ανθρώπινης γνώσης εξάλλου, η εφαρμοσμένη έρευνα μοιραίως χάνει όλη της τη δυναμική και παύει να αναπτύσσεται όταν δεν τροφοδοτείται από τη βασική έρευνα».