Το άσπρο φορτηγό που κινούνταν μέσα στις εγκαταστάσεις του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Φυσικής Σωματιδίων (CERN) στις 24 Μαρτίου δεν ακολούθησε άλλη μια διαδρομή ρουτίνας. Όπως αποκάλυπταν τα διακριτικά του «Antimatter in motion», μετέφερε κάτι πολύτιμο και εξαιρετικά ακριβό. Αυτό που οι φυσικοί κατάφεραν για πρώτη φορά να μεταφέρουν: την πιο ακριβή και πιο πτητική ουσία στη Γη, την αντιύλη. Και αυτό είναι είδηση, καθώς σηματοδοτεί ένα βήμα προς την αποστολή αντιπρωτονίων σε άλλα ευρωπαϊκά ερευνητικά κέντρα.
Συγκεκριμένα, μια ομάδα στο CERN, κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, μετέφερε 92 αντιπρωτόνια σε ένα ειδικά σχεδιασμένο μπουκάλι που παγιδεύει τα σωματίδια χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία. Το μπουκάλι ταξίδεψε στο πίσω μέρος του φορτηγού, κάνοντας μια διαδρομή 8 χλμ σε περίπου 30 λεπτά γύρω από τις εγκαταστάσεις του εργαστηρίου, φτάνοντας σε μέγιστη ταχύτητα 42 χιλιομέτρων την ώρα.
Με τιμή που εκτιμάται περίπου στα 62,5 τρισεκατομμύρια δολάρια ανά γραμμάριο, σύμφωνα με υπολογισμούς της NASA, η αξία της αντιύλης ξεπερνά κατά πολύ εκείνη των πολύτιμων μετάλλων ή των διαμαντιών.
Ο απώτερος στόχος του πειράματος είναι να μεταφερθούν τα αντισωματίδια σε μια τοποθεσία απαλλαγμένη από πειραματικό θόρυβο, όπου τα αντιπρωτόνια μπορούν να μελετηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι είναι δυνατόν στο «εργοστάσιο αντιύλης» του CERN όπου δημιουργούνται. Το CERN είναι το μόνο μέρος στον κόσμο όπου παράγονται αξιοποιήσιμες ποσότητες αντιπρωτονίων.
«Οι φυσικοί που δημιούργησαν το εργοστάσιο αντιύλης πριν από περισσότερα από 30 χρόνια ονειρεύονταν ότι κάποια μέρα θα ήταν δυνατή η μεταφορά της αντιύλης», σχολιάζει στο WIRED Greece ο πρόεδρος του συμβουλίου του CERN, καθηγητής Κωνσταντίνος Φουντάς.
Με τιμή που εκτιμάται περίπου στα 62,5 τρισεκατομμύρια δολάρια ανά γραμμάριο, σύμφωνα με υπολογισμούς της NASA, η αξία της αντιύλης ξεπερνά κατά πολύ εκείνη των πολύτιμων μετάλλων ή των διαμαντιών. Θεωρητικά, ένα μόνο γραμμάριο αντιύλης θα κόστιζε περισσότερο από ό,τι κοστίζουν ολόκληρες οικονομίες χωρών.
Για τους επιστήμονες όμως, η τιμή της δεν έχει πραγματική σημασία.
«Το να παράγεις αντιύλη – αυτή τη στιγμή παράγουμε στο CERN αντιυδρογόνο – είναι σαφώς ακριβότερο από το να παράγεις υδρογόνο. Αλλά και το να παραγάγεις το σωματίδιο Higgs είναι ακόμη πιο ακριβό. Όλα αυτά κοστίζουν, αλλά δεν είναι εκεί το ζήτημα. Δεν παράγουμε αντιύλη για να την πουλήσουμε ή να την αξιοποιήσουμε ενεργειακά. Την παράγουμε γιατί θέλουμε απαντήσεις σε βασικά ερωτήματα της φύσης», εξηγεί ο καθηγητής Φουντάς.
Όπως λέει, το πραγματικό ενδιαφέρον βρίσκεται αλλού: στην προσπάθεια να κατανοήσουμε γιατί το σύμπαν υπάρχει με τη μορφή που το βλέπουμε σήμερα.
Δεν υπάρχει αντιύλη γύρω μας
Φανταστείτε ένα σύμπαν στον καθρέφτη. Έναν κόσμο όπου κάθε σωματίδιο που γνωρίζουμε έχει το είδωλό του: ίδια μάζα αλλά αντίθετο φορτίο. Σαν η φύση να παίζει ένα παιχνίδι συμμετρίας με τον εαυτό της.
«Στη θεωρία, για κάθε σωματίδιο υπάρχει ένα αντισωματίδιο», εξηγεί ο καθηγητής Φουντάς.
«Το ηλεκτρόνιο έχει το ποζιτρόνιό του, το πρωτόνιο το αντιπρωτόνιό του, το νετρόνιο το αντινετρόνιο».
Όταν ένα σωματίδιο συναντήσει το αντισωματίδιό του, συμβαίνει κάτι εντυπωσιακό: εξαϋλώνονται, μετατρέποντας όλη τη μάζα τους σε ενέργεια, όπως προβλέπει η διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν E=mc².
Η αντιύλη δεν μπορεί να αποθηκευτεί σε κοινά δοχεία. Αν αγγίξει οποιοδήποτε υλικό, εξαϋλώνεται αμέσως. Για αυτό συγκρατείται μέσα σε μαγνητικές παγίδες, σε συνθήκες σχεδόν απόλυτου κενού και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Η αντίδραση αυτή είναι εξαιρετικά αποδοτική. Ενδεικτικά, ένα γραμμάριο αντιύλης θα μπορούσε να παράγει ενέργεια ίση με 43 μεγατόνους TNT, σχεδόν 3.000 φορές πιο ισχυρή από τη βόμβα της Χιροσίμα!
Για αυτό και δεν είναι τυχαίο που η αντιύλη πρωταγωνιστεί σε ιστορίες επιστημονικής φαντασίας με κινητήρες διαστημοπλοίων ή με υπερόπλα.
Η πραγματικότητα όμως διαφέρει.
Η αντιύλη δεν υπάρχει ελεύθερη στη φύση. Αν υπήρχε, θα εξαϋλωνόταν ακαριαία μόλις ερχόταν σε επαφή με την ύλη που αποτελεί τον κόσμο γύρω μας.
Γι’ αυτό και για να παραχθεί απαιτούνται τεράστιοι επιταχυντές σωματιδίων, εγκαταστάσεις που κοστίζουν δισεκατομμύρια ευρώ και λειτουργούν στην αιχμή της σύγχρονης τεχνολογίας.
Σε αυτούς τους επιταχυντές, δέσμες σωματιδίων επιταχύνονται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και συγκρούονται μεταξύ τους, δημιουργώντας για απειροελάχιστο χρονικό διάστημα ζεύγη ύλης και αντιύλης.
Όμως, μόνο ένα εξαιρετικά μικρό κλάσμα αυτών των σωματιδίων μπορεί να απομονωθεί και να παγιδευτεί για μελέτη.
Και από εκεί αρχίζει το πραγματικά δύσκολο και ακριβό κομμάτι.
«Η αντιύλη δεν μπορεί να αποθηκευτεί σε κοινά δοχεία. Αν αγγίξει οποιοδήποτε υλικό, εξαϋλώνεται αμέσως. Για αυτό συγκρατείται μέσα σε μαγνητικές παγίδες, σε συνθήκες σχεδόν απόλυτου κενού και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν», σημειώνει ο Έλληνας επιστήμονας.
Αλλά ακόμη και τότε, οι φυσικοί δεν μιλούν για μεγάλες ποσότητες, αλλά για μεμονωμένα άτομα που καταφέρνουν να διατηρηθούν για λίγα λεπτά ή για ώρες.
Το «εργοστάσιο αντιύλης» του CERN
Για να μελετήσουν την αντιύλη, οι επιστήμονες έχουν στραφεί στην απλούστερη μορφή ύλης, το υδρογόνο, το άτομο του οποίου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Η αντίστοιχη μορφή αντιύλης, το αντιυδρογόνο, αποτελείται από ένα αντιπρωτόνιο και ένα ποζιτρόνιο.
«Το ποζιτρόνιο έλκεται από το αντιπρωτόνιο με τον ίδιο τρόπο που το ηλεκτρόνιο έλκεται από το πρωτόνιο», εξηγεί ο κ. Φουντάς.
Το πρώτο άτομο αντιυδρογόνου δημιουργήθηκε το 1995 στον υπερ-επιταχυντή του CERN, έπειτα από συγκρούσεις αντιπρωτονίων με άτομα Ξένου.
Η διαδικασία παραγωγής είναι εξαιρετικά περίπλοκη. Πρωτόνια υψηλής ενέργειας συγκρούονται με πυρήνες μέσα σε έναν μεταλλικό στόχο. Σε κάθε εκατομμύριο συγκρούσεις παράγονται μόλις τέσσερα ζεύγη πρωτονίου–αντιπρωτονίου, τα οποία διαχωρίζονται με μαγνητικά πεδία και οδηγούνται στον Επιβραδυντή Αντιπρωτονίων (Antiproton Decelerator, AD) και στον δακτύλιο ELENA όπου επιβραδύνονται από 96% σε 10% της ταχύτητας του φωτός. Σήμερα το σύμπλεγμα AD/ELENA αποτελεί βασικό μέρος του λεγόμενου «εργοστασίου αντιύλης» του CERN.
Από το 2016 o ELENA τροφοδοτεί μια σειρά πειραμάτων (ALPHA, ATRAP, ASACUSA, AEgIS και GBAR), τα οποία προσπαθούν να απαντήσουν στο θεμελιώδες ερώτημα αν υπακούει η αντιύλη στους ίδιους νόμους της φυσικής με την ύλη.
«Αν παραγάγεις άτομα αντιυδρογόνου, θα πρέπει να έχουν τις ίδιες φυσικές ιδιότητες με το υδρογόνο. Αν δεν ισχύει αυτό, τότε καταρρέει μία βασική αρχή της κβαντικής θεωρίας πεδίου, το θεώρημα CPT, πάνω στο οποίο βασίζεται όλη η σωματιδιακή φυσική », λέει ο καθηγητής.
«Μέχρι στιγμής, πάντως και εντός σφαλμάτων, δεν έχει βρεθεί καμία ουσιαστική διαφορά».
Πού πήγε η αντιύλη;
Με τις σημερινές τεχνολογίες θα χρειάζονταν εκατομμύρια χρόνια για να παραχθεί ένα μόνο γραμμάριο αντιυδρογόνου.
Αν συνυπολογιστεί το κόστος των εγκαταστάσεων και της ενέργειας, η παραγωγή ενός γραμμαρίου αντιύλης θα κόστιζε τρισεκατομμύρια ευρώ.
Στην πράξη, σύμφωνα με εκτιμήσεις του CERN, σε ολόκληρη την ιστορία του οργανισμού έχουν παραχθεί λιγότερα από 10 νανογραμμάρια αντιύλης.
Η ενέργεια που περιέχουν αυτά τα σωματίδια αρκεί να τροφοδοτήσει μια λάμπα 60 watt για περίπου 4 ώρες.
Πέρα από το τεχνολογικό ενδιαφέρον, η αντιύλη συνδέεται και με ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της κοσμολογίας.
Σύμφωνα με τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, το σύμπαν θα έπρεπε αρχικά να έχει δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Αν συνέβαινε, οι δύο μορφές θα είχαν εξαϋλωθεί πλήρως, αφήνοντας πίσω μόνο ακτινοβολία. Κι όμως, το σύμπαν γύρω μας, οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες και οι άνθρωποι αποτελούνται σχεδόν αποκλειστικά από ύλη.
«Αν υπήρχε ένα σύμπαν φτιαγμένο από αντιύλη θα το ξέραμε», σημειώνει ο καθηγητής Φουντάς. «Όταν θα ερχόταν σε επαφή με το δικό μας θα παράγονταν ακτίνες γάμμα που θα το αποκάλυπταν».
Αυτό όμως δεν συμβαίνει.
Το ερώτημα λοιπόν παραμένει: πού πήγε η αντιύλη;
Μια σημαντική εξήγηση προτάθηκε το 1967 από τον σοβιετικό φυσικό Andrei Sakharov, ο οποίος διατύπωσε τρεις συνθήκες που θα μπορούσαν να εξηγήσουν γιατί το σύμπαν κατέληξε με περισσότερη ύλη από αντιύλη.
Οι συνθήκες αυτές περιλαμβάνουν παραβίαση συγκεκριμένων συμμετριών της φυσικής και διεργασίες που συνέβησαν όταν το σύμπαν βρισκόταν εκτός θερμικής ισορροπίας στα πρώτα του στάδια. Ωστόσο τα σημερινά μοντέλα της φυσικής δεν μπορούν ακόμη να εξηγήσουν πλήρως την παρατηρούμενη ανισορροπία.
«Οι σύγχρονες θεωρίες έχουν τέτοιες ιδιότητες, αλλά όχι αρκετές ώστε να εξηγήσουν το φαινόμενο. Αυτό σημαίνει ότι κάτι λείπει από τη θεωρία μας, ίσως νέα σωματίδια που δεν έχουμε ακόμη ανακαλύψει», αναφέρει ο Έλληνας φυσικός.
Η αντιύλη δεν είναι εντελώς άχρηστη στην πράξη
Στην ιατρική, η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET) βασίζεται στην εξαΰλωση ποζιτρονίων για να δημιουργήσει εικόνες υψηλής ακρίβειας του ανθρώπινου σώματος και να βοηθήσει στη διάγνωση ασθενειών, όπως ο καρκίνος.
Πέρα από αυτό όμως, οι εφαρμογές της παραμένουν περιορισμένες.
«Με δεδομένο ότι η παραγωγή αντιύλης απαιτεί ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από όση περιέχει, δεν έχει νόημα να μιλάμε σοβαρά για ενεργειακή αξιοποίησή της», εξηγεί ο καθηγητής.
Σύμφωνα με εκτιμήσεις της NASA, με τις τρέχουσες υποδομές, το κόστος για 1 μικρογραμμάριο αντιύλης, με βραχυπρόθεσμες βελτιώσεις θα μπορούσε να μειωθεί. Η εγκατάσταση σε κλίμακα χιλιοστογράμμου θα απαιτούσε επένδυση 15 δισεκατομμυρίων δολαρίων, αλλά θα μπορούσε να παραγάγει 1 χιλιοστόγραμμο, με τιμή 0,1 δολάρια/kW-hr, για 6,25 εκατομμύρια δολάρια.
Το ίδιο ισχύει και για τα σενάρια που συχνά εμφανίζονται στη δημόσια συζήτηση σχετικά με τη χρήση της ως καυσίμου για διαστημικά ταξίδια.
«Τέτοιες αφηγήσεις δημιουργούν εντυπώσεις χωρίς να έχουν πραγματική επιστημονική βάση. Παραπλανούν το κοινό για την αξία της βασικής επιστήμης. Το βασικό εδώ είναι η απόκτηση γνώσης», τονίζει ο κ. Φουντάς.
Ακόμη και τα σενάρια χρήσης της αντιύλης ως όπλου μελλοντικά θεωρούνται εξαιρετικά απίθανα.
«Το ανθρώπινο μυαλό συχνότερα πάει στο κακό», λέει ο καθηγητής. «Υπάρχουν πολύ πιο φθηνοί και πιο επικίνδυνοι τρόποι να φτιάξεις όπλα από το να χρησιμοποιήσεις αντιύλη».
