Το τελεφερίκ με κατεβάζει προς τα μέσα στο βουνό και ο γνώριμος κόσμος της επιφάνειας χάνεται. Η σήραγγα είναι απότομη, σκαμμένη σε συμπαγή γρανίτη, και κατεβαίνουμε σταδιακά – όλο και πιο κάτω – για σχεδόν ένα τέταρτο της ώρας. Σε κάποια στιγμή, η πίεση μου κάνει τα αυτιά να «σκάσουν».
Όταν τελικά η διαδρομή τελειώνει, βρισκόμαστε 700 μέτρα κάτω από το έδαφος και μπροστά μου απλώνεται ένα τεράστιο υπόγειο σύμπλεγμα από σπηλιές και σωλήνες. Είναι πραγματικά εντυπωσιακό. Και, βέβαια, είναι ακριβώς αυτό που θα περίμενε κανείς από ένα πείραμα που θα μπορούσε να αλλάξει για πάντα τη φυσική των σωματιδίων.
Έχω έρθει στο Jiangmen Underground Neutrino Observatory, γνωστό ως JUNO, μια εγκατάσταση στη νότια Κίνα σχεδιασμένη να «πιάσει» τα σχεδόν άυλα σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα. Είναι τα πιο μικροσκοπικά κομμάτια της πραγματικότητας που γνωρίζουμε, τόσο φευγαλέα ώστε μοιάζουν να υπάρχουν μόλις και μετά βίας. Η μελέτη τους έχει ήδη ανατρέψει ορισμένες από τις πιο βασικές μας παραδοχές για το σύμπαν – και υπάρχουν σοβαροί λόγοι να πιστεύουμε ότι κρύβουν το κλειδί για μερικά από τα βαθύτερα μυστικά του. «Η μάζα του νετρίνου μάς δίνει τη μοναδική απόδειξη στη φυσική σωματιδίων ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ελλιπές», λέει η φυσικός Σιλβία Πασκόλι από το Πανεπιστήμιο της Μπολόνια στην Ιταλία.
Όταν μιλάμε για τα θεμελιώδη συστατικά της πραγματικότητας, ξέρουμε ήδη πολλά για το τι υπάρχει εκεί έξω. Ξέρουμε όμως επίσης ότι δεν βλέπουμε ακόμη όλη την εικόνα. Το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής σωματιδίων είναι ο κατάλογος αυτών των συστατικών, δηλαδή των θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων που συγκροτούν το σύμπαν. Διακρίνεται από μια κομψή συμμετρία και έχει γνωρίσει εντυπωσιακή επιτυχία. Δεν περιλαμβάνει όμως τη βαρύτητα ούτε εξηγεί τη φύση της σκοτεινής ύλης. Υπάρχει και η αντιύλη. Κάθε σωματίδιο ύλης έχει το αντισωματίδιό του, με ίδια μάζα αλλά αντίθετες ιδιότητες, όπως το ηλεκτρικό φορτίο. Όταν ύλη και αντιύλη συναντηθούν, εξαϋλώνονται σε μια έκρηξη ενέργειας. Αυτό δημιουργεί ένα αίνιγμα, γιατί, απ’ όσο καταλαβαίνουμε, το πρώιμο σύμπαν θα έπρεπε να έχει παράγει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης – άρα τίθεται το ερώτημα γιατί σήμερα κυριαρχεί η ύλη.
Ακριβώς λόγω τέτοιων μυστηρίων, οι φυσικοί πιστεύουν ότι πρέπει να υπάρχει κάτι πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο – κάποιο κομμάτι του παζλ που λείπει. Και υπάρχει ένα στοιχείο που δείχνει όλο και πιο πολλά υποσχόμενο. Τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ελάχιστα με οτιδήποτε – τρισεκατομμύρια από αυτά περνούν μέσα από το σώμα σας κάθε δευτερόλεπτο. Ωστόσο, ξέρουμε ότι έχουν μια πάρα πολύ μικρή μάζα. Αυτή η μάζα όμως φαίνεται να εκδηλώνεται με παράξενους τρόπους και δεν είμαστε καν βέβαιοι πώς την αποκτούν. Αν τραβήξουμε αυτό το νήμα, μπορεί να αρχίσουν να ξετυλίγονται τα μυστήρια του Καθιερωμένου Προτύπου;
Η πρώτη ένδειξη για την ιδιαιτερότητα των νετρίνων εμφανίστηκε σε έναν άλλο υπόγειο χώρο: σε ένα χρυσωρυχείο στη Νότια Ντακότα. Εκεί, στα τέλη της δεκαετίας του 1960, ο φυσικός Ρέιμοντ Ντέιβις Τζούνιορ γέμισε μια τεράστια δεξαμενή με ένα καθαριστικό υγρό που περιείχε χλώριο, για να μετρήσει τα νετρίνα που έφταναν στη Γη από τον ήλιο. Όπως σχεδόν όλοι οι ανιχνευτές νετρίνων, ήταν θαμμένος κάτω από το έδαφος για να αποκλείονται τα άλλα σωματίδια, τα οποία θα σταματούσαν από τα πετρώματα, ενώ τα νετρίνα θα περνούσαν μέσα από αυτά. Κατά διαστήματα, ένα νετρίνο θα χτυπούσε ένα άτομο χλωρίου στη δεξαμενή, μετατρέποντάς το σε ραδιενεργό αργό-37, το οποίο ο Ντέιβις μπορούσε στη συνέχεια να μετρήσει. Όταν όμως έκανε τους υπολογισμούς, προέκυψε πρόβλημα: περίπου τα δύο τρίτα από τα νετρίνα που περίμεναν οι φυσικοί δεν εμφανίζονταν ποτέ.
Χάρη σε μια σταδιακή σειρά ανακαλύψεων, ξέρουμε πλέον ότι, όπως και τα άλλα σωματίδια ύλης στο Καθιερωμένο Πρότυπο, τα νετρίνα υπάρχουν σε τρεις τύπους, που ονομάζονται γεύσεις. Υπάρχει το νετρίνο του ηλεκτρονίου, το νετρίνο του μιονίου και το νετρίνο του ταυ. «Γιατί η φύση είναι φτιαγμένη έτσι, δεν έχουμε ιδέα, αλλά αυτό παρατηρούμε», λέει η Πασκόλι.
Έπειτα, γύρω στο 2000, φυσικοί σε άλλα πειράματα νετρίνων ανακάλυψαν ότι τα νετρίνα έχουν μια επιπλέον ιδιαιτερότητα. Καθώς ταξιδεύουν, μπορούν να αλλάζουν από τη μία γεύση στην άλλη, σε μια μεταμόρφωση που είναι γνωστή ως ταλάντωση νετρίνων. Ένα νετρίνο ηλεκτρονίου, όπως αυτά που παράγονται στον ήλιο, μπορεί να φτάσει στη Γη ως νετρίνο μιονίου ή ταυ.
Έτσι, ο ανιχνευτής του Ντέιβις στο χρυσωρυχείο – που είχε σχεδιαστεί για να εντοπίζει τα ίχνη των νετρίνων ηλεκτρονίου – δεν έχανε τελικά τα δύο τρίτα του στόχου του. Τα νετρίνα αυτά είχαν απλώς αλλάξει γεύση στη διαδρομή τους προς τη Γη. «Ήταν μια απολύτως τεράστια ανακάλυψη που ωρίμαζε για πολύ καιρό», λέει ο θεωρητικός φυσικός Αντρέ ντε Γκουβέα από το Northwestern University στο Ιλινόις.
Τα ίδια πειράματα αποκάλυψαν και μια άλλη παράξενη ιδιότητα των νετρίνων. Η ταλάντωση είναι δυνατή μόνο επειδή οι τρεις γεύσεις δεν αντιστοιχούν η καθεμία σε ξεχωριστή μάζα. Ένα νετρίνο ηλεκτρονίου δεν είναι απλώς ελαφρύτερο ή βαρύτερο από ένα νετρίνο μιονίου· καμία από τις γεύσεις δεν έχει μία μοναδική, σαφώς ορισμένη μάζα. Αντί γι’ αυτό, υπάρχουν τρεις «καταστάσεις μάζας» των νετρίνων, και καθεμία είναι ένα παράξενο κβαντικό μείγμα και των τριών γεύσεων ταυτόχρονα. Καθώς ταξιδεύουν στο διάστημα, η ισορροπία ανάμεσα σε αυτές τις μάζες – και άρα η γεύση που παρατηρούμε – αλλάζει. Όμως οι ακριβείς τιμές που συνθέτουν αυτό το μείγμα παραμένουν άγνωστες.
Μπερδεύεστε; Αν ναι, δεν είστε οι μόνοι. «Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, τα νετρίνα δεν έχουν μάζα – αλλά τώρα ξέρουμε ότι έχουν», λέει η φυσικός Ανέζκα Κλούστοβα από το Imperial College London. «Όμως δεν ξέρουμε ποιες είναι αυτές οι μάζες και δεν ξέρουμε πώς τις αποκτούν.»
Το γεγονός ότι οι μάζες τους είναι εξαιρετικά μικρές κάνει το μυστήριο ακόμη μεγαλύτερο. Η διαφορά ανάμεσα στη μάζα ενός ηλεκτρονίου και ενός νετρίνου είναι περίπου η διαφορά ανάμεσα σε ένα πλήρως φορτωμένο station wagon και σε μία μόνο τραπουλόχαρτο. Για τους φυσικούς, αυτό το τεράστιο χάσμα γεννά το ερώτημα αν τα νετρίνα αποκτούν τη μάζα τους με διαφορετικό τρόπο από τα άλλα σωματίδια ύλης, των οποίων οι μάζες προκύπτουν μέσω της αλληλεπίδρασής τους με το μποζόνιο Χιγκς.
Αν συμβαίνει αυτό, μπορεί να ανοίγει ένα νέο παράθυρο στην πραγματικότητα. Ορισμένοι προτεινόμενοι μηχανισμοί για τη δημιουργία της μάζας του νετρίνου θα παραβίαζαν κανόνες για το πώς λειτουργεί η πραγματικότητα, τους οποίους οι φυσικοί σήμερα θεωρούν δεδομένους. Αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να ρίξει φως σε βαθύτερα αινίγματα, ανάμεσά τους και το γιατί η ύλη επικράτησε της αντιύλης. «Είναι πιθανό αυτό που δίνει στα νετρίνα μη μηδενική μάζα να είναι επίσης άμεσα υπεύθυνο για την προέλευση της ίδιας της ύλης», λέει ο ντε Γκουβέα.
Αυτά τα ερωτήματα για τη μάζα των νετρίνων οδήγησαν στην κατασκευή του JUNO. Και ένα πράγμα είναι βέβαιο: έχουμε διανύσει πολύ δρόμο από το εξιδανικευμένο δοχείο με το καθαριστικό υγρό του Ντέιβις. Το κεντρικό στοιχείο του JUNO είναι μια τεράστια ακρυλική σφαίρα γεμάτη με 20.000 τόνους ενός ειδικού υγρού που ονομάζεται σπινθηριστής. Σε απόσταση περίπου 53 χιλιομέτρων, οι πυρηνικοί σταθμοί Yangjiang και Taishan παράγουν συνεχώς μια ισχυρή και πολύ καθαρή ροή ηλεκτρονικών αντινετρίνων – τα αντισωματίδια των νετρίνων ηλεκτρονίου. Ένα μέρος αυτών των αντινετρίνων διοχετεύεται προς το JUNO και, όταν ένα αλληλεπιδράσει με το υγρό σπινθηριστή, παράγει μια μικρή λάμψη. Χιλιάδες σφαιρικές χρυσές μονάδες είναι τοποθετημένες γύρω από τα άκρα της σφαίρας για να ενισχύουν αυτές τις λάμψεις.
Η κλίμακα του έργου με αφήνει άφωνο. Η σπηλιά που φιλοξενεί τον ανιχνευτή θα μπορούσε να χωρέσει ένα κτίριο 14 ορόφων. Δυστυχώς, όταν το επισκέπτομαι, ολόκληρη η εγκατάσταση είναι καλυμμένη με μαύρο πλαστικό – αν και ίσως είναι ταιριαστό ότι αυτή η μηχανή που αναζητά τα πιο άπιαστα σωματίδια είναι η ίδια κρυμμένη από το βλέμμα.
Ένας από τους πρώτους στόχους του JUNO είναι να λύσει μια δύσκολη πλευρά του παζλ γύρω από τις μάζες των νετρίνων. Αν και δεν γνωρίζουμε τις ακριβείς μάζες των τριών καταστάσεων μάζας των νετρίνων, ξέρουμε ότι δύο από αυτές φαίνεται να είναι κοντά μεταξύ τους. Αυτό αφήνει ανοιχτές δύο πιθανές διατάξεις των καταστάσεων μάζας: την κανονική και την ανεστραμμένη ιεραρχία. Αυτές οι καταστάσεις μάζας αποτυπώνονται στα απλά νετρίνα και αντινετρίνα με τον ίδιο τρόπο, επομένως το γεγονός ότι το JUNO δουλεύει κυρίως με τα δεύτερα δεν αποτελεί πρόβλημα.
Η διαπίστωση του ποια ιεραρχία είναι σωστή θα μπορούσε να βοηθήσει στον περιορισμό των πραγματικών τιμών των επιμέρους μαζών και να περιορίσει τις ανταγωνιστικές εξηγήσεις για το πώς τα νετρίνα τις αποκτούν. Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες δυνατότητες είναι ο λεγόμενος μηχανισμός seesaw, που προτάθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1980. Σύμφωνα με αυτόν, υπάρχουν άγνωστα νετρίνα που είναι υπερβολικά βαριά και επομένως εξαιρετικά δύσκολα στην παρατήρηση. Η τεράστια μάζα τους θα συνδεόταν με τις πολύ μικρές μάζες των γνωστών νετρίνων που βλέπουμε σήμερα – σηκώνεις τη μία άκρη της τραμπάλας και η άλλη πέφτει. «Αυτή είναι μια εξήγηση που οι περισσότερες θεωρίες για τα νετρίνα θεωρούν εύλογη, και επίσης εξηγεί γιατί τα νετρίνα είναι πολύ ελαφρύτερα από τα [άλλα σωματίδια ύλης]», λέει η Πασκόλι.
Μια άλλη πιθανότητα είναι τα νετρίνα να αποκτούν τη μάζα τους έμμεσα, μέσω αλληλεπιδράσεων με άλλα σωματίδια που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί. Η μάζα τους θα προέκυπτε μόνο μέσα από μια πιο σύνθετη κβαντική διαδικασία, γεγονός που θα την έκανε φυσικά πολύ μικρότερη. Ενδιαφέρον έχει ότι, σε ορισμένες εκδοχές αυτής της ιδέας, ένα από αυτά τα άγνωστα σωματίδια θα μπορούσε να είναι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν. Είναι σημαντικό να ειπωθεί ότι και οι δύο υποθέσεις είναι γενικές και δεν δίνουν ακριβείς προβλέψεις.
Παρόλα αυτά, το JUNO θα μπορούσε να μας βοηθήσει. Καθώς τα αντινετρίνα ταξιδεύουν την απόσταση των 53 χιλιομέτρων από τους σταθμούς παραγωγής έως τους ανιχνευτές, οι διαφορετικές μάζες στην υπέρθεση αφήνουν πίσω τους ένα λεπτό μοτίβο συμβολής στις ενέργειες των νετρίνων: μια ακολουθία από μικρές κορυφές και κοιλάδες, η ακριβής θέση των οποίων εξαρτάται από το αν η τρίτη κατάσταση μάζας βρίσκεται πάνω ή κάτω από τις άλλες δύο. Αν αυτό το μοτίβο μετρηθεί αρκετά ακριβώς, το JUNO μπορεί να αρχίσει να ξεδιαλύνει τη σειρά τους. Ένα μικρότερο πειραματικό συμπλήρωμα, το Taishan Antineutrino Observatory, βρίσκεται πολύ πιο κοντά στον αντιδραστήρα του Taishan. Εκεί μπορεί να μετρήσει τα αντινετρίνα πριν προλάβουν να ταλαντωθούν σημαντικά, δίνοντας στο JUNO ένα σημείο αναφοράς.
Τον Ιούνιο, η Συνεργασία JUNO δημοσίευσε αποτελέσματα που δείχνουν ότι το πείραμα βρίσκεται σε τροχιά για να παράγει μια ανταγωνιστική μέτρηση της ιεραρχίας των μαζών μέσα στα επόμενα χρόνια. Τα αρχικά αυτά αποτελέσματα γέρνουν προς την κανονική διάταξη, αλλά θα χρειαστούν περισσότερα δεδομένα πριν οι φυσικοί καταλήξουν σε ασφαλές συμπέρασμα.
Ακόμη κι έτσι, πιθανότατα δεν θα έχουμε μια απόλυτα βέβαιη απάντηση για το πώς τα νετρίνα αποκτούν τη μάζα τους. Αντί γι’ αυτό, το JUNO θα λειτουργήσει σαν κόσκινο, κάνοντας ορισμένες θεωρίες να φαίνονται πιο πιθανές και φέρνοντας άλλες υπό πίεση. Αν, για παράδειγμα, επιβεβαιωθεί η κανονική ιεραρχία, αυτό θα ταιριάζει φυσικά με μερικά από τα απλούστερα μοντέλα seesaw. Αντίθετα, μια ανεστραμμένη ιεραρχία θα μπορούσε να αποκλείσει αυτές τις εκδοχές ή να αναγκάσει τους θεωρητικούς να τις κάνουν πιο σύνθετες. «Με αυτά τα πειράματα νετρίνων, δεν νομίζω ότι θα μάθουμε όλες τις απαντήσεις, αλλά θα αποκτήσουμε πολλά έμμεσα στοιχεία που θα μας δείχνουν προς τη σωστή κατεύθυνση», λέει ο ντε Γκουβέα.
Η επανάσταση των νετρίνων
Με μια έννοια, το JUNO είναι μόνο η αρχή αυτού που μπορεί να εξελιχθεί σε επανάσταση των νετρίνων στη φυσική. Πολύ σύντομα ακολουθούν δύο ακόμη τεράστιοι ανιχνευτές: το Hyper-Kamiokande στην Ιαπωνία, που αναμένεται να ξεκινήσει τη λειτουργία του τον επόμενο χρόνο, και το DUNE στις ΗΠΑ, που αναμένεται να ανοίξει στις αρχές της δεκαετίας του 2030. Και τα δύο πειράματα θα μπορούν επίσης να εξετάσουν την ιεραρχία των μαζών των νετρίνων. Πιο σημαντικό όμως είναι ότι θα ψάξουν αν τα νετρίνα και τα αντινετρίνα συμπεριφέρονται διαφορετικά.
Τόσο το Hyper-Kamiokande όσο και το DUNE θα δημιουργούν δέσμες μιονικών νετρίνων, χτυπώντας πρωτόνια υψηλής ενέργειας πάνω σε έναν συμπαγή στόχο, όπως ο γραφίτης. Σε αντίθεση με το JUNO, όμως, τα πειράματα αυτά έχουν το πλεονέκτημα να ελέγχουν την πηγή των νετρίνων τους. Μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν τη δέσμη και να επιλέγουν αν θα παράγουν νετρίνα ή τα αντισωματίδιά τους. Η δυσκολία είναι ότι τα αποτελέσματα που θα καταγράφουν θα επηρεάζονται από πολλούς αλληλένδετους παράγοντες, ανάμεσά τους και η ιεραρχία των μαζών των νετρίνων. Αν το JUNO καταφέρει πρώτα να ξεκαθαρίσει αυτό το ζήτημα, το Hyper-Kamiokande και το DUNE θα έχουν έναν άγνωστο λιγότερο να απομονώσουν. Με αυτούς τους τρεις ανιχνευτές να λειτουργούν μαζί, ίσως επιτέλους να έχουμε απαντήσεις στα αινίγματα των νετρίνων που μας ταλαιπωρούν εδώ και τόσο καιρό.
Οι απαντήσεις μπορεί να έχουν βαρύτητα πολύ πέρα από τα όρια της φυσικής σωματιδίων.
