Πυρηνικοί φυσικοί των ΗΠΑ πιέζουν για νέο πείραμα νετρίνων
Οι Ηνωμένες Πολιτείες θα πρέπει να πάρουν την πρωτοβουλία και σύντομα να πραγματοποιήσουν ένα τεράστιο πείραμα για να αναζητήσουν έναν υποθετικό τύπο πυρηνικής διάσπασης που είναι δυνατός μόνο εάν ένα άπιαστο, σχεδόν χωρίς μάζα σωματίδιο που ονομάζεται νετρίνο είναι -περιέργως- το δικό τους αντισωματίδιο. Αυτή είναι μία από τις τέσσερις συστάσεις ενός νέου σχεδίου μεγάλης εμβέλειας που αναπτύχθηκε από πυρηνικούς φυσικούς των ΗΠΑ. Το σχέδιο, που παρουσιάστηκε σε μια ομοσπονδιακή συμβουλευτική επιτροπή σήμερα στην Ουάσιγκτον, DC, θα ενημερώσει τον προγραμματισμό για την επόμενη δεκαετία στο πρόγραμμα πυρηνικής φυσικής του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) και στο πρόγραμμα φυσικής του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (NSF). Εάν οι ερευνητές παρατηρήσουν τη νέα διάσπαση —και ελπίζουν να ξεκινήσουν τις εργασίες για το πείραμα μέσα σε 3 χρόνια— η ανακάλυψη θα απαιτούσε την επανεγγραφή των εγχειριδίων της πυρηνικής και της σωματιδιακής φυσικής.
Η έκθεση, η οποία εγκρίθηκε ομόφωνα από τη Συμβουλευτική Επιτροπή Πυρηνικής Επιστήμης (NSAC), συνάντησε αμέσως επαίνους από τους αξιωματούχους του DOE. «Είναι ένα φιλόδοξο σχέδιο», λέει η Patricia Dehmer, ενεργή διευθύντρια του Γραφείου Επιστήμης 5,1 δισεκατομμυρίων δολαρίων του DOE, το οποίο θα δαπανήσει 596 εκατομμύρια δολάρια φέτος για το πρόγραμμα πυρηνικής φυσικής του. "Βασίζεται στο παρελθόν και προσβλέπει σε ένα πολλά υποσχόμενο μέλλον."
Όπως ήταν αναμενόμενο, το σχέδιο συνέστησε επίσης στους πυρηνικούς φυσικούς των ΗΠΑ να κατασκευάσουν τελικά έναν νέο επιταχυντή, έναν που θα συνέτριβε μια δέσμη ηλεκτρονίων σε μια δέσμη πρωτονίων ή βαρύτερους ατομικούς πυρήνες. Ωστόσο, η έκθεση δεν έθεσε σταθερό χρονοδιάγραμμα για το πότε θα μπορούσε να κατασκευαστεί ένας τέτοιος επιταχυντής ιόντων ηλεκτρονίων και πρότεινε ότι δεν θα μπορούσε να ολοκληρωθεί μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 2020 το νωρίτερο. Ωστόσο, οι φυσικοί και οι αξιωματούχοι του DOE λένε ότι η σύσταση - η οποία κατετάγη τρίτη στην έκθεση - εξακολουθεί να είναι αξιοσημείωτη, επειδή δείχνει ότι η κοινότητα των ΗΠΑ έχει συγκεντρωθεί πίσω από την ιδέα της κατασκευής ενός τέτοιου επιταχυντή. "Νομίζω ότι καθορίζει τον στόχο", λέει ο Dehmer.
Η κορυφαία σύσταση της έκθεσης, ωστόσο, είναι οι ερευνητές να εκμεταλλευτούν πρώτα πλήρως τις τρεις μεγάλες εγκαταστάσεις που έχουν ήδη οι πυρηνικοί φυσικοί των ΗΠΑ. Οι φυσικοί στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson στο Newport News της Βιρτζίνια, ολοκληρώνουν μια αναβάθμιση 338 εκατομμυρίων δολαρίων στην Εγκατάσταση Επιταχυντή Συνεχούς Δέσμης Ηλεκτρονίων (CEBAF), την οποία χρησιμοποιούν κυρίως για να διερευνήσουν την εσωτερική δομή των πρωτονίων και των νετρονίων. Οι φυσικοί στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν στο East Lansing κατασκευάζουν την Εγκατάσταση 730 εκατομμυρίων δολαρίων για Σπάνιες δέσμες ισοτόπων (FRIB), έναν γραμμικό επιταχυντή που, όταν ολοκληρωθεί το 2022, θα δημιουργήσει εξωτικούς πυρήνες και θα μελετήσει τη δομή τους. Τέλος, από το 2000, οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Άπτον της Νέας Υόρκης, χρησιμοποίησαν τον σχετικιστικό επιταχυντή βαρέων ιόντων (RHIC) για να συνθλίψουν πυρήνες όπως ο χρυσός και κυριολεκτικά να λιώσουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια σε ένα άμορφο πλάσμα των συστατικών τους - σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ και γκλουόνια—όπως αυτό που γέμισε το νεογέννητο σύμπαν.
Το νέο σχέδιο μεγάλης εμβέλειας προβλέπει τη λειτουργία και των τριών εγκαταστάσεων για το άμεσο μέλλον, ακόμη και το RHIC, το οποίο είναι αναμφισβήτητα πιο κοντά στο τέλος της ζωής του. "Αυτό που πραγματικά λέμε είναι ότι θέλουμε να διευθύνουμε το RHIC για άλλα 5 έως 7 χρόνια", λέει ο Donald Geesaman, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Ιλινόις και πρόεδρος του NSAC.
Μόλις πριν από 2 χρόνια, φαινόταν απίθανο ότι οι φυσικοί των ΗΠΑ θα μπορούσαν να λειτουργήσουν και τις τρεις τρέχουσες εγκαταστάσεις. Το 2012, αντιμετωπίζοντας την προοπτική ενός εξαιρετικά περιορισμένου προϋπολογισμού, η DOE ανέθεσε στην NSAC να αποφασίσει ποια εγκατάσταση, CEBAF ή RHIC, θα θυσίαζε αν χρειαζόταν. Τον επόμενο Ιανουάριο, οι φυσικοί αποφάσισαν διστακτικά ότι αν αναγκαζόταν να το επιλέξουν, θα επέλεγαν να κλείσουν το RHIC. Ωστόσο, έκτοτε, ο προϋπολογισμός της πυρηνικής φυσικής του DOE έχει ανακάμψει αρκετά ώστε τώρα η λειτουργία των τριών εγκαταστάσεων από κοινού είναι εφικτή, ακόμα κι αν ο προϋπολογισμός αυξάνεται μόνο με τον πληθωρισμό τα επόμενα αρκετά χρόνια, λέει η έκθεση. Αυτές οι αυξήσεις του προϋπολογισμού αντικατοπτρίζουν πόσο αποτελεσματικά παρουσίασε η κοινότητα την άποψή της για την αποφυγή τέτοιων περικοπών, λέει ο Timothy Hallman, αναπληρωτής διευθυντής της DOE για την πυρηνική φυσική.
Η τέταρτη σύσταση της έκθεσης είναι η επένδυση σε περισσότερα έργα μικρής και μεσαίας κλίμακας, τα οποία έχουν υποχωρήσει τα τελευταία χρόνια. "Αυτό ήταν το σωστό για να χτιστεί το FRIB", λέει ο Geesaman, αλλά τώρα ήρθε η ώρα να διορθωθεί η πορεία.
Είναι σαφές ότι το νεότερο στοιχείο στο σχέδιο μακράς εμβέλειας είναι η έκκληση να προχωρήσουμε γρήγορα στην αναζήτηση της σπάνιας πυρηνικής διάσπασης, η οποία ονομάζεται διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνη. "Σίγουρα βάζει [το έργο] σε μια διαφορετική κατηγορία πιθανοτήτων από ό,τι ήταν μέχρι τώρα", λέει ο Hallman.
Στη συνηθισμένη βήτα διάσπαση, ένα νετρόνιο σε έναν πυρήνα όπως το τρίτιο μπορεί να μετατραπεί σε πρωτόνιο με το να φτύνει ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. Μερικοί πυρήνες, όπως το σελήνιο-82, μπορούν να φτύνουν δύο ηλεκτρόνια και δύο αντινετρίνα στη λεγόμενη διπλή βήτα διάσπαση. Αλλά στη διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνη, μόνο δύο ηλεκτρόνια θα έβγαιναν από έναν πυρήνα. Για να συμβεί αυτό, το νετρίνο θα πρέπει να είναι το δικό του αντισωματίδιο, καθώς το αντινετρίνο που εκπέμπεται με ένα ηλεκτρόνιο θα επαναρροφάται αμέσως ως νετρίνο για να πυροδοτήσει την εκπομπή του δεύτερου ηλεκτρονίου.
Εάν το νετρίνο ήταν το δικό του αντισωματίδιο, θα ήταν το μόνο δομικό στοιχείο της ύλης με αυτή την ιδιότητα—αν και τα σωματίδια που φέρουν δύναμη όπως το γλουόνιο φωτονίων είναι τα δικά τους αντισωματίδια. Θα σήμαινε επίσης ότι το νετρίνο θα έπρεπε να απομακρύνει τη μάζα του διαφορετικά από άλλα σωματίδια ύλης, που βαρύνονται από τον λεγόμενο μηχανισμό Higgs.
Για να εντοπίσουν μια τέτοια σπάνια διάσπαση —αν υπάρχει— οι φυσικοί πρέπει να εργαστούν πολύ κάτω από τη γη, όπου η ακτινοβολία υποβάθρου είναι χαμηλή, και να παρατηρήσουν μεγάλη ποσότητα πυρήνων, όπως το ξένο-136, το γερμάνιο-76 ή το τελλούριο-130. Οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο εργάζονται ήδη σε πειράματα χρησιμοποιώντας αρκετά κιλά τέτοιου υλικού. Ωστόσο, ο εντοπισμός της διάσπασης πιθανότατα θα χρειαστεί ένα πείραμα κλίμακας τόνου και η έκθεση καλεί τις ΗΠΑ να αρχίσουν να χτίζουν ένα το συντομότερο το 2018. «Η αρένα διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνη είναι πολύ ανταγωνιστική διεθνώς», λέει ο Robert McKeown, φυσικοί στο Jefferson Εργαστήριο. «Αν οι ΗΠΑ θέλουν να ηγηθούν, δεν μπορούμε να περιμένουμε». Ένα πείραμα σε κλίμακα τόνου είναι πιθανό να κοστίσει μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια.
Η εκπλήρωση του σχεδίου μπορεί να μην είναι εύκολη. Υποθέτει ότι ο προϋπολογισμός της πυρηνικής φυσικής θα αυξηθεί κατά 1,6% πάνω από τον πληθωρισμό καθένα από τα επόμενα 10 χρόνια—ή με απόλυτο ποσοστό μεταξύ 3,5% και 4%. Αυτή είναι μια μεγάλη παραγγελία, προειδοποίησε ο Dehmer στη συνεδρίαση της συμβουλευτικής επιτροπής. Ωστόσο, σημείωσε, η κοινότητα της πυρηνικής φυσικής τα κατάφερε καλά από τότε που παρουσίασε το τελευταίο της μακροπρόθεσμο σχέδιο το 2007. Ο Dehmer απέδωσε αυτή τη δημοσιονομική επιτυχία εν μέρει στην προθυμία της κοινότητας να αγκαλιάσει τέτοια σχέδια—κάτι που οι φυσικοί σε άλλους τομείς μερικές φορές δυσκολεύονται να κάνουμε.
