Συνέντευξη: Ο ερευνητής Διονύσης Αντύπας με απλά λόγια μας μαθαίνει το χαλαρόνιο και τη σχέση του με την σκοτεινή ύλη

Από Κωνσταντίνος Ζώκος στις 18 Οκτωβρίου 2019 

Εισαγωγικά:

Στις 10 Οκτωβρίου 2019, στο egno.gr, δημοσιεύσαμε ανακοίνωση για μια νέα προσέγγιση της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης με τη βοήθεια μιας νέας (υποθετικής) οντότητας – το χαλαρόνιο – και αναφερθήκαμε στο πείραμα που οι επιστήμονες διεξήγαγαν. Οι έννοιες είναι νέες, όπως και οι ονομασίες, και θεωρήσαμε ότι θα ήταν καλό, για την ενημέρωση των αναγνωστών του egno.gr, να ζητήσουμε από έναν από τους πειραματιστές – τον ερευνητή Διονύση Αντύπα – να μας εισαγάγει σε αυτές τις νέες έννοιες. Η ανταπόκρισή του στο αίτημά μας υπήρξε άμεση, μας τιμά και φυσικά τον ευχαριστούμε για αυτό. Θεωρούμε ότι οι γνώσεις που παρέχονται είναι σημαντικές και χρήσιμες για τους αναγνώστες μας – ειδικότερα για μαθητές, δασκάλους φυσικής, φοιτητές, καθηγητές στο πανεπιστήμιο και ερευνητές.

Ο Διονύσης Αντύπας κατάγεται από την Κεφαλονιά. Σπούδασε φυσική στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο της Θεσσαλονίκης [BS (Bachelor of Science) το 2005], συνέχισε τις σπουδές του στην Αμερική [MS (Master of Science) του 2008] και ονομάστηκε Doctor of Philosophy (PhD) το 2013 από το Πανεπιστήμιο Purdue. Η εργασία του στο PhD ήταν κυρίως σε νέες τεχνικές για μετρήσεις ακριβείας σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις σε άτομα. Μετά το τέλος του διδακτορικού του επιστρέφει στην Ευρώπη, στο Helmholtz-Institute Mainz ως μεταδιδακτορικός ερευνητής. Η κύρια δραστηριότητά του είναι στην πειραματική μελέτη ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων στο άτομο του υττέρβιου (ytterbium).

Η συνέντευξη:

[egno] Θα είχατε την ευγενική καλοσύνη να μας δώσετε μια εικόνα για το θεωρητικό μοντέλο του χαλαρού αξιόνιου ή χαλαρόνιου (relaxion);

[Δ.Α.] Το χαλαρό αξιόνιο ή χαλαρόνιο είναι ένα υποθετικό σωματίδιο που εισήχθηκε πριν μερικά χρόνια [το 2015], ως μέρος μιας προσπάθειας εξήγησης ενός θεμελιώδους ερωτήματος στη Φυσική. Ο λόγος για το πρόβλημα της ιεραρχίας: γιατί η βαρύτητα είναι πιο ασθενής από τις άλλες τρεις αλληλεπιδράσεις (ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή και ασθενής πυρηνική); Με την παρουσία του χαλαρόνιου είναι επίσης δυνατό να απαντηθεί ένα άλλο σημαντικό ερώτημα: για ποιο λόγο ενώ στο πλαίσιο της κβαντικής χρωμοδυναμικής (το μοντέλο που περιγράφει τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις) επιτρέπεται η παραβίαση της συμμετρίας CP [συνδυασμός εναλλαγής ενός σωματιδίου με το αντι-σωματίδιό του (C) και εναλλαγή των διευθύνσεων «δεξιά» και «αριστερά» (P)], εύρος πειραμάτων δείχνει ότι τέτοια παραβίαση δεν πραγματοποιείται; Επιπλέον, πρόσφατη θεωρητική δουλειά έδειξε ότι το χαλαρόνιο μπορεί επίσης να ερμηνεύσει την παρουσία της σκοτεινής ύλης, της οποίας οι ρίζες και η σύσταση είναι ίσως το μεγαλύτερο μυστήριο στη σύγχρονη φυσική.

Συνοπτικά, το χαλαρόνιο μπορεί να δώσει λύσεις σε πολλά προβλήματα: στο πρόβλημα της παραβίασης CP [φορτίου-ομοτιμίας (parity)] στην ισχυρή δύναμη, της ιεραρχίας, της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης.

Υπό την παρουσία του χαλαρόνιου πραγματοποιούνται ταλαντώσεις σε συγκεκριμένες θεμελιώδεις σταθερές, όπως η σταθερά της λεπτής υφής και η μάζα του ηλεκτρονίου. Η συχνότητα των ταλαντώσεων αυτών είναι η συχνότητα Compton του χαλαρόνιου. Οι μεταβολές στη σταθερά της λεπτής υφής ή της μάζας του ηλεκτρονίου δημιουργούν ανάλογες μεταβολές στην ενέργεια των ηλεκτρονικών σταθμών σε άτομα, και έτσι στη συχνότητα οπτικών διεγέρσεων των ατόμων. Τις αλλαγές στη συχνότητα διέγερσης (εάν πραγματοποιούνται) θα μπορούσαμε να τις ανιχνεύσουμε σε ένα σχετικά απλό πείραμα οπτικής φασματοσκοπίας. Μια τέτοια ανίχνευση επιχειρήσαμε στη δουλειά που δημοσιεύσαμε πρόσφατα.

[egno] Θα θέλατε να εστιάσετε [καταγράφοντας το πώς και το τι οδήγησε σε αυτό] στην χρήση των ατμών καισίου για την αποκάλυψη της σκοτεινής ύλη;

[Δ.Α.] Το πείραμα που κάναμε θα ήταν δυνατό με χρήση οποιουδήποτε ατόμου στο οποίο οπτική φασματοσκοπία είναι εφικτή. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να κοιτάξουμε διεγέρσεις σε μια μεγάλη γκάμα ατόμων για τα οποία υπάρχουν λέιζερ με μήκος κύματος κατάλληλο για οπτική διέγερση. Θα μπορούσαμε επίσης, να κάνουμε τα πειράματα σε μια από πολλές «πλατφόρμες». Π.χ. θα μπορούσαμε να μελετήσουμε άτομα σε μια ατομική δέσμη, άτομα που είναι παγιδευμένα στο χώρο, ή άτομα σε μορφή ατμού. Επιλέξαμε τη χρήση ατμού, λόγω της εξαιρετικής απλότητας της πειραματικής διάταξης και της μεγάλης πειραματικής ευαισθησίας που μας παρέχεται στην περίπτωση αυτή.

Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήσαμε καίσιο, καθώς η χρήση του συγκεκριμένου ατόμου σε εργαστήρια ατομικής φυσικής είναι πολύ διαδεδομένη και ο απαραίτητος εξοπλισμός (λέιζερ, ανιχνευτές φωτός, κλπ.) ήταν άμεσα διαθέσιμος. Λόγω της απλότητας της πειραματικής διάταξης, το πείραμα είναι αρκετά εύκολο να αναπαραχθεί. Μάλιστα το όνομα που του δώσαμε, αντιπροσωπεύει την ευκολία αυτή: «Weekend RElaxion-Search Laboratory» ή WRESL.

[egno] Υπάρχει κάτι γενικότερο στην συγκεκριμένη χρήση ή αναζητείται μέσω αυτής ο περιορισμός της περιοχής αναζήτησης της σκοτεινής ύλης;

[Δ.Α.] Δεν είναι η πρώτη φορά που χρησιμοποιούνται ατμοί (αλκαλίων συγκεκριμένα) για την ανίχνευση σκοτεινής ύλης. Ατμοί ρουβιδίου, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται από την ομάδα μας σε ένα άλλο πείραμα το οποίο εξετάζει διαφορετικά μοντέλα για τη σκοτεινή ύλη (συγκεκριμένα ψάχνει για σωματίδια όμοια με αξιόνια – Axion Like Particles, ή ALPs). Είναι όμως η πρώτη φορά που γίνεται χρήση οπτικής φασματοσκοπίας για ανίχνευση του συγκεκριμένου σεναρίου που εξετάζουμε, δηλαδή το χαλαρόνιο.

[egno] Θα θέλατε να μας ενημερώσετε για τη δικής εμπλοκή με την έρευνα αυτή;

[Δ.Α.] Μπήκα στη δουλειά αυτή στο αρχικό της στάδιο, ίσως κατά τύχη. Ενώ περνούσα έξω από το γραφείο του, ο Καθηγητής Budker (ο καθηγητής της ομάδας), με σταμάτησε για να μου πει τα συναρπαστικά νέα περί της δυνατότητας ανίχνευσης σκοτεινής ύλης μέσω φασματοσκοπίας, που θα μπορούσαμε να κάνουμε σε ένα γρήγορο πείραμα στο εργαστήριο. Προσφέρθηκα άμεσα να στήσω ένα πείραμα. Πρότεινα τους ατμούς καισίου ως το μέσο για τη φασματοσκοπία, λόγω της εξαιρετικής απλότητας της διάταξης, που επέτρεψε την πολύ γρήγορη παραγωγή αποτελεσμάτων (από τη σύλληψη της ιδέας μέχρι τα τελικά δεδομένα μεσολάβησαν μόνο 3 μήνες). Έστησα το πείραμα (μαζί με έναν συνεργάτη, τον Dr. Oleg Tretiak) και πήρα δεδομένα, τα οποία ανάλυσα μαζί με τον Dr. Tretiak και τον PhD φοιτητή μας, A. Garcon.

[egno] Μπορείτε να μας ενημερώσετε για το επόμενο βήμα σας;

[Δ.Α.] Σκοπεύουμε να βελτιώσουμε την ευαισθησία της πειραματικής διάταξης και να προχωρήσουμε σε νέες μετρήσεις. Η βασική βελτίωση στη διάταξη αφορά στη χρήση ενός πολύ αποτελεσματικού συστήματος για γρήγορα μετασχηματισμό Fourier (Fast Fourier Transform-FFT), τον οποίο ο συνεργάτης μου Dr. Tretiak αναπτύσσει αυτή τη στιγμή. Ελπίζουμε ότι το νέο σύστημα θα επιτρέψει καταγραφή δεδομένων σε πολύ συντομότερο χρονικό διάστημα, που θα επιτρέψει τελικά την καταγραφή πολύ μεγαλύτερου όγκου δεδομένων, προσφέροντας έτσι μεγαλύτερη ευαισθησία στην πιθανή ανίχνευση χαλαρονίων.

Πηγή: egno.gr

Υπεύθυνος για τις ερωτήσεις: Κωνσταντίνος Α. Ζώκος, Φυσικός, Δάσκαλος Φυσικής, Επιστημονικός Υπεύθυνος του egno.gr

Η συνέντευξη έγινε: 16 Οκτωβρίου 2019