Τι κάνει τα σωματίδια ασταθή ;

Ένας δημοσιογράφος που ακολουθώ στο twitter μόλις πόσταρε την ερώτηση στον τίτλο αυτού του άρθρου.Ένιωσα υποχρεωμένος να προσπαθήσω να του δώσω μια απάντηση με όσο το δυνατόν απλούστερες έννοιες που έχουν σημασία για το θέμα.Έτσι, λοιπόν, τι κάνει ένα σωματίδιο ασταθές;

Μία απάντηση είναι: ένα σωματίδιο είναι ασταθές εάν υπάρχει τρόπος, ο οποίος δεν αντιβαίνει σε κάποιον φυσικό νόμο, ώστε να μετατρέψει τη μάζα ηρεμίας του σε άλλες μορφές ενέργειας. Ένας θα μπορούσε να το καταλάβει αυτό εστιάζοντας στην εντροπία: κάθε σύστημα που αφήνεται ελεύθερο να εξελιχθεί, θα κινηθεί προς την κατεύθυνση της μέγιστης εντροπίας. Έτσι, εφόσον η κατάσταση του ενός μόνο σωματιδίου είναι ένα σύστημα με ιδιαιτέρως χαμηλή εντροπία, ενώ τα προϊόντα της διάσπασής του έχουν ένα πλήθος δυνατών συνδυασμών και μια μεγαλύτερη εντροπία, το σύστημα φυσικά θα εξελιχθεί προς αυτήν την κατεύθυνση.

Προφανώς, βέβαια, η διάσπαση θα πρέπει να έχει έναν φυσικώς επιτρεπτό τρόπο να πραγματοποιηθεί: δεν μπορούμε, για παράδειγμα, να κάνουμε ηλεκτρικό φορτίο να εξαφανιστεί,οπότε ένα ηλεκτρόνιο δεν θα μπορούσε να μετατραπεί σε φωτόνια (θα αντέβαινε επίσης και τον νόμο διατήρησης της στροφορμής όπως και μερικούς άλλους νόμους διατήρησης, αλλά δεν είναι αυτά τα σημαντικά).

Μία άλλη απάντηση, που δεν έχει πολλή σχέση με την παραπάνω, είναι πως στη φυσική, ό,τι δεν απαγορεύεται να συμβεί, είναι καταδικασμένο να συμβεί. Εάν η πιθανότητα να συμβεί μια αντίδραση σε πεπερασμένο χρόνο δεν είναι μηδέν, αυτή θα συμβεί, δοθέντος αρκετού χρόνου. Ομοίως, αν αγοράσεις λαχείο αρκετές φορές είναι σίγουρο πως θα κερδίσεις μια μέρα. Αλλά προετοιμάσου να ζήσεις πολλά χρόνια, προτού συμβεί αυτό…

Μάλλον, όμως, η πιο εμπεριστατωμένη απάντηση είναι αυτή που ακολουθεί. Κάθε κβαντικό σύστημα υπόκειται διαρκώς σε κβαντικές διακυμάνσεις, κατά τις οποίες εικονικά σωματίδια εκπέμπονται και απορροφώνται. Πάρε για παράδειγμα ένα μιόνιο: το μιόνιο είναι ο βαρύς αδερφός του ηλεκτρονίου και, σε αντίθεση με το τελευταίο, έχει μικρό χρόνο ζωής (το ηλεκτρόνιο είναι απόλυτα σταθερό απ’ όσο γνωρίζουμε). Το μιόνιο σταθερά εκπέμπει και επαναπορροφά φωτόνια, μποζόνια της ασθενούς αλληλεπίδρασης και μποζόνια Higgs: αυτά είναι όλα τα σωματίδια με τα οποία το μιόνιο «ζευγαρώνει».Ο λόγος όλων των αλληλεπιδράσεων που υφίσταται το μιόνιο, εξαιτίας της κατοχής φορτίων στα συνδεδεμένα με αυτό ηλεκτρικά πεδία, είναι το ηλεκτρικό φορτίο και το weak hypercharge.

Τώρα, αυτές οι εικονικές εκπομπές συμβαίνουν για πολύ μικρά χρονικά διαστήματα , έτσι ώστε το υλοποιημένο εικονικό μποζόνιο να μπορεί να υπάρχει χωρίς να δανειστεί μεγάλα ποσά ενέργειας από το σύστημα: ο κανόνας είναι, πως ο χρόνος ύπαρξης του εικονικού σωματιδίου, πολλαπλασιασμένος με την ενέργεια που χρειάζεται για να υλοποιηθεί, θα πρέπει να είναι της τάξης της ανηγμένης σταθεράς του Plank.Αυτή είναι η αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg.

Σημειώστε πως όταν το μιόνιο εκπέμπει ένα φωτόνιο, ακόμα και εικονικό, εξακολουθεί να είναι μιόνιο: μόνο η ενέργεια του μπορεί να αλλάξει κατά την διαδικασία. Από την άλλη, όταν εκπέμπει ένα μποζόνιο W, μετατρέπεται σε ένα νετρίνο μιονίου (αλλά δεν μπορούμε να μιλήσουμε για αληθινή διάσπαση, έως ότου διευκρινίσουμε αν η αντίδραση αυτοαναιρείται). Τώρα πάρτε το εικονικό μποζόνιο W που εκλύθηκε για μια στιγμή από το μιόνιο: η μοίρα του καθορίζει και την μοίρα του εκπέμποντος μιονίου. Εάν το μποζόνιο W παραμείνει όπως είναι, έως που να επαναπορροφηθεί από το νετρίνο μιονίου, το μιόνιο θα νιώσει μόνο μια μικρή φαγούρα στην πλάτη και δεν θα καταλάβει ότι μετατράπηκε προηγουμένως για μια στιγμή σε νετρίνο μιονίου.

Αλλά εάν με την σειρά του το μποζόνιο W κάνει κβαντικές διακυμάνσεις εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο -εικονικό και αυτό-, το W «γίνεται» ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίου(δεν είναι σωστό να λέμε πως ένα μποζόνιο μετατρέπεται σε φερμιόνιο: αλλά εδώ απλουστεύω λίγο τα πράγματα. Αυτό που συμβαίνει βεβαίως είναι πως το W μετατρέπεται σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου και αντινετρίνο ηλεκτρονίου.)

Εδώ όμως υπάρχει πρόβλημα: το αντινετρίνο ηλεκτρονίου δεν μπορεί να απορροφηθεί από το νετρίνο του μιονίου, εκτός και εάν άλλες κβαντικές διακυμάνσεις αναιρέσουν την όλη αλυσίδα με την αντίστροφη ακριβώς διαδικασία( ηλεκτρόνιο συν αντινετρίνο ηλεκτρονίου να ενωθούν σε ένα W και το W μετά να απορροφηθεί από το νετρίνο μιονίου, επιστρέφοντας έτσι στο αρχικό μιόνιο).Έτσι, το μιόνιο έχει γίνει νετρίνο μιονίου, το W δεν υπάρχει πλέον και το ηλεκτρόνιο με το νετρίνο ηλεκτρονίου είναι υποχρεωμένα να συνεχίσουν ξεχωριστά τις ζωές τους.

Κατά κάποιον τρόπο είναι σαν να δανείζεις το αμάξι σου στον φίλο σου τον Joe τα απογεύματα της Πέμπτης. Κάθε Παρασκευή πρωί, παίρνεις πίσω το αμάξι σου άθικτο..Κάποιο βράδυ όμως ο Joe το τρακάρει σε μια κολόνα και το καταστρέφει. Το μη αντιστρεπτό αυτό γεγονός δεν σου επιτρέπει κάθε Παρασκευή πρωί πλέον να επανέλθεις στην αρχική σου κατάσταση: δεν είσαι από δω και πέρα ιδιοκτήτης αυτοκινήτου…

Αυτό που απομένει είναι να εξηγήσω γιατί το ηλεκτρόνιο δεν έχει την ίδια μοίρα με το ηλεκτρόνιο στην αντίδραση που συζητήσαμε παραπάνω. Όπως ακριβώς έκανε και το μιόνιο, το ηλεκτρόνιο μπορεί επίσης να εκπέμψει ένα εικονικό W μποζόνιο και να μετατραπεί σε νετρίνο ηλεκτρονίου για ένα μικρό χρονικό διάστημα. Και το μποζόνιο W μπορεί να διακυμανθεί έτσι ώστε να δημιουργήσει ένα ζεύγος μιονίου και αντινετρίνου μιονίου. Παρ’ όλα αυτά, κανένα αληθινό γεγονός δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί εκεί, επειδή στο τέλος αυτών των διακυμάνσεων η ενεργειακή ισορροπία θα πρέπει να μείνει άθικτη: και αφού το ηλεκτρόνιο έχει μία μάζα ηρεμίας που αντιστοιχεί μόνο σε 0.5 MeV ενέργειας, δεν είναι επαρκής αυτή, ώστε να δημιουργηθεί ένα πραγματικό μιόνιο (που είναι 200 φορές βαρύτερο). Το ζεύγος μιόνιο-αντινετρίνο μιονίου λοιπόν δεν μπορεί να γίνει πραγματικό και η αντίδραση δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί: Ο εικονικός αυτός βρόχος θα πρέπει να επιστρέψει στην αρχή και το ηλεκτρόνιο παραμένει όπως ήταν.

Σημειώστε επίσης ότι το εικονικό W μπορεί όντως να μετατραπεί σε ζεύγος ηλεκτρονίου-αντινετρίνου ηλεκτρονίου και να τα κάνει πραγματικά σωματίδια, χωρίς να ανατρέψει την ενεργειακή ισορροπία. Σε αυτήν την περίπτωση, το αντινετρίνο θα πρέπει να εξαϋλωθεί (κλείνοντας τον βρόχο)  με το αρχικό νετρίνο ηλεκτρονίου (σε αντίθετη περίπτωση τα δύο επιπλέον νετρίνο θα μετέφεραν ενέργεια και η διατήρηση της ενέργειας θα παραβιαζόταν).Το αποτέλεσμα είναι μια απλή κβαντική διακύμανση, αδύνατον να διακριθεί από αυτήν που αναφέραμε προηγουμένως.

Αρχικό κείμενο:  http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/what_makes_particles_unstable-96241

9 Νοεμβρίου 2012