Μιόνια: Επαληθεύοντας την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, Μέρος Β’

Στο πρώτο μέρος είδαμε ότι τα μιόνια ζουν “απειροελάχιστα” αφού διασπώνται εντός 2,2 εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου. Σε αυτό το μέρος, θα δούμε πώς δημιουργούνται αλλά και πώς ζούνε αυτά τα σωματίδια στη γήινη ατμόσφαιρα.

Πώς παράγονται τα μιόνια στη γήινη ατμόσφαιρα;

Ας φανταστούμε ένα πρωτόνιο το οποίο προέρχεται από ένα αστροφυσικό αντικείμενο όπως μια υπερκαινοφανής έκρηξη, έναν αστροφυσικό πίδακα, ένα γεγονός παλιρροϊκής καταστροφής, μια έκρηξη ακτίνων γ, κλπ. Το σωματίδιο αυτό έχει επιταχυνθεί σε πολύ μεγάλη ταχύτητα ξεπερνώντας το 99,99% της ταχύτητας του φωτός (το πώς έγινε αυτό παραμένει μια ανοιχτή ερώτηση για την επιστημονική κοινότητα και σε μελλοντικό άρθρο θα δούμε μερικούς από τους πιθανούς τρόπους). 

Έχοντας δραπετεύσει από την αστροφυσική πηγή στην οποία επιταχύνθηκε, το πρωτόνιο ταξιδεύει στο διαστρικό ή ακόμα και στο διαγαλαξιακό χώρο για να έρθει και να εισχωρήσει στη γήινη ατμόσφαιρα. Η γήινη ατμόσφαιρα είναι συγκριτικά ένας αρκετά πυκνός χώρος σε σχέση με το διαστρικό χώρο με αποτέλεσμα το πρωτόνιο να μην μπορεί να ταξιδεύει ανενόχλητο πια και να αλληλεπιδράσει με τα μόρια της ατμόσφαιρας. Μέσα από αυτές τις αλληλεπιδράσεις, το πρωτόνιο χάνει σημαντικό μέρος της ενέργειάς του, το οποίο φτάνει έως και το 50%. Η ενέργεια αυτή είναι ικανή να προκαλέσει τη δημιουργία νέων δευτερογενών σωματιδίων, τα οποία με τη σειρά τους θα δημιουργήσουν νέα σωματίδια και ούτω καθεξής. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως καταιονισμός σωματιδίων. 

Κατά την εξέλιξη ενός καταιονισμού, μπορεί να δημιουργηθούν δισεκατομμύρια σωματιδίων αναλόγως με την αρχική ενέργεια του πρωτονίου. Μεταξύ αυτών των σωματιδίων συναντάμε και πληθώρα μιονίων τα οποία ταξιδεύουν με ταχύτητα που πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός. 

Χρησιμοποιώντας κάποιες απλές εξισώσεις μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση που θα διανύσει ένα δευτερογενές μιόνιο που δημιουργήθηκε κατά τον καταιονισμό ενός πρωτονίου. 

Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι ένα μιόνιο γεννιέται στη γήινη ατμόσφαιρα και ταξιδεύει με 99,9999995% της ταχύτητας του φωτός (δηλαδή με 1.079.252.843 χιλιόμετρα την ώρα). Όπως ήδη είδαμε, το μιόνιο θα ζήσει για 2,2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου άρα θα προλάβει να καλύψει μια απόσταση 660 μέτρων πριν διασπαστεί. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι η γήινη ατμόσφαιρα έχει πάχος περίπου 100 χιλιόμετρα (στα 100 χιλιόμετρα ορίζεται η ζώνη Karman που οριοθετεί το τέλος της ατμόσφαιρας και την αρχή του Διαστήματος). Η απόσταση αυτή είναι περίπου 150 φορές η απόσταση που μπορεί να διανύσει ένα μιόνιο. 

Μπορούμε επομένως, να περιγράψουμε τον παραπάνω συλλογισμό με μια μονάχα πρόταση: “τα μιόνια που παράγονται στην ατμόσφαιρα θα διασπαστούν πριν φτάσουν στη γήινη επιφάνεια”.

Άρα κανένας ανιχνευτής μιονίων στην επιφάνεια της Γης δε θα έπρεπε να είχε δώσει ποτέ αποτέλεσμα. Κάτι τέτοιο ξέρουμε όμως ότι είναι λάθος, όπως μας είχαν αποδείξει οι Καρλ Ν. Άντερσον και Σεθ Νεντεμέγιερ ήδη από τον 20ό αιώνα. 

Επομένως, πρέπει να κάναμε κάποιο λάθος με τους υπολογισμούς μας και οδηγηθήκαμε σε λάθος συμπέρασμα! 

Ή μήπως όχι…  

Στο επόμενο μέρος θα διαλευκάνουμε το πρόβλημα με τον εντοπισμό των μιονίων και θα έρθουμε ένα βήμα πιο κοντά στο να καταλάβουμε το ρόλο τους στην επαλήθευση της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας.