Μοιάζει και συμπεριφέρεται σαν το Higgs λέει το CERN για το νέο σωματίδιο

Στο πλαίσιο του σεμιναρίου φυσικής ICHEP, το CERN επιβεβαίωσε τις φήμες που ήθελαν την ανακοίνωση για την εύρεση ενός νέου σωματιδίου στην περιοχή ενεργειών που αναμένεται να βρίσκεται και το σωματίδιο Higgs – περίπου 125 GeV. Οι επιστήμονες των δύο μεγάλων πειραμάτων που λαμβάνουν χώρα στο CERN, τα CMS και ATLAS παρουσίασαν τα τελευταία ευρήματα στην έρευνα για το Higgs, το πρωί της Τετάρτης 4 Ιουλίου.

Τα αποτελέσματα από τον ανιχνευτή CMS προηγήθηκαν, με την παρουσίαση του φυσικού Joe Incadela να καταλήγει ότι «βρέθηκε ένα νέο μποζόνιο, στην περιοχή των 125.3 +- 0.6 Gev, με μία πιθανότητα 4.9 σίγμα», που μεταφράζεται σε περίπου 99.9999% συνολική πιθανότητα να υπάρχει το συγκεκριμένο σωματίδιο.

Πιο συγκεκριμένα, ανακοίνωσαν πως τα στοιχεία που έχουν ήδη επεξεργαστεί είναι περισσότερα συγκριτικά με την τελευταία ανακοίνωση του Δεκεμβρίου και χρησιμοποιώντας αντιδράσεις που έφταναν τα 8 TeV σε σχέση με τα 7 ΤeV της περσινής χρονιά. Στα 8 ΤeV το Higgs είναι 35% πιθανότερο να εμφανιστεί σε κάποια αντίδραση, παρουσιάζοντας μια μεγαλύτερη γκάμα αντιδράσεων στις οποίες συμμετέχει. Τα αποτελέσματα από το πείραμα ATLAS, είναι επίσης υποστηρικτικά για την ύπαρξη του νέου σωματιδίου, και δίνουν ενέργεια 125.5 GeV με πιθανότητα 5 σίγμα.

Αναλύοντας περισσότερα στοιχεία από τις συγκρούσεις πρωτονίων που μελετούν στο CERN, οι επιστήμονες πιστεύουν πως σύντομα θα μπορέσουν να πουν πως είναι απόλυτα σίγουροι για την ανακάλυψη. Δεδομένου πάντως πως το νέο σωματίδιο συμμετέχει σε αντιδράσεις οι οποίες είναι οι αναμενόμενες για τα μποζόνια, των σωματιδίων εκείνων δηλαδή που φέρουν τις θεμελιώδεις δυνάμεις τις φύσης θα πρέπει να πρόκειται για θέμα χρόνου η ταυτοποίηση του νέου σωματιδίου με το λεγόμενο «σωματίδιο του Θεού».

Όμως δεν υπήρξε επίσημη ανακοίνωση πως το Higgs βρέθηκε. Το νέο σωματίδιο συμμετέχει σε πλήθος αντιδράσεων, δύο μεταξύ των οποίων είναι η διάσπαση σε δύο φωτόνια και η διάσπαση σε δύο σωματίδια Z, τα σωματίδια φορείς της ηλεκτρομαγνητικής και ασθενούς δύναμης αντίστοιχα, γεγονός που υποδεικνύει πως πρόκειται όντως για μποζόνιο, φορέα κάποιου πεδίου. Για να φτάσουν στο απαραίτητο επίπεδο αποδεκτής πιθανότητας και να είναι σίγουροι πως πρόκειται για το Higgs, οι επιστήμονες θα χρειαστούν ίσως αρκετούς μήνες εντατικών προσπαθειών.

 

Στην ομιλία της Τετάρτης στην Γενεύη παρευρισκόταν και ο ίδιος ο Peter Higgs, όπως επίσης και οι άλλοι 4 διακριθέντες επιστήμονες που συμμετείχαν τη δεκαετία του ‘60 στην ανακάλυψη αυτού που σήμερα ονομάζεται πεδίο Higgs: οι Francois Englert, Tom Kibble, Gerald Guralnik και Carl Hagen. Ο Robert Brout ένας ακόμη φυσικός που συμμετείχε στις παραπάνω θεωρητικές ανακαλύψεις δυστυχώς απεβίωσε το Μάιο του 2011, τιμήθηκε όμως μαζί με τους υπόλοιπους με το διεθνούς κύρους βραβείο της Φυσικής Sakurai το 2010. Χρειάστηκε να περάσει περίπου μισός αιώνας για να δούνε οι παραπάνω επιστήμονες το καρπό της έρευνας τους να αποδεικνύεται πειραματικά, σε έναν θρίαμβο της ανθρώπινης διανόησης. Θα πρέπει να θεωρείται βέβαιο, πως αν οριστικοποιηθεί τελικά η ανακάλυψη το επόμενο Νόμπελ Φυσικής θα μοιραστεί σε τρεις από τους παραπάνω πρωτοπόρους φυσικούς.

Ο Peter Higgs μαζί με αυτούς τους φυσικούς διατύπωσε το 1964 τη θεωρία του πεδίου Higgs, που διατρέχει όλο το Σύμπαν. Η εργασία είχε αρχικά απορριφθεί από την επιθεώρηση Physics Letters, με το επιχείρημα ότι «δεν έχει εμφανή σχέση με τη φυσική».

Τότε ο Higgs έστειλε το άρθρο στο Physical Review Letters, προσθέτοντας στο τέλος μια παράγραφο, στην οποία εξηγούσε ότι η θεωρία του προέβλεπε την ύπαρξη ενός άγνωστου σωματιδίου, του σωματιδίου Higgs. Ο Στίβεν Χόκινγκ υποστήριζε επί χρόνια ότι το μποζόνιο του Χιγκς δεν υπάρχει, είχε μάλιστα βάλει και στοίχημα 100 λιρών – το οποίο προφανώς πλέον έχασε.

Είναι ενδιαφέρον πως τα στοιχεία αυτά προέκυψαν από συγκρούσεις σωματιδίων που έλαβαν χώρα στον επιταχυντή LHC τις τελευταίες 2 εβδομάδες. H υπολογιστική ισχύς στο CERN υπερδιπλασιάστηκε το τελευταίο εξάμηνο, και πλέον ο χρόνος επεξεργασίας για την κάθε σύγκρουση είναι μόλις 15 δευτερόλεπτα. Για την επίτευξη αυτών των επιδόσεων αναπτύχθηκε ένα ειδικό δίκτυο υπολογιστών, το λεγόμενο grid που θεωρείται πως είναι υποψήφιο για να γίνει η νέα γενιά του διαδικτύου. Μη ξεχνάμε πως το ίδιο το web δημιουργήθηκε στο CERN.

Στο CERN μπορεί οι προσπάθειες να έχουν επικεντρωθεί στην εύρεση του σωματιδίου Higgs, ως το μόνο κρίκο που έλειπε από την αλυσίδα των σωματιδίων που περιέχονται στο Τυπικό Μοντέλο, την επικρατούσα θεωρία που έχουμε για τη Φύση, όμως η δουλειά στο CERN δε σταματάει εκεί. Ταυτόχρονα με το μποζόνιο Higgs, οι ερευνητές ψάχνουν και για στοιχεία ύπαρξης κάποιων ακόμη υποτιθέμενων σωματιδίων που αντιστοιχούν στη θεωρία της υπερσυμμετρίας. Αναμένεται πως στα επίπεδα ενεργειών που έχει φτάσει ο επιταχυντής στο CERN, θα πρέπει να μπορέσει να ανιχνεύσει και κάποια από αυτά τα υπερσωματίδια. Την ίδια ώρα ερευνώνται νέες ιδέες όπως η θεωρία χορδών, και ανακαλύπτονται και σωματίδια στα όρια του Τυπικού Μοντέλου τα οποία δε γνωρίζαμε πως υπήρχαν. Πρόκειται για μια περίοδο πολύ έντονης δραστηριότητας καθώς φτάσαμε στο τεχνολογικό επίπεδο να ελέγχουμε τόσο προωθημένες θεωρίες. Είναι σίγουρο πως με την ανακάλυψη του Higgs ξεκινάει ένας μακρύς δρόμος των ανακαλύψεων, γνωρίζοντας πως βαδίζουμε στο σωστό δρόμο.

Λίγα λόγια παραπάνω για το Higgs

Ένα από τα ελάχιστα κομμάτια του Καθιερωμένου Μοντέλου που έμενε να επιβεβαιωθεί πειραματικά, ήταν ο μηχανισμός με τον οποίο θεωρούσαμε ότι τα σωμάτια αποκτούν μάζα (δηλαδή αδράνεια). Οι περισσότεροι θεωρούσαν ότι η μάζα είναι μια επίκτητος ιδιότητα, που το κάθε σωμάτιο δηλαδή φέρει από τη στιγμή της δημιουργίας του. Δυστυχώς δεν είναι έτσι τα πράγματα.

Όπως το φωτόνιο – ο διαδότης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου – δεν έχει μάζα, έτσι και το σωμάτιο W ένας από τους διαδότες της ασθενούς αλληλεπίδρασης δεν έπρεπε να είχε μάζα. Κι αυτό γιατί υπάρχει συμμετρία μεταξύ των δύο κβάντων των δύο πεδίων. Έτσι, η ασθενής αλληλεπίδραση θα κινδύνευε να μείνει έξω απ’ το παιχνίδι της συμμετρίας και η θεωρητική εξήγηση της ενοποίησης της ασθενούς δύναμης με τον ηλεκτρομαγνητισμό (ηλεκτρασθενής δύναμη) θα οδηγείτο σε αδιέξοδο. Εδώ λοιπόν μπαίνει στο παιχνίδι ένα μυστηριώδες πεδίο, το πεδίο Higgs.

Το πεδίο αυτό μας επιτρέπει να θεωρούμε τα κβάντα όλων των αλληλεπιδράσεων σαν σωμάτια που αυτά καθαυτά δεν έχουν μάζα, φαίνεται όμως σ’ εμάς ότι έχουν εξαιτίας της αλληλεπίδρασής τους με το πεδίο Higgs, ή καλύτερα με το κβάντο του πεδίου αυτού, το περίφημο μποζόνιο Higgs.

Δηλαδή σύμφωνα με την θεωρία των ερευνητών που εργάστηκαν ανεξάρτητα πάνω στο ίδιο πρόβλημα, η μάζα όλων των στοιχειωδών σωματίων είναι μια επίκτητη (φαινομενική) ιδιότητα που προκύπτει λόγω της αλληλεπίδρασής τους με το πανταχού παρόν πεδίο Higgs. Θα μπορούσαμε, δηλαδή, να πούμε πως, αν το πεδίο αυτό «έσβηνε» ξαφνικά (όπως υποθέτουμε ότι ίσχυε για κάποια χρονική περίοδο μετά το Big Bang, λόγω των ακραίων θερμοκρασιών), όλα τα σωμάτια θα εμφανίζονταν χωρίς μάζα ή καλύτερα δεν θα είχαν αδράνεια, ΄την ιδιότητα της ύλης να προβάλει αντίσταση στη μεταβολή της κινητικής τους κατάστασης.

Αυτό, εν συνεχεία, σύμφωνα με την Θεωρία της Σχετικότητας, θα σήμαινε ότι κάθε σωμάτιο θα ταξίδευε με την ταχύτητα του φωτός. Γνωρίζουμε, βέβαια, ότι κάτι τέτοιο δεν ισχύει στ’ αλήθεια εκτός από το φωτόνιο.

Στην αρχική τους μορφή, οι εξισώσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου λειτουργούσαν μόνο αν η μάζα απουσίαζε από όλα στοιχειώδη σωματίδια. Ο μηχανισμός του Higgs προτάθηκε προκειμένου να συμβιβάσει το Μοντέλο με την μάζα που βλέπουμε στα σωματίδια. Επιπλέον, όμως, συνετέλεσε στο να ενοποιηθούν, δηλαδή να περιγραφούν με κοινό τρόπο, δύο από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (που προέκυψε με τη σειρά της από την ενοποίηση του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού) και η ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει ορισμένες αντιδράσεις, όπως η διάσπαση βήτα, που συμβαίνουν στον ήλιο. Αυτό που προέκυψε είναι η λεγόμενη «ηλεκτρασθενής δύναμη», η οποία επέτρεψε στους θεωρητικούς φυσικούς να προχωρήσουν ένα βήμα προς τον απώτερο, απόλυτο στόχο τους: να περιγράψουν μια θεωρία των πάντων, η οποία εξηγεί όλες τις φυσικές δυνάμεις ως παράγωγα μιας κοινής δύναμης που υπήρχε μόνη της τη στιγμή που γεννήθηκε το Σύμπαν.

Πώς βγήκε η ατυχής ονομασία Σωματίδιο του Θεού

Ενώ ο Peter Higgs δηλώνει άθεος, πολλά ΜΜΕ το προσφωνούν έτσι, γιατί η φράση αυτή προέρχεται από το βιβλίο The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? («Το Σωματίδιο του Θεού: Αν το Σύμπαν είναι η απάντηση, τότε ποια είναι η ερώτηση;») που εκδόθηκε το 1993. Ο συγγραφέας του, ο νομπελίστας φυσικός Leon Lederman, έχει παραδεχτεί ότι δέχτηκε πιέσεις από τους εκδότες να αλλάξει το όνομα που είχε αρχικά επιλέξει: The Goddamn Particle, («το Καταραμένο Σωματίδιο»).

Γιατί το Higgs δεν λύνει όλα τα προβλήματα της μάζας

Ξέρουμε βεβαίως πως το πεδίο Higgs αλληλεπιδρά με τα στοιχειώδη σωματίδια, κανείς όμως δεν γνωρίζει γιατί ορισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν περισσότερο και έχουν μεγάλη μάζα, ενώ άλλα δεν αλληλεπιδρούν καθόλου και είναι αβαρή (όπως το φωτόνιο). Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει τρόπος να προβλεφθεί θεωρητικά η μάζα ενός οποιοδήποτε σωματιδίου, και αυτό θεωρείται σημαντικό κενό από τους φυσικούς.

• Εκλαΐκευση του μηχανισμού Higgs, το πώς δηλαδή τα σωμάτια απέκτησαν μάζα

1. Ο μηχανισμός Higgs

Για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό Higgs, ας φανταστούμε  μια συγκέντρωση φυσικών οι οποίοι βρίσκονται ομοιόμορφα κατανεμημένοι μέσα σε μια αίθουσα, και συζητούν με τους διπλανούς τους. 

…Μια όμορφη και σημαντική φυσικός μπαίνει και διασχίζει την αίθουσα. Όλοι οι φυσικοί απ’ όπου περνάει, έλκονται προς αυτήν και συνωθούνται γύρω της. Καθώς διασχίζει την αίθουσα, έλκει τα πρόσωπα που βρίσκονται κοντά της, ενώ αυτά που προσπέρασε, επιστρέφουν στις κανονικές αποστάσεις μεταξύ τους… 

Επειδή πάντα υπάρχει ένας σωρός ανθρώπων γύρω της, αυτή αποκτά μεγαλύτερη μάζα απ’ ότι θα είχε αν ήταν μόνη της. Αυτό υπονοεί ότι έχει τώρα περισσότερη ορμή για την ίδια ταχύτητα κίνησης. Δηλαδή, όταν κινείται είναι δυσκολότερο να σταματήσει, ενώ όταν σταματήσει, είναι δυσκολότερο να ξεκινήσει ξανά, διότι ο σωρός γύρω της πρέπει να κινηθεί και αυτός. 

Στις τρεις διαστάσεις και με τις περιπλοκές που φέρνει η σχετικότητα, αυτός περίπου είναι ο μηχανισμός του Higgs. Ένα πεδίο, το πεδίο Higgs, θεωρείται ως υπόβαθρο σε όλο το χώρο. Απ’ οπουδήποτε περνάει ένα σωματίδιο, το τελευταίο παραμορφώνει τοπικά το πεδίο Higgs.

Η παραμόρφωση αυτή που έχει ως αντίστοιχο τη συγκέντρωση των ανθρώπων γύρω από την σπουδαία φυσικό που εισέρχεται στην αίθουσα, γεννάει τη μάζα του σωματιδίου.

Η ιδέα προέρχεται από τη φυσική της στερεάς κατάστασης. Αντί για ένα πεδίο που γεμίζει όλο το χώρο, σ’ ένα στερεό σώμα, υπάρχει το πλέγμα των θετικών ιόντων του κρυστάλλου. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται μέσα στο πλέγμα των ιόντων, τα ιόντα έλκονται από αυτό, κάνοντας έτσι τη φαινομενική μάζα του ηλεκτρονίου μα είναι ακόμη και 40 φορές μεγαλύτερη από του ελευθέρου ηλεκτρονίου.

Το πεδίο Higgs στο κενό, αποτελεί ένα τέτοιο είδος υποθετικού πλέγματος, που γεμίζει όλο το Σύμπαν. Χωρίς αυτό δεν θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε γιατί τα σωματίδια Z και W που είναι οι φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων, έχουν τόσο μεγάλη μάζα, ενώ το φωτόνιο που είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, δεν έχει καθόλου μάζα.

2. Το μποζόνιο Higgs

… Ας θεωρήσουμε τώρα μια φήμη που διασπείρεται μέσα στην αίθουσα με τους φυσικούς.  Όσοι βρίσκονται κοντά στην πόρτα, ακούνε πρώτοι τη φήμη και μαζεύονται για να συζητήσουν τις λεπτομέρειες. Μετά στρέφονται και πλησιάζουν τους επόμενους γείτονές τους που θέλουν να μάθουν και αυτοί τι έγινε. …

… Ένα κύμα από συνάθροιση προσώπων διαδίδεται μέσα στην αίθουσα. Μπορεί να απλωθεί σε όλες τις γωνιές, ή μπορεί να σχηματιστεί μια δέσμη από συμπύκνωση προσώπων που θα διαδοθεί προς μία μόνο διεύθυνση μέσα στην αίθουσα, και θα μεταφέρει τη φήμη. Παράγονται δηλαδή πάλι συμπυκνώσεις, αλλά αυτή τη φορά μεταξύ των ιδίων των επιστημόνων, χωρίς να χρειάζεται και άλλο πρόσωπο.

Αφού η πληροφορία μεταφέρεται από συσσωματώματα ανθρώπων, και  αφού τα συσσωματώματα ήταν εκείνα που έδωσαν περισσότερη μάζα στο πρόσωπο που μπήκε στην αίθουσα, τα συσσωματώματα αυτά από μόνα τους έχουν μάζα και χωρίς την ύπαρξη του σημαντικού προσώπου.

Πού μπορούμε να βρούμε το μποζόνιο Higgs;

Το μποζόνιο Higgs δεν βρίσκεται πουθενά σε σταθερή κατάσταση. Το σωματίδιο υπάρχει μόνο στιγμιαία σε συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας, ή ενέργειας. Τέτοιες θερμοκρασίες ή ενέργειες υπήρξαν μερικές στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και παράγονται σήμερα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Το σωματίδιο μπορεί επίσης να εμφανίζεται στιγμιαία σε τυχαία συμβάντα υψηλής ενέργειας, για παράδειγμα κατά την πρόσκρουση κοσμικών ακτίνων στη γήινη ατμόσφαιρα, ωστόσο δεν είναι συστατικό της καθημερινής πραγματικότητας.

Υπάρχουν όμως και τα «εικονικά» σωματίδια Higgs, τα οποία όπως όλα τα εικονικά σωματίδια εμφανίζονται κυριολεκτικά από το πουθενά και εξαφανίζονται μια στιγμή αργότερα. Τα στοιχειώδη σωματίδια που έχουν μάζα πιστεύεται ότι αποκτούν αυτή την ιδιότητα όταν αλληλεπιδρούν με το πεδίο μέσω εικονικών σωματιδίων.

Αν δε στον LHC βρούμε και κάποιον υπερσυμμετρικό εταίρο του Higgs (το sHiggs), γιατί υπάρχουν θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν πέντε ή και επτά παραλλαγές του Χιγκς, τότε θα έχουμε βρει αποδείξεις για την υπερσυμμετρία.

http://www.physics4u.gr/