Κυριακή, 8 Ιουλίου 2012

Μποζόνιο Ηiggs: βρέθηκε ή μήπως όχι;



του Άλκη Γαλδαδά από το ΒΗΜΑ
Οταν οι δύο αντίθετα πορευόμενες δέσμες πρωτονίων, καθεμιά από τις οποίες αποτελείται από 3.000 «νήματα» με 100 δισεκατομμύρια πρωτόνια το καθένα, έχουν επιταχυνθεί αρκετά και αφήνονται να συγκρουστούν, παράγονται τόσα «γεγονότα» από τις θραύσεις και τις διαδοχικές διασπάσεις των σωματιδίων ώστε χρειάζεται χώρος που αναλογεί στον χώρο περίπου ενός CD το κάθε δευτερόλεπτο για να χωρέσει τα πλέον αξιόλογα από αυτά τα γεγονότα, αυτά που θα μεταφερθούν με ειδικό δίκτυο στους υπολογιστές και από εκεί θα πάνε για να μελετηθούν από τους ερευνητές. Πρόκειται για ένα τεράστιο έργο και από τον Απρίλιο στο CERN εργάζονται περίπου δύο χιλιάδες άτομα σε καθέναν από τους δύο ανιχνευτές που έδωσαν τελικά μια πρώτη υπόσχεση ότι βρέθηκε ένα νέο σωμάτιο και κάποια από τα χαρακτηριστικά του μοιάζουν με όσα υποθέτουν οι θεωρίες ότι πρέπει να διαθέτει το περιζήτητο σωματίδιο του Higgs. Στις επόμενες σελίδες αναλύονται τα όσα ανακοινώθηκαν την περασμένη Τετάρτη στο CERN και οι επιπτώσεις τους στην εξέλιξη της Φυσικής.



Αγαπάει υπερβολικά μια φράση του ζωγράφου Paul Klee o από τον Ιανουάριο του 2009 γερμανός γενικός διευθυντής του CERN: «Η τέχνη δεν απεικονίζει το εμφανές αλλά (φροντίζει να) κάνει κάτι (που δεν ήταν πριν) εμφανές». Και αυτό γιατί ο 64χρονος σήμερα Rolf-Dieter Heuer πιστεύει πως και ο επιταχυντής, ο LHC (Linear Hadron Collider), κάνει το ίδιο σε σχέση με τη Φυσική.
Την Τετάρτη το πρωί στη Γενεύη παρακολουθήσαμε χάρη στην τηλεμετάδοση μέσω των υπολογιστικών δικτύων μια συνάθροιση χαρούμενων ανθρώπων. Ενώ η Ευρώπη δεν περνάει τις καλύτερες ημέρες της, ήταν εκεί συγκεντρωμένοι και πανηγύρισαν πολλοί από τους ερευνητές και τους τεχνικούς που πήραν μέρος στο κυνήγι του φευγαλέου σωματιδίου Higgs και μόχθησαν για να γίνουν μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα μετρήσεις πρωτόγνωρες σε όγκο. Τις παρουσίασαν μέσα σε μιαν ατμόσφαιρα που είχε και συγκίνηση αλλά και κάποια μεγάλα λόγια. Κάπου, δηλαδή, η συμπεριφορά τους είχε και κάτι που παρέπεμπε σε φθηνή πολιτική, ίσως γιατί, όπως είναι φανερό, σε καιρούς μεγάλης οικονομικής κρίσης για ολόκληρη την Ευρώπη και όταν πρόκειται να κλείσεις από τον Ιανουάριο του 2013 για δύο χρόνια με σκοπό να ετοιμαστείς για αναβάθμιση των μηχανημάτων, πρέπει να κάνεις κάτι για να εντυπωσιάσεις λαούς και κυβερνήσεις, λίγο πριν πέσεις σε νάρκη. Για να μη βρουν την ευκαιρία να σου σταματήσουν τη χρηματοδότηση.

Το τελευταίο κομμάτι του παζλ;
Τι πιο εντυπωσιακό λοιπόν να ανακοινώσεις, έστω και με λίγα σχετικά στοιχεία, ότι βρέθηκε «κάτι» (άκρως) ενδιαφέρον, ένα κάτι που έλειπε από το προσεκτικά κατασκευασμένο στη διάρκεια των τεσσάρων τελευταίων αιώνων οικοδόμημα της Φυσικής. Επειδή συμβαίνει να (νομίζουμε πως) γνωρίζουμε από τι αποτελείται η ύλη του Σύμπαντος αλλά μόνο σε ό,τι αφορά την ορατή ύλη, ενώ καλύπτονται ακόμη από μυστήριο τα σχετικά με τη λεγόμενη «σκοτεινή ύλη» και την ενέργεια. Αλλά και από αυτό το 4% των υπαρχόντων στο Σύμπαν με τη μορφή ορατής ύλης μάς λείπει ακόμη μία βασική γνώση. Γνωρίζουμε ποια σωματίδια φτιάχνουν τον υλικό κόσμο γύρω μας αλλά δεν γνωρίζουμε τι είναι αυτό που τον κάνει να είναι... υλικός. Σήμερα σε ένα μεγάλο μέρος τους οι επιστήμονες καταλήγουν να πιστεύουν ότι το σωματίδιο του Higgs με τη δράση του και την επίδρασή του στα άλλα σωματίδια είναι η αιτία που αισθανόμαστε ότι τα περισσότερα πράγματα έχουν μάζα.
Λέμε «τα περισσότερα» διότι υπάρχουν και μερικά σωματίδια, όπως τα φωτόνια, που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός και συμπεριφέρονται σαν να μην έχουν μάζα. Τα υπόλοιπα σωματίδια όμως λόγω ακριβώς της μάζας τους κινούνται με μικρότερες ταχύτητες. Αν δεν ήταν έτσι τα πράγματα, δεν θα υπήρχε το Σύμπαν διότι όλα τα υλικά σωματίδια θα έτρεχαν με την ταχύτητα του φωτός και δεν θα υπήρχαν οι κατάλληλες συνθήκες για να δημιουργηθούν άτομα και αυτά με τη σειρά τους να δώσουν μόρια και τελικά συμπαγή υλικά σώματα. Από το 1964 λοιπόν ο σκωτσέζος θεωρητικός φυσικός Peter Higgs αλλά και άλλοι τρεις τουλάχιστον την ίδια εποχή είχαν καταλήξει στο ότι έπρεπε να υπάρχει κάποιο σωματίδιο η επίδραση του οποίου στα υπόλοιπα, σύμφωνα με το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο, που τα κατατάσσει σε ομάδες ανάλογα με τη συμπεριφορά τους, να τους δίνει αυτή τη μοναδική ιδιότητα, σε κάθε σημείο του χώρου, να έχουν δηλαδή «μάζα». Και ήταν ως σήμερα σχετικά με το σωματίδιο Higgs στον συνοπτικό πίνακα του καθιερωμένου μοντέλου πάντα ένα μικρό κενό ή μια αναφορά μέσα σε αχνό πλαίσιο. Από την Τετάρτη 4 Ιουλίου οι βιαστικοί λένε πως μάλλον δεν θα υπάρχει πλέον στο μέλλον αυτό το κενό στην ανθρώπινη γνώση...

Ο άθλος και η... βιασύνη
Στην παρουσίαση που έγινε την Τετάρτη, εκτός από τον Rolf-Dieter Heuer που είπε και την εξαιρετικά αμφιλεγόμενη φράση: «Εγώ ως απλός άνθρωπος (δηλαδή, όχι ως επιστήμονας) σας λέω πως, ναι, το έχουμε», βασικοί πρωταγωνιστές ήταν οι εκπρόσωποι των δύο ερευνητικών ομάδων που με διαφορετικές μεθόδους ανίχνευσης είχαν καταλήξει περίπου στα ίδια αποτελέσματα. Δηλαδή, όλον αυτόν τον καιρό σε δύο διαφορετικά και μάλιστα αντιδιαμετρικά σημεία της 27 χιλιομέτρων πορείας των επιταχυνόμενων σε αυτό, αντίθετα πορευόμενων και σε ένα σημείο συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων είχαν στηθεί δύο ανιχνευτές με διαφορετικό τρόπο λειτουργίας. Δουλεύοντας ανεξάρτητα γύρω από αυτούς τους ανιχνευτές, δύο ομάδες αποτελούμενες από μερικές εκατοντάδες ερευνητές προσπαθούσαν να εντοπίσουν σε ποια ενεργειακή στάθμη είχαμε περισσότερα «γεγονότα». Διότι η αναζήτηση του περιβόητου σωματιδίου δεν γίνεται κατευθείαν ούτε με το πόσα γραμμάρια είναι. Δεν ψάχνουμε, δηλαδή, αν πέρασε από κάπου το ίδιο αλλά έχουμε πρώτα θεωρητικά υποθέσει πως, αν υπάρξει κάπου εκεί στον χώρο της σύγκρουσης των δεσμών, θα αποδομηθεί, και μάλιστα όχι με έναν αλλά με τουλάχιστον πέντε διαφορετικούς τρόπους (decay modes), δίνοντας μια σειρά από άλλα σωματίδια με συγκεκριμένη αλληλουχία. Για αυτές λοιπόν τις σειρές γεγονότων ψάχνουμε να βρούμε σε ποιες περιοχές ενέργειας εμφανίζονται και αναφερόμαστε μάλιστα στα αντίστοιχα «κανάλια». Γι' αυτό και τα αποτελέσματα δίνονται με βάση στατιστικά δεδομένα.
Ανακοινώθηκε, δηλαδή, από την ομάδα του ανιχνευτή ATLAS ότι κατά τη γνώμη τους «τα σωματίδια που ανιχνεύθηκαν είχαν ενέργεια 125,3 γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ και πρέπει να πρόκειται για κάτι καινούργιο με ιδιότητες μποζονίου». Η άλλη ομάδα του ανιχνευτή CMS αμέσως μετά, λίγο πιο τολμηρή στις εκφράσεις της, ανακοίνωσε πως «υπολογίζουμε την ενέργεια των ίδιων σωματιδίων σε 126,5 γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ και πιστεύουμε πως μπαίνουμε στην εποχή των μετρήσεων για σωματίδια Higgs». Από αυτά καταλαβαίνουμε ότι στα χύμα λόγια αφήνουν να εννοήσει ο κόσμος ότι βρέθηκε το περιβόητο σωματίδιο και όλα εντάξει, αλλά στις γραπτές διατυπώσεις είναι πιο συγκρατημένοι διότι, σύμφωνα με διάφορες θεωρίες, μπορεί και να μην ισχύει ακριβώς το Καθιερωμένο Πρότυπο (η επικεφαλής της ομάδας CMS ήταν ιδιαίτερα «ανοιχτή» απέναντι σε μια τέτοια προοπτική) ή να υπάρχουν αρκετά περισσότερα Higgs σωματίδια με διαφορετικές μάζες και εκεί στο CERN να εντόπισαν (προς το παρόν) ένα από αυτά!

Απαρχή μιας νέας ερευνητικής εποχής
Οπως δήλωσε άλλωστε στο «Βήμα» λίγο μετά τη συνέντευξη Τύπου που παρακολουθήσαμε από την αίθουσα τηλεδιασκέψεων του Μετσόβιου Πολυτεχνείου ο κ. Νίκος Τράκας, καθηγητής Φυσικής και επικεφαλής της ομάδας εκλαΐκευσης για τα στοιχειώδη σωματίδια: «Σήμερα, 4 Ιουλίου 2012, τα δύο κύρια πειράματα, ATLAS και CMS, του επιταχυντή LHC στο CERN ανακοίνωσαν την παρατήρηση ενός νέου σωματιδίου με πολλές ομοιότητες με το λεγόμενο σωματίδιο Higgs, που αποτελεί το μόνο ελλείπον στοιχείο από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Το πρότυπο αυτό προτάθηκε τη δεκαετία του 1960 και συμφωνεί, με τεράστια ακρίβεια, με όλα τα πειραματικά δεδομένα που έχουμε τα τελευταία 30 χρόνια. Το σωματίδιο Higgs, και ο συνονόματός του μηχανισμός, επιτρέπει στο Καθιερωμένο Πρότυπο να περιγράψει σωματίδια με μάζα που παρατηρούμε στη φύση. Οπως αναφέρθηκε στο σεμινάριο, θα χρειαστούν αρκετοί μήνες ακόμη για να μελετηθούν οι ιδιότητες του νέου σωματιδίου και να ελεγχθεί αν ταυτίζεται με το σωματίδιο Higgs του Καθιερωμένου Προτύπου ή αν ταυτίζεται με κάποια από τα σωματίδια τύπου Higgs που προτείνονται από πρότυπα πιο γενικευμένα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως το υπερσυμμετρικό καθιερωμένο πρότυπο, που εμπεριέχει την έννοια της υπερσυμμετρίας. Σε κάθε περίπτωση, η σημερινή ανακοίνωση (παρ' όλες τις αντιδράσεις που εκδηλώθηκαν σε σχέση με το ότι ίσως ήταν πρόωρη και τα δεδομένα δεν συνηγορούν ανεπιφύλακτα για παρατήρηση νέου σωματιδίου) φαίνεται πως θα αποτελέσει την απαρχή μιας νέας ερευνητικής εποχής». Και τα λόγια του κ. Τράκα ίσως τα επιβεβαιώνει και η είδηση ότι μάλλον δεν θα σταματήσει η λειτουργία του επιταχυντή ακριβώς με το τέλος του 2012 αλλά μάλλον θα κρατηθεί ανοικτός για ακόμη τρεις μήνες ώστε να πραγματοποιηθούν ακόμη περισσότερες μετρήσεις και να υπάρξει περισσότερο υλικό προς επεξεργασία.

Συμπεράσματα
Καθώς τα χειροκροτήματα στη μεγάλη αίθουσα του CERN έχουν πια πάψει (είναι καλό που για μια φορά η Φυσική παίρνει τόσα χειροκροτήματα όσα και το ποδόσφαιρο, είπε σε μια στιγμή ο κ. Heuer) και όλοι επιστρέφουν στην πραγματικότητα και στις καθημερινές δουλειές τους, ας δούμε τι έχουμε αυτή τη στιγμή:
  • Πραγματικά βρέθηκε ένα καινούργιο σωματίδιο με μάζα περίπου 125 φορές πιο μεγάλη από αυτήν του πρωτονίου. Εχει, δηλαδή, αρκετή μάζα αλλά και εξαιρετικά σύντομο χρόνο ζωής.
  • Στην επίσημη ανακοίνωση του CERN αναφέρεται ότι «παρατηρήθηκε ένα σωματίδιο συμβατό με το αναζητούμενο σωματίδιο (Higgs)».
  • Ακόμη και αν δεν πρόκειται για το «αναζητούμενο», δεν βγαίνουμε χαμένοι αφού θα αναζητήσουμε μια καινούργια Φυσική που θα δέχεται τις ιδιότητές του και θα το τοποθετεί στη σωστή θέση. Γι' αυτό και τα αποτελέσματα της Τετάρτης χαρακτηρίστηκαν μια περίπτωση win-win.
  • Το πεδίο που δημιουργεί ένα τέτοιο σωματίδιο θυμίζει πιο πολύ ένα πεδίο θερμοκρασιών. Σε κάθε σημείο, δηλαδή, αντιστοιχεί ένας αριθμός, μόνο που αντί για θερμοκρασία έχουμε τιμή μάζας. Θεωρείται όμως ότι, αν επαληθευτεί, πρόκειται για ένα, όπως το χαρακτηρίζουν, «θεμελιώδες» πεδίο και είναι το πρώτο που βγαίνει στην επιφάνεια και υπάρχουν πλέον ελπίδες ότι υπάρχουν και άλλα και πως θα βγουν στην επιφάνεια όπως αυτό το σχετικό με τη σκοτεινή ενέργεια.
  • Η προσδοκία για την ύπαρξη υπερσυμμετρικών σωματιδίων που βγάζουν από τα αδιέξοδα τις υπάρχουσες θεωρίες δεν εκπληρώθηκε ακόμη. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η υπερσυμμετρία είναι ήδη νεκρή, όπως ισχυρίζονται οι αντίπαλοί της.
  • Η γνωστή αντίδραση σε τέτοια γεγονότα «ε, και τι έγινε αν το βρήκαν;», όπως και οι συγκρίσεις για τα χρήματα που θα μπορούσαν να ξοδευτούν αλλού, δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Διότι, για να επιτευχθούν οι σχετικές ανιχνεύσεις και μετρήσεις, χρειάζεται να βελτιωθούν μέσα στο CERN τεχνολογίες και να βγουν μετά στην κοινωνία προς όφελός της. Οπως έγινε ήδη με τον παγκόσμιο ιστό, την τομογραφία ποζιτρονίων και την τεχνολογία των μαγνητικών κυκλωμάτων. Και για να φθάσουμε να σκεφτόμαστε για τις ιδιότητες του σωματιδίου Higgs, έχουμε προχωρήσει παράλληλα σε πολλούς τομείς της Φυσικής.
  • Σίγουρα οι δύο ομάδες των ερευνητών μας έκαναν εμφανές αυτό που δεν βλέπαμε και έτσι, όπως είπε ο διευθυντής Ερευνας του CERN Sergio Bertolucci, ανιψιός του γνωστού σκηνοθέτη, «είναι δύσκολο να μην αισθάνεσαι ενθουσιασμένος με αυτά τα αποτελέσματα».


Γλωσσάρι
Το σωματίδιο του Θεού: Είναι αυτό που δεν λένε σε καμία περίπτωση όσοι ξέρουν. Διότι ακριβώς ξέρουν ότι δεν υπάρχει τέτοια σχέση, συγγενική ή ιδιοκτησιακή. Αλλωστε υπό μια έννοια όλα δικά του είναι και όχι μόνον αυτό. Κάποτε ο ίδιος ο Higgs το απεκάλεσε«the goddamn particle», δηλαδή «το καταραμένο σωματίδιο», και ο εκδότης του για λόγους ευπρεπείας το έκανε «the God particle», οπότε στην Ελλάδα ανακατεύτηκαν, ως μη ώφειλαν βέβαια, με τη μετάφραση και τα Θεία. Σε έναν ειδικό προδίδεις την ασχετοσύνη σου αν μιλήσεις για το σωματίδιο του Θεού.
ΣπινΥπάρχει κάτι που λέγεται σπιν ή «ιδιοστροφορμή» των στοιχειωδών σωματιδίων. Ολοι δείχνουν ότι κατανοούν απόλυτα πως ένα τέτοιο σωματίδιο περιστρέφεται και ανάλογα με τη φορά και τον τρόπο περιστροφής του τού αντιστοιχεί κάποια τιμή. Η αλήθεια είναι ότι θα έπρεπε κάποιος να έχει σοβαρές απορίες για το πώς περιστρέφεται ένα τέτοιο απειροελάχιστο σωματίδιο και ακόμη περισσότερο θα έπρεπε να προβληματίζεται αν ήξερε ότι ακόμη και σε πλήρη ακινησία να ήταν πάλι θα είχε την ίδια τιμή το σπιν του.
Μποζόνιο: Ανάλογα με το αν το σπιν τους (ιδιοστροφορμή) είναι κλασματικός αριθμός, π.χ. ½ ή 3/2, ή έχει ακέραια τιμή, π.χ. 0 ή 1, τα σωματίδια χωρίζονται σε φερμιόνια και σε μποζόνια αντιστοίχως. Αρα η έκφραση «μποζόνιο Higgs» παραπέμπει σε αυτή την πεζή εκ πρώτης όψεως ιδιότητα.
LHC: Είναι τα αρχικά γράμματα από τις λέξεις Large Hadron Collider που σημαίνουν Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής. Αδρόνια είναι τα σωματίδια που είναι ευαίσθητα και στην «ισχυρή πυρηνική δύναμη», πιο δυνατή από την ηλεκτρομαγνητική, αυτή δηλαδή που κρατάει κοντά-κοντά και τα πρωτόνια στον πυρήνα, ενώ θα περιμέναμε ως ομώνυμα να απωθούνται. Αδρόνια είναι, π.χ., τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Ο LHC έχει ως βάση μια σχεδόν κυκλική υπόγεια διαδρομή, σε βάθος που ποικίλλει από τα 50 ως τα 175 μέτρα. Σε αυτήν είναι προσαρτημένες άλλες οκτώ περίπου κυκλικές τροχιές και οκτώ ευθείες. Εκεί μέσα επιταχύνονται πρωτόνια με ταχύτητες που φθάνουν το 99,999999% της ταχύτητας του φωτός, σε δύο αντίθετα κινούμενες δέσμες που συγκρούονται σε κάποιο σημείο. Οι επιταχύνσεις επιτυγχάνονται με τη βοήθεια τερατωδών σε μέγεθος και μαγνητική επαγωγή μαγνητών. Που, για να μην παρουσιάζουν θερμικές απώλειες, ψύχονται από υγρό ήλιο θερμοκρασίας -271,1 βαθμών Κελσίου.
GeV: Το ηλεκτρονιοβόλτ είναι η μονάδα που κυκλοφορεί πιο πολύ στο CERN. Στην πραγματικότητα είναι μονάδα ενέργειας, αλλά σε αυτήν εκφράζονται και όλες οι μάζες των διαφόρων σωματιδίων. Πώς αυτό; Διότι μία από τις θεωρίες του Αϊνστάιν κάνει λόγο για την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας, υπάρχει μάλιστα και ένας σχετικός τύπος στη Φυσική που μετατρέπει το ένα μέγεθος στο άλλο. Και στο CERN λοιπόν τα χρησιμοποιούν σαν να πρόκειται για τις δύο όψεις του ιδίου νομίσματος. Το GeV δηλώνει ότι πρόκειται για κάποια δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ.
Atlas και CMS: Πρόκειται για δύο διαφορετικούς ανιχνευτές σωματιδίων. Ο Atlas έχει διάμετρο 25 μέτρων και μήκος 46. Ζυγίζει όσο εκατό κενά Boeing 747. Τον αποτελούν τέσσερα ξεχωριστά ομόκεντρα τμήματα. Για απευθείας ανίχνευση σωματιδίων, για μετρήσεις της ενέργειάς τους για μετρήσεις σε μιόνια. Ο CMS έχει άλλη μορφή, κάτι σαν ένα γιγάντιο σωληνοειδές με βάρος 12.500 τόνων και ικανότητα δημιουργίας μαγνητικού πεδίου τέσσερις φορές ισχυρότερου από αυτό της Γης.
Susy: Το χαϊδευτικό για τη Θεωρία της Υπερσυμμετρίας, που διατυπώθηκε για να βγάλει από τα αδιέξοδα τις θεωρίες τις σχετικές με τα στοιχειώδη σωμάτια. Ενώνει τα φερμιόνια με τα μποζόνια και απαιτεί την ύπαρξη για καθένα από αυτά που ήδη γνωρίζουμε την ύπαρξη ενός ακόμη αντίστοιχου με όλα τα χαρακτηριστικά ίδια εκτός από το σπιν, που διαφέρει κατά ½. Σχηματικά θα λέγαμε ότι, όπως η μηχανική του Νεύτωνα είναι κάτι σαν προσέγγιση της θεωρίας του Αϊνστάιν στις χαμηλές ταχύτητες, έτσι και το Καθιερωμένο Πρότυπο ίσως να είναι η σε χαμηλές ενέργειες προσέγγιση του γενικότερου Υπερσυμμετρικού Προτύπου. Προς το παρόν δεν έχει βρεθεί ούτε ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο. Μήπως είναι αυτό το προχθεσινό ένα από αυτά;

Τετάρτη, 4 Ιουλίου 2012

Καθιερωμένο μοντέλο και μποζόνιο Higgs


Βαγγέλης Πρατικάκης από το ΒΗΜΑ
Πολύς ο λόγος τελευταία για το μποζόνιο του Χιγκς, μια οντότητα αφηρημένη και ακατάληπτη όσο το όνομά της. Ας δούμε λοιπόν τι σόι πράγμα είναι αυτό, ξεκινώντας από τα ειδικά και προχωρώντας στα γενικότερα.

Τι είναι μποζόνιο;


Χονδρικά, μποζόνια είναι τα σωματίδια που λειτουργούν ως φορείς των φυσικών δυνάμεων των αντίστοιχων πεδίων. Το φωτόνιο, για παράδειγμα, είναι το σωματίδιο του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και μεταδίδει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη στη μορφή φωτός. Τα μποζόνια έρχονται σε αντιδιαστολή με τα φερμιόνια, τα σωματίδια από τα οποία αποτελείται η ύλη.


Τι είναι το μποζόνιο του Χιγκς;

Το μποζόνιο του Χιγκς είναι το σωματίδιο που αντιστοιχεί στο πεδίο του Χιγκς, το οποίο προσδίδει μάζα στην ύλη. Είναι στοιχειώδες σωματίδιο, δηλαδή δεν έχει εσωτερική δομή και δεν αποτελείται από άλλα, συστατικά σωματίδια. Παρόλα αυτά, είναι εξαιρετικά ασταθές και όταν σχηματιστεί καταρρέει σχεδόν ακαριαία και δίνει άλλα υποατομικά σωματίδια. Οι επιστήμονες κουράστηκαν πολύ να προσδιορίσουν την πιθανή του μάζα, η οποία εκτιμάται τώρα στα γύρω στα 121 γιγαηλεκτρονιοβόλτ (Gev), περίπου 130 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου.

Τι είναι το πεδίο Χιγκς;
Αν και λέγεται και γράφεται ευρέως ότι το μποζόνιο του Χιγκς δίνει στα στοιχειώδη σωματίδια τη μάζα τους, αυτό δεν είναι απόλυτα σωστό. Τη μάζα τη δίνει το πεδίο του Χιγκς, το οποίο δεν την δημιουργεί εκ του μηδενός αλλά την εμπεριέχει από πριν ως ενέργεια.

Τη στιγμή που εμφανίστηκε το Σύμπαν, τα στοιχειώδη σωματίδια δεν είχαν μάζα. Αυτό άλλαξε ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου αργότερα, όταν εμφανίστηκε το πεδίο του Χιγκς, λέει η θεωρία. Ορισμένα σωματίδια όπως το φωτόνιο μπορούν να κινούνται μέσα στο πεδίο χωρίς να συναντούν αντίσταση, γι’ αυτό και δεν έχουν μάζα. Άλλα σωματίδια, όπως το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο, κολυμπούν με δυσκολία μέσα στο πεδίο. Και όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση που συναντούν, τόσο μεγαλύτερη η μάζα τους.

Γιατί το Χιγκς αποκαλείται «σωματίδιο του Θεού;»

Πρόκειται για ατυχές παρατσούκλι με το οποίο δυσανασχετoύν πολλοί επιστήμονες,συμπεριλαμβανομένου του ίδιου του Πίτερ Χιγκς που δηλώνει άθεος. Η ονομασία 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 Λίον Λέντερμαν, έχει παραδεχτεί ότι δέχτηκε πιέσεις από τους εκδότες να αλλάξει το όνομα που είχε αρχικά επιλέξει: The Goddamn Particle, ή «το καταραμένο σωματίδιο» σε ελεύθερη απόδοση.

Πού βρίσκεται στη φύση το μποζόνιο του Χιγκς;


Τα μποζόνια Χιγκς δεν υπάρχουν πουθενά σε σταθερή κατάσταση. Δεν μπορεί κανείς να μαζέψει σε ένα κουτί μποζόνια Χιγκς. Το σωματίδιο υπάρχει μόνο στιγμιαία σε συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας, ή ενέργειας όπως προτιμούν να λένε οι φυσικοί. Τέτοιες θερμοκρασίες υπήρξαν μερικές στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και παράγονται σήμερα στο τούνελ του Μεγάλου 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 λεγόμενα «εικονικά» σωματίδια Χιγκς, τα οποία 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.

Με άλλα λόγια, το Χιγκς μπορεί να εμφανιστεί οπουδήποτε αλλά μόνο για μια στιγμή.

Υπάρχει περίπτωση να βρούμε και δεύτερο μποζόνιο του Χιγκς;

Ναι. Μεταξύ άλλων, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων θα μπορούσε να προσφέρει ενδείξεις για τη λεγόμενη θεωρία της υπερσυμμετρίας, η οποία προβλέπει ότι για κάθε σωματίδιο που γνωρίζουμε υπάρχει ένα αντίστοιχο, «υπερσυμμετρικό» σωματίδιο με μεγαλύτερη μάζα. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να υπάρχει ένα υπερσυμμετρικό αντίστοιχο του Χιγκς (το sHiggs), ενώ υπάρχουν και θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν πέντε ή και επτά παραλλαγές του Χιγκς.

Πώς θα ήταν ένα Σύμπαν χωρίς το Χιγκς;


Δύσκολο να απαντήσει κανείς, μαθηματικά όμως ίσως θα υπήρχε αυτή η δυνατότητα. Θα ήταν ένα Σύμπαν πιο ελαφρύ από πούπουλο, χωρίς καθόλου μάζα και επομένως χωρίς βαρύτητα. Και χωρίς βαρύτητα δεν θα υπήρχαν άστρα, πλανήτες, άνθρωποι.

Λύνει οριστικά το Χιγκς το πρόβλημα της μάζας;


Πολλοί πιστεύουν πως όχι. Το πεδίο Χιγκς 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. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει τρόπος να προβλεφθεί θεωρητικά η μάζα ενός οποιοδήποτε σωματιδίου, και αυτό θεωρείται σημαντικό κενό από ορισμένους φυσικούς.

Γιατί είναι τόσο δύσκολη η επιβεβαίωση της ύπαρξης του Χιγκς;

Πρώτον, το φευγαλέο σωματίδιο εμφανίζεται μόνο σε ακραίες θερμοκρασίες, τις οποίες μπορεί να πετύχει με σιγουριά μόνο ο LHC, o ισχυρότερος και ακριβότερος επιταχυντής. Δεύτερον, το Χιγκς εμφανίζεται πολύ σπάνια στις συγκρούσεις πρωτονίων μέσα στον LHC, επομένως οι ερευνητές πρέπει να εξετάζουν τρισεκατομμύρια συμβάντα για να δουν έστω και ένα μικρό ίχνος του. Τρίτον, το μποζόνιο είναι είναι τόσο βραχύβιο ώστε διασπάται πριν φτάσει καν στους ανιχνευτές του επιταχυντή. Επομένως, η ανίχνευσή του δεν μπορεί να γίνει άμεσα. Οι ερευνητές απλά συμπεραίνουν την ύπαρξή του επειδή το σωματίδιο λάμπει διά τις απουσίας του: η ανάλυση δείχνει ότι εξαφανίστηκε μια μικρή ποσότητα από την ενέργεια της σύγκρουσης, και η ποσότητα αυτή πρέπει να αντιστοιχεί στην ενέργεια, και επομένως στη μάζα, ενός άφαντου σωματίδιου.

Τι είναι το Καθιερωμένο Μοντέλο;

Είναι το σύνολο των εξισώσεων που περιγράφουν τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά όλων των στοιχειωδών σωματιδίων. Το μοντέλο περιγράφει πώς λειτουργούν οι τρεις από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, δηλαδή ο ηλεκτρισμός, ο μαγνητισμός και το φως· η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία συγκρατεί τα σωματίδια στον πυρήνα των ατόμων· και η ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει ορισμένες μορφές ραδιενεργών αντιδράσεων. Το μοντέλο δεν έχει καταφέρει να ενσωματώσει τη βαρύτητα -η καλύτερη περιγραφή αυτής της δύναμης μέχρι σήμερα είναι η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, η οποία όμως είναι ασύμβατη με το μοντέλο.

Ποιος είναι ο ρόλος του Χιγκς στο Καθιερωμένο Μοντέλο;

Στην αρχική τους μορφή, οι εξισώσεις του μοντέλου λειτουργούσαν μόνο αν η μάζα απουσίαζε από όλα στοιχειώδη σωματίδια. Ο μηχανισμός του Χιγκς προτάθηκε προκειμένου να συμβιβάσει το Μοντέλο με την έννοια της μάζας, και το μποζόνιο του Χιγκς είναι το τελευταίο από τα στοιχειώδη σωματίδια του Μοντέλου του οποίου η ύπαρξη αποδεικνύεται πειραματικά. Αν η ύπαρξη του διαψευδόταν, οι θεωρητικοί φυσικοί θα αναγκάζονταν να εξετάσουν εναλλακτικές θεωρίες για τη μάζα.

Πώς εμφανίστηκε η ιδέα για το πεδίο του Χιγκς;

Ο μηχανισμός του Χιγκς προτάθηκε προκειμένου να καταστήσει το μέγεθος της μάζας συμβατό με τις εξισώσεις της σωματιδιακής φυσικής. 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 ραδιενεργές αντιδράσεις, όπως αυτές που τροφοδοτούν τον 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 βοήθησε ο μηχανισμός του Χιγκς τη θεωρία της ηλεκτρασθενούς δύναμης;

Στην προσπάθειά τους να βρουν την κοινή προέλευση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης, οι φυσικοί στα μέσα του προηγούμενου αιώνα συνάντησαν ένα σημαντικό εμπόδιο: το φωτόνιο, το σωματίδιο που λειτουργεί ως φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, δεν έχει μάζα. Αντίθετα, τα σωματίδια που μεταδίδουν την ασθενή πυρηνική δύναμη, τα μποζόνια W και Z, έχουν μάζα και μάλιστα μεγάλη. Πώς λύνεται το πρόβλημα; Σύμφωνα με την κρατούσα πλέον δύναμη, το πρώτο τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη τίποτα στο Σύμπαν δεν είχε μάζα, οπότε μπορούσε να υπάρχει ένα αβαρές σωματίδιο-φορέας της ηλεκτρασθενούς δύναμης. Στη συνέχεια, όμως, εμφανίστηκε το πεδίο του Χιγκς, το οποίο «έσπασε τη συμμετρία» ανάμεσα στην ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη και τις έκανε να μοιάζουν διαφορετικές, ή ασύμμετρες, όπως τις βλέπουμε σήμερα.

next 5 in 5 Οι προβλέψεις της ΙΒΜ για τις τεχνολογικες εξελιξεις