Πέμπτη, 11 Σεπτεμβρίου 2008

Μποζόνιο Higgs

Ξέρουμε πολλά τώρα, μετά από δεκαετίες πειραμάτων στους μεγάλους επιταχυντές. Στον επιταχυντή Tevatron στο Fermilab, στους LEP 1 και 2 στο CERN, στον KEK-B στην Ιαπωνία, στον PEP2 στο SLAC, στον HERA του DESY στο Αμβούργο, κλπ Αλλά όλοι θα υποκλιθούν σύντομα στο Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων : το LHC στο CERN. Αυτή η μηχανή, κατά πάσα πιθανότητα, θα απαντήσει στην ερώτηση: ποιά είναι η προέλευση της διάσπασης της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας; Δηλαδή γιατί οι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, τα μποζόνια W και Z, έχουν μάζα (και μάλιστα μεγάλη μάζα) και το φωτόνιο δεν έχει καθόλου μάζα;

Κι αν φανούμε τυχεροί μπορούμε να φτάσουμε σε μια απάντηση στο ζήτημα αυτό: γιατί τα θεμελιώδη σωματίδια έχουν μάζες και γιατί έχουν τόση μάζα; Αλλά κι αν ακόμα το μάθουμε τι θα σημαίνει για μας; Και τι θα ακολουθήσει;

Βάσει του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής Φυσικής στις πρώτες στιγμές του Κόσμου τα γνωστά υποατομικά σωματίδια, όπως είναι τα ηλεκτρόνια ή τα κουάρκ απέκτησαν τη μάζα τους μέσω μιας διαδικασίας που λέγεται μηχανισμός Higgs. Μάλιστα μπορεί η διαδικασία αυτή να εξακολουθεί να δρα στο παρασκήνιο και το σχετιζόμενο με αυτή σωματίδιο, το μποζόνιο Higgs, θεωρείται ότι κρύβεται ως ιδιότητα του κενού. Με την προσθήκη μιας μεγάλης ποσότητας ενέργειας σε έναν πολύ μικρό χώρο, είναι δυνατός ο εξαναγκασμός σε "εμφάνιση" του σωματιδίου Higgs.

Μέχρι τώρα μόνο ο επιταχυντής σωματιδίων Tevatron στο εργαστήριο Fermilab είχε την ικανότητα της δημιουργίας μιας ενεργητικής δέσμης. Στο Tevatron συγκεκριμένα συγκρούονται πρωτόνια με αντι-πρωτόνια με ενέργεια 2000 φορές περίπου μεγαλύτερη από την ενέργεια ηρεμίας του πρωτονίου. Μετά το καλοκαίρι του 2008 όμως η μέγιστη ενέργεια αλληλεπίδρασης σωματιδίων αναμένεται να γίνει 15.000 φορές μεγαλύτερες από τη μάζα ηρεμίας του πρωτονίου, κι αυτό θα συμβεί στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) κοντά στη Γενεύη.

Λόγω της δομής των πρωτονίων και αντιπρωτονίων - αποτελούνται από τρία κουάρκ - ως βλήματα σε έναν επιταχυντή σωματιδίων, θα παραχθούν δεκάδες σωματίδια μαζί με αυτά που παρουσιάζουν ερευνητικό ενδιαφέρον (όπως είναι τα μποζόνια Higgs) σε κάθε σύγκρουση. Για την ανίχνευση των μποζονίων Higgs ξέρουμε ήδη από προηγούμενες θεωρίες ότι αποκλείονται να έχουν με άμεσο ή έμμεσο τρόπο μάζα μικρότερη των 114 GeV.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο για τις ιδιότητες και αλληλεπιδράσεις των δομικών μονάδων του Κόσμου μας μπορεί να πρόσφερε απαντήσεις σε πληθώρα ερωτήματα και προβλήματα, αλλά δημιούργησε και σημαντικά προβλήματα όπως είναι το πρόβλημα της προέλευσης της μάζας.

Μέχρι της αρχές της δεκαετίας του 1930, τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια ήταν μόνο δύο: το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο. Με την ανακάλυψη του νετρονίου, του ποζιτρονίου, του μιονίου, του πιονίου και των νετρίνων ξεκίνησε μια νέα εποχή της σωματιδιακής Φυσικής. Η τεχνολογική εξέλιξη των επιταχυντών ήταν αυτή που επέτρεψε την αύξηση της ενέργειας τους κατά 10 φορές ανά δεκαετία περίπου, και προσέφερε ένα ολόκληρο φάσμα από νέα σωματίδια με μια ευρεία περιοχή μαζών. Το γεγονός ότι τα σωματίδια που ανακαλύφθηκαν είχαν διαφορετικές μάζες το καθένα, ανάγκαζε τους φυσικούς να απαντήσουν επιτακτικά στο ερώτημα της προέλευσης της μάζας όλων αυτών των σωματιδίων. Αργότερα κατάλαβαν ότι πρέπει να υπάρχει κάποιος βασικός μηχανισμός που να καθορίζει τις μάζες των νέων σωματιδίων, αλλά δεν υπήρχε κάποιο ικανοποιητικό θεωρητικό υπόβαθρο ή μοντέλο που να προσεγγίζει έστω τον μηχανισμό αυτό.

Στη δεκαετία του '60 οι εξελίξεις στη θεωρητική και πειραματική φυσική επέτρεψαν την ανάπτυξη του Καθιερωμένου Μοντέλου για την εξήγηση όλων σχεδόν των πειραματικών δεδομένων, μέσω της περιγραφής τους με τα κβαντικά πεδία βαθμίδας. Η περιγραφή αυτή έδωσε εκπληκτικές συμφωνίες ανάμεσα στα πειραματικά δεδομένα και τις διάφορες θεωρίες.

Με τη βοήθεια της ηλεκτρασθενούς θεωρίας, που περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση με ενιαίο τρόπο, οι μάζες των σωματιδίων της ύλης καθώς και των σωματιδίων "φορέων" της αλληλεπίδρασης προέρχονται από την αλληλεπίδραση με το σωματίδιο Higgs, χωρίς όμως να μπορεί να εξηγήσει κάτι παραπάνω για την προέλευση τους ή την ιεραρχική τους κατανομή βάσει μεγέθους. Ουσιαστικά δηλαδή οι μάζες των σωματιδίων της ύλης παρουσιάζονται στο Καθιερωμένου Μοντέλο ως ελεύθερες φαινομενικά παράμετροι. Από την άλλη πλευρά, στην κβαντική χρωμοδυναμική (που περιγράφει την ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση) η προέλευση των μαζών των κουάρκ περιλαμβάνεται στην όλη περιγραφή, όχι όμως και η προέλευση των μαζών των λεπτονίων. Έτσι, στο Καθιερωμένο Μοντέλο οι μάζες των κουάρκ προέρχονται από τη θεώρηση της ισχυρής αλλά και της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης, τοποθετώντας τα σε μια κατά κάποιον τρόπο "πλεονεκτική" θέση.

Ιστορικά οι κλίμακες μάζας και ενέργειας που παρατηρούνται διαδραμάτισαν κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη της Φυσικής των υποατομικών φαινομένων. H κανονικότητα στο φάσμα μαζών αποτελεί ταυτόχρονα ένδειξη αλλά και δοκιμασία για την ανάπτυξη των σχετικών θεωριών. Ας αναλογιστεί κανείς ότι τα ενεργειακά επίπεδα του ατόμου του υδρογόνου οδήγησαν στην ανάπτυξη της κβαντομηχανικής, και το φάσμα μαζών των αδρονίων (σωματιδίων που "αισθάνονται" και την ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση) στη συμμετρία SU(3), στο μοντέλο των κουάρκ, στην κβαντική χρωμοδυναμική και στη θεωρία των χορδών. Σε αντίθεση, το φάσμα μαζών των λεπτονίων δεν προσφέρει κάποια ένδειξη για τη δυναμική του πεδίου Higgs διότι δεν χαρακτηρίζεται από κανονικότητα.

Σήμερα πιστεύουμε ότι ο μηχανισμός βάσει του οποίου αποκτούν μάζα τα σωματίδια της ύλης προαπαιτεί την ύπαρξη ενός πεδίου - του πεδίου Higgs - το οποίο γίνεται αισθητό παντού ακόμα και στο κενό. Το πεδίο αυτό είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία της μάζας των σωματιδίων μέσω της αλληλεπίδρασης του με αυτά. Η αλληλεπίδραση ενός σωματιδίου και του πεδίου Higgs προσφέρει ένα πλεόνασμα δυναμικής ενέργειας Higgs Ε στο σωματίδιο και αυτό αντιστοιχεί στη μάζα του σωματιδίου (με τη βοήθεια της εξίσωσης E = mc2).

Οι δε διαφορετικές μάζες των σωματιδίων εξηγούνται αν δεχθούμε ότι αυτά αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs με διαφορετική ισχύ, το γιατί όμως οι αλληλεπιδράσεις διαφορετικών σωματιδίων με το πεδίο Higgs είναι διαφορετικές παραμένει άλυτο πρόβλημα μέχρι σήμερα.

Η ύπαρξη του πεδίου Higgs προϋποθέτει και την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs - του φορέα του πεδίου αυτού. Η μελλοντική ανακάλυψη του σωματιδίου αυτού θα επαληθεύσει την ύπαρξη και του πεδίου Higgs και τη θεωρία των φυσικών για την προέλευση της μάζας. Είναι δε προφανές ότι ένα σωματίδιο με μεγάλη μάζα αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs - και κατ' επέκταση με το σωματίδιο Higgs - εντονότερα από ότι ένα σωματίδιο με μικρότερη μάζα. Η συμπεριφορά αυτή που αναμένεται να εξιχνιαστεί στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) θα παίξει σημαντικό ρόλο την ανίχνευση του σωματιδίου Higgs.

Αλλά και το σωματίδιο Higgs αποκτά τη μάζα του μέσω της διαδικασίας της αυτο-αλληλεπίδρασης του πεδίου Higgs. H ένταση της αυτο-αλληλεπίδρασης όμως δεν είναι γνωστή και κατά συνέπεια δεν είναι γνωστή και η μάζα που αναμένεται να έχει το σωματίδιο Higgs. Η αδυναμία ακριβούς προσδιορισμού της μάζας του σωματιδίου Higgs σημαίνει ότι η προσπάθεια ανεύρεσης του πρέπει να επικεντρωθεί σε όλες τις κλίμακες μαζών που θα μπορούσε αυτό να έχει. Πειραματικά αυτό δημιουργεί πολλαπλά προβλήματα γιατί ανάλογα με την κλίμακα μάζας την οποία ερευνούν οι φυσικοί, πρέπει να χρησιμοποιήσουν και διαφορετικές τεχνικές. Ακόμη και αν βρεθεί το σωματίδιο Higgs σε μια συγκεκριμένη ενέργεια/μάζα, πρέπει να λάβουν χώρα πολλαπλές συμπληρωματικές μετρήσεις για να προσδιοριστούν οι ιδιότητες του καθώς και η ύπαρξη ή όχι κι άλλων σωματιδίων Higgs, όπως για παράδειγμα προβλέπονται από θεωρίες που προεκτείνουν το Καθιερωμένο Μοντέλο, όπως είναι η υπερ-συμμετρία.

Τέλος, σημαντικό γεγονός θα είναι και η μη ανίχνευση του σωματιδίου Higgs στα νέα πειράματα, γεγονός που δεν αποκλείεται. Αυτό θα αναγκάσει τους φυσικούς να αναπτύξουν μια νέα προσέγγιση για ένα μεγάλο μέρος των σημερινών θεωριών σχετικά με τη δομή της ύλης.

Physics4u

0 σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...