Πέμπτη, 3 Μαρτίου 2016

Πριν και μετά από το σωματίδιο Higgs [2]

Στη δεκαετία του 1960, ο Peter Higgs, ή για την ακρίβεια τρεις διαφορετικές ομάδες θεωρητικών, πρότειναν με διαφορά λίγων μηνών μεταξύ τους την ύπαρξη ενός νέου πεδίου, υπεύθυνου για τη μάζα που έχουν τα σωματίδια-φορείς των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων (τα W και Z μποζόνια) και σχετικού, καταπώς φαίνεται, και με τα υπόλοιπα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου.
Σχεδόν μία δεκαετία πριν, οι φυσικοί είχαν διαμορφώσει την QED, μια θεωρία για τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις που χρησιμοποιούσε την έννοια του σωματιδίου-φορέα της δύναμης που, στην περίπτωση του ηλεκτρομαγνητισμού, ήταν το φωτόνιο. Προς τα τέλη της δεκαετίας του 1940 —ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο—, οι Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger και Richard P. Feynman πρότειναν πώς πρέπει να γίνονται οι υπολογισμοί στην Κβαντική Ηλεκτροδυναμική. Για την εργασία τους τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής το 1965. Η εισαγωγή της QED έθεσε ένα θεμελιώδες ερώτημα: αν θα μπορούσαν και οι ασθενείς και η ισχυρή πυρηνική να περιγραφούν μέσω μίας κβαντικής θεωρίας πεδίου —πεδίων που γεμίζουν δηλαδή το Σύμπαν— και μέσω της ανταλλαγής σωματιδίων. Επιπλέον, αναρωτιόνταν, μήπως θα μπορούσε να διατυπωθεί μια ενιαία θεωρία πεδίου που να περιγράφει και τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις;
Πριν προχωρήσουμε, θα πρέπει να διευκρινίσουμε πως, στη φυσική, ως μάζα ορίζεται η αντίσταση που προβάλλει ένα σώμα σε κάθε αίτιο που τείνει να μεταβάλει την κινητική του κατάσταση. Προσπαθήσετε να σπρώξετε το τραπέζι ή ένα φτερό: η διαφορετική αντίσταση που θα συναντήσετε αντιστοιχεί στη μάζα του. Στο κβαντικό επίπεδο των ατομικών σωματιδίων, η μάζα των σωματιδίων προέρχεται από το άθροισμα των μαζών των συστατικών τους — αν και, στην πραγματικότητα, και οι δυνάμεις που συγκρατούν τα σωματίδια συνεισφέρουν στην τελική μάζα των σωματιδίων. Η μάζα των ατόμων επίσης προκύπτει από τη μάζα των θεμελιωδών σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ. Ωστόσο γεννιέται το ερώτημα: από πού αποκτούν μάζα τα θεμελιώδη σωματίδια;
Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, οι φυσικοί υπέθεταν πως η ασθενής δύναμη μεταφέρεται από δύο σωματίδια μεγάλης μάζας (τα W μποζόνια — αργότερα προστέθηκε και το Z), ενώ ήταν ήδη αποδεκτό ότι το άμαζο φωτόνιο ήταν ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής. Πώς θα μπορούσαν λοιπόν οι δύο αυτές δυνάμεις να ενοποιηθούν, όταν η μία είχε ως διαδότη ένα μποζόνιο μηδενικής μάζας και η άλλη μποζόνια τόσο μεγάλης μάζας; Το εμπόδιο φαινόταν αξεπέραστο. Η ασθενής δύναμη και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη φαίνεται να έχουν τα ίδια θεμέλια, που όμως παραμένουν κρυμμένα λόγω της μεγάλης μάζας των μποζονίων φορέων της ασθενούς σε σχέση με τη μηδενική μάζα του φωτονίου. Όταν οι φυσικοί προσπαθούσαν να εξηγήσουν τις μάζες αυτών των σωματιδίων με βάση τις εξισώσεις της κβαντομηχανικής, αποτύγχαναν. Η υπόθεση πως όλα τα σωματίδια είχαν μηδενική μάζα έδινε μία συμμετρική μορφή στις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου και επέτρεπε να δοθούν απαντήσεις σε μία σειρά πρακτικών ζητημάτων. Ωστόσο, γνωρίζουμε όλοι —χωρίς να είμαστε φυσικοί— πως τα σωματίδια που παρατηρούμε γύρω μας έχουν μάζα. Όταν όμως αυτή η μάζα λαμβάνεται υπόψη στις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου, προκύπτουν μία σειρά μεγάλα προβλήματα. Πιο συγκεκριμένα, σε ό,τι αφορά τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις (μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις), η πεπερασμένη εμβέλειά τους δεν ήταν συμβατή με τα βαριά W μποζόνια, που θα περίμενε κανείς να είναι άμαζα. Ωστόσο, δεν υπήρχε κανένας μηχανισμός που να επιτρέπει στα W να αποκτήσουν τη μάζα τους μέσω ενός «σπασίματος» της αντίστοιχης συμμετρίας της θεωρίας βαθμίδας που τα περιγράφει. Η περιγραφή της πραγματικότητας έμοιαζε αρκετά πολύπλοκη. Το ερώτημα είναι το εξής: πώς θα μπορούσε να έχει κανείς μια θεωρία στην οποία η συμμετρία μπορεί ταυτόχρονα να σπάει και να διατηρείται;
Τη λύση σε αυτό τον γρίφο προσπάθησε να δώσει ο Higgs. Πρότεινε ότι οι μάζες των σωματιδίων δεν θα έπρεπε να ληφθούν υπόψη: ότι έπρεπε να θεωρηθούν ως άμαζα. Το τρικ αυτό επέτρεπε να διατηρηθεί η συμμετρία της θεωρίας και να αποφευχθούν όποια προβλήματα εμφανίζονται με τη μάζα στα W και Z. Αντί να εισάγουμε μάζες στα σωματίδια —χάνοντας έτσι κάθε συμμετρία—, ο Higgs πρότεινε να κρατήσουμε τις εξισώσεις στην απλούστερη μορφή τους (με άμαζα σωματίδια) και να υποθέσουμε πως αναφέρονται σε ένα ιδιαίτερο «περιβάλλον», σε έναν χώρο στον οποίο απλώνεται το πεδίο του Higgs, που ασκεί μια δύναμη αντίστασης σε κάθε σωματίδιο που επιταχύνεται μέσα σε αυτό. Δώστε ώθηση σε ένα σωματίδιο για να το επιταχύνετε και θα νιώσετε τη δύναμη που ασκεί επάνω του το πεδίο Higgs ως μια μορφή αντίστασης. Αυτή η αντίσταση αντιστοιχεί στις μάζες των σωματιδίων. Η μάζα δηλαδή προέρχεται από την αλληλεπίδραση με το πεδίο Higgs. Ο μηχανισμός αυτός επέτρεπε στις υπόλοιπες εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου να μη χάσουν τη συνέπειά τους.
Οι πρώτοι που δημοσίευσαν την εργασία τους περιγράφοντας έναν τέτοιο μηχανισμό ήταν οι Robert Brout και François Englert από το πανεπιστήμιο των Βρυξελλών, τον Αύγουστο του 1964. Ο πρώτος όμως που αναφέρθηκε σε αυτό το σωματίδιο και τις ιδιότητές του ήταν ο Peter Higgs σε μια δημοσίευση τον Οκτώβριο του ίδιου έτους, με τίτλο: «Το σπάσιμο της συμμετρίας και οι μάζες των μποζονίων». Αν και ήταν ένα άρθρο που, όπως αποδείχθηκε, άξιζε ένα Νόμπελ Φυσικής, είναι αξιοσημείωτο πως στην πρώτη του μορφή απορρίφθηκε από το περιοδικό Physics Letters «ως μη σχετικό με τη φυσική». Ο λόγος δεν ήταν κάποιο λάθος στις εξισώσεις αλλά το γεγονός πως ήταν πολύ δύσκολο για τους φυσικούς να δεχτούν πως υπάρχει κάποιο αόρατο πεδίο που μπορεί να καταλαμβάνει όλο το Σύμπαν. Αυτό δεν αποθάρρυνε τον Higgs, ο οποίος χρειάστηκε να προσθέσει μία ακόμη επεξηγηματική παράγραφο για να γίνει δεκτή η εργασία του στο Physical Review Letters. Το βασικό σχήμα που πρότεινε ήταν ότι τα σωματίδια μπορούσαν να παραμείνουν άμαζα στο Καθιερωμένο Πρότυπο όσο υπήρχε ένα πεδίο Higgs που θα έκανε τη «βρόμικη δουλειά» και θα ήταν υπεύθυνο για τις μάζες τους.
Το 1967, οι Steven Weinberg και Abdus Salam πρότειναν πως τα σωματίδια φορείς της ασθενούς δύναμης W+, W- και Z μπορεί να έχουν μάζα χωρίς να σπάει η βασική συμμετρία βαθμίδας της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Για να το πετύχουν αυτό στηρίχτηκαν στον μηχανισμό που είχε προτείνει ο Peter Higgs και στην ύπαρξη του πεδίου Higgs με το οποίο αλληλεπιδρούν και αποκτούν τις μάζες τους.

Ταυτόχρονα, οι πειραματικές εξελίξεις έτρεχαν. Η πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης των λεγόμενων «ουδέτερων ρευμάτων» στο CERN πριν από περίπου 40 χρόνια έδειξε πως η ηλεκτρασθενής θεωρία είχε κάποια βάση, μπορούσε δηλαδή να περιγράψει σωστά την ασθενή πυρηνική δύναμη και τον ηλεκτρομαγνητισμό. Αυτό άνοιξε τον δρόμο της πειραματικής ανακάλυψης των μποζονίων W και Ζ, τους φορείς της ασθενούς δύναμης, εγκαινιάζοντας τις μεγάλες ανακαλύψεις που οδήγησαν στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Ένα δεύτερο σημαντικό βήμα ήταν η απόδειξη πως οι θεωρίες βαθμίδας είναι επανακανονικοποιήσιμες, όπως απέδειξε ο Gerard ’t Hooft. H επανακανονικοποίηση σήμαινε τη δυνατότητα να πάρουμε πεπερασμένα ποσοτικά αποτελέσματα για παρατηρήσιμα μεγέθη.
Τα παραπάνω οδήγησαν τους φυσικούς να αλλάξουν δραματικά τη στάση τους απέναντι στην ηλεκτρασθενή θεωρία και κατά συνέπεια στην ιδέα της ύπαρξης του σωματίδιου Higgs. Από τα μέσα του 1980, όλο και περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν πως το πεδίο Higgs υπάρχει πραγματικά. Φαίνεται στο σημείο αυτό για άλλη μια φορά η περίπλοκη σχέση μεταξύ παρατήρησης και θεωρίας που τα τελευταία χρόνια γίνεται όλο και πιο περίπλοκη — και, κατά τη γνώμη του γράφοντος, κάτι που θα πρέπει να προβληματίσει τους φυσικούς που μάλλον μπορούν να διδαχτούν πολλά από την ιστορία του αντικειμένου τους.
Ωστόσο, δεν αρκούσαν η υπόθεση και οι θεωρητικές επιτυχίες για να επιβεβαιώσουν την ύπαρξή του. Ήταν απαραίτητη η πειραματική επιβεβαίωση και παρατήρηση του σωματιδίου, η οποία έγινε τελικά τον Ιούνιο του 2012 στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή στο CERN. Συγκρούοντας πρωτόνια σε ενέργειες 7 TeV, οι φυσικοί των δύο πειραμάτων ATLAS & CMS ανακοίνωσαν την παρατήρηση ενός σωματιδίου που φαίνεται να είναι το Higgs όπως περιγράφεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Την άνοιξη του 2015, ανακοινώθηκε η μέτρηση της μάζας του σωματιδίου Higgs με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια. Επιπλέον, τα νέα δεδομένα επιτρέπουν καλύτερες προβλέψεις για τη δημιουργία και τη διάσπαση του σωματιδίου και την αλληλεπίδρασή του με άλλα σωματίδια. Φυσικοί από όλο τον κόσμο συνεχίζουν να μελετούν το σωματίδιο Higgs από κάθε δυνατή οπτική γωνία και δεν αποκλείεται η καλύτερη μελέτη και παρατήρησή του να ανοίξει την πόρτα σε μια νέα Φυσική πέρα από τα όρια του Καθιερωμένου Προτύπου. Τα δεδομένα από τον LHC θα μας επιτρέψουν την καλύτερη κατανόηση και πιθανότητα θα αποκαλύψουν τι μπορεί να κρύβεται πέρα από το Higgs.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο αποτελεί ένα συνεπές μοντέλο που συμπεριλαμβάνει έναν αριθμό θεμελιωδών σωματιδίων και τρεις από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Ωστόσο, αφήνει αναπάντητο ένα πλήθος ερωτημάτων. Γνωρίζουμε από αστρονομικές παρατηρήσεις πως η ύλη που περιγράφει αντιστοιχεί σε ένα 4-5% της συνολικής ύλης του Σύμπαντος. Ένα 25% του περιεχομένου του Σύμπαντος αντιστοιχεί στην αποκαλούμενη σκοτεινή ύλη, για την οποία τα τελευταία χρόνια έχει προταθεί ένας αριθμός διαφορετικών εξηγήσεων. Οι επικρατέστερες θεωρίες προβλέπουν νέα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενώς και τα οποία ενδεχομένως να μπορούμε να παραγάγουμε στους επιταχυντές μας — ενώ ταυτόχρονα πολλά άλλα πειράματα αναζητούν υποψήφια σωματίδια σκοτεινής ύλης με διαφορετικές μεθόδους. Ταυτόχρονα, η παρατηρούμενη ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης που παρατηρούμε στο Σύμπαν —με την ύλη να έχει επικρατήσει της αντιύλης— παραμένει ένα από τα ανοιχτά ερωτήματα. Ποιοι ήταν οι λόγοι που οδήγησαν στην παραβίαση αυτής της συμμετρίας και πώς μπορούν να περιγραφούν;

Η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs δεν είναι το τέλος της προσπάθειας για την περιγραφή και κατανόηση του κόσμου που μας περιβάλλει. Η ανακάλυψή του πιθανότατα να αποτελεί μία πρώτη εκδήλωση ενός κόσμου που είναι ακόμα μη-παρατηρήσιμος. Για να μάθουμε τι κρύβεται πίσω από το Higgs, είναι απαραίτητο να μετρηθούν οι ιδιότητές του με μεγάλη ακρίβεια. Τώρα, ο σκοπός των πειραμάτων είναι να γίνει αντιληπτό αν οι προβλέψεις του απλούστερου προτύπου βάσει του οποίου είναι δυνατή η περιγραφή του σωματίδιου Higgs επιβεβαιώνονται πλήρως ή, αντίθετα, αν παρουσιάζονται ενδείξεις για την ύπαρξη νέων φαινομένων. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs αποτέλεσε σταθμό στην πορεία προς την κατανόηση του Σύμπαντος. Δεν μπορεί όμως να δώσει από μόνη της όλες τις απαντήσεις που αναζητούμε. Το μποζόνιο Higgs παρέχει μία κατά κάποιον τρόπο ατελή εξήγηση και χρειάζεται τόσο να μελετήσουμε καλύτερα το ίδιο —με μεγαλύτερη ακρίβεια ως προς τις ιδιότητές του— όσο και να συνεχίσουμε να ψάχνουμε και σε πειράματα εκτός επιταχυντών για τα κομμάτια που πιθανότατα δεν περιγράφονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο, αλλά αποτελούν μέρος του μεγάλου παζλ της φύσης.
Οι νέες μετρήσεις από τον LHC πιθανόν να προσφέρουν κάποιες ακόμη απαντήσεις και πιθανούς δρόμους που μπορούμε να ακολουθήσουμε για να εξηγήσουμε όσα παρατηρούμε. Η ανακάλυψη του Higgs και η λεπτομερής μελέτη των ιδιοτήτων του μας υπενθυμίζει πως η επιστήμη έχει στον πυρήνα της την αμφιβολία και τη διατύπωση νέων ερωτημάτων με βάση τη μεθοδολογία της. Ο δυναμικός χαρακτήρας της επιστήμης και η δυνατότητά της να ανοίγει νέους δρόμους σκέψης επανέρχεται στο προσκήνιο. Σκοπός της είναι η αναζήτηση της αλήθειας, ακόμη και αν αυτή έρχεται να αναστατώσει παγιωμένες αντιλήψεις. Όπως γράφει και ο Einstein: «Να θέτεις νέα ερωτήματα, να δίνεις δυνατότητες θέασης των προβλημάτων από μια νέα σκοπιά, να πυροδοτείς τη δημιουργική σκέψη: αυτά συνθέτουν την πραγματική επιστημονική πρόοδο».
Ο συγγραφέας θα ήθελε να ευχαριστήσει θερμά τον φυσικό Νικόλαο Ρομποτή για τις πάντα καίριες παρατηρήσεις και σχόλιά του. Οποιαδήποτε λάθη και ανακρίβειες βαρύνουν αποκλειστικά τον υπογράφοντα.

Πηγή: http://amagi.gr/ του Πάνου Χαρίτου


Άλλα θέματα

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...