Πέμπτη, 10 Οκτωβρίου 2013

Ο μηχανισμός Brout-Englert-Higgs


Με αφορμή το βραβείο Νόμπελ Φυσικής, πολύς λόγος έγινε για το μηχανισμό Brout-Englert-Higgs, με τον οποίο αποκτούν μάζα κάποια από στοιχειώδη σωματίδια.
Για την εύρεση του σωματιδίου που προκύπτει από το μηχανισμό αυτό, το οποίο πήρε αργότερα το όνομα του Πίτερ Χιγκς καθώς ήταν ο πρώτος που κατανόησε το ρόλο του, δαπανήθηκαν μεγάλα ποσά και δούλεψαν εντατικά χιλιάδες άνθρωποι επί πολλά χρόνια. Τι ακριβώς όμως είναι ο συγκεκριμένος μηχανισμός και σε ποια ερωτήματα απαντάει;

Τα δομικά στοιχεία
Προσπαθώντας να ερευνήσουμε κάτι σύνθετο, συνήθως εστιάζουμε στη συμπεριφορά των επιμέρους τμημάτων του. Αυτή η προσέγγιση, οδήγησε ήδη από την αρχαιότητα στη σύλληψη των ατόμων (Δημόκριτος).
Η γνώση μας σήμερα συμπυκνώνεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο, που θεωρούμε πως περιέχει τους δομικούς λίθους του Σύμπαντος. Είναι μια εξαιρετικά επιτυχημένη θεωρία, καθώς συμφωνεί με το πείραμα με ακρίβεια που δεν έχει πλησιάσει καμία άλλη επιστημονική θεωρία.
Τα σωματίδια που γνωρίζουμε πως απαρτίζουν την ύλη που παρατηρούμε καθημερινά γύρω μας είναι μονάχα τρία: τα ηλεκτρόνια, και κουάρκ δύο ειδών: πάνω και κάτω. Τα κουάρκ απαρτίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συναντάμε στον πυρήνα ενός ατόμου, με τα ηλεκτρόνια να βρίσκονται σε τροχιές γύρω του.
Παρόλα αυτά ο κόσμος μας αποτελείται και από μία πληθώρα άλλων σωματιδίων, που χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τη στατιστική που ακολουθούν αλλά και το ρόλο που διαδραματίζουν: είναι τα μποζόνια (όπως το το φωτόνιο ή το σωματίδιο W), τα οποία είναι φορείς των θεμελιωδών δυνάμεων και τα φερμιόνια, τα οποία αποτελούν την ύλη (6 είδη κουάρκ, νετρίνα, ηλεκτρόνια).

Η έννοια του πεδίου
Μια επανάσταση που εισήχθηκε στη Φυσική με τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού του Μάξουελ, ήταν η έννοια του πεδίου. Με το συγκεκριμένο όρο εννοούμε την απόδοση μιας τιμής σε κάθε σημείο του χώρου, η οποία μπορεί να μεταβάλλεται με το χρόνο. Σύντομα, η ιδέα αυτή επεκτάθηκε και κατέλαβε ολόκληρο το φυσικό οικοδόμημα, καθώς οδηγούσε σε ενοποιημένες έννοιες και μπορούσε να περιγράψει τον κόσμο με σαφήνεια αλλά και να οδηγήσει στην πρόβλεψη νέων φαινομένων.
Η ύλη, μαζί με τις αντιδράσεις και τις δυνάμεις μπορεί να περιγραφεί με βάση αυτή την εικόνα. Τα ίδια τα σωματίδια μάλιστα αποκτούν δευτερεύοντα ρόλο σε αυτό το πλαίσιο, καθώς μπορούν να ιδωθούν ως τα σημεία εκείνα που το πεδίο παρουσιάζει μια κορυφή (τοπικό μέγιστο).
Τρεις από τις θεμελιώδεις δυνάμεις του Σύμπαντος (ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή και ασθενής πυρηνική) περιλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Στις εξισώσεις του όμως οι φυσικοί αντιμετώπισαν μία δυσκολία: δε μπορούσαν να προσθέσουν απλά έναν όρο για τη μάζα του κάθε σωματιδίου, καθώς αυτό κατέστρεφε το υπόλοιπο οικοδόμημα.
Για να είναι πετυχημένη η φυσική θεωρία, θα πρέπει τουλάχιστον να συμφωνεί με την παρατήρηση πως η ύλη έχει μάζα! Ο Χιγκς, ο Ενγκλέρ και ο Μπράουτ ήταν οι πρώτοι που συνέλαβαν έναν μηχανισμό που παρέκαμπτε το πρόβλημα της μάζας.

Η έννοια της συμμετρίας και η αυθόρμητη ρήξη της
Μια επίσης πολύ σημαντική έννοια στη σύγχρονη φυσική, είναι αυτή της συμμετρίας. Μάλιστα, αποδεικνύεται πως κάθε συμμετρία αντιστοιχεί και σε κάποια αρχή διατήρησης (η διατήρηση της ενέργειας είναι συμμετρία ως προς το χρόνο για παράδειγμα).
Στο Καθιερωμένο Πρότυπο υπάρχει μια βαθύτερη συμμετρία η οποία καλείται SU(3)xSU(2)xU(1), με τον κάθε ένα από αυτούς τους όρους να αντιστοιχεί στην εσωτερική συμμετρία της κάθε μίας από τις τρεις δυνάμεις που περιγράφει η θεωρία. Οι Χιγκς, Ενγκλέρ και Μπράουτ υπέθεσαν πως η μάζα της ύλης οφείλεται στο γεγονός πως η συμμετρία αυτή είναι σπασμένη στις ενέργειες που επικρατούν σήμερα στο Σύμπαν.
Για το σπάσιμο της συγκεκριμένης συμμετρίας, υπέθεσαν την ύπαρξη ενός πεδίου που διακατέχει όλο το Σύμπαν. Υπάρχουν σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν με το πεδίο αυτό, μη αποκτώντας μάζα, άλλα που αλληλεπιδρούν λίγο, κι άλλα πολύ, λαμβάνοντας αντίστοιχα μικρή ή μεγάλη μάζα. Στην ουσία, το δυναμικό του πεδίου αναγκάζει τα σωματίδια να επιλέξουν μία συγκεκριμένη φάση, σπάζοντας τη συμμετρία.
Σε ανώτερες ενέργειες, όπως όταν το Σύμπαν ήταν πολύ νέο (λίγες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη) η συμμετρία ήταν άρρηκτη: όλα τα σωματίδια δεν είχαν μάζα και κινούνταν με την ταχύτητα του φωτός, ενώ όλες οι δυνάμεις πρέπει να ήταν ενοποιημένες. Στα 10-11 δευτερόλεπτα μετά τη στιγμή της Δημιουργίας, το πεδίο Χιγκς «άναψε», και εμφανίστηκαν τα πρώτα σωματίδια με μάζα.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγκς και τα επόμενα βήματα
Το σωματίδιο Χιγκς, προκύπτει από το πεδίο Χιγκς καθώς είπαμε πως η έννοια πεδίου και σωματιδίου μπορεί να θεωρηθεί αλληλένδετη. Είναι μποζόνιο και είναι το πιο βαρύ (125 GeV) από τα σωματίδια που περιέχονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο αλλά και το πιο «δύστροπο», καθώς συμμετέχει σε αντιδράσεις που το διασπάνε πολύ γρήγορα σε άλλα σωματίδια. Παρόλα αυτά, η ύπαρξή του επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 2012 μετά από δεκαετίες προσπαθειών, ολοκληρώνοντας το παζλ του Καθιερωμένου Προτύπου.
Πλέον στο στόχαστρο των φυσικών είναι η Φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αν και αποτελεί ίσως την πιο επιτυχημένη φυσική θεωρία μέχρι σήμερα, είναι σαφές πως το Καθιερωμένο Πρότυπο δε μπορεί να δώσει απαντήσεις σε ορισμένα ερωτήματα.
Η έρευνα για τη σκοτεινή ύλη, την υπερσυμμετρία, τη σκοτεινή ενέργεια, τη συμπεριφορά και τη μάζα των νετρίνων, αναμένεται να απασχολήσουν μεταξύ άλλων τους φυσικούς του CERN και άλλων ερευνητικών κέντρων για πολλές ακόμη δεκαετίες. Τουλάχιστον όσο παραμένει ενεργή η όρεξη να μάθουμε όσο περισσότερα μπορούμε για τον κόσμο μας.


Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Άλλα θέματα

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...