Οι τρεις φάσεις στην έρευνα των μποζονίων του Higgs

Η ιστορία της Υποατομικής Φυσικής βρίθει από φαινομενικά αυθαίρετες εικασίες για την ύπαρξη σωματιδίων που, αργά ή γρήγορα, επιβεβαιώθηκαν πειραματικά. Πάντως, το ρεκόρ επιτυχούς πρόβλεψης για την ύπαρξη τέτοιων υποατομικών «φαντασμάτων» ανήκει στο περιβόητο μποζόνιο του Higgs ή το «σωματίδιο του Θεού», όπως εσφαλμένα αποκαλείται από τα ΜΜΕ.Την αναγκαιότητα της ύπαρξης αλλά και τη θεμελιώδη λειτουργία αυτού του μέχρι πρόσφατα άπιαστου υποατομικού σωματιδίου είχε πρώτος περιγράψει, πριν από μισό αιώνα, ο Σκοτσέζος θεωρητικός φυσικός Πίτερ Χιγκς (P. Higgs).
Εκτοτε, η ύπαρξη του μποζονίου του Higgs υπήρξε αντικείμενο επίμονων ερευνών και σφοδρότατων διενέξεων στη Μικροφυσική. Πάντως, η πρώτη σαφής πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης σωματιδίων που συμπεριφέρονται όπως τα μποζόνια του Higgs ανακοινώθηκε στη Γενεύη στις 4 Ιουλίου 2012 από τη διεύθυνση του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή του CERN.

Οταν, κατά το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα, οι φυσικοί άρχισαν να χρησιμοποιούν τους πρώτους ισχυρούς επιταχυντές διαπίστωσαν ότι οι πυρήνες όλων των ατόμων προκύπτουν από την ένωση διαφορετικών υποατομικών σωματιδίων (πρωτόνια, νετρόνια), τα οποία με τη σειρά τους συγκροτούνται από τα στοιχειωδέστερα κουάρκ. Ανακάλυψαν μάλιστα έναν τόσο μεγάλο αριθμό από νέα «στοιχειώδη» σωματίδια, ώστε άρχισαν να αμφιβάλλουν για το αν και κατά πόσο όλα αυτά τα σωματίδια θα έπρεπε να θεωρούνται πραγματικά «στοιχειώδη».
Μόλις συνήλθαν από αυτό το πρώτο σοκ προσπάθησαν να βάλουν κάποια τάξη σε αυτή τη ζούγκλα από στοιχειώδη σωματίδια και τα κατάφεραν χάρη στο «Καθιερωμένο Μοντέλο» της σωματιδιακής φυσικής. Πρόκειται για μια μεγαλειώδη θεωρητική σύνθεση όλων των κατακτήσεων της Μικροφυσικής του 20ού αιώνα, στο πλαίσιο της οποίας όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια ταξινομούνται σε δύο πολύ γενικές κατηγορίες: σε «φερμιόνια» και σε «μποζόνια». Τα φερμιόνια είναι τα σωματίδια με ημιακέραιο σπιν και θεωρούνται οι φορείς της ύλης- σε αυτή εντάσσονται οι δύο μεγάλες οικογένειες των σωματιδίων: τα κουάρκ και τα λεπτόνια. Ενώ τα μποζόνια που έχουν ακέραιο σπιν θεωρούνται οι φορείς των φυσικών δυνάμεων και αλληλεπιδράσεων (ηλεκτρομαγνητικής, βαρυτικής, ασθενούς και ισχυρής πυρηνικής δύναμης).
Ομως, από την πρώτη στιγμή που διατυπώθηκε –κατά τη δεκαετία του 1970– το Καθιερωμένο Μοντέλο σκόνταψε σε δύο πολύ σοβαρά προβλήματα: α) δεν περιλάμβανε τη βαρύτητα και τις πανταχού παρούσες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις, και β) δεν κατάφερνε να εξηγήσει γιατί όλα τα υλικά σώματα έχουν μια ορισμένη μάζα. Αυτό το δεύτερο μυστήριο των σωματιδίων που καθορίζουν τη μάζα όλων των υλικών αντικειμένων δοκίμασαν να λύσουν οι ερευνητές καταφεύγοντας στις ακραίες φυσικές συνθήκες που δημιουργούν οι νέοι πανίσχυροι επιταχυντές, όπως ο πολύ ισχυρός ευρωπαϊκός Αδρονικός Επιταχυντής.
Από την πρώτη στην...
Εξάλλου, ένας από τους βασικούς λόγους για τους οποίους κατασκευάστηκε στη Γενεύη ο πολυδάπανος Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) ήταν για να επιβεβαιωθεί ή, έστω, να διαψευσθεί οριστικά η δυνατότητα ύπαρξης του αινιγματικού σωματιδίου του Χιγκς, το οποίο όπως υπέθεταν ευθύνεται για τη μάζα των υλικών σωμάτων. Η εικασία, λοιπόν, που έπρεπε να διερευνηθεί στις δύο από τις τέσσερις ειδικές ανιχνευτικές μονάδες του LHC (και συγκεκριμένα από τις μονάδες ATLAS και CMS) ήταν αν πράγματι κάποια στοιχειώδη σωματίδια, στις ακραίες συνθήκες που δημιουργεί ο επιταχυντής, αποκτούν μάζα χάρη στην ασθενή αλληλεπίδρασή τους με το πεδίο Higgs που δημιουργείται από την παρουσία σωματιδίων τύπου Higgs.
Σε αυτή την πρώτη φάση των ερευνών, οι πρώτες ασαφείς ενδείξεις για την παρουσία κάποιου σωματιδίου τύπου Higgs έκαναν την εμφάνισή τους στα τέλη του 2011. Χρειάστηκαν όμως άλλοι έξι μήνες σκληρής δουλειάς για να πεισθούν οι ερευνητές του LHC ότι πρόκειται όντως για σωματίδια τύπου Higgs και όχι για τυχαίες διακυμάνσεις. Και αυτό ακριβώς επιβεβαίωσαν οι εντυπωσιακά ακριβείς πειραματικές μελέτες στις ανιχνευτικές μονάδες ATLAS και CMS του επιταχυντή και τα αποτελέσματα αυτά ερμηνεύονται πλέον ως έμμεση αλλά σαφής απόδειξη της ύπαρξης σωματιδίων Higgs.
...τρίτη φάση των ερευνών
Επτά χρόνια μετά την πρώτη επίσημη ανακοίνωση της ανίχνευσης των μποζονίων Χιγκς, οι έρευνες συνεχίστηκαν με αμείωτους και εντατικούς ρυθμούς, ώστε να αποκαλυφθεί και να περιγραφεί λεπτομερώς ο τρόπος δράσης και η συμπεριφορά αυτών των τόσο αινιγματικών μικροσωματιδίων. Από τον Ιούλιο του 2012, όταν ανακοινώθηκε επίσημα η ανακάλυψη των μποζονίων του Χιγκς μέχρι σήμερα οι σχετικές έρευνες πέρασαν από την αρχική πρώτη φάση (από το 2012 έως το 2015) στη δεύτερη φάση (από το 2015 έως το 2018). Σύμφωνα με τη Διεθνή Συνδιάσκεψη Φυσικής Υψηλών Ενεργειών που ολοκληρώθηκε πριν από μια εβδομάδα στο Βέλγιο, οι έρευνες στον ευρωπαϊκό Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή περνάνε σε μια νέα τρίτη φάση που προβλέπεται να ολοκληρωθεί το 2021 ή το 2023.
Σε αυτή την τρίτη φάση, οι ερευνητικές μονάδες ATLAS και CMS του Αδρονικού Επιταχυντή θα συνεργαστούν στενότερα για να καθορίσουν το αν επιβεβαιώνονται οι προβλεπόμενες από το Καθιερωμένο Μοντέλο αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών οικογενειών σωματιδίων και το πώς ακριβώς αυτές προκύπτουν.

Πηγή: Εφημερίδα Συντακτών του Σ Μανουσέλη