ΤΟ HIGGS ΗΤΑΝ ΜΟΝΟ Η ΑΡΧΗ...

Οκτώβριος 2016    http://www.indeepanalysis.gr/

Παναγιώτης Χαρίτος

Φυσικός | Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικής Φυσικής (CERN) | Επιστημονικός Συνεργάτης E-Learning ΕΚΠΑ

Οι περισσότεροι θα έχετε ακούσει για την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Πυρηνικών Ερευνών CERN. Πόσοι όμως γνωρίζετε για την πορεία που οδήγησε στην πρόταση για την ύπαρξη αυτού του σωματιδίου και το πώς συνδέεται η ανακάλυψη αυτή με την ύπαρξη νέας φυσικής;

Στη φύση γνωρίζουμε τέσσερεις θεμελιώδεις δυνάμεις, οι τρεις απ’ τις οποίες περιγράφονται πλήρως απ’ το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο. Αυτές είναι η ηλεκτρομαγνητική (υπεύθυνη για όλα τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα), η ισχυρή πυρηνική δύναμη (που συγκρατεί τους πυρήνες των ατόμων συνδεδεμένους μεταξύ τους) και η ασθενής πυρηνική δύναμη (που είναι υπεύθυνη για τη ραδιενέργεια).

Τι σχέση έχουν τα παραπάνω με το σωματίδιο Higgs; Η απάντηση βρίσκεται σε ένα βασικό χαρακτηριστικό των θεμελιωδών δυνάμεων και το πώς αυτές περιγράφονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Κοινό χαρακτηριστικό των δυνάμεων αυτών είναι ότι διαδίδονται με την ανταλλαγή στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται μποζόνια.

Το μποζόνιο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης είναι το φωτόνιο. Πολλά φωτόνια μαζί αποτελούν τα γνωστά σε όλους μας ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως το φως που βλέπουμε απ’ τον ήλιο. Μπορεί να φαίνεται περίεργο αλλά τα ίδια ακριβώς σωματίδια ανταλλάσονται μεταξύ των πόλων δύο μαγνητών και προκαλούν την έλξη ή άπωση μεταξύ τους.  Αντίστοιχα, οι φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης είναι οκτώ μποζόνια που ονομάζονται γκλουόνια. Όπως και τα φωτόνια έτσι και τα γκλουόνια έχουν μηδενική μάζα.

Είναι τυχαίο πως τα φωτόνια και τα γκλουόνια έχουν μηδενική μάζα; Η απάντηση είναι όχι. Στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου όλες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των θεμελιωδών σωματιδίων προκύπτουν από θεμελιώδεις συμμετρίες της φύσης. Οι συμμετρίες αυτές θέτουν πολύ ισχυρούς περιορισμούς στις ιδιότητες των θεμελιωδών δυνάμεων: καθορίζουν πλήρως το πώς τα μποζόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κι επιβάλουν στα μποζόνια να έχουν μηδενική μάζα.

Τα πράγματα όμως αλλάζουν όταν εξετάσουμε την ασθενή πυρηνική δύναμη. Η πρόταση για την ύπαρξη μποζονίων, που δρουν ως φορείς της ασθενούς δύναμης, έγινε για πρώτη φορά το 1958 απ’ τον Jose Leite Lopez, ο οποίος, συγκρίνοντας τις ιδιότητες της ασθενούς δύναμης με την ηλεκτρομαγνητική, προέβλεψε ότι τα ασθενή μποζόνια θα πρέπει να έχουν μάζα όση περίπου 60 πρωτόνια. Όντως, 25 χρόνια αργότερα, τα πειράματα UA1 και UA2 του CERN ανακάλυψαν τα 3 προβλεπόμενα μποζόνια (2 φορτισμένα που ονομάζονται W απ’ την αγγλική λέξη weak κι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο που ονομάστηκε Z απ’ το zero charge, δηλαδή μηδενικό φορτίο). Η μάζα τους μετρήθηκε να είναι περίπου 80-90 φορές μεγαλύτερη απ’ τη μάζα του πρωτονίου.

Στο ερώτημα, γιατί οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης έχουν μάζα ενώ των άλλων δύο θεμελιωδών δυνάμεων όχι, προσπάθησε να απαντήσει ο Peter Higgs μαζί με τους Brout και Englert. Η μάζα των μποζονίων δίνεται μέσω του ομώνυμου μηχανισμού, ο οποίος προβλέπει την ύπαρξη ενός ακόμη μποζονίου, του μποζονίου Higgs και κατά συνέπεια ενος πεδίου Higgs, που διαπερνά ολόκληρο το Σύμπαν.
Για να καταλάβετε διαισθητικά πως δουλεύει ο μηχανισμός αυτός κοιτάξτε στο παρακάτω σχήμα.

Το παραπάνω σχήμα απεικονίζει τη δυναμική ενέργεια του πεδίου Higgs. Φανταστείτε τώρα ένα σωματίδιο που βρίσκεται αρχικά στην κορυφή του δυναμικού στο κέντρο του σχήματος. Η κατάσταση αυτή είναι ασταθής και το σωματίδιο σύντομα θα κυλήσει προς τον πυθμένα του δυναμικού, όπου η ενέργειά του ελαχιστοποιείται. Η αρχική κατάσταση διαθέτει μια περιστροφική συμμετρία, καθώς το σωματίδιο μπορεί να κατρακυλήσει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, όπως δείχνουν οι γραμμές στο σχήμα. Μόλις όμως το σωματίδιο αρχίσει να κατρακυλάει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση (π.χ. όπως δείχνει το βέλος) η περιστροφική συμμετρία της αρχικής κατάστασης σπάει.

Αυτή είναι η ουσία του μηχανισμού Higgs: παρόλο που η ηλεκτρασθενής θεωρία προβλέπει μια συμμετρική αρχική κατάσταση, στην οποία όλα τα μποζόνια είναι άμαζα, η αρχική αυτή κατάσταση είναι ασταθής και συνεπώς δεν παρατηρείται στη φύση. Η ευσταθής κατάσταση, που παρατηρούμε στη φύση, αντιστοιχεί στην κατάσταση ελάχιστης δυναμικής ενέργειας, στην οποία, όπως περιγράψαμε παραπάνω, η αρχική συμμετρία έχει σπάσει. Εφόσον όμως η αρχική συμμετρία δεν υπάρχει πια, τα μποζόνια της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι πλέον ελεύθερα να αποκτήσουν μάζα!
  
Οι μάζες των θεμελιωδών μποζονίων μπορούν να εξηγηθούν απ’ τη μορφή της δυναμικής ενέργειας του πεδίου Higgs. Στο παραπάνω σχήμα ένα σωματίδιο μπορεί να κινείται γύρω-γύρω στον πυθμένα του δυναμικού χωρίς να συναντάει καμία αντίσταση - αφού όλα τα σημεία αντιστοιχούν στην ίδια ενέργεια. Η κίνηση αυτή, που γίνεται χωρίς αντίσταση (αδράνεια), αντιστοιχεί στην ύπαρξη των φωτονίων που, όπως αναφέραμε, δεν έχουν μάζα.

Από την άλλη, ενα σωματίδιο μπορεί να κινηθεί προς τις δύο πλαγιές του δυναμικού. Καθώς οι ενέργεια στις πλαγιές είναι μεγαλύτερη το σωματίδιο συναντά μια αντίσταση (αδράνεια), αν προσπαθήσει να ανέβει στην πλαγιά. Η κίνηση αυτή αντιστοιχεί σε μποζόνια που έχουν μάζα, όπως είναι τα W και Ζ. Η ύπαρξη, λοιπόν, ενος πεδίου με τη μορφή που περιγράψαμε παραπάνω, μπορεί να εξηγήσει γιατί τα σωματίδια - φορείς των τεσσάρων δυνάμεων άλλοτε εμφανίζονται με μηδενική μάζα και άλλοτε με μη μηδενική μάζα.

Μπορούμε να δώσουμε και μια γεωμετρική εξήγηση του σωματιδίου Higgs, προκειμένου να κατανοήσετε πως η ύπαρξή του σπάει μια συμμετρία, όπως αναφέραμε. Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει μια σφαίρα κι ένα σφαιροειδές. Η σφαίρα, όντας συμμετρική, χρειάζεται μία μόνο παράμετρο για να προσδιοριστεί: την ακτίνα της. Το σφαιροειδές, όντας λιγότερο συμμετρικό, χρειάζεται δύο παραμέτρους: την ακτίνα και την εκεντρότητα. Το μέγεθος της εκκεντρότητας μας δείχνει πόσο πεπλατυσμένο είναι το σφαιροειδές ή αν θέλετε πόσο διαφέρει από μια συμμετρική σφαίρα. Όταν η εκκεντρότητα είναι μηδέν, έχουμε την περίπτωση μιας συμμετρικής σφαίρας, ενώ όσο η εκκεντρότητα αυξάνει τόσο πιο πεπλατυσμένο γίνεται το σφαιροειδές και επομένως τόσο περισσότερο απομακρύνεται από τη συμμετρική κατάσταση.

Το ίδιο συμβαίνει και με την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση. Το πεδίο Higgs παίζει το ρόλο της εκκεντρότητας, μας δείχνει το πόσο πολύ απέχει η δυναμική ενέργεια που απεικονίσαμε στο παραπάνω σχήμα από την πλήρως συμμετρική κατάσταση, στην οποία όλα τα μποζόνια συμπεριλαμβανομένων των W και Z θα ήταν άμαζα.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στην αρχική διατύπωση του μηχανισμού ο Higgs χρησιμοποίησε ένα υποθετικό μοντέλο αλληλεπιδράσεων, που απέχει πολύ απ’ αυτό που παρατηρούμε πειραματικά. H πρώτη πλήρης διατύπωση ενός ρεαλιστικού μοντέλου για τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις, που ενσωμάτωνε το μηχανισμό του Higgs εξηγόντας όλα τα χαρακτηριστικά των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, έγινε από τον Steven Weinberg το 1967, μια δουλειά για την οποία τιμήθηκε με το βραβείο Nobel το 1979 (μαζί με τους Sheldon Glashow και Abdus Salam).

Η έννοια του σπασίματος μιας συμμετρίας απαντάται σε πολλά άλλα συστήματα, όπως για παράδειγμα στην υπεραγωγιμότητα. Η βασική διαφορά είναι ότι σε εκείνα τα συστήματα το αντίστοιχο “σωματίδιο Higgs” δεν είναι θεμελιώδες αλλά σύνθετο, αποτελείται δηλαδή από δύο πιο θεμελιώδη σωματίδια, όπως για παράδειγμα ένα ζεύγος ηλεκτρονίων. Μήπως επομένως και το Higgs να μην είναι στοιχειώδες αλλά να αποτελείται από πιο θεμελιώδη σωματίδια; Υπάρχουν θεωρίες, οι οποίες προβλέπουν ότι το Higgs είναι σύνθετο (για παράδειγμα αποτελείται από ένα ζεύγος κουαρκ-αντικουάρκ). Τις θεωρίες αυτές προσπαθούν να ελέγξουν οι πειραματικοί στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN.

Ένα άλλο αξιοπερίεργο γεγονός σχετίζεται με την τιμή της μάζας του Higgs, η οποία έχει βρεθεί να είναι ίση με 125 μάζες πρωτονίων. Η θεωρία παρόλα αυτά προβλέπει ότι λόγω των αλληλεπιδράσεων του Higgs με τα υπόλοιπα σωματίδια, η μάζα του θα έπρεπε να είναι 100 εκατομμύρια δισεκατομμυρίων φορές (1017) μεγαύτερη απ’ αυτή που μετρήσαμε. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει κάποιος μηχανισμός που σταθεροποιεί τη μάζα του Higgs στην τιμή που μετρήσαμε. Η θεωρία της υπερσυμμετρίας παρέχει έναν τέτοιο μηχανισμό, προβλέποντας ότι σε σωματίδιο αντιστοιχεί ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο με διαφορετικό σπιν. Tα δύο είδη σωματιδίων αλληλεπιδρούν με τέτοιο τρόπο με το Higgs, ώστε οι συνεισφορές τους στη μάζα του Higgs να αλληλοαναιρούνται και συνεπώς η μάζα του Higgs παραμένει μικρή. Παρόλο που η έρευνα για την ύπαρξη υπερσυμμετρικών σωματιδίων βρίσκεται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος στο CERN, δεν υπάρχει μέχρι στιγμής καμία ένδειξη για την ύπαρξή τους.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι ενώ η ύπαρξη των μποζονίων, που μεταβιβαζουν τις αλληλεπιδρασεις, ειναι άρρηκτα συνδεδεμενη με τη θεμελιωδη έννοια των συμμετριών της φύσης, το μποζόνιο Higgs έχει εισαχθεί στη θεωρία  με τελείως αυθαίρετο τρόπο. Τίποτα δεν απαγορεύει την ύπαρξη περισσοτέρων μποζονίων Higgs. Μάλιστα, κάποιες απ’ τις θεωρίες που προβλέπουν την ύπαρξη περισσότερων μποζονίων Higgs θα μπορούσαν να απαντήσουν σε μερικά απ’ τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα της σύγχρονης φυσικής, όπως για παράδειγμα ποια είναι η φύση της σκοτεινής ύλης, γιατί τα κουαρκς έχουν τόσο διαφορετικές μάζες και γιατί στο σύμπαν κυριαρχεί η ύλη έναντι της αντιύλης.

Το μποζόνιο Higgs είναι εν ολίγοις ένα πολύ περίεργο σωματίδιο, το οποίο χρίζει περαιτέρω μελέτης. Ένα πράγμα είναι σίγουρο: μπορεί η ανακάλυψη του Higgs να ολοκληρώνει το κεφάλαιο που ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο αλλά γεννά νέα πολύ πιο αινιγματικά ερωτήματα.

Όλα δείχνουν ότι πρέπει να υπάρχει νέα φυσική πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου σε υψηλότερες ενέργειες. Τα παραπάνω ερωτήματα βρίσκονται αυτή τη στιγμή στο επίκεντρο του ερευνητικού προγράμματος του CERN αλλά αποτελούν κατευθυντήριες γραμμές και για τον σχεδιασμό μελλοντικών επιταχυντών όπως ο Future Circular Collider, που μελετά διαφορετικά σενάρια για κυκλικούς επιταχυντές για τη μετά τον LHC εποχή. Το γεγονός πως έχει ήδη ξεκινήσει ο σχεδιασμός για μελλοντικούς επιταχυντές δεν πρέπει να μας ξενίζει, χρειάζεται να αναπτυχθεί ένα σύνολο νέων τεχνολογιών, προκειμένου να ανοίξουμε ένα νέο παράθυρο στην κατανόηση του κόσμου μας.

Η ανακάλυψη του Higgs σηματοδοτεί επομένως την αρχή μιας γοητευτικής περιπλάνησης προς τη φυσική του μέλλοντος. Μιας πορείας που μπορεί να αλλάξει άρδην την αντίληψή μας για το πώς λειτουργεί ο κόσμος και η οποία μπορεί να οδηγήσει σε μια νέα επιστημονική επανάσταση, αντίστοιχη αυτής που επέφερε η ανακάλυψη της κβαντομηχανικής και της σχετικότητας.

* Με τη συνεργασία του Δρ Σπύρου Αργυρόπουλου
Ο Δρ Σπύρος Αργυρόπουλος σπούδασε φυσική στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και μετεκπαιδεύτηκε στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών στην Ecole Normale Supérieure της Λυών και στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης. Εκπόνησε τη διδακτορική του διατριβή στο ερευνητικό κέντρο DESY στη Γερμανία. Ως μέλος του πειράματος ATLAS έχει δουλέψει σε διάφορα ερευνητικά θέματα, που εκτείνονται από τις γεννήτριες γεγονότων Monte-Carlo και πειραματικές μετρήσεις στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου έως την αναζήτηση φαινομένων πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου. Απ’ το 2015 δουλεύει ως ερευνητής στο CERN, συνεργαζόμενος με το Πανεπιστήμιο της Iowa.