Ένας χρόνος από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs

Posted on 04/07/2013

1


dn23810-1_300Πριν από έναν χρόνο, σαν σήμερα, έγινε η επίσημη ανακοίνωση της ανακάλυψης του μποζονίου Higgs από τα πειράματα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), μέσα σε ένα κατάμεστο αμφιθέατρο στο CERN.

Η μέρα αυτή μπορεί μεν να σηματοδότησε το τέλος μιας 50ετους έρευνας, όμως παρά το γεγονός ότι το μποζόνιο βρέθηκε υπάρχουν ακόμα πολλά που πρέπει να μάθουμε σχετικά με το πιο δημοφιλές σωματίδιο της φυσικής.

1. Τι είδους μποζόνιο Higgs ανακαλύφθηκε;

Όταν ανακοινώθηκε η ανακάλυψη του οι ερευνητές που εργάζονται στον LHC απέφευγαν να ονομάζουν το σωματίδιο που ανακάλυψαν ευθέως ως μποζόνιο Higgs, αλλά προτιμούσαν τις αόριστες εκφράσεις «σωματίδιο που μοιάζει το Higgs» ή «μποζόνιο σαν το Higgs».
Γνώριζαν ότι το σωματίδιο που βρήκαν ήταν ένα ολοκαίνουργιο μποζόνιο, όμως δεν ήταν σαφές ότι οι ιδιότητές του ήταν ακριβώς αυτές που ορίζει για το Higgs το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, το οποίο περιγράφει όλα τα γνωστά σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους.

Στην πραγματικότητα πολλοί φυσικοί ελπίζουν πως το ανακαλυφθέν μποζόνιο θα μπορούσε να αποδειχθεί πιο εξωτικό, έτσι ώστε να μπορέσουν να επεκτείνουν ή να αναθεωρήσουν το Καθιερωμένο Πρότυπο, το οποίο προς το παρόν δεν μπορεί να εξηγήσει π.χ. την σκοτεινή ύλη ή την βαρύτητα.

Σύμφωνα με τον Oliver Buchmueller του Imperial College του Λονδίνου, που ανήκει στην ομάδα CMS του LHC (μια από τις δυο ομάδες – η άλλη ονομάζεται ATLAS – που ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του Higgs),
αν και το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε ικανοποιεί τις ελάχιστες προϋποθέσεις ενός μποζονίου Higgs, η ακρίβεια με την οποία μετράμε τις ιδιότητές του δεν είναι αρκετή ώστε να λέμε ότι πρόκειται για μια ελάχιστη υλοποίηση του μηχανισμού Higgs, ούτε ότι είναι κάτι περισσότερο από αυτό.

Ένα μυστήριο που παραμένει ακόμα είναι το γιατί το μποζόνιο Higgs διασπάται σε περισσότερα φωτόνια από το αναμενόμενο. Αυτή η υπέρβαση που είχε αναφερθεί πέρυσι Ιούλιο, εξακολουθεί να εμφανίζεται στις αναλύσεις δεδομένων της ομάδας ATLAS, όχι όμως και στα δεδομένα που ανίχνευσε η ομάδα CMS.

2. Γιατί το σωματίδιο Higgs είναι τόσο ελαφρό;

Mε την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs προσδιορίστηκε ταυτόχρονα και η μάζα του, γύρω στα 125 GeV. Ένα Higgs με τόσο μικρή μάζα οδηγεί σε μια πρόβλεψη ότι το σύμπαν είναι ασταθές. Και αυτό καθοδηγεί προς νέα φυσική σύμφωνα με τον Buchmueller. Όμως το σύμπαν εξακολουθεί να υπάρχει μέχρι σήμερα, οπότε η ύπαρξη ενός τόσο ελαφρού Higgs αυξάνει την αναγκαιότητα ύπαρξης επιπλέον σωματιδίων και μηχανισμών που το διατηρούν σταθερό.

«Αν το μποζόνιο Higgs είχε μια μάζα μεταξύ 135 έως 140 GeV, το σύμπαν θα ήταν σταθερό. Και τότε θα είχαμε προβλήματα για το τι θα κάναμε στη συνέχεια» λέει ο Buchmueller.

3. Πόσα περισσότερα μπορεί να μας πει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) σχετικά με το Higgs;

Ο LHC βρίσκεται αυτή τη στιγμή σε διαδικασία συντήρησης και αναβάθμισης. Όταν θα ξαναλειτουργήσει οι ενέργειες των πρωτονίων που συγκρούονται μεταξύ τους θα έχουν αυξηθεί στο μέγιστο δυνατό, και είναι πιθανό να παραχθούν και να ανιχνευθούν νέα σωματίδια, που σχετίζονται π.χ. με την σκοτεινή ύλη, γεγονός που θα έδινε μια κατεύθυνση σχετικά με την κατανόηση του Higgs που ανακαλύφθηκε.

Η αναβάθμιση του LHC θα δώσει επίσης καλύτερη στατιστική στα δεδομένα παραγωγής του Higgs πράγμα που θα βοηθήσει στην περαιτέρω μελέτη των χαρακτηριστικών του. Ο Buchmueller είναι πολύ ενθουσιασμένος με αυτή την προοπτική, διότι το μποζόνιο Higgs και το αντίστοιχο πεδίο Higgs, είναι οι μοναδικές γνωστές οντότητες που έχουν σπιν μηδέν αλλά – σε αντίθεση με την βαρύτητα, για παράδειγμα – δεν έχουν κατευθυντικότητα.
Η επιπλέον παραγωγή γεγονότων που αντιστοιχούν στο μποζόνιο Higgs στον LHC θα προσφέρει στοιχεία σχετικά με τα «πεδία μηδενικού σπιν» και την φύση της σκοτεινής ενέργειας, στην οποία αποδίδεται η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος και μπορεί να σχετίζεται με πεδίο μηδενικού σπιν.

4. Πόσα Higgs κυκλοφορούν εκεί έξω;

Ένας ισχυρότερος LHC θα μπορούσε να μας αποκαλύψει επίσης αν το Higgs έχει αδέλφια. Σύμφωνα με τον Matt Strassler, από το Πανεπιστήμιο Rutgers στο New Jersey: «κανείς δεν πρέπει να εκπλαγεί αν υπάρχει στη φύση ένα δεύτερο είδος σωματιδίου Higgs».

Μάλιστα πριν από μερικές μέρες, μετά από την ανακοίνωση της ομάδας CMS με τίτλο: «Properties of the observed Higgs-like resonance decaying into two photons» ,
πυροδοτήθηκαν οι φήμες για την ανακάλυψη και δεύτερου σωματιδίου Higgs, που όμως διαψεύδονται από τον Strassler και άλλους φυσικούς.
Πάντως δεν υπάρχει τίποτα που να αποκλείει την ύπαρξη επιπλέον Higgs.

Για παράδειγμα, ένας τρόπος για να επεκταθεί το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι διαμέσου της θεωρίας της Υπερσυμμετρίας (SUSY), σύμφωνα με την οποία υπάρχουν τουλάχιστον πέντε είδη μποζονίων Higgs. H επαναλειτουργία LHC, μετά την αναβάθμιση του, αναμένεται να ξεκαθαρίσει πολλά σχετικά με την θεωρία της Υπερσυμμετρίας.

5. Πως θα φτιάχνουμε μποζόνια Higgs στην μετά-LHC εποχή

Αμέσως μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs οι φυσικοί άρχισαν να συζητούν για το πώς θα είναι επόμενο μεγάλο εργοστάσιο παραγωγής σωματιδίων. Στον LHC συγκρούονται δυο δέσμες πρωτονίων υψηλής ενέργειας, έτσι ώστε τα σωματίδια να θρυμματίζονται. Με τον τρόπο αυτό ναι μεν παράγονται μποζόνια Higgs, όμως δημιουργούνται ταυτόχρονα κι άλλα προϊόντα που δημιουργούν σύγχυση και δυσκολεύουν την λεπτομερή διερεύνηση των ιδιοτήτων του Higgs.

Oι συγκρούσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και των αντισωματιδίων τους τα ποζιτρόνια θα δημιουργούσαν πολύ μικρότερο υπόβαθρο και τα γεγονότα που θα είχαν ενδιαφέρον θα ήταν καθαρότερα. Ήδη συζητείται η κατασκευή του «Διεθνούς Γραμμικού Επιταχυντή Σωματιδίων (ILC)».

Ωστόσο το κόστος του ILC θα είναι τεράστιο. Ο βραβευμένος με νόμπελ φυσικός Carlo Rubia επισημαίνει ότι τώρα που γνωρίζουμε ότι η μάζα του μποζονίου Higgs είναι 125 GeV, θα μπορούσε να δημιουργηθεί ένα οικονομικότερο εργοστάσιο παραγωγής Higgs όπου θα συγκρούονταν μιόνια με αντιμιόνια.

Εν τω μεταξύ, διάφορα εργαστήρια φυσικής έχουν ήδη επικεντρωθεί στην κατασκευή μικρότερων και φθηνότερων επιταχυντών, στους οποίους με την χρήση πλάσματος θα μπορούσαν να επιτύχουν συγκρούσεις υψηλών ενεργειών σε πολύ μικρότερο χώρο. Ως γνωστόν ο LHC είναι κυκλικός με μήκος περιφέρειας 27 χιλιομέτρων, αλλά ένας επιταχυντής πλάσματος θα μπορούσε να παράγει μποζόνια Higgs χρησιμοποιώντας επιταχυντές μήκους μόνο 500 μέτρων.

6. Tελικά, τίνος είναι το μποζόνιο Higgs;

Ακόμη και σήμερα, έναν χρόνο από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, μερικοί φυσικοί εξακολουθούν να φιλονικούν για το πώς πρέπει να ονομάζεται το εν λόγω μποζόνιο. Βέβαια, έχει επικρατήσει το όνομα μποζόνιο Higgs, από το όνομά του Peter Higgs του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, ο οποίος ήταν ο πρώτος που προέβλεψε το σωματίδιο, τον Οκτώβριο του 1964. Όμως υπάρχουν και άλλοι θεωρητικοί φυσικοί που έχουν συμμετοχή σ’ αυτή την θεωρητική ανακάλυψη.

Τον Αύγουστο του 1964 οι Robert Brout και François Englert από το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο των Βρυξελλών, περιέγραψαν έναν μηχανισμό που προσέδιδε μάζα στα σωματίδια, χωρίς να αναφέρονται ρητά στο μποζόνιο. Μερικοί ερευνητές τώρα προτιμούν να αποκαλούν το μποζόνιο ως BEH, από τα αρχικά των τριών φυσικών Brout, Englert και Higgs.

Όμως, υπάρχουν κι άλλοι τρεις ερευνητές, οι Dick Hagen, Gerald Guralnik και ο Tom Kibble – που επίσης περιέγραψαν τον ίδιο μηχανισμό τον Νοέμβριο του 1964. Η εργασία τους παρελήφθη από το περιοδικό Physical Review Letters, πριν δοθεί στη δημοσιότητα η εργασία του Peter Higgs. Βέβαια το να δοθεί ένα όνομα, όπως το «μποζόνιο ή μηχανισμός BEHHGK», ξεπερνάει τα όρια της γελοιότητας, όπως για παράδειγμα φαίνεται στο paper του Roland E. Allen που δημοσιεύθηκε πρόσφατα με τίτλο: «The London-Anderson-Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-Weinberg mechanism and Higgs boson reveal the unity and future excitement of physics».

Διαβάστε σχετικά: «Η μετονομασία του σωματιδίου Higgs»

Κάποιοι, για να μην «συσσωρεύονται» τόσα πολλά ονόματα σε ένα μποζόνιο, έχουν προτείνει την ονομασία «βαθμωτό μποζόνιο» ως μια ανώνυμη εναλλακτική λύση, ενώ πολλοί άλλοι το μόνο που απαιτούν είναι να μην ξανακουστεί ποτέ η έκφραση «το σωματίδιο του Θεού»!

Διαβάστε περισσότερα: «Happy birthday boson! Six outstanding Higgs mysteries», Celeste Biever