Όλα όσα πρέπει να ξέρετε για το μποζόνιο Higgs

Με όλη τη διαφημιστική εκστρατεία και συζήτηση σχετικά με το μποζόνιο Χιγκς, το μόνο πράγμα που φαίνεται σαφής στους περισσότερους ανθρώπους είναι ότι «Οι επιστήμονες σπατάλησαν πολλά χρήματα για να βρουν κάτι πολύ μικρό.» Είναι σαφές ότι υπάρχει ένας μεγάλος ενθουσιασμός στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με αυτό το ιστορικό εύρημα και τα βραβεία Νόμπελ στη φυσική που απονεμήθηκαν σε ανθρώπους που εμπλέκονται στην πρόβλεψη/ανακάλυψη του. Γιατί είναι όλοι τόσο ενθουσιασμένοι για αυτό το νέο σωματίδιο;

Αρχικά να αναφέρουμε ότι χάρη στην κβαντική φυσική, γνωρίζουμε πλέον ότι ο χώρος δεν είναι κενός. Εκτός από τη συνηθισμένη ύλη όπως τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τα δομικά στοιχεία της ύλης, το σύμπαν είναι άφθονο με κβαντικά πεδία και μικροσκοπικά στοιχειώδη σωματίδια που αναπηδάνε μέσα και έξω από την ύπαρξη. Σωματιδιακή φυσική είναι η μελέτη όλων των επιμέρους υποατομικών σωματιδίων και των δυνάμεων που αλληλεπιδρούν με αυτά.

Στον κόσμο της φυσικής των σωματιδίων, τα υποατομικά σωματίδια είναι δύσκολο να παρατηρηθούν λόγω του μεγέθους τους. Είναι μικρότερα από ότι ένα άτομο και το μήκος κύματος του ορατού φωτός, έτσι ώστε ο μόνος τρόπος που μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε και να παρατηρήσουμε τη συμπεριφορά τους είναι σπάζοντας τον ατομικό πυρήνα των σωματιδίων μεταξύ τους σε έντονες, υψηλές ταχύτητες (κοντά στην ταχύτητα του φωτός), οι οποίες δημιουργούν τεράστιες ποσότητες εξωτικών σωματιδίων που δημιουργούνται μόνο σε υψηλές ενέργειες. Αυτές οι συγκρούσεις μοιάζουν με τις συνθήκες που οι φυσικοί πιστεύουν ότι υπήρχαν κατά τη διάρκεια του Big Bang, δηλαδή της Μεγάλης Έκρηξης. Χάρη σε επιταχυντές σωματιδίων, όπως το Large Hadron Collider , το Relativistic Heavy Ion Collider και το (πλέον νεκρό) Tevatron κυκλικό επιταχυντή σωματιδίων, οι φυσικοί έχουν κάνει μεγάλη πρόοδο στο σχεδιασμό μιας «θεωρίας των πάντων». Αυτή η θεωρία υποθέτει πως όλα τα υποατομικά σωματίδια στο σύμπαν λειτουργούν και πώς αλληλεπιδρούν για να περιλαμβάνουν το σύμπαν όπως το ξέρουμε. Ένα από τα πιο πλήρη μοντέλα που έρχονται κοντά στην παραγωγή μιας «θεωρίας των πάντων», είναι το Καθιερωμένο Μοντέλο των θεμελιωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων, το οποίο περιγράφει πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια και οι δυνάμεις τους. Το πρότυπο μοντέλο περιλαμβάνει επίσης μια εξήγηση για 3 από τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης σε ένα υποατομικό επίπεδο.

Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης:

1. Η «ισχυρή αλληλεπίδραση» που είναι υπεύθυνη για την συγκράτηση των πυρήνων των ατόμων μαζί.

2. Η «ασθενές δύναμη» που είναι υπεύθυνη για την ραδιενεργό διάσπαση και την αλληλεπίδραση των νετρίνων .

3. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη που προκαλεί επιδράσεις, όπως η αλληλεπίδραση των μαγνητικών και ηλεκτρικών φορτίων.

4. Η βαρυτική δύναμη που προσελκύει ύλη με άλλη ύλη που έχει μάζα.

Εδώ είναι όπου το μποζόνιο Higgs έρχεται στο προσκήνιο: Δεν καταλαβαίνουμε γιατί ορισμένα σωματίδια έχουν μάζα εφόσον πιστεύεται ότι όλη η δύναμη που μεταφέρουν τα σωματίδια δεν θα έπρεπε να έχει μάζα. Αντίθετα, έχουμε μάθει ότι τα σωματίδια που μεταφέρουν ασθενή πυρηνική δύναμη έχουν μάζα, αλλά γιατί τα θεμελιώδη σωματίδια που θα έπρεπε να μην έχουν μάζα, τελικά έχουν;

Το μποζόνιο Higgs θα μπορούσε να βοηθήσει για να εξηγήσουμε τα μέσα με τα οποία τα σωματίδια στο σύμπαν αποκτούν τη μάζα τους. Ο Peter Higgs (ο φυσικός του οποίου το όνομα πήρε το άπιαστο σωματίδιο), ανέπτυξε μια θεωρία που εξηγεί πώς τα σωματίδια που μεταφέρουν ηλεκτρομαγνητική δύναμη ή την ασθενή δύναμη, μπορεί να έχουν διαφορετικές μάζες, καθώς το σύμπαν ψύχεται σταδιακά. Η πρότασή του ήταν ότι τα σωματίδια όπως τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα κουάρκ αποκτούν μάζα από την αλληλεπίδραση με ένα αόρατο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που προηγείται του σύμπαντος, που ονομάζεται «πεδίο Higgs». Μερικά από τα σωματίδια είναι σε θέση να τέμνονται μέσα από το πεδίο Higgs χωρίς να λαμβάνουν μάζα, ενώ άλλα κολλάνε, με αποτέλεσμα τη συσσώρευση μάζας. Αν αυτό αληθεύει, αυτό το "αόρατο" πεδίο πρέπει να έχει ένα σχετικό σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο του Higgs-ένα σωματίδιο που επιβλέπει τις αλληλεπιδράσεις με άλλα σωματίδια και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο Higgs-ανταλλάσοντας εικονικά σωματίδια Higgs με αυτό.

Αφού το μποζόνιο Higgs διασπάται γρήγορα σε άλλα πιο σταθερά σωματίδια, είναι πολύ πιο δύσκολο να παρατηρηθούν από τα άλλα υποατομικά σωματίδια που δημιουργούνται σε συγκρούσεις επιταχυντή σωματιδίων. Μιμούμενοι τις συνθήκες που είναι παρόμοιες με εκείνες του Big Bang, όταν δημιουργήθηκε, πιστεύεται ότι υπήρξαν μόνο για επτά εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, καθιστώντας το έργο της ταξινόμησης μέσω των δεδομένων που συλλέγονται από τρισεκατομμύρια συγκρούσεις, μια επίπονη διαδικασία.

Όταν η ανακοίνωση έγινε τον Ιούλιο, αποκαλύφθηκε ότι έχουν παρατηρήσει ένα νέο μποζόνιο με μάζα 125.3 GeV + / - 0,6 σε 4,9 σίγμα, (το «χρυσό πρότυπο» των επιστημονικών ανακαλύψεων), τα οποία αποδεικνύουν ότι το μποζόνιο Higgs έχει επιβεβαιωθεί με μια πιθανότητα 99,99997% με εύρος μάζας τα 125 Gev (GigaelectronVolts).

Λίγους μήνες μετά την ανακοίνωση, οι φυσικοί αποκάλυψαν ένα περίεργο εύρημα: το μποζόνιο που παρατηρήθηκε στο CERN φαίνεται να διασπάται με δύο διαφορετικούς τρόπους. Σε ένα από τα δύο σενάρια, το σωματίδιο διασπάται σε δύο φωτόνια, με μάζα 126,6 gigaelectronvolts (GeV). Στη δεύτερη περίπτωση, το σωματίδιο διασπάται σε τέσσερα λεπτόνια και έχει μάζα περίπου 123,5 GeV.-με αποτέλεσμα ορισμένοι να πιστεύουν ότι παρατηρούνται στην πραγματικότητα δύο διαφορετικά σωματίδια Higgs. Άλλοι πιστεύουν ότι μπορεί να είναι απλώς μια στατιστική σύμπτωση δεδομένου ότι η διαφορά μεταξύ των δύο είναι πολύ μικρή.

Γιατί λοιπόν έχει σημασία το βάρος των σωματιδίων; Όπως αποδεικνύεται, μεταδίδοντας τόσο πολύ μάζα με το μποζόνιο Higgs και την πρόσθετη μάζα των κορυφαίων σωματιδίων κουάρκ, δείχνουν ότι το κενό του σύμπαντος μπορεί να είναι εγγενώς ασταθές, υπάρχοντας σε μια αέναη «μετασταθερή» κατάσταση. Πολλοί φυσικοί έχουν συζητήσει την πιθανότητα το σύμπαν μας να ταλαντεύεται στο χείλος της σταθερότητας για πολλά χρόνια τώρα. Ειδικά οι φυσικοί Michael Turner και ο Frank Wilczek, οι οποίοι δημοσίευσαν ένα έγγραφο στο Nature το 1982 που πρότεινε αυτό το δυσάρεστο σενάριο: "Χωρίς προειδοποίηση, μια φούσκα πραγματικού κενού θα μπορούσε να έχει πυρήνα κάπου στο σύμπαν και να κινηθεί προς τα έξω με την ταχύτητα του φωτός, και πριν συνειδητοποιήσουμε τι σαρώνεται από εμάς τα πρωτόνια μας θα έχουν αποσυντεθεί."

ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ειρήνη Μαντζουράνη