ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΕΚΛΑΪΚΕΥΣΗΣ

INTERNATIONAL PARTICLE PHYSICS OUTREACH GROUP (IPPOG)

...πίσω στον κατάλογο των άρθρων

Ο ειδησεογραφικός ανεμοστρόβιλος που συνόδευσε την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs στις 4 Ιουλίου του περασμένου έτους έδειξε στους Φυσικούς τη νέα μορφή της επιστημονικής επικοινωνίας στην εποχή του διαδικτύου (παρεμπιπτόντως, το διαδίκτυο αποτελεί μία εφεύρεση του CERN). Η πληροφορία, που βγήκε από τα εργαστήρια και διαδόθηκε μέσω ιστολογίων και επίσημων καναλιών επικοινωνίας, έφτασε στο κοινό με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός! Αλλά ο ίδιος ο χαρακτηρισμός, ο αποδιδόμενος στο μποζόνιο Higgs, "σωματίδιο του Θεού", παρέχει μία ένδειξη των παραπλανητικών τόνων και της τεχνητής δημιουργίας εντυπώσεων που προσέλαβε η διαδικασία της ενημέρωσης. Το ίδιο το φαινόμενο της μαζικής ενημέρωσης στη συγκεκριμένη περίπτωση επέφερε, παρ' όλα αυτά, το μαγικό αποτέλεσμα να ξυπνήσει στον κόσμο ένα ειλικρινές ενδιαφέρον για τη βασική επιστήμη και να του δημιουργήσει μία γνήσια επιθυμία να μοιραστεί με τους επιστήμονες τη συγκίνηση για την ανακάλυψη. Ο όρος "μποζόνιο" έγινε μία οικεία λέξη η οποία λίγο πολύ εισχώρησε στη μαζική κουλτούρα, μνημονεύθηκε σε τηλεοπτικές εκπομπές και έγινε "ατάκα" σε εκπομπές δημοφιλών κωμικών ηθοποιών της τηλεόρασης⁽¹⁾. Μετά τη μέθη της επιτυχίας, την επόμενη ημέρα της ανακάλυψης, οι Φυσικοί άρχισαν αμέσως να στοχάζονται πάνω στις συνέπειες του νέου αποτελέσματος.

Η ύπαρξη του μποζονίου Higgs οφείλεται στις ιδιότητες της συμμετρίας του Καθιερωμένου Προτύπου και ειδικότερα στη συμμετρία που υπακούει η ασθενής δύναμη - η δύναμη στην οποία οφείλονται οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που τροφοδοτούν τον ήλιο. Η ασθενής δύναμη παρουσιάζει την παράξενη ιδιότητα να συμπεριφέρεται με διαφορετικό τρόπο αν παρατηρηθεί η δράση της μέσα από έναν καθρέπτη. Ακριβέστερα, η ασθενής δύναμη επιδρά με διαφορετικό τρόπο στα στοιχειώδη σωματίδια όπως τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα, απ' ότι στα κατοπτρικά είδωλά τους, των οποίων το σπιν⁽²⁾ έχει αντίθετη φορά από αυτήν της κίνησης του σωματιδίου. Ετούτος ο σαφής διαχωρισμός μεταξύ αριστερόστροφων σωματιδίων (δηλαδή εκείνα για τα οποία το διάνυσμα του σπιν έχει φορά αντίθετη με την φορά κίνησης του σωματιδίου) και δεξιόστροφων σωματιδίων (των οποίων το διάνυσμα του σπιν έχει ίδια φορά με αυτήν της κίνησης του σωματιδίου) είναι ασύμβατος με την παρουσία μάζας στα συγκεκριμένα σωματίδια. Πράγματι, τα σωματίδια με μάζα κινούνται πάντοτε με ταχύτητες μικρότερες της ταχύτητας του φωτός: επομένως, αν θεωρήσουμε ένα δεξιόστροφο σωματίδιο με μη μηδενική μάζα, το οποίο κινείται προς κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση, τότε είναι πάντοτε δυνατό να το προσπεράσουμε και έτσι να το δούμε να κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αφού από το νέο σημείο παρατήρησης η κατεύθυνση της ταχύτητας έχει αντιστραφεί ενώ εκείνη του διανύσματος του σπιν έχει παραμείνει η ίδια, το σωματίδιο που πριν ήταν δεξιόστροφο, τώρα, μας φαίνεται αριστερόστροφο. Με άλλα λόγια, για ένα σωματίδιο με μάζα, δεν μπορεί να υπάρξει ένας ουσιαστικός διαχωρισμός μεταξύ των δύο καταστάσεων, αφού η ιδιότητα να είναι το σωματίδιο δεξιόστροφο ή αριστερόστροφο εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο το παρατηρούμε. Παρ' όλα αυτά, η ασθενής δύναμη διακρίνει τα σωματίδια σε δεξιόστροφα και αριστερόστροφα.

Ιδού λοιπόν το πρόβλημα: οι ιδιότητες της ασθενούς δύναμης φαίνονται να είναι ασύμβατες με την ύπαρξη μη μηδενικής μάζας για κάποια από τα στοιχειώδη σωματίδια. Ο ρόλος του μποζονίου Higgs είναι ακριβώς εκείνος χάρη στον οποίο αυτές οι δύο φαινομενικά αντιφατικές πλευρές συμφιλιώνονται, αίροντας έτσι τη διάκριση μεταξύ ενός δεξιόστροφου και ενός αριστερόστροφου κόσμου όπως προβλέπεται από την ειδική συμμετρία βαθμίδας. Το πεδίο Higgs, για να πραγματοποιήσει αυτό το συμβιβασμό, αντισταθμίζει την έλλειψη συμμετρίας, καθιστώντας έτσι δυνατή την απόδοση μη μηδενικής μάζας και στα σωματίδια που αισθάνονται τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις.

Αυτή ακριβώς η ιδέα επιβεβαιώθηκε πλήρως από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Όμως οι θεωρητικοί Φυσικοί είναι πεπεισμένοι ότι το Higgs δεν είναι το τέλος της ιστορίας. Στο πλαίσιο της θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων, θεωρία που διακρίνεται για την αυστηρότητα και την κομψότητά της, το μποζόνιο Higgs είναι ένα πρόσθετο απαραίτητο στοιχείο, μα προσωρινό και μη ικανοποιητικό. Είναι σαν μία παράταιρη νότα σε ένα κοντσέρτο το οποίο κατά τ' άλλα χαίρει τέλειας αρμονίας. Φαίνεται λοιπόν λογικό να σκεφτεί κανείς ότι η ανακάλυψη του νέου σωματιδίου αποτελεί μονάχα μία πρώτη εκδήλωση ενός κόσμου που είναι ακόμα μη-παρατηρήσιμος. Για να μάθουμε τι κρύβεται πίσω από το σωματίδιο Higgs είναι απαραίτητο να μετρηθούν οι ιδιότητές του με μεγάλη ακρίβεια. Τώρα, ο σκοπός των πειραμάτων είναι να γίνει αντιληπτό αν οι προβλέψεις του απλούστερου προτύπου βάσει του οποίου είναι δυνατή η περιγραφή του σωματίδιου Higgs επιβεβαιώνονται πλήρως ή αντίθετα, αν παρουσιάζονται ενδείξεις για την ύπαρξη νέων φαινομένων.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου του Higgs παρείχε ορισμένες απαντήσεις, όμως, έθεσε και ένα μεγάλο αριθμό προβλημάτων. Το πρόβλημα εκείνο το οποίο, περισσότερο από άλλα, έχει κάνει τους Φυσικούς να προβληματιστούν κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, είναι το λεγόμενο πρόβλημα της "φυσικότητας". Σε αδρές γραμμές, η αρχή της φυσικότητας ορίζει ότι μία φυσική θεωρία, η οποία ισχύει σε ένα ορισμένο διάστημα τάξεων μεγέθους, δεν μπορεί να είναι ευαίσθητη κατά κρίσιμο τρόπο σε λεπτομέρειες της συμπεριφοράς της φύσης οι οποίες εκδηλώνονται σε αποστάσεις πολύ μικρότερων τάξεων μεγέθους. Στην πράξη, αυτός ο διαχωρισμός μεταξύ φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε αποστάσεις που διαφέρουν κατά τάξεις μεγέθους μας επιτρέπει να βρούμε τις εξισώσεις που περιγράφουν τις τροχιές των πλανητών, χωρίς να είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την κίνηση καθενός μορίου μέσα στον πλανήτη Δία ή στον πλανήτη Αφροδίτη, ή, ακόμη, να είναι δυνατό να διατυπώσουμε μια θεωρία για το άτομο δίχως να είμαστε αναγκασμένοι να κάνουμε χρήση των εξισώσεων που περιγράφουν την εσωτερική δομή των κουάρκ, κ.ο.κ. Απ' όσο γνωρίζουμε, αυτή η αρχή φαίνεται ότι γίνεται σεβαστή σε όλο το σύμπαν μας. Αν εξακολουθούσε να είναι σε ισχύ ακόμη και στις αποστάσεις που για την ώρα εξερευνούμε στα πλαίσια του πειράματος LHC, η αρχή της φυσικότητας θα είχε σοβαρές συνέπειες σχετικά με τη φύση του σωματιδίου Higgs.

Στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου, το σωματίδιο Higgs υπόκειται στην επίδραση κβαντικών φαινομένων και καθίσταται ευπαθές στη δράση τους μέχρι αποστάσεις οι οποίες μπορούν να λάβουν αυθαίρετα μικρές τιμές. Ετούτη η υπερβολική ευαισθησία βρίσκεται σε αντίφαση με την αρχή της φυσικότητας, δημιουργώντας κατ' αυτόν τον τρόπο ένα εννοιολογικό εμπόδιο το οποίο μπορεί να παρακαμφθεί μόνο στην περίπτωση όπου το σωματίδιο Higgs συνοδεύεται από κατάλληλα φαινόμενα, ικανά να αποσβέσουν τις κβαντικές επιδράσεις.

Για αυτό το λόγο πολλοί θεωρητικοί Φυσικοί είναι πεπεισμένοι ότι το σωματίδιο Higgs αποτελεί μέρος μίας περισσότερο σύνθετης και για την ώρα άγνωστης δομής. Το νήμα της λογικής, όπως αυτή υποδεικνύεται από τη αρχή της φυσικότητας, έχει επιτρέψει στους θεωρητικούς Φυσικούς να ακολουθήσουν μία γοητευτική διαδρομή ιδεών, χάρη στις οποίες υποθέτουν ότι το Higgs είναι μονάχα το οικόσημο πάνω από την πύλη που οδηγεί σε νέες, κρυφές δομές του χωρόχρονου. Βαθιά μέσα στην ύλη θα μπορούσαν να υπάρχουν νέες χωρικές διαστάσεις, νέοι τύποι δυνάμεων ή, ακόμη, μία καινοτόμα θεώρηση του χώρου, όπως προβλέπει η θεωρία της υπερσυμμετρίας. Για την ώρα δεν υπάρχουν απτές αποδείξεις σχετικά με την ύπαρξη αυτών των υποθετικών δομών, αλλά οι Φυσικοί κρατάνε την αναπνοή τους αναμένοντας τη στιγμή όπου το LHC θα διευρύνει τις πειραματικές δυνατότητές του με το διπλασιασμό της ενέργειας των δεσμών πρωτονίων, γεγονός που αναμένεται να συμβεί, σύμφωνα με τις προβλέψεις, κατά τα τέλη του 2014.

Δεν υπάρχει καμία αμφιβολία ότι η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs αποτέλεσε σταθμό στην πορεία προς την ανακάλυψη των φυσικών αρχών που διέπουν το σύμπαν μας. Όμως, η συγκεκριμένη ανακάλυψη δεν έδωσε όλες τις απαντήσεις που ζητούσαμε για να κατανοήσουμε το φαινόμενο της ρήξης της συμμετρίας. Το μποζόνιο Higgs παρέχει μονάχα μία χονδροειδή και ατελή εξήγηση, η οποία δεν διαθέτει την κομψότητα από την οποία χαρακτηρίζεται, κατά τ' άλλα, το Καθιερωμένο Πρότυπο. Φαίνεται ότι, όπως όλα δείχνουν σήμερα, οι Φυσικοί βρίσκονται στην ίδια κατάσταση με εκείνη των αρχαιολόγων που γιορτάζουν ύστερα από την ανακάλυψη ορισμένων πολύτιμων πετρών, μη γνωρίζοντας ότι πιο βαθιά στη γη βρίσκεται θαμμένη μια ολόκληρη πυραμίδα.

Τα αποτελέσματα που έχουμε στην κατοχή μας μέχρι αυτή τη στιγμή μάς παρέχουν, ήδη, κάποιες πρώτες ενδιαφέρουσες ενδείξεις. Τα πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι η μάζα του μποζονίου Higgs είναι 125 GeV περίπου, δηλαδή τόση όση είναι η μάζα ενός ολόκληρου πυρήνα Καισίου. Πρόσφατοι θεωρητικοί υπολογισμοί έφεραν στο φως μία αναπάντεχη σύμπτωση. Αν το Καθιερωμένο Πρότυπο ίσχυε ακόμη και σε αποστάσεις πολύ μικρότερες σε σύγκριση με αυτές που έχουμε μέχρι τώρα εξερευνήσει, τότε, μία μάζα ίση με 125 GeV για το μποζόνιο Higgs θα αντιστοιχούσε ακριβώς στην ελάχιστη τιμή ώστε να αποφευχθεί η κατάρρευση του σύμπαντός μας σε ένα τεράστιο σβώλο μάζας. Με άλλα λόγια, η τιμή της μάζας του μποζονίου Higgs είναι ακριβώς εκείνη εξαιτίας της οποίας βρισκόμαστε σε λεπτή ισορροπία στο χείλος μίας κοσμικής Αποκάλυψης: ζούμε δηλαδή μέσα σε εκείνο που ονομάζεται μετασταθές σύμπαν. Σύμφωνα με ορισμένους Φυσικούς αυτή η μοναδική σύμπτωση θα μπορούσε να είναι η εκδήλωση της ύπαρξης μιας πολλαπλότητας παράλληλων συμπάντων, το λεγόμενο πολυσύμπαν (multiverse), σε αντιδιαστολή δηλαδή με την ύπαρξη ενός σύμπαντος. Καθένα από τα παράλληλα σύμπαντα χαρακτηρίζεται από διαφορετικές τιμές των φυσικών σταθερών και κατά τρόπο ώστε κάποιες ιδιότητες του δικού μας σύμπαντος θα μπορούσαν να είναι συνέπεια μιας επιλογής στη βάση των πιθανοτήτων. Για να το πούμε αλλιώς, η τιμή των 125 GeV για τη μάζα του μποζονίου του Higgs μας φαίνεται παράξενη μόνο επειδή είμαστε σε θέση να παρατηρούμε μόνο ένα σύμπαν. Η περίπτωση ενός μετασταθούς σύμπαντος, αντίθετα, θα μπορούσε να είναι κάλλιστα μία προτιμώμενη στατιστικά επιλογή στα πλαίσια του πολυσύμπαντος. Ή, θα μπορούσε να συμβεί να είναι σπάνιο να βρεθεί ένα σύμπαν μέσα στο πολυσύμπαν που να διαθέτει εκείνα τα αναγκαία χαρακτηριστικά ώστε να αναπτυχθεί ζωή και κατά συνέπεια, για στατιστικούς λόγους, αυτά τα χαρακτηριστικά απαντιούνται στο σύμπαν μας κατά τρόπο οριακό. Έτσι θα μπορούσε να εξηγηθεί ο λόγος για τον οποίον η τιμή της μάζας του μποζονίου Higgs βρίσκεται κοντά στην κρίσιμη τιμή πέραν της οποίας το σύμπαν μας θα ήταν καταδικασμένο να υποστεί μια καταστροφική μετάβαση φάσης.

Επεξηγηματικό γράφημα - "Στην κόψη": Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο η τιμή της μάζας του Higgs καθορίζει τις ιδιότητες ευστάθειας του σύμπαντός μας. Μεγάλες τιμές για τη μάζα αντιστοιχούν σε ένα ευσταθές σύμπαν, ενώ για μικρές τιμές το σύμπαν δεν θα μπορούσε να υπάρξει στο παρόν στάδιό του. Η τιμή που μετρήθηκε στο πείραμα του LHC, περίπου 125 GeV, τυχαίνει να βρίσκεται στη στενή ζώνη τιμών η οποία διαχωρίζει ένα σταθερό από ένα ασταθές σύμπαν. ©Asimmetrie-INFN

Ο Peter Higgs στο CERN στις 4 Ιουλίου του περασμένου έτους, κατά τη διάρκεια του σεμιναρίου όπου ανακοινώθηκε η ανακάλυψη του μποζονίου που φέρει το όνομα του. Το μποζόνιο του Higgs ονομάστηκε κατά τρόπο παράλογο, "σωματίδιο του Θεού", εξαιτίας του τίτλου ("The God particle") που αποφάσισε να δώσει ο εκδότης σε ένα σχετικό βιβλίο γραμμένο από το νομπελίστα πειραματικό Φυσικό, Leon Lederman.(3)©CERN

Το ίχνος που αφήνει η διάσπαση του μποζονίου Higgs, έτσι όπως αναπαράχθηκε σε ένα γεγονός του πειράματος CMS του LHC.

2013
Μετάφραση: Πέτρος Δημόπουλος, Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης "Tor Vergata", email: dimopoulos@roma2.infn.it

Βιογραφικό σημείωμα του συγγραφέα: Ο Gian Francesco Giudice είναι θεωρητικός Φυσικός των στοιχειωδών σωματιδίων και εργάζεται στο CERN στη Γενεύη από το 1993. Εργάστηκε στο εργαστήριο του Fermilab στο Σικάγο και στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στην ομάδα του νομπελίστα Steven Weinberg. Έχει δημοσιεύει περισσότερες από εκατό επιστημονικές εργασίες στα πλαίσια των θεωριών των στοιχειωδών σωματιδίων και της κοσμολογίας. Το εκλαϊκευτικό βιβλίο του σχετικά με τη φυσική του πειράματος LHC, "A Zeptospace Odyssey: A Journey into the Physics of the LHC" (εκδ. Oxford University Press, Oxford 2010), επιλέχθηκε μεταξύ των πρώτων πέντε καλύτερων βιβλίων για το έτος 2012 στα πλαίσια του Βραβείου Λογοτεχνίας "Galileo".

(*) Περιοδικό asimmetrie, τεύχος 14, Απρίλιος 2013 (εκδίδεται από το Εθνικό Ίδρυμα Πυρηνικής Φυσικής, INFN της Ιταλίας)
[http://www.asimmetrie.it/index.php/ed-e-solo-l-inizio]

(1) Σ.τ.Μ. Αναφορά σε διάφορα προγράμματα της Ιταλικής τηλεόρασης.

(2) Σ.τ.Μ. Το σπιν είναι μια καθαρά κβαντική ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων. Είναι μια μορφή εσωτερικής στροφορμής η οποία όμως δεν μπορεί να αποδοθεί σε περιστροφή του σωματιδίου γύρω από τον εαυτό του μιας και για ένα στοιχειώδες (δηλαδή σημειακό) σωματίδιο δεν έχει έννοια η περιστροφή γύρω από τον εαυτό του!

(3) Σ.τ.Μ. Ο αρχικός τίτλος που είχε δώσει ο Lederman ήταν "The Goddamned Particle", δηλαδή το καταραμένο σωματίδιο!

...πίσω στον κατάλογο των άρθρων