Συγχαρητήρια, είναι μποζόνιο!

Συγχαρητήρια, είναι μποζόνιο!

 

Έχετε συμφωνήσει στο όνομα; Οι φυσικοί του CERN, φρονίμως ποιούντες μετά το φιάσκο της «ανακάλυψης», από τη συνεργαζόμενη ομάδα του πειράματος OPERA, νετρίνων που κινούνται ταχύτερα από το φως, άφησαν προς το παρόν την πρωτοβουλία της ονοματοδοσίας στην κοινότητα των θεωρητικών φυσικών και τον τύπο, δηλώνοντας απλώς ότι παρατήρησαν διασπάσεις που μπορούν με βεβαιότητα να αποδόσουν σ’ ένα άγνωστο μέχρι τώρα μποζόνιο μάζας 126±1 GeV (όσο ζυγίζουν περίπου 133 πρωτόνια). Οι παρατηρηθείσες διασπάσεις είναι κατά το μάλλον ή ήττον συμβατές με ορισμένες από τις ιδιότητες που οι θεωρητικοί φυσικοί αποδίδουν στο μποζόνιο Χιγκς. Σε τι οφείλονται λοιπόν τα νιαουρίσματα που ακούγονται στα κεραμίδια του CERN; Μα, στην γάτα! ήταν η ενθουσιώδης και σχεδόν ομόφωνη ετυμηγορία της επιστημονικής κοινότητας. Έτσι λοιπόν το άγνωστο μποζόνιο, χωρίς να γνωρίζουμε ακόμα αν είναι πραγματικά στοιχειώδες, ή αν έχει όντως μηδενικό σπιν, ονομάστηκε Χιγκς, ενώ του αποδόθηκε -δυστυχώς όχι μόνο από τις εφημερίδες- ο τιμητικός, αλλά και εντελώς αστείος, τίτλος «σωματίδιο του θεού», ο οποίος φαίνεται πως εξόργισε μεταξύ άλλων και τον μητροπολίτη Πειραιώς Σεραφείμ (εικάζουμε, χωρίς όμως να είμαστε σίγουροι, πως το χριστιανικό πνεύμα δικαίου του μητροπολίτου εξανίσταται επειδή θεωρεί ότι τα κουάρκ, τα νετρίνα, το ηλεκτρόνιο και τα γλοιόνια είναι και αυτά τέκνα Του). 

Αν και δεν έχει ζητηθεί ακόμα η σταύρωση του εν λόγω μποζονίου, οι αντιδράσεις που προκαλεί η έλευσή του ανακαλούν κάπως τη ζωή του Μπράιαν στην ομώνυμη κωμωδία των Monty Python (ελληνικός τίτλος Ένας προφήτης, μα τι προφήτης!). Γιατί λοιπόν το μποζόνιο Χιγκς είναι τόσο σημαντικό; Για ποιον λόγο οι θεωρητικοί φυσικοί αποδέχονται ως fait accompli την ανακάλυψή του, χωρίς την σύνεση των πειραματικών του CERN, οι οποίοι δηλώνουν ότι χρειάζονται μετρήσεις τουλάχιστον έξι μηνών ακόμα προκειμένου να μιλήσουν για ανακάλυψη «του» μποζονίου Χιγκς; Η απάντηση στα ερωτήματα αυτά μπορεί να δοθεί μόνο μέσω μιας ανασκόπησης του καθιερωμένου προτύπου, δηλαδή του θεωρητικού πλαισίου που περιγράφει τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων. 

Σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο, το οποίο προέκυψε εφαρμόζοντας την κβαντική θεωρία και την ειδική σχετικότητα στα πειράματα του μικρόκοσμου, η ύλη και η ακτινοβολία αποτελούνται από κβαντικά σωμάτια. Η ύλη αποτελείται από φερμιόνια: Έξι κουάρκ, τρία φορτισμένα λεπτόνια, τρία νετρίνα και τα αντισωμάτιά τους. Η δε ακτινοβολία αποτελείται από μποζόνια: Το φωτόνιο, τρία ενδιάμεσα ασθενή διανυσματικά μποζόνια και οκτώ γλοιόνια. Τα φερμιόνια και τα μποζόνια κινούνται και μετασχηματίζονται μεταξύ τους.

Οι μετασχηματισμοί περιγράφονται από την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση και την ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση. Οι μάζες και οι κβαντικοί αριθμοί των σωματιδίων αυτών, καθώς και οι γωνίες μίξης και οι συζεύξεις των αλληλεπιδράσεών τους, δηλαδή ένα σύνολο 19 παραμέτρων δεν μπορεί να προβλεφθεί από πρώτες αρχές, αλλά πρέπει να προκύψει από πειραματικές μετρήσεις. Όμως η βασική επιδίωξη της φυσικής είναι η εξήγηση όσο το δυνατόν περισσότερων φαινομένων με όσο το δυνατόν λιγότερες αρχές. Η προέλευση της τιμής καθεμιάς από αυτές τις 19 παραμέτρους είναι λοιπόν ένα αξεδιάλυτο αίνιγμα που απαιτεί λύση. 

Ο μηχανισμός Χιγκς και το ομώνυμο μποζόνιο προτάθηκαν το 1964 ως απόπειρα εξήγησης του πώς τα φερμιόνια αποκτούν τις μάζες τους. Αν το μποζόνιο Χιγκς υπάρχει, οι μάζες των κουάρκ και των λεπτονίων θα εκφράζονται μέσω της μάζας Χιγκς1, ανάγοντας έτσι 9 αινίγματα στο εξής ένα: Γιατί το μποζόνιο Χιγκς έχει αυτή τη μάζα; Ο μηχανισμός Χιγκς εμπνέεται από την αυθόρμητη ρήξη συμμετρίας, το γεγονός δηλαδή ότι οι συμμετρικές εξισώσεις του καθιερωμένου προτύπου έχουν μη συμμετρικές λύσεις. Πράγματι, στις εξισώσεις του καθιερωμένου προτύπου όλα τα σωμάτια εμφανίζονται άμαζα, ωστόσο στις χαμηλής ενέργειας λύσεις αυτών των εξισώσεων που αντιστοιχούν στο σύμπαν που μας περιβάλλει, τα φερμιόνια και τα μποζόνια W και Z αποκτούν μη μηδενικές μάζες, σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα που υποδεικνύουν ότι η ύλη έχει μάζα ενώ η ασθενής αλληλεπίδραση πεπερασμένη εμβέλεια. 

Έτσι, θα μπορούσαμε να φανταστούμε ότι λίγο μετά τη μεγάλη έκρηξη, καθώς το σύμπαν ψυχόταν, αποκρυσταλλώθηκε μεταξύ άλλων το πεδίο Χιγκς. Τα κουάρκ και τα λεπτόνια, πλέοντας στην θάλασσα των σωματιδίων Χιγκς (που έχουν μάζα) και αλληλεπιδρώντας μαζί τους, απόκτησαν αδράνεια, δηλαδή αντίσταση στην μεταβολή της κινητικής τους κατάστασης, μέτρο της οποίας είναι εκείνο που τελικά ονομάζουμε (αδρανειακή) μάζα. Το πόσο ασθενής είναι η αλληλεπίδραση των φερμιονίων με την θάλασσα των σωματιδίων Χιγκς φαίνεται από τις απειροελάχιστες μάζες που τελικά αποκτούν, οι οποίες είναι 1022 φορές μικρότερες από την φυσική μονάδα μάζας, την λεγόμενη μάζα Πλανκ. Το πεδίο Χιγκς δρα επομένως ως «κοσμική τριβή» και είναι αυτό που προσδίδει αδράνεια στην ύλη. Μια ακριβέστερη αναλογία για τον μηχανισμό Χιγκς παρέχει το φαινόμενο της υπερρευστότητας που εμφανίζει το υγρό ήλιο. Συγκεκριμένα, σε θερμοκρασίες μικρότερες από 2,17 κέλβιν (-271 oC) ανακαλύφθηκε πως το υγρό ήλιο μπορεί να ρέει χωρίς αντίσταση, ενώ το ιξώδες του μηδενίζεται, με αποτέλεσμα τα ρεύματα στο εσωτερικό του να συντηρούνται αέναα χωρίς την παραμικρή εξασθένιση. Οι εξισώσεις του καθιερωμένου προτύπου περιγράφουν κατ’ αναλογία την «υπέρρευστη» κατάσταση του σύμπαντος στις υψηλές ενέργειες, όπου το πεδίο Χιγκς δεν υπάρχει, με αποτέλεσμα η ύλη να μην έχει μάζα, επομένως ούτε και αδράνεια στην κίνησή της· και την «κανονική» του κατάσταση στις χαμηλότερες ενέργειες, όπου εμφανίζεται το πεδίο Χιγκς, η μάζα και η αδράνεια της ύλης. 

Ας σημειωθεί ότι η αναλογία με το φαινόμενο της υπερρευστότητας μπορεί να ληφθεί μέχρι το λογικό της τέλος, επινοώντας περισσότερο τολμηρά θεωρητικά πρότυπα όπου το ίδιο το κενό καθίσταται υπέρρευστο στις υψηλές ενέργειες, χωρίς να χρειάζεται έτσι η εισαγωγή οποιουδήποτε πεδίου ή μποζονίου Χιγκς. Οι ιδέες αυτές αντιμετωπίζονται με δυσπιστία, θα έρχονταν όμως αναγκαστικά στο επίκεντρο της προσοχής αν τελικά αποδεικνυόταν ότι το μποζόνιο Χιγκς δεν υπήρχε. Βλέπουμε λοιπόν αφενός πόσο καίριος είναι ο ρόλος των πειραμάτων του CERN ως κατευθυντήριας οδού και αφετέρου ότι στην θεμελιώδη φυσική, όπως και στη ζωή, δεν υπάρχουν αδιέξοδα. 

Αν τώρα, όπως διαφαίνεται, το μποζόνιο Χιγκς υπάρχει, τότε η θεωρία προβλέπει πως θα πρέπει να είναι οπωσδήποτε χωρίς σπιν (δηλ. με σπιν 0) και στοιχειώδες (δηλ. σημειακό, χωρίς εσωτερική δομή). Για την μάζα του μπορεί να δοθεί μόνο ελάχιστο και μέγιστο όριο αφού, όπως αναφέραμε, η ακριβής τιμή δεν μπορεί να υπολογιστεί από πρώτες αρχές (η μάζα που μετρήθηκε στο CERN βρίσκεται, αρκετά βολικά, στο μέσο των ακρότατων τιμών). 

Η απαίτηση ύπαρξης ενός στοιχειώδους σωματιδίου χωρίς σπιν είναι πραγματικά πολύ ισχυρή και, μάλλον αδικαιολόγητα, πολλοί θεωρητικοί φυσικοί δεν την εκτιμούν ως τέτοια. Πραγματικά, το σπιν είναι η μοναδική ιδιότητα που διακρίνει τα στοιχειώδη σωμάτια από το κενό, ενώ καθορίζει και τη συμπεριφορά τους κατά την ανταλλαγή μέσω του θεμελιώδους θεωρήματος σπιν-στατιστικής. Και έως τώρα, γνωρίζαμε στοιχειώδη σωμάτια χωρίς όγκο, μάζα ή φορτίο (όπως π.χ το φωτόνιο), ποτέ όμως στοιχειώδη σωμάτια χωρίς σπιν. 

Οι μετρήσεις του CERN δεν μπορούν ακόμα να βεβαιώσουν αν το μποζόνιο που ανακαλύφθηκε είναι στοιχειώδες, ενώ αποφαίνονται απλώς ότι το σπιν του είναι ή 0 ή 2. Το μόνο στοιχειώδες σωμάτιο με σπιν 2 αναμένεται να είναι το βαρυτόνιο, ο φορέας δηλαδή της βαρυτικής δύναμης. Ωστόσο, αφού η εμβέλεια της βαρυτικής δύναμης είναι άπειρη, το βαρυτόνιο πρέπει να είναι άμαζο, άρα δεν μπορεί να είναι το μποζόνιο που ανακάλυψε το CERN. Επομένως, η οριστική επιβεβαίωση της ανακάλυψης του μποζονίου Χιγκς θα έλθει δείχνοντας ότι το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε είναι στοιχειώδες, ότι δεν αποτελείται δηλαδή από άλλα γνωστά σωμάτια. Η πειραματική κατάδειξη αυτού του γεγονότος δεν είναι καθόλου εύκολη και θα απαιτήσει χρόνο, αλλά οι περισσότεροι θεωρητικοί φυσικοί είναι έτσι κι αλλιώς πρόθυμοι να πιστέψουν και χωρίς αυτήν. Και το μέλλον θα δείξει ασφαλώς κατά πόσο η ευπιστία είναι αρετή στην θεωρητική φυσική. 

1. Το γεγονός ότι τα νετρίνα, όπως κατέδειξαν πρόσφατα πειράματα, έχουν επίσης μη μηδενικές μάζες, δεν εξηγείται από τον μηχανισμό Χιγκς και αποτελεί σημαντικό ανοιχτό πρόβλημα με θεμελιώδη σημασία τόσο για τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων όσο και την κοσμολογία. Επιπλέον, μόνο το 1% της μάζας των βαρυονίων (δηλ. πρωτονίων και νετρονίων), από τα οποία εξάλλου αποτελείται η συντριπτική πλειοψηφία της ορατής ύλης του σύμπαντος, οφείλεται στον μηχανισμό Χιγκς: Το υπόλοιπο 99% είναι το ισοδύναμο μάζας (από την εξίσωση E = mc2) της ενέργειας αλληλεπίδρασης των κουάρκ που είναι δεσμευμένα μέσα στα βαρυόνια. 

Σχήμα 1: Πειραματικά δεδομένα της ομάδας ATLAS του CERN που «αποδεικνύουν» την ύπαρξη του μποζονίου Χιγκς. Οι μαύρες τελείες-σταυροί είναι οι πειραματικές μετρήσεις με τα σφάλματά τους.Αν ο αναγνώστης συμφωνεί ότι οι μαύρες τελείες προκρίνουν ως πιθανότερη την διακεκομμένη απ’ ό,τι την συνεχή καμπύλη, τότε πιστεύει, μαζί με την πλειοψηφία των θεωρητικών φυσικών, ότι ανακαλύφθηκε το μποζόνιο Χιγκς.

Σπ. Κουτσ.

17 Ιουλίου 2012

 

Νέα Προοπτική τεύχος #531# Σάββατο 21 Ιουλίου 2012