Εξηγώντας μου το Higgs

Λίγο καθυστερημένα, και αφού κόπασε ο θόρυβος και τα χειροκροτήματα για το νέο μέλος της οικογενείας των μποζονίων, που ήρθε στο φως πριν λίγες μέρες στο ακριβότερο μαιευτήριο του κόσμου, το CERN, αξίας περίπου 20 δις, ας αφιερώσουμε λίγες γραμμές για να το γνωρίσουμε καλύτερα.

Το νέο αποτέλεσμα που έδωσαν ταυτόχρονα δυο ανεξάρτητοι ανιχνευτές, έρχεται να επιβεβαιώσει, με πολύ μεγαλύτερη αυτοπεποίθηση, ότι η μικρή διαταραχή στις μετρήσεις, που είχε εμφανιστεί πριν λίγους μήνες, κάθε άλλο παρά τυχαίος θόρυβος ήταν, αλλά αντιστοιχούσε σε ένα ολοκαίνουργο σωματίδιο, μάρκας μποζόνιο. Το ότι είναι μποζόνιο και όχι τίποτε άλλο, επιβεβαιώνεται, πέραν κάθε αμφιβολίας από το γεγονός ότι το ίχνος του προδόθηκε από την ταυτόχρονη εμφάνιση στον ίδιο χρόνο δυο φωτονίων. Τα φωτόνια, όπως και κάθε σωματίδιο του μικρόκοσμου της κβαντομηχανικής, πέρα από τη γνωστή στροφορμή που συναντάται και στον μακρόκοσμο, έχει και μια ίδια στροφορμή, η οποία ονομάζεται spin. Επειδή το φωτόνιο έχει by default spin 1, το διανυσματικό άθροισμα δυο spin, έκαστον των οποίων ισούται με τη μονάδα, μάς δίνει είτε 0 είτε 2. Επομένως, αυτό καθ’ αυτό το γεγονός της διάσπασης σε δύο φωτόνια, μάς λέει ότι το άγνωστο σωματίδιο είναι όντως μποζόνιο.

Ας κάνουμε μια μικρή παράκαμψη και ας δούμε τι είναι τα μποζόνια για τα οποία γίνεται τόση φασαρία.

Τα γνωστά σωματίδια του μικρόκοσμου χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Στα φερμιόνια ανήκουν τα λεπτόνια, κύριοι εκπρόσωποι των οποίων είναι το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και το tau , με τα αντίσοιχα νετρίνα και αντι-σωματίδιά τους, και τα 6 quarks τα οποία συνθέτουν το πρωτόνιο και το νετρόνιο, που με τη σειρά τους συνθέτουν τον πυρήνα κάθε ατόμου. Τα φερμιόνια διακρίνονται για το ημι-ακέραιο spin και αποτελούν τα βασικά συστατικά της ύλης. Αν εξαιρέσεις το νετρίνο, όλα τα φερμιόνια έχουν μάζα, αλλιώς τι σόι βασικά συστατικά της ύλης θα ήταν.

Τα μποζόνια, από την άλλη δεν έχουν μάζα, εκτος από τα... (θα το δούμε παρακάτω), έχουν ακέραιο spin, και θεωρούνται οι φορείς των 4 θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης. Τι σημαίνει αυτό; Στη φύση υπάρχουν 4 δυνάμεις, εκτός κι αν μας προκύψει καμιά πέμπτη στο δρόμο. Αυτές είναι: η ηλεκτρομαγνητική που δρα ανάμεσα σε φορτισμένα σωματίδια, η ασθενής πυρηνική που διαφεντεύει την ραδιενεργό διάσπαση των πυρήνων, η ισχυρή πυρηνική, η οποία κρατάει τα quarks μαζί ώστε να μην διαλύονται οι πυρήνες, και η γνωστή μας βαρυτική, η οποία δρα ανάμεσα σε σώματα που έχουν μάζα.

Στη σωματιδιακή φυσική, όταν λέμε ότι δυο σώματα αλληλεπιδρούν μέσω μιας εκ των 4 δυνάμεων, στην πραγματικότητα εννοούμε ότι τα σώματα αλληλεπιδρούν μέσω ανταλλαγής ενός ειδικού σωματιδίου, φορέα της συγκεκριμένης δύναμης. Όταν, για παράδειγμα, λέμε ότι δυο φορτισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, αυτό σημαίνει ότι ανταλλάσσουν, (καταπίνουν ή φτύνουν) φωτόνια. Άρα, το φωτόνιο είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Ομοίως, το γλουόνιο είναι ο φορέας της ισχυρής πυρηνικής, τα σωματίδια W και Ζ είναι οι φορείς της ασθενούς πυρηνικής, και το (υποθετικό, και ακόμα-να-το-δούμε) γκραβιτόνιο, το οποίο, για να είναι κομψή η θεωρία, θα πρέπει να μεσολαβεί στις βαρυτικές έλξεις όσων σωμάτων έχουν μάζα.

Εδώ, κολλάει και το μποζόνιο του Higgs, το οποίο είναι το σωματίδιο φορέας ενός πεδίου, του Higgs, το οποίο, βρίσκεται παντού όπου και να κοιτάξεις και δρα όπως ένα λασπωμένο χωράφι: σχηματικά, όσα σωματίδια πιαστούν στα δίχτυα του, ανάλογα με τον κόπο που κάνουν για να ξεφύγουν, αποκτούν και την ανάλογη μάζα. Σύμφωνα λοιπόν με την εικόνα αυτή, κάθε ένα από τα γνωστά σωματίδια αλληλεπιδρά με διαφορετικό τρόπο, κινείται, δηλαδή, με διαφορετικό τρόπο στο λασπωμένο πεδίο του Higgs, και το γεγονός αυτό του προσδιορίζει και τη μάζα που θα έχει εφ εξής.

Τα μποζόνια, σε αντίθεση με τα φερμιόνια, έχουν by default ακέραιο spin και στερούνται μάζας, εκτός από τα W και Ζ, τα οποία είναι ιδιαζόντως βαριά και, όπως είδαμε μεσολαβούν στις ραδιενεργές διασπάσεις των πυρήνων.

Το μποζόνιο του Higgs, όπως προβλέπει η θεωρία του Καθιερωμένου Μοντέλου (Standard Model), θα πρέπει να έχει συγκεκριμένη μάζα, καθόλου φορτίο και spin ίσο με 0. Όπως είδαμε και στην αρχή, το τελευταίο πείραμα έδειξε μεν ότι το καινούργιο σωματίδιο είναι μποζόνιο, με μάζα στην λίγο-πολύ αναμενόμενη περιοχή, δεν έδωσε όμως καμιά ένδειξη για το spin του. Η διελεύκανση αυτού του μυστηρίου, αν δηλαδή ο άγνωστος Χ έχει spin 0 ή 2 θα γίνει σε μεθεπόμενα πειράματα, και ίσως μια απάντηση βρεθεί πριν από το τέλος αυτής της χρονιάς. Αν το spin βρεθεί ίσο με 0 τότε αυξάνονται οι πιθανότητες να έχουμε βρει το σωστό μποζόνιο, δηλαδή το μποζόνιο που προβλέπει το Standard Model. Αν το spin βρεθεί ίσο με 2, τότε θα πρόκειται για μια άλλη ανακάλυψη, για το μποζόνιο, λ.χ. του Μήτσου, δίχως άλλο όμως, πολύ ενδιαφέρουσα.

STANDARD MODEL

Κι εδώ, ας κάνουμε μια άλλη στάση στις διάφορες θεωρίες της σωματιδικιακής φυσικής και στο γιατί το μποζόνιο του Higgs δεν είναι το μοναδικο, αλλά για διάφορους λόγους κατέστη το πλέον διαφημισμένο και δημοφιλές.

Το Standard Model είναι μια θεωρία-χαλί που βρίσκεται στην πιάτσα από τη δεκαετία του 1960 και για την ύφανση της οποίας πολλοί βάλανε τα χέρια τους και τα μυαλά τους. Θεωρείται επιτυχημένη, και ό,τι καλύτερο έχουμε βρει μέχρι τώρα, γιατί κατόρθωσε να περιγράψει όλες τις γνωστές δυνάμεις, εκτός της βαρυτικής (αυτή είναι άλλου παπά ευαγγέλιο) καθώς και όλα τα γνωστά σωματίδια του μικρόκοσμου. Μεγάλη της επιτυχία θεωρείται η πρόβλεψη των μποζονίων W και Ζ, καθώς  των quarks, τα οποία όταν ανακαλύφτηκαν εκ των υστέρων σε πειράματα, της έδωσαν τα υψηλότερα διαπιστευτήρια.

Το Standard Model, όμως, είχε μια πολύ σοβαρή αδυναμία: πουθενά δεν υπήρχε πρόβλεψη ώστε τα σωματίδια που περιέγραφε να είχαν μάζα. Αυτό φυσικά ήταν λάθος, το οποίο ήρθε να διορθώσει ο κ. Higgs, (αλλά και τρεις τέσσερεις άλλοι, εργαζόμενοι ανεξάρτητα και ταυτόχρονα), προσθέτοντας με το χέρι στο μοντέλο ένα επιπλέον πεδίο (σωματίδιο), το οποίο θα έντυνε με μάζα τα γνωστά γυμνά σωματίδια του μικρόκοσμου.

Καλή κίνηση, η οποία όμως, δημιούργησε με τη σειρά της καινούργια προβλήματα. Ενώ οι πειραματικές ενδείξεις ήταν ότι το μποζόνιο Higgs θα έπρεπε να έχει μάζα στην περιοχή 114-180 GeV, η ενισχυμένη με το πεδίο Higgs, θεωρία το έβγαζε δισεκατομμύρια φορές βαρύτερο. Το πρόβλημα αυτό είναι γνωστό με το όνομα Ηierarchy Problem, αν κάποιος πέσει πάνω του και δεν ξέρει τι κρύβεται από πίσω. Τα πάντα όμως διορθώνονταν όταν κάποιος ρύθμιζε απ’ έξω και με το χέρι τις ελεύθερες παραμέτρους της εξίσωσης, όπως για παράδειγμα την ισχύ αλληλεπίδρασης των θεμελιωδών δυνάμεων, που περιγράψαμε πρωτύτερα. Αυτό, όμως, δεν είναι καλό για μα θεωρία, η οποία έχει τη φιλοδοξία να προβλέπει από μόνη της τη γέννεση του κόσμου. Κανονικές οι τιμές των παραμέτρων αυτών θα έπρεπε να προκύπτουν από μόνες τους και να είναι φυσικά οι σωστές.

ΘΕΩΡΙΑ ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ

Για το λόγο αυτό, αναπτύχθηκαν παράλληλες θεωρίες, με σκοπό να απαλλαγούν από τους μπελάδες του Standard Model. Μια τέτοια θεωρία είναι η Υπερσυμμετρία (ή χαϊδευτικά SUSY), η οποία δεν είναι μια, αλλά έρχεται με πολλές παραλλαγές. Η πιο κοινή με τους λιγότερους περιορισμούς, είναι η SUSY με άρωμα βανίλια, ενώ υπάρχουν και SUSYs με άρωμα σοκολάτας, φράουλας, τσίλι, σκόρδου κλπ, ανάλογα με τις προυποθέσεις που βάζουν. H SUSY μπορεί να έφτιαξε μια περισσότερο κομψή και καθαρή θεωρία, με λιγότερους σε σχέση με το Καθιερωμένο Μοντέλο, περιορισμούς, ταυτόχρονα, όμως, έφερε σαν προίκα και μια σειρά από καινούργια  και πολύ βαρύτερα σωματίδια. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με τη θεωρία της Υπερσυμμετρίας, κάθε σωματίδιο, φερμιόνιο ή μποζόνιο του ορατού κόσμου θα πρέπει να συνυπάρχει με τον κατά πολύ βαρύτερο, υπερσυμμετρικό του εταίρο. Για κάθε ηλεκτρόνιο θα πρέπει κάπου εκεί έξω να βρίσκεται, για παράδειγμα και ένα s-ηλεκτρόνιο, για κάθε quark, ένα s-quark κ.ο.κ. Κάποια από αυτά, σύμφωνα με τους υπολογισμούς έχουν ενέργειες κατώτερες των δυνατοτήτων του επιταχυντή του CERN και κανονικά θα πρέπει να μπορούν να ανιχνευτούν.

ΑΛΛΕΣ ΘΕΩΡΙΕΣ

Εκτός όμως από την SUSY, πάνω στο υφάδι του Standard Model, αναπτύχθηκαν και άλλες θεωρίες, οι οποίες περιμένουν κάποιο πειραματικό αποτέλεσμα είτε για να απαξιωθούν είτε για να αναβαθμιστούν. Η θεωρία “Technicolor” του Weinberg, για παράδειγμα, θεμελιώθηκε χωρίς την παρουσία του μποζονίου Higgs, ντύνοντας με μάζα τα quarks βάσει κάποιου άλλου μηχανισμού, λ.χ. από την ενέργεια η οποία βρίσκεται παγιδευμένη στο δεσμό αλληλεπίδρασής τους.

Το μοντέλο Randall-Sundrum, στη δεκαετία 1990, προβλέπει κάποιο μποζόνιο, τύπου Higgs, προβλέπει τους εταίρους της SUSY, κατά πολύ όμως ελαφρύτερους, αλλά τους τελευταίους καθισμένους πάνω σε μια πέμπτη διάσταση.

Υπάρχει τέλος, και η θεωρία η οποία προκύπτει από τη σύνθεση των θεωριών Technicolor και Randall-Sundrum, και χωρίς την ανάγκη υιοθέτησης μια επιπλέον διάστασης. Χωρίς να είναι τελείως απαλλαγμένη από το μποζόνιο Higgs, το προσδιορίζει, όχι ως ανεξάρτητο, αλλά ως ένα σύνθετο σωματίδιο, αποτελούμενο από άλλα στοιχειώδη σωματίδια. Η μάζα του σύνθετου αυτού Higgs έχει υπολογιστεί να κυμαίνεται ανάμεσα στα 115 και 145 GeV.

Το μποζόνιο που ανακαλύφτηκε πρόσφατα έχει μάζα στα 125 ή στα 126 GeV, και κάλλιστα θα μπορούσε να αποτελέσει το παιδί κάποιων από τις ανταγωνιστικές θεωρίες που εν συντομία παρουσιάσαμε. Αυτή τη στιγμή, λοιπόν, δεν υπάρχει μόνος ο κ. Higgs, αλλά πολλοί πατεράδες που συνωστίζονται, και οι οποίοι θα πρέπει να περιμένουν κάποιο ακόμα καιρό μέχρι να τους αποδωθεί η πατρότητα του νέου Μεσσία....

Βρισκόμαστε, ακόμα στην αρχή.