Ερωτήσεις και απαντήσεις για το μποζόνιο του Χιγκς [infographic]

Πολύς ο λόγος τελευταία για το μποζόνιο του Χιγκς, μια οντότητα αφηρημένη και ακατάληπτη όσο το όνομά της. Ας δούμε λοιπόν τι σόι πράγμα είναι αυτό, ξεκινώντας από τα ειδικά και προχωρώντας στα γενικότερα.

Τι είναι μποζόνιο;

Ό,τι υπάρχει στο Σύμπαν πιστεύεται ότι χωρίζεται σε δύο κατηγορίες στοιχειωδών σωματιδίων. Η πρώτη είναι τα φερμιόνια, τα οποία είναι συστατικά της ύλης. Η δεύτερη είναι τα μποζόνια, τα οποία λειτουργούν ως φορείς των φυσικών δυνάμεων και των αντίστοιχων πεδίων τους. Το φωτόνιο, για παράδειγμα, μεταδίδει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη στη μορφή φωτός και είναι φορέας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Τι είναι το μποζόνιο του Χιγκς;

Το μποζόνιο του Χιγκς είναι το σωματίδιο που αντιστοιχεί στο πεδίο του Χιγκς, το οποίο προσδίδει μάζα στην ύλη. Είναι στοιχειώδες σωματίδιο, δηλαδή δεν έχει εσωτερική δομή και δεν αποτελείται από άλλα, συστατικά σωματίδια. Παρόλα αυτά, είναι εξαιρετικά ασταθές και όταν σχηματιστεί καταρρέει σχεδόν ακαριαία και δίνει άλλα υποατομικά σωματίδια. Οι επιστήμονες κουράστηκαν πολύ να προσδιορίσουν την πιθανή του μάζα, η οποία εκτιμάται τώρα στα γύρω στα 121 γιγαηλεκτρονιοβόλτ (Gev), περίπου 130 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου.

Τι είναι το πεδίο Χιγκς;

Αν και λέγεται και γράφεται ευρέως ότι το μποζόνιο του Χιγκς δίνει στα στοιχειώδη σωματίδια τη μάζα τους, αυτό δεν είναι απόλυτα σωστό. Τη μάζα τη δίνει το πεδίο του Χιγκς, το οποίο δεν την δημιουργεί εκ του μηδενός αλλά την εμπεριέχει από πριν ως ενέργεια.

Τη στιγμή που εμφανίστηκε το Σύμπαν, τα στοιχειώδη σωματίδια δεν είχαν μάζα. Αυτό άλλαξε ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου αργότερα, όταν εμφανίστηκε το πεδίο του Χιγκς, λέει η θεωρία. Ορισμένα σωματίδια όπως το φωτόνιο μπορούν να κινούνται μέσα στο πεδίο χωρίς να συναντούν αντίσταση, γι’ αυτό και δεν έχουν μάζα. Άλλα σωματίδια, όπως το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο, κολυμπούν με δυσκολία μέσα στο πεδίο. Και όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση που συναντούν, τόσο μεγαλύτερη η μάζα τους.

Γιατί το Χιγκς αποκαλείται «σωματίδιο του Θεού;»

Πρόκειται για ατυχές παρατσούκλι με το οποίο δυσανασχετoύν πολλοί επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου του ίδιου του Πίτερ Χιγκς που δηλώνει άθεος. Η ονομασία προέρχεται από το βιβλίο The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? («Το Σωματίδιο του Θεού: Αν το Σύμπαν είναι η απάντηση, τότε ποια είναι η ερώτηση;» που εκδόθηκε το 1993. Ο συγγραφέας του, ο νομπελίστας φυσικός Λίον Λέντερμαν, έχει παραδεχτεί ότι δέχτηκε πιέσεις από τους εκδότες να αλλάξει το όνομα που είχε αρχικά επιλέξει: The Goddamn Particle, ή «το καταραμένο σωματίδιο» σε ελεύθερη απόδοση.

Πού βρίσκεται στη φύση το μποζόνιο του Χιγκς;

Τα μποζόνια Χιγκς δεν υπάρχουν πουθενά σε σταθερή κατάσταση. Δεν μπορεί κανείς να μαζέψει σε ένα κουτί μποζόνια Χιγκς. Το σωματίδιο υπάρχει μόνο στιγμιαία σε συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας, ή ενέργειας όπως προτιμούν να λένε οι φυσικοί. Τέτοιες θερμοκρασίες υπήρξαν μερικές στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και παράγονται σήμερα στο τούνελ του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Το σωματίδιο μπορεί επίσης να εμφανίζεται στιγμιαία σε τυχαία συμβάντα υψηλής ενέργειας, για παράδειγμα κατά την πρόσκρουση κοσμικών ακτίνων στη γήινη ατμόσφαιρα, ωστόσο δεν είναι συστατικό της καθημερινής πραγματικότητας.

Υπάρχουν όμως και τα λεγόμενα «εικονικά» σωματίδια Χιγκς, τα οποία εμφανίζονται κυριολεκτικά από το πουθενά και εξαφανίζονται μια στιγμή αργότερα. Τα στοιχειώδη σωματίδια που έχουν μάζα πιστεύεται ότι αποκτούν αυτή την ιδιότητα όταν αλληλεπιδρούν με το πεδίο μέσω εικονικών σωματιδίων.

Με άλλα λόγια, το Χιγκς μπορεί να εμφανιστεί οπουδήποτε αλλά μόνο για μια στιγμή.

Υπάρχει περίπτωση να βρούμε και δεύτερο μποζόνιο του Χιγκς;

Ναι. Μεταξύ άλλων, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων θα μπορούσε να προσφέρει ενδείξεις για τη λεγόμενη θεωρία της υπερσυμμετρίας, η οποία προβλέπει ότι για κάθε σωματίδιο που γνωρίζουμε υπάρχει ένα αντίστοιχο, «υπερσυμμετρικό» σωματίδιο με μεγαλύτερη μάζα. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να υπάρχει ένα υπερσυμμετρικό αντίστοιχο του Χιγκς (το sHiggs), ενώ υπάρχουν και θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν πέντε ή και επτά παραλλαγές του Χιγκς.

Πώς θα ήταν ένα Σύμπαν χωρίς το Χιγκς;

Δύσκολο να απαντήσει κανείς, μαθηματικά όμως ίσως θα υπήρχε αυτή η δυνατότητα. Θα ήταν ένα Σύμπαν πιο ελαφρύ από πούπουλο, χωρίς καθόλου μάζα και επομένως χωρίς βαρύτητα. Και χωρίς βαρύτητα δεν θα υπήρχαν άστρα, πλανήτες, άνθρωποι.

Λύνει οριστικά το Χιγκς το πρόβλημα της μάζας;

Πολλοί πιστεύουν πως όχι. Το πεδίο Χιγκς αλληλεπιδρά με τα στοιχειώδη σωματίδια, κανείς όμως δεν γνωρίζει γιατί ορισμένα σωματίδια αλληλεπιδρούν περισσότερο και έχουν μεγάλη μάζα, ενώ άλλα δεν αλληλεπιδρούν καθόλου και είναι αβαρή. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει τρόπος να προβλεφθεί θεωρητικά η μάζα ενός οποιοδήποτε σωματιδίου, και αυτό θεωρείται σημαντικό κενό από ορισμένους φυσικούς.

Γιατί είναι τόσο δύσκολη η επιβεβαίωση της ύπαρξης του Χιγκς;

Πρώτον, το φευγαλέο σωματίδιο εμφανίζεται μόνο σε ακραίες θερμοκρασίες, τις οποίες μπορεί να πετύχει με σιγουριά μόνο ο LHC, o ισχυρότερος και ακριβότερος επιταχυντής. Δεύτερον, το Χιγκς εμφανίζεται πολύ σπάνια στις συγκρούσεις πρωτονίων μέσα στον LHC, επομένως οι ερευνητές πρέπει να εξετάζουν τρισεκατομμύρια συμβάντα για να δουν έστω και ένα μικρό ίχνος του. Τρίτον, το μποζόνιο είναι είναι τόσο βραχύβιο ώστε διασπάται πριν φτάσει καν στους ανιχνευτές του επιταχυντή. Επομένως, η ανίχνευσή του δεν μπορεί να γίνει άμεσα. Οι ερευνητές απλά συμπεραίνουν την ύπαρξή του επειδή το σωματίδιο λάμπει διά τις απουσίας του. Αυτό που καταγράφεται είναι η ενέργεια των υποατομικών συντριμμιών της σύγκρουσης, η οποία πρέπει να αντιστοιχεί στην ενέργεια, και επομένως στη μάζα, ενός άφαντου σωματίδιου.

Τι είναι το Καθιερωμένο Μοντέλο;

Είναι το σύνολο των εξισώσεων που περιγράφουν τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά όλων των στοιχειωδών σωματιδίων. Το μοντέλο περιγράφει πώς λειτουργούν οι τρεις από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, δηλαδή ο ηλεκτρισμός, ο μαγνητισμός και το φως· η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία συγκρατεί τα σωματίδια στον πυρήνα των ατόμων· και η ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει ορισμένες μορφές ραδιενεργών αντιδράσεων. Το μοντέλο δεν έχει καταφέρει να ενσωματώσει τη βαρύτητα -η καλύτερη περιγραφή αυτής της δύναμης μέχρι σήμερα είναι η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, η οποία όμως είναι ασύμβατη με το μοντέλο.

Ποιος είναι ο ρόλος του Χιγκς στο Καθιερωμένο Μοντέλο;

Στην αρχική τους μορφή, οι εξισώσεις του μοντέλου λειτουργούσαν μόνο αν η μάζα απουσίαζε από όλα στοιχειώδη σωματίδια. Ο μηχανισμός του Χιγκς προτάθηκε προκειμένου να συμβιβάσει το Μοντέλο με την έννοια της μάζας, και το μποζόνιο του Χιγκς είναι το τελευταίο από τα στοιχειώδη σωματίδια του Μοντέλου του οποίου η ύπαρξη αποδεικνύεται πειραματικά. Αν η ύπαρξη του διαψευδόταν, οι θεωρητικοί φυσικοί θα αναγκάζονταν να εξετάσουν εναλλακτικές θεωρίες για τη μάζα.

Πώς εμφανίστηκε η ιδέα για το πεδίο του Χιγκς;

Ο μηχανισμός του Χιγκς προτάθηκε προκειμένου να καταστήσει το μέγεθος της μάζας συμβατό με τις εξισώσεις της σωματιδιακής φυσικής. Επιπλέον, όμως, συνετέλεσε στο να ενοποιηθούν, δηλαδή να περιγραφούν με κοινό τρόπο, δύο από τις τέσσερις φυσικές δυνάμεις: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (που προέκυψε με τη σειρά της από την ενοποίηση του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού) και η ασθενής πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει ορισμένες ραδιενεργές αντιδράσεις, όπως αυτές που τροφοδοτούν τον Ήλιο. Αυτό που προέκυψε είναι η λεγόμενη «ηλεκτρασθενής δύναμη», η οποία επέτρεψε στους θεωρητικούς φυσικούς να προχωρήσουν ένα βήμα προς τον απώτερο, απόλυτο στόχο τους: να περιγράψουν μια θεωρία των πάντων, η οποία εξηγεί όλες τις φυσικές δυνάμεις ως παράγωγα μιας κοινής δύναμης που υπήρχε μόνη της τη στιγμή που γεννήθηκε το Σύμπαν.

Πώς βοήθησε ο μηχανισμός του Χιγκς τη θεωρία της ηλεκτρασθενούς δύναμης;

Στην προσπάθειά τους να βρουν την κοινή προέλευση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης, οι φυσικοί στα μέσα του προηγούμενου αιώνα συνάντησαν ένα σημαντικό εμπόδιο: το φωτόνιο, το σωματίδιο που λειτουργεί ως φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, δεν έχει μάζα. Αντίθετα, τα σωματίδια που μεταδίδουν την ασθενή πυρηνική δύναμη, τα μποζόνια W και Z, έχουν μάζα και μάλιστα μεγάλη. Πώς λύνεται το πρόβλημα; Σύμφωνα με την κρατούσα πλέον δύναμη, το πρώτο τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη τίποτα στο Σύμπαν δεν είχε μάζα, οπότε μπορούσε να υπάρχει ένα αβαρές σωματίδιο-φορέας της ηλεκτρασθενούς δύναμης. Στη συνέχεια, όμως, εμφανίστηκε το πεδίο του Χιγκς, το οποίο «έσπασε τη συμμετρία» ανάμεσα στην ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη και τις έκανε να μοιάζουν διαφορετικές, ή ασύμμετρες, όπως τις βλέπουμε σήμερα.

Βαγγέλης Πρατικάκης

Newsroom ΑΛΤΕΡ ΕΓΚΟ