Της Δήμητρας Τσώτση
Γενέθλια με μεγάλη ανακάλυψη έκαναν χθες οι επιστήμονες για τον μεγάλο επιταχυντή του CERN. Μετά από τρία χρόνια διακοπής της λειτουργίας του προκειμένου να συντηρηθεί και να αναβαθμιστεί ξεκίνησε χθες τη λειτουργία του ο μεγάλος επιταχυντής (Large Hadron Collider – LHC) του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών (CERN).
Δέκα χρόνια μετά την εύρεση του διάσημου μποζονίου Higgs ή «Σωματιδίου του Θεού» ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων ανακαλύπτει τρία νέα “εξωτικά σωματίδια” που θα μπορούσαν να βοηθήσουν να εξηγηθεί πώς σχηματίστηκε το σύμπαν μας. Τέτοια σωματίδια είχαν επιβεβαιωθεί μόνο θεωρητικά αλλά δεν είχαν παρατηρηθεί.
Όπως το πρωτόνιο ή τα νετρόνια, τα νέα εξωτικά σωματίδια αποτελούνται από “κουάρκ” η “εξωτική” ύλη αποτελείται από τέσσερα και πέντε κουάρκ – τετρακουάρκ και πεντακουάρκ.
Τα σωματίδια που ανακαλύφθηκαν είναι ένα νέο πεντακουάρκ και δύο τετρακουάρκ, ανεβάζοντας τον συνολικό αριθμό των σωματιδίων που βρέθηκαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ελβετία σε 21.
“Η εύρεση εξωτικών σωματιδίων και η μέτρηση των ιδιοτήτων τους θα βοηθήσει τους θεωρητικούς να αναπτύξουν ένα μοντέλο για τον τρόπο κατασκευής αυτών των σωματιδίων, η ακριβής φύση των οποίων είναι σε μεγάλο βαθμό άγνωστη”, σύμφωνα με τον Chris Parkes, καθηγητή πειραματικής σωματιδιακής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ.
“Θα βοηθήσει επίσης στην καλύτερη κατανόηση της θεωρίας για τα συμβατικά σωματίδια όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο
Το «Σωματίδιο του Θεού» στο μικροσκόπιο
Οι επιστήμονες θα συνεχίσουν να μελετούν τη φύση του μποζονίου του Χιγκς, την προέλευση της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης στο σύμπαν, τις ιδιότητες της ύλης υπό ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, ενώ μερικοί ονειρεύονται επιτέλους το λύσιμο του μυστηρίου της “σκοτεινής” ύλης.
Οι δύο ανεξάρτητες διεθνείς επιστημονικές ομάδες των πειραμάτων ATLAS και CMS έδωσαν στις 4 Ιουλίου στη δημοσιότητα – με την ευκαιρία της επετείου ακριβώς 10 ετών από την ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγκς (στις 4 Ιουλίου 2012) – τις πιο ολοκληρωμένες μελέτες μέχρι σήμερα για τις ιδιότητες του «σωματιδίου του Θεού».
Οι δύο δημοσιεύσεις τους στο περιοδικό Nature δείχνουν ότι οι ιδιότητες αυτές είναι αξιοσημείωτα συμβατές και συνεπείς με εκείνες που προέβλεπε για το εν λόγω μποζόνιο το Καθιερωμένο Πρότυπο, η «βίβλος» της σωματιδιακής φυσικής.
Επίσης οι μελέτες δείχνουν ότι το σωματίδιο γίνεται όλο και περισσότερο ένα ισχυρό μέσο για την αναζήτηση νέων άγνωστων φαινομένων που – αν τελικά βρεθούν – θα ρίξουν φως σε μυστήρια όπως η φύση της σκοτεινής ύλης.
Το μποζόνιο του Χιγκς είναι η σωματιδιακή εκδήλωση ενός πανταχού παρόντος κβαντικού πεδίου, γνωστού ως πεδίου Χιγκς, το οποίο είναι θεμελιώδες για την περιγραφή του γνωστού σύμπαντος
Χωρίς αυτό, τα στοιχειώδη σωματίδια όπως τα κουάρκ (συστατικά των πρωτονίων και νετρονίων των ατομικών πυρήνων), καθώς και τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τον πυρήνα, δεν θα είχαν μάζα, ενώ το ίδιο ισχύει και τα βαριά σωματίδια (μποζόνια W), που είναι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης.
Περαιτέρω μελέτη του σωματιδίου και του πεδίου Χιγκς θα καταστεί εφικτή μέσω του νέου «γύρου» συγκρούσεων στο CERN την επόμενη τετραετία και, ακόμη περισσότερο, μετά την αναμενόμενη νέα μείζονα αναβάθμιση του επιταχυντή μετά το 2029 (High-Luminosity LHC ή HL-LHC).
Μεταξύ άλλων, αναμένονται οι πρώτες παρατηρήσεις για το πώς το σωματίδιο του Χιγκς αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Επίσης απάντηση ζητούν άλλα ερωτήματα, όπως αν το σωματίδιο Χιγκς είναι πράγματι στοιχειώδες ή σύνθετο από άλλα, καθώς και αν είναι το μοναδικό ή υπάρχουν και άλλα παρόμοια σωματίδια στη φύση.
Και αν δεν υπήρχε το Σωματίδιο του Θεού;
Πριν από 10χρόνια, οι επιστήμονες ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του «Σωματιδίου του Θεού» δηλαδή του μποζονίου Higgs, το οποίο βοηθά να εξηγηθεί γιατί τα στοιχειώδη σωματίδια (τα μικρότερα δομικά στοιχεία της φύσης) έχουν μάζα.
Πολλοί αναρωτιούνται και τι έγινε δηλαδή; Τι σημαίνει η ύπαρξη αυτού του μποζονίου του Higgs; Ας πούμε καλύτερα θα σήμαινε η μη ύπαρξη του.
Χωρίς το μποζόνιο Higgs, ολόκληρο το θεωρητικό πλαίσιο που περιγράφει τη σωματιδιακή φυσική στις μικρότερες κλίμακες της καταρρέει. Τα στοιχειώδη σωματίδια δεν θα είχαν μάζα, δεν θα υπήρχαν άτομα, δεν θα υπήρχαν άνθρωποι, δεν θα υπήρχαν ηλιακά συστήματα και δεν θα υπήρχε δομή στο σύμπαν.
Ο Διονύσης Π. Σιμόπουλος, επίτιμος διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου εξηγεί: «Το σημαντικό αυτό σωματίδιο είναι φορέας ενός νέου είδους πεδίου που είναι διάχυτο στο Σύμπαν και ονομάζεται «πεδίο Χιγκς», και φυσικά και του μποζονίου Χιγκς που είναι ο φορέας του. Το σωματίδιο Χιγκς, όμως, αν και ιδιαίτερα σημαντικό, κρυβόταν πάρα πολύ καλά αφού εμφανίζεται μια φορά σε κάθε ένα τρισεκατομμύριο συγκρούσεις σωματιδίων.
Το πεδίο αυτό μπορεί να παρομοιαστεί με μια παχύρρευστη «θάλασσα» μέσα στην οποία «κολυμπάνε» όλα τα σωματίδια. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα σωματίδια «κολυμπάνε» μέσα στο πεδίο αυτό παίρνουν και τη δεδομένη μάζα του είδους τους.
Υπάρχουν φυσικά και μερικά σωματίδια που δεν αντιδρούν καθόλου με το πεδίο αυτό, όπως είναι τα φωτόνια και τα γλοιόνια, οπότε τα σωματίδια αυτά δεν έχουν μάζα».
Το «Σωματίδιο του Θεού» περιέχει και περιέχεται
Παρ’ όλα αυτά το πεδίο Χιγκς δεν θεωρείται ότι είναι μια ακόμη δύναμη, αφού ούτε επιταχύνει τα σωματίδια ούτε μεταφέρει κάποιου είδους ενέργεια.
Αλλά και το μποζόνιο Χιγκς παίρνει και αυτό τη μάζα του από το πεδίο του οποίου είναι και φορέας
Μπορεί δηλαδή να παρομοιαστεί με ένα πυκνότερο σημείο στο πεδίο Χιγκς, όπως όταν βρίσκουμε μια υγροποιημένη σταγόνα νερού σε ένα περιβάλλον ατμού από νερό.
Έτσι, όπως και όλα τα άλλα σωματίδια, το μποζόνιο Χιγκς μπορεί να δημιουργηθεί στις συγκρούσεις που επιτυγχάνονται στη διάρκεια πειραμάτων που εκτελούνται στους επιταχυντές, αφού μπορεί και αντιδρά με όλα τα σωματίδια αν και προτιμάει τα «βαρύτερα» απ’ αυτά όπως είναι, για παράδειγμα, ο τελευταίος τύπος κουάρκ που ανακαλύφθηκε στο Fermilab των ΗΠΑ το 1995.
Ασταθή σωματίδια σε σταθερό σύμπαν;
Ωστόσο, η ανακάλυψη έθεσε νέα, θεμελιώδη ερωτήματα. Τα πειράματα στο Cern συνέχισαν να διερευνούν το μποζόνιο Higgs. Οι ιδιότητές του δεν καθορίζουν μόνο τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά και το πόσο σταθερά είναι.
Όπως έχουν τα πράγματα, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το σύμπαν μας δεν βρίσκεται σε απόλυτα σταθερή κατάσταση. Αντίθετα, όπως ο πάγος στο σημείο τήξης, το σύμπαν θα μπορούσε ξαφνικά να υποστεί μια ταχεία “μετάβαση φάσης”. Αλλά αντί να μεταβούμε από ένα στερεό σε ένα υγρό, όπως ο πάγος που μεταπίπτει στο νερό, αυτό θα συνεπαγόταν μια κρίσιμη αλλαγή των μαζών – και των νόμων της φύσης στο σύμπαν.
Το γεγονός ότι το σύμπαν ωστόσο φαίνεται σταθερό υποδηλώνει ότι κάτι μπορεί να λείπει από τους υπολογισμούς – κάτι που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη.
Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στην εύρεση των σωματιδίων που λείπουν και απομακρύνουν το σύμπαν μας από τη φαινομενική κόψη του ξυραφιού μεταξύ του να είναι σταθερό και του να υφίσταται ταχέως μια μετάβαση φάσης.
Το πείραμα θα δώσει απαντήσεις και σε άλλα ερωτήματα
Θα μπορούσαν οι μοναδικές ιδιότητες του μποζονίου Χιγκς να το καταστήσουν πύλη για την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης, της αόρατης ουσίας που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν Η σκοτεινή ύλη δεν είναι φορτισμένη. Και το μποζόνιο Higgs έχει έναν μοναδικό τρόπο αλληλεπίδρασης με μη φορτισμένη ύλη.
Οι ίδιες μοναδικές ιδιότητες έκαναν τους φυσικούς να αναρωτηθούν αν το μποζόνιο Higgs μπορεί να μην είναι τελικά ένα θεμελιώδες σωματίδιο.
Θα μπορούσε να υπάρχει μια νέα, άγνωστη δύναμη πέρα από τις άλλες δυνάμεις της φύσης – τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό και τις ασθενείς και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις Ίσως μια δύναμη που συνδέει άγνωστα μέχρι στιγμής σωματίδια σε ένα σύνθετο αντικείμενο που ονομάζουμε μποζόνιο Χιγκς.
Τέτοιες θεωρίες μπορούν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση των αμφιλεγόμενων αποτελεσμάτων πρόσφατων μετρήσεων που δείχνουν ότι ορισμένα σωματίδια δεν συμπεριφέρονται ακριβώς όπως υποδεικνύει το καθιερωμένο μοντέλο.
Έτσι, η μελέτη του μποζονίου Higgs είναι ζωτικής σημασίας για να διαπιστωθεί αν υπάρχει φυσική που μπορεί να ανακαλυφθεί πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο.
Ένας μελλοντικός επιταχυντής υψηλών ενεργειών, ειδικά σχεδιασμένος για την παραγωγή μποζονίων Higgs, θα μας επιτρέψει να μετρήσουμε με ακρίβεια τις πιο σημαντικές ιδιότητές του, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο το μποζόνιο Higgs αλληλεπιδρά με άλλα μποζόνια Higgs. Αυτό με τη σειρά του θα καθορίσει τον τρόπο με τον οποίο το μποζόνιο Higgs αλληλεπιδρά με το δικό του πεδίο.
Η μελέτη αυτής της αλληλεπίδρασης θα μπορούσε επομένως να μας βοηθήσει να διερευνήσουμε την υποκείμενη διαδικασία που δίνει στα σωματίδια μάζα.
Οποιαδήποτε διαφωνία μεταξύ της θεωρητικής πρόβλεψης και μιας μελλοντικής μέτρησης θα ήταν ένα καθαρό σημάδι ότι πρέπει να εφεύρουμε μια εντελώς νέα φυσική.
Οι μετρήσεις αυτές θα έχουν βαθύτατο αντίκτυπο που θα φτάσει πολύ πέρα από τη φυσική των επιταχυντών, καθοδηγώντας ή περιορίζοντας την κατανόησή μας για την προέλευση της σκοτεινής ύλης, τη γέννηση του σύμπαντος μας – και, ίσως, την τελική του μοίρα.
