Το Σωματίδιο Χιγκς

Με αυτόν τον τρόπο καταγράφηκε το μποζόνιο Χιγκς από τον ανιχνευτή του πειράματος ATLAS στο CERN.

50 χρόνια μετά την πρόβλεψη της ύπαρξής του ο πατέρας του σωματιδίου Χίγκς παίρνει το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2013! Η ανακάλυψη του σωματιδίου που είναι φορέας ενός νέου είδους πεδίου που ονομάζεται «πεδίο Χιγκς» και το οποίο είναι διάχυτο στο Σύμπαν, έρχεται να συμπληρώσει και να επιβεβαιώσει το «Καθιερωμένο Πρότυπο».

Το Καθιερωμένο Πρότυπο μπορεί να εξηγήσει και να προβλέψει αναρίθμητα φαινόμενα που παρατηρούνται στο μικρόκοσμο, ενώ μεταξύ των άλλων, μεγάλη επιτυχία του θεωρείται και η ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς αλληλεπίδρασης σε μια ηλεκτρασθενή θεωρία.

Τα ερωτήματα όμως παραμένουν: από πού πηγάζει, για παράδειγμα, ο μηχανισμός που απαιτείται για να δώσει μάζα στα σωματίδια; Από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια; Γιατί υπάρχουν μόνο τρεις γενεές σωματιδίων; Εάν η ύλη και η αντιύλη δημιουργούνται πάντα σε ίσες ποσότητες, πού πήγε η αντιύλη που θα πρέπει να δημιουργήθηκε αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη; Οι θεωρητικές προσεγγίσεις για την απάντηση τέτοιων ερωτημάτων έχουν ήδη αρχίσει. Η συμβολή του LHC, του νέου επιταχυντή του CERN, στην πειραματική επαλήθευση των προσεγγίσεων αυτών αναμένεται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον από τους ερευνητές στα χρόνια που έρχονται.

Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των ειδικών επιστημόνων πολλοί είναι αυτοί που πιστεύουν ότι τα πειράματα στον LHC θα μας αποκαλύψουν τα μυστικά του Σύμπαντος. Σε πρώτη πάντως φάση, ελπίζουμε ότι τα πειράματα αυτά θα εντοπίσουν* την ύπαρξη ενός σωματιδίου που είχε θεωρητικά προταθεί ότι υπάρχει στη δεκαετία του 1960 από τον Σκωτσέζο φυσικό Πήτερ Χιγκς (1929- ). Σύμφωνα με το θεωρητικό μοντέλο της ύλης και του Σύμπαντος στο «Καθιερωμένο Πρότυπο» μας λείπει* να ανακαλύψουμε το σημαντικό αυτό σωματίδιο που είναι φορέας ενός νέου είδους πεδίου που ονομάζεται «πεδίο Χιγκς» και το οποίο είναι διάχυτο στο Σύμπαν. Για να είναι όμως πλήρως αποδεκτό το μοντέλο αυτό απαιτείται η ύπαρξη του πεδίου Χιγκς και φυσικά του μποζονίου Χιγκς που είναι και ο φορέας του.

Καθώς τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια συγκρούονται μεταξύ τους με ταχύτητα πάνω από το 99,99% της ταχύτητας του φωτός μέρος της ενέργειας που δημιουργείται από την σύγκρουση μετατρέπεται σε ύλη σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν (E=mc²). Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούν να δημιουργηθούν σωματίδια με μεγαλύτερη μάζα απ’ εκείνα που συμμετέχουν στη σύγκρουση. Στην περίπτωση του σωματιδίου Χίγκς, για παράδειγμα, η μάζα του αναμένεται να είναι από 120 έως 210 φορές μεγαλύτερη από την μάζα που έχει το πρωτόνιο. Η ενέργεια όμως που επιτυγχάνεται στον LHC είναι αρκετά μεγάλη όχι μόνο για τον εντοπισμό του Χιγκς αλλά και για τον εντοπισμό των σωματιδίων της «σκοτεινής ύλης», πολλαπλών διαστάσεων ακόμη και μίνι μαύρων τρυπών με μέγεθος μικρότερο κι από ένα πρωτόνιο.

Το σωματίδιο Χιγκς είναι βασικό συστατικό των θεωρητικών μας εκτιμήσεων ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής δύναμη είναι διαφορετικές εκφάνσεις μιας ενοποιημένης «ηλεκτρασθενούς» δύναμης. Μας υποδεικνύει τον τρόπο με τον οποίο τα χωρίς μάζα φωτόνια, τα σωματίδια του ηλεκτρομαγνητισμού, συγγενεύουν με τα W και Ζ, τα βαρέα σωματίδια (μποζόνια) της ασθενούς δύναμης. Η επιβεβαίωση της θεωρίας στο CERN πριν από 20 χρόνια αναπτέρωσε τις ελπίδες των επιστημόνων ότι θα μπορούσαν κάποια στιγμή να ενοποιήσουν όλες τις δυνάμεις της φύσης σε μία και μοναδική. Έχει επίσης προταθεί ότι κάποιο πεδίο σαν αυτό του Χιγκς θα μπορούσε να ήταν η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του πρώιμου Σύμπαντος στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό, του τρισεκατομμυριοστού του πρώτου τρισεκατομμυριοστού του πρώτου δευτερολέπτου, και ίσως να κρύβει επίσης και το μυστικό της επονομαζόμενης «σκοτεινής ενέργειας» που κάνει το Σύμπαν να διαστέλλεται επιταχυνόμενο τα τελευταία επτά δισεκατομμύρια χρόνια.

Επίσης, χωρίς το πεδίο Χιγκς τίποτα στο Σύμπαν δεν θα είχε μάζα αφού η ύπαρξη του πεδίου αυτού δίνει σε όλα τα άλλα σωματίδια την μάζα τους. 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 την δεδομένη μάζα του είδους τους. Υπάρχουν φυσικά και μερικά σωματίδια που δεν αντιδρούν καθόλου με το πεδίο, όπως είναι τα φωτόνια και τα γλοιόνια, οπότε τα σωματίδια αυτά δεν έχουν μάζα. Παρ’ όλα αυτά το πεδίο Χιγκς δεν θεωρείται ότι είναι μια ακόμη δύναμη, αφού ούτε επιταχύνει τα σωματίδια ούτε μεταφέρει κάποιου είδους ενέργεια. Εντούτοις το πεδίο αυτό προσδιορίζει επακριβώς την μάζα που περιλαμβάνουν τα υπόλοιπα σωματίδια που «κολυμπάνε» μέσα του. Καθόλου παράξενο λοιπόν που ο νομπελίστας φυσικός (Νόμπελ Φυσικής 1988) Λέον Λέντερμαν (1922- ) το έχει βαφτίσει «το σωματίδιο του Θεού».

Αλλά και το μποζόνιο Χιγκς παίρνει κι αυτό την μάζα του από το πεδίο του οποίου είναι, κατά κάποιον τρόπο, 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 ανακαλύφτηκε το 1995 στο Fermilab των ΗΠΑ.

Πηγή: Διον. Π. Σιμόπουλου:  «Η Βιογραφία του Σύμπαντος», Αθήνα: Ερευνητές, 2008.