Θεωρίες φυσικής

Είναι ελαφρύ το σωματίδιο Higgs;

Παρά το γεγονός ότι αν ξέρουμε κάποια όρια θα επιτρέψουν στους φυσικούς και στις δύο πλευρές του Ατλαντικού, να επικεντρωθούν περισσότερο στην περιοχή ενέργειας όπου ενδέχεται να υπάρχει το σωματίδιο Higgs, τα όποια στοιχεία για τα όρια – όταν λαμβάνονται με μετρήσεις στο προηγούμενους επιταχυντές – δειλά δειλά δείχνουν ένα ελαφρύ σωματίδιο Higgs, το οποίο θα είναι ασφαλώς πιο δύσκολο να ανακαλυφθεί.

Share

Παρά το γεγονός ότι αν ξέρουμε κάποια όρια θα επιτρέψουν στους φυσικούς και στις δύο πλευρές του Ατλαντικού, να επικεντρωθούν περισσότερο στην περιοχή ενέργειας όπου ενδέχεται να υπάρχει το σωματίδιο Higgs, τα όποια στοιχεία για τα όρια – όταν λαμβάνονται με μετρήσεις στο προηγούμενους επιταχυντές – δειλά δειλά δείχνουν ένα ελαφρύ σωματίδιο Higgs, το οποίο θα είναι ασφαλώς πιο δύσκολο να ανακαλυφθεί.

Για παράδειγμα, ένα Higgs που θα ζυγίζει λιγότερο από 140 GeV περίπου θα ήταν λιγότερο πιθανό να διασπαστεί σε ζεύγη μποζονίων W ή Z, που θα άφηνε σαφείς υπογραφές, που γρήγορα θα μπορούσαμε να βρούμε – στους ανιχνευτές του LHC, και πιο πιθανό να διασπαστεί σε ζεύγη από bottom-κουάρκ, τα οποία είναι πολύ πιο δύσκολο να διακριθούν από τα υπόλοιπα σωματίδια. Τα πειράματα στον LHC θα πρέπει επομένως να συλλέγουν περισσότερα στοιχεία για την δημιουργία ενός αρκετά ισχυρού στατιστικού γεγονότος προκειμένου να εντοπιστεί ένα “σήμα” Higgs.

Αν και ο αμερικανικός επιταχυντής Tevatron δεν έχει τη δυνατότητα να ανακαλύψει το οριστικό σωματίδιο Higgs – το καθήκον αυτό ανατίθεται τώρα μόνο στον επιταχυντή LHC του CERN – θα μπορούσε να παραγάγει τους πρώτους ισχυρούς υπαινιγμούς για την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs, εάν όμως είναι ελαφρύτερο από 160 GeV.

 Προσομοίωση της εμφάνισης ενός Higgs στον ανιχνευτή ATLAS στον επιταχυντή LHC

“Υπάρχει υψηλό επίπεδο ενθουσιασμού στο Fermilab και σε άλλους χώρους, συμπεριλαμβανομένων,” λέει ο Dmitri Denisov. “Αλλά για να έχουμε αποδεικτικά στοιχεία για το Higgs πρέπει να δούμε το σήμα, όχι απλά να αποκλείσουμε άλλες περιοχές της ενέργειας. Και να έχετε κατά νου ότι το Higgs δεν μπορεί να υπάρχει σε όλο το φάσμα.”

Ο επιταχυντής Tevatron αναμένεται πλέον να λειτουργήσει παράλληλα με τον LHC όταν αυτός θα δουλεύει στα 7 TeV μέχρι το τέλος του 2011. “Οτιδήποτε πέρα από αυτό είναι εικασία», λέει ο Jacobo Konigsberg που δουλεύει στον επιταχυντή.

Καθώς η υψηλής ενέργειας σκυτάλη περνά από το Fermilab στο CERN, ο αγώνας για το Higgs και ίσως κι άλλες πρωτοποριακές ανακαλύψεις είναι μπροστά μας.

Το αποτέλεσμα του Tevatron προσθέτει ασφαλώς μια μεγαλύτερη πίεση στον LHC για να συμμετάσχει στον εν λόγω αγώνα χωρίς καμιά καθυστέρηση, λέει ο Pedro Teixeira Dias που εργάζεται στον ανιχνευτή ATLAS του LHC.

Και συνεχίζει: “Σε σύγκριση με τον επιταχυντή Tevatron το LHC θα έχει πολύ μεγαλύτερο εύρος τιμών ενέργειας για την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs και φυσικά ένα καλύτερο σήμα προς θόρυβο, ακόμα και σε ενέργειες μόλις 7 TeV. Αλλά ο επιταχυντής Tevatron είναι τώρα στην κορυφή του παιχνιδιού και σαφώς δεν μπορούμε να τον μειώνουμε. Ζούμε σε μια συναρπαστική εποχή. ”

Πηγή: physicsworld.com

Δείτε και τα σχετικά άρθρα

1. Εναλλακτικές θεωρίες με ελαφρά σωμάτια Higgs

2. Μποζόνιο Higgs : Το σωματίδιο του Θεού

3. Γιατί το σωματίδιο Higgs πρέπει να υπάρχει

4. Η ακριβής μέτρηση της μάζας του μποζονίου W έδειξε ότι το σωματίδιο Higgs είναι ελαφρύτερο

————————————————————————————————–

Στις υψηλές ενέργειες – όπως στις συνθήκες της Μεγάλης Έκρηξης όπου επικρατούσαν θερμοκρασίες που ξεπερνούσαν τους 1015 βαθμούς – η ηλεκτρομαγνητική με την ασθενή πυρηνική δύναμη ήταν ενωμένες σε μια δύναμη, την ηλεκτρασθενή η οποία είχε μεγάλο βεληνεκές. Όμως καθώς το σύμπαν ψυχόταν οι φυσικοί λένε ότι υπήρξε μια μετάβαση φάσης (όπως ο ατμός γίνεται υγρό) κατά την οποία έσπασε αυθόρμητα η συμμετρία βαθμίδας της ηλεκτρασθενούς δύναμης, με αποτέλεσμα η ασθενής δύναμη που διαχωρίστηκε από την ηλεκτρομαγνητική να αποκτήσει μικρό βεληνεκές και να γίνει σημαντικά ασθενέστερη από τον ηλεκτρομαγνητισμό. Λόγω του σπασίματος της συμμετρίας, οι φυσικοί νόμιζαν για πολλά χρόνια ότι είχαν να κάνουν με δύο ξεχωριστές δυνάμεις.

Πού οφείλεται όμως η διάσπαση της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας. Οι επιστήμονες πιστεύουν πως τα υποατομικά σωματίδια αποκτούν τις μάζες τους αλληλεπιδρώντας με ένα πανταχού παρόν πεδίο, το επονομαζόμενο πεδίο Higgs (Χιγκς). Αυτό το πεδίο Χιγκς είναι υπεύθυνο και για το σπάσιμο της συμμετρίας βαθμίδας της ασθενούς δύναμης. Αυτό που ακριβώς συμβαίνει είναι το εξής: Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία που επικρατούσε κατά τη φάση μετάβασης της ηλεκτρασθενούς δύναμης – τέτοιες θερμοκρασίες επικρατούσαν στη θερμή, αρχική κατάσταση του σύμπαντος, προτού αυτό διανύσει το ένα τρισεκατομμυριοστό του πρώτου δευτερολέπτου της ζωής του – το πεδίο Χιγκς είναι κατά μέσο όρο μηδενικό, θυμίζοντας το μηδενικό μαγνητισμό της ράβδου σιδήρου μόλις ξεπεραστεί η θερμοκρασία Κιουρί.

Εφόσον το πεδίο Χιγκς είναι μηδενικό, όλες οι μάζες των σωματιδίων είναι επίσης μηδενικές. Τα σωματίδια φορείς της ασθενούς δύναμης W και Z είναι, λοιπόν, άμαζα, το ίδιο και το φωτόνιο. Αυτό σημαίνει ότι τόσο η ασθενής δύναμη όσο και ο ηλεκτρομαγνητισμός έχουν μεγάλο βεληνεκές. Μόλις αρχίζει, όμως, η θερμοκρασία να πέφτει, το πεδίο Χιγκς έρχεται αντιμέτωπο με το ίδιο δίλημμα που αντιμετωπίζει το μολύβι το οποίο στέκεται στη μύτη του: Καλείται να επιλέξει ανάμεσα στη συμμετρία (όταν είναι όρθιο) και τη σταθερότητα (όταν είναι πεσμένο). Αυτό συμβαίνει επειδή το πεδίο Χιγκς αλληλεπιδρά με τον εαυτό του και η ενέργεια που προκύπτει από αυτή την αλληλεπίδραση μοιάζει με τη βαρυτική ενέργεια που ασκείται στο μολύβι όταν βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας.

Το μηδενικό πεδίο Χιγκς είναι συμμετρικό αλλά ασταθές, ενώ το μη μηδενικό πεδίο Χιγκς είναι μεν σταθερό, σπάει όμως τη συμμετρία. Τι κάνει, λοιπόν, το πεδίο Χιγκς; Όπως και το μολύβι που πέφτει, έτσι και αυτό σπάει αυθόρμητα τη συμμετρία, με αποτέλεσμα η ισχύς του να εκτοξεύεται από τη μηδενική μέση τιμή της σε μια πολύ μεγάλη, μη μηδενική τιμή. Ένα μέρος αυτής της «ενέργειας πτώσης» που απελευθερώνεται αξιοποιείται για να καταβληθεί από το πεδίο Χιγκς ένα αντίτιμο μάζας σε όλα τα συμμετέχοντα σωματίδια. Σύμφωνα, όμως, με τη συμβατική εκδοχή της θεωρίας Χιγκς, «προς οποιαδήποτε διεύθυνση κι αν πέσει το μολύβι», τα σωματίδια θα αποκτήσουν την ίδια ακριβώς μάζα. Αυτό σημαίνει ότι, ακόμα κι αν η ηλεκτρασθενής φάση μετάβασης στο πρώιμο σύμπαν δημιούργησε κάποιου είδους δομή περιοχών, είναι πολύ πιθανόν οι μάζες των σωματιδίων, όλων των τυχόν περιοχών αυτής της δομής, να είναι ίδιες παντού.

Οι θεωρίες για την ενοποίηση της ηλεκτρασθενούς δύναμης με την ισχυρή πυρηνική δύναμη στο πλαίσιο κάποιας μεγάλης ενοποιημένης θεωρίας (GUT), προϋποθέτουν την ύπαρξη μηχανισμών διάσπασης συμμετριών, πεδίων Χιγκς και αφηρημένων συμμετριών, είναι όμως πιο περίπλοκες και εξεζητημένες.

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share