Τα μποζόνια Higgs είναι υποθετικά στοιχειώδη σωματίδια που προβλέπονται ότι υπάρχουν από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Αυτά τα μποζόνια θεωρούνται ότι παίζουν θεμελιώδη ρόλο, γιατί σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, αυτά προβλέπονται ότι είναι ο διαδότης – φορέας του πεδίου Higgs, και το οποίο θεωρείται ότι διαπερνά όλο το σύμπαν και ότι δίνει μάζα στα άλλα σωματίδια. Κανένα όμως πείραμα σε επιταχυντές δεν έχει εντοπίσει την ύπαρξη του μποζονίου Higgs. Το δε πεδίο Higgs θα είναι αντιληπτό από κάθε κατεύθυνση και ως επί το πλείστον θα είναι δυσδιάκριτο από το κενό διάστημα.
Το Καθιερωμένο Μοντέλο προβλέπει ότι το μποζόνιο Higgs είναι πολύ πιθανό να έχει μάζα 87 GeV. Η φύση αυτής της πρόβλεψης είναι ότι το μποζόνιο Higgs δεν θα έχει κατ ‘ανάγκη αυτή τη μάζα, αλλά είναι πιθανό να βρίσκεται σε μια περιοχή με κέντρο τον αριθμό αυτό. Υπάρχουν περίπου μια πιθανότητα 75% ότι το Higgs θα έχει μάζα μεταξύ 60 GeV και 123 GeV.
Πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Ηλεκτρονίων (LEP) στο CERN – τον πρόδρομο του LHC – έδειξαν ότι η μάζα του Higgs δεν είναι μικρότερη από 114 GeV, ωστόσο, και η θεωρία προβλέπει ότι η μάζα θα είναι, με πιθανότητα 95% , μικρότερη από 160 GeV, Γι αυτό και οι φυσικοί θα προσπαθήσουν στο νέο επιταχυντή να το βρουν στην περιοχή των 114 με 160 GeV.
Στο παρελθόν έγιναν πολλές συζητήσεις αν κατά πόσον ο επιταχυντής Tevatron στο Fermilab μπορεί να βρει το μποζόνιο Higgs πριν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Υπήρχαν πολλές απόψεις, ακόμα και περιπτώσεις όπου οι φυσικοί υποψιάστηκαν ότι βρήκαν ενδείξεις του. Πρόσφατα ο Brian Winer από το Πανεπιστήμιο του Οχάιο, ανέφερε ότι είναι δυνατόν να βρεθεί το Higgs και στον επιταχυντή Tevatron, αν η μάζα του βρίσκεται σε ορισμένα όρια.
Το μποζόνιο Higgs αν και όταν δημιουργηθεί θα διασπαστεί αμέσως σε άλλα σωματίδια. Αλλά οι ανιχνευτές θα βλέπουν ένα σύνολο σωματιδίων, που κανένα δεν αντιστοιχεί μόνο στο Higgs. Ή για να το πούμε διαφορετικά από τα σωματίδια που θα δούμε δεν εί,αστε σίγουροι από πού προέρχονται. Γι αυτό πρέπει να είμαστε σίγουροι 100% ότι τα όποια σωματίδια στον ανιχνευτή προέρχονται από την διάσπαση του Higgs κι όχι από γνωστές διασπάσεις. Και το μεγάλο πρόβλημα είναι ότι το συνολικό υπόβαθρο των διασπάσεων είναι 100 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από το σήμα του Higgs. Δυστυχώς το Higgs θα δίνει μόνο λίγες δεκάδες γεγονότων (διασπάσεις σωματιδίων) μέσα σε τρισεκατομμύρια συνολικά γεγονότα που θα μετρούν οι ανιχνευτές.
Αυτό το γεγονός μέσα σε ένα ανιχνευτή θα μπορούσε να είναι σήμα για Higgs
Ευτυχώς, οι ανιχνευτές έχουν πολύ καλή αξιοπιστία στο να ανιχνεύσουν την παρουσία των b και αντι-b κουάρκ (που δημιουργούν χαρακτηριστικούς πίδακες σωματιδίων από τη σύγκρουση). Γιατί όμως είμαστε τυχεροί; Γιατί το Higgs τείνει να διασπαστεί σε b και αντι-b κουάρκ, ανάμεσα στα άλλα σωματίδια που δίνει. Έτσι τα κουάρκ αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ταυτοποιήσουμε πολλές συγκρούσεις για τις οποίες ενδιαφερόμαστε. Στην πράξη, αυτές οι ανιχνεύσεις των b και αντι-b κουάρκ μπορούν να μειώσουν τον ‘θόρυβο΄ του υποβάθρου των σωματιδίων κατά ένα παράγοντα 1 δισεκατομμύριο.
Μηχανισμοί ανίχνευσης του σωματιδίου Higgs
Οι σωματιδιακοί φυσικοί θεωρούν ότι τρεις είναι οι κύριοι μηχανισμοί που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην παραγωγή και ανίχνευση ενός σωματιδίου Higgs: Πρώτον, η σύντηξη δύο γκλουονίων, δεύτερον η παραγωγή και μετέπειτα διάσπαση ενός μποζονίου Z, και τέλος η άμεση παραγωγή ενός σωματιδίου Higgs το οποίο διασπάται αμέσως σε δύο μποζόνια W.
Εάν η μάζα του σωματιδίου Higgs βρίσκεται μεταξύ των τιμών 115 και 130 GeV, ο καλύτερος τρόπος ανίχνευσης του είναι μέσω της παραγωγής ενός μποζονίου Z το οποίο ακτινοβολεί ένα σωματίδιο Higgs και διασπάται μετέπειτα.
Ένα διάγραμμα Feynman ενός από τους τρόπους που μπορεί να παραχθεί ένα μποζόνιο Higgs στον επιταχυντή LHC. Εδώ, δύο κουάρκ που το κάθε ένα εκπέμπει μποζόνια W ή Z συνδυάζονται για να κάνουν ένα ουδέτερο Higgs.
Το σωματίδιο Higgs διασπάται επίσης, κατά κανόνα όπως είδαμε πιο πάνω σε ένα b και σε ένα αντι-b κουάρκ. H διαδικασία αυτή είναι όμοια με τη διαδικασία ανίχνευσης που ακολουθήθηκε και στον επιταχυντή LEP και ουσιαστικά αποτελεί τη συνέχεια της σε λίγο υψηλότερες ενέργειες. Εάν η μάζα του σωματιδίου Higgs είναι μεγαλύτερη των 130 GeV ο καλύτερος τρόπος ανίχνευσης είναι μέσω της διάσπασης του σωματιδίου Higgs σε ένα ζεύγος μποζονίων W. Η σύντηξη δύο γκλουονίων αναφέρεται κυρίως στην παραγωγή σωματιδίων Higgs αν έχουν μεγαλύτερη μάζα, καθώς και πολλαπλών σωματιδίων Higgs που προβλέπονται από νέες θεωρίες επέκτασης του καθιερωμένου μοντέλου.
Η δημιουργία του σωματιδίου Higgs και η διάσπαση του σε δύο φωτόνια γ θα γίνει αν έχει μάζα με εύρος 80 – 140 GeV. Αν η μάζα του είναι της τάξης 140 έως 700 GeV τότε θα δούμε 4 μιόνια μ.
Η τελευταία περίπτωση (σύντηξη δύο γκλουονίων) θεωρείται όμως ως η πιο κατάλληλη για το περιβάλλον του νέου επιταχυντή LHC. Οι δυσκολίες όμως ανίχνευσης είναι πολλές. Γιατί από τον συνολικό αριθμό των συγκρούσεων που θα παρατηρηθούν, λίγες χιλιάδες μόνο θα καταλήξουν στη δημιουργία του σωματιδίου Higgs και από αυτές ένα μικρό μόνο ποσοστό είναι δυνατόν να ανιχνευθεί. Γι αυτό το λόγο, επειδή είναι δύσκολή η παραγωγή ικανοποιητικών δεδομένων, τέτοια πειράματα αφενός διαρκούν για πολλά χρόνια και αφετέρου δεν έχουν φέρει κανένα αποτέλεσμα μέχρι τώρα, .
Πού μπορούμε να φτάσουμε;
Εντάξει, η μείωση του ‘θορύβου’ αρχικά κατά ένα παράγοντα 1 δισεκατομμύριο είναι εύκολο να γίνει με την ανίχνευση των b κουάρκ, με τον επόμενο παράγοντα 100 του ‘θορύβου’ τι γίνεται που είναι πολύ δύσκολο να μειωθεί;
Στην προσπάθεια μας να κατέβει ο παράγοντας αυτός 100 στον παράγοντα 1 (πλήρης βεβαιότητα της ανίχνευσης του Higgs), πολλά εξαρτώνται από την ενέργεια του ίδιου του Higgs έχει. Αν το Higgs έχει μια ενέργεια στο κάτω άκρο του φάσματος, για παράδειγμα 115 GeV, συνδυάζοντας όλα τα στοιχεία από δύο παλιά πειράματα (CDF και DZero) στο Fermilab, θα καταλήξουμε στον παράγοντα 5, μικρό για να έχουμε κάποια τύχη να βρούμε το Higgs. Αν το Higgs έχει μάζα 160 GeV, τότε τα συνδυασμένα στοιχεία μας φέρνουν ήδη κοντά στον παράγοντα 1,1 ή με άλλα λόγια, μια βελτίωση 10% οπότε το παιχνίδι συνεχίζεται!.
Φυσικά, είναι πολύ απλό και εύκολο να συγκεντρώσεις 10% περισσότερα δεδομένα. Το επίπεδο αυτό είναι πραγματικά το σημείο εκκίνησης για τους ανιχνευτές και το σύνολο των δεδομένων τους, που με την κατάλληλη στατιστική επεξεργασία τους να ανακαλύψουμε τα κρυμμένα Higgs μέσα στην πλημμύρα των συγκρούσεων.
Αλλά αν το Higgs βρίσκεται σε αυτό το εύρος της μάζας (160 Gev) τότε τα δεδομένα θα είναι επαρκώς ευαίσθητα ώστε να μας πουν, είτε ότι δεν υπάρχει σίγουρα με αυτή τη μάζα το Higgs ή θα δούμε σήματα που θα μοιάζουν με το Higgs, και τότε θα είναι ένα απλό θέμα να πάρουμε κάποια περισσότερα στοιχεία για να διαπιστώσουμε αν όντως είναι πραγματικά τα μποζόνια Higgs.
Χρονικός πίνακας για το τι περιμένουμε στο μέλλον από το Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων
2010/2011: Υπερσυμμετρία – αν η ενεργειακή κλίμακα είναι 1TeV
2010/2011: Σωματίδιο Higgs – αν η μάζα του είναι περίπου 200 GeV.
2011/2012: Σωματίδιο Higgs – αν η μάζα του είναι γύρω στα 120 GeV. (Το χαμηλό όριο της ενέργειας, για παράδειγμα 67 GeV – είναι πιο δύσκολο να το δούμε γιατί σε αυτή την ενέργεια θα μπορούσε να διασπαστεί δίνοντας σήματα που δείχνουν ότι παράγονται φωτόνια γάμμα. Πάντως, άλλες διασπάσεις έχουν επίσης παρόμοια φωτόνια, γι αυτό και χρειαζόμαστε καλύτερες στατιστικές αναλύσεις που θα μας λένε τις διαφορές. Ένα σωματίδιο Higgs σε υψηλότερες ενέργειες θα διασπάται πιθανώς κατ’ αρχή σε μποζόνια W, με πολύ χαρακτηριστικούς πίδακες σωματιδίων που προέρχονται από τη σύγκρουση).
2013: Πρόσθετες διαστάσεις του χώρου – αν η ενεργειακή κλίμακα είναι 9 TeV
2013: Συνθετότητα – αν τα κουάρκ δεν είναι στην πραγματικότητα θεμελιώδη σωματίδια αλλά αποτελούνται από ακόμα πιο βασικά, αυτό θα φανεί αν η κλίμακα της ενέργειας σε αυτή την περιοχή είναι 40 TeV.
2018: Υπερσυμμετρία – αν θα φανεί στην περιοχή των 3 TeV.
2020: Ένας νέος φορέας (διαδότης) Z ‘μιας άγνωστης δύναμης – αν υπάρχει ένας νέος τύπος δύναμης τότε θα έρθει στην περιοχή των 6 TeV. Αν αυτό πράγματι γίνει τότε στο νέο σωματίδιο – διαδότη θα του δώσουμε το προσωρινό όνομα Z‘, κατ’ αναλογία με το Z που μεταδίδει την ασθενή δύναμη.
Διαβάστε και τα σχετικά άρθρα
1. Γιατί το σωματίδιο Higgs πρέπει να υπάρχει
2. LHC: Η μεγαλύτερη μηχανή στον κόσμο
Leave a Comment