Κατά τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μία επιτυχημένη και καλά δοκιμασμένη περιγραφή του φυσικού μας κόσμου, το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Ενσωματώνει τις ισχυρές, τις ασθενείς και τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις σε μια συνεκτική εικόνα και περιγράφει όλα τα σχετικά πειράματα. Όμως, ένας πειραματικός έλεγχος δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί: πρόκειται για τον τρόπο που αποκτούν τις μάζες τους τα σωματίδια. Η καθιερωμένη θεωρία προϋποθέτει την ύπαρξη ενός νέου πεδίου που ονομάζεται πεδίο Higgs και που μοιάζει με το γνωστό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, αλλά με νέες ιδιότητες. Όπως η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων γίνεται με τα κβάντα φωτός, τα γνωστά μας φωτόνια, έτσι και το πεδίο Higgs διαδίδεται με τα κβάντα του, που ονομάζονται μποζόνια Higgs.
Αν το μποζόνιο Higgs (το όνομά του το πήρε από τον Σκωτσέζο φυσικό Πίτερ Χιγκς που το πρότεινε) ανακαλυφθεί στον επιταχυντή LHC, μπορεί ουσιαστικά να είναι μια από τις πιο σημαντικές πειραματικές ανακαλύψεις όλων των εποχών, σε μεγάλο βαθμό λόγω του μοναδικού ρόλου που παίζει στην φυσική το πεδίο (και το σωματίδιο) Higgs. Από τη μια πλευρά, συμπληρώνει ολοκληρωτικά το Καθιερωμένο Μοντέλο, συνδέοντας μαζί την επιτυχημένη περιγραφή του μικροσκοπικού φυσικού κόσμου, τον οποίο οι επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να κατανοήσουν επί πολλούς αιώνες. Η περιγραφή αυτή μας λέει πως δουλεύει ο φυσικός κόσμος. Την ίδια στιγμή, η μορφή της φυσικής με το Higgs βελτιώνεται όχι μόνο γιατί το ολοκληρωμένο Καθιερωμένο Μοντέλο όχι μόνο θα περιγράφει το πώς λειτουργεί ο κόσμος, ,αλλά θα μας λέει γιατί λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο. Το μποζόνιο Higgs είναι λοιπόν σημαντικό, διότι είναι η μετάβαση προς το γιατί.
Αλλά το μποζόνιο Higgs θα είναι επίσης σημαντικό γιατί θα το πρώτο σωματίδιο που βρίσκουμε τον τελευταίο αιώνα.
Υπάρχουν επί του παρόντος δύο αποδεικτικά στοιχεία ότι υπάρχει το μποζόνιο Higgs. Το πρώτο είναι έμμεσο. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, όλα τα σωματίδια περνούν λίγο χρόνο ως συνδυασμοί όλων των άλλων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου και του μποζονίου Higgs. Αυτό αλλάζει λίγο αυτά που ξέραμε παλιά πως θα τα υπολογίσουμε και τα οποία έχουν ελεγχθεί αρκετά καλά στα προηγούμενα πειράματα της φυσικής. Μελέτες της επίδρασης του μποζονίου Higgs πάνω σε άλλα σωματίδια αποκαλύπτουν ότι το πείραμα και η θεωρία είναι συνεπής μόνο εάν το μποζόνιο Higgs υπάρχει και είναι ελαφρύτερο από σχεδόν 170 ηλεκτρονιοβόλτ giga (GeV), ή να έχει περίπου 180 μάζες των πρωτονίων. Επειδή αυτό είναι ένα έμμεσο αποτέλεσμα, δεν είναι μια αυστηρή απόδειξη. Πολλά άγνωστα γεγονότα θα μπορούσαν, κατ ‘αρχήν, να συνδυάζονται για να μιμηθούν την εμφάνιση του Χιγκς. Αυτό είναι, ωστόσο, πολύ απίθανο. Τα πιο συγκεκριμένα στοιχεία για το Higgs προήλθαν από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στον παλιό επιταχυντή LEP του CERN, που λειτουργούσε με ποζιτρόνια, και μάλιστα στην τελευταία ημέρα της λειτουργίας του. Εκείνη η έρευνα μας αποκάλυψε ένα ενδεχόμενο άμεσο σήμα ενός μποζονίου Higgs με μάζα περίπου 115 GeV και όλες τις αναμενόμενες ιδιότητες. Έτσι, η έμμεση και η πιθανή άμεση απόδειξη μας λένε ότι μάλλον υπάρχει, παρότι που ο LHC του CERN ακόμα δεν έχει ‘μιλήσει’, για να μας πει αν το μποζόνιο Higgs όντως υπάρχει.
Τώρα, αν υποτεθεί ότι το μποζόνιο Higgs πράγματι ανακαλυφθεί στο CERN, τότε θα στραφούμε στις επιπτώσεις που θα έχει για τη δημιουργία μιας πιο θεμελιώδους θεωρίας της σωματιδιακής φυσικής. Αναφερόμαστε φυσικά στην θεμελιώδη γενική θεωρία των χορδών (υπάρχουν ως γνωστόν πολλά παρακλάδια). Η θεωρία των χορδών έχει διατυπωθεί σε 10 διαστάσεις αλλά έχει και ιδιότητες που δεν διαθέτει ο κόσμος μας. Δεν κάνει καμία ρητή ή ελέγξιμη πρόβλεψη (εκτός ίσως από τα βαρυτόνια) και δεν έχει καμιά άμεση σύνδεση με τα μποζόνια Higgs. Προτού όμως δούμε να συμβαίνει αυτή η σύνδεση, θα πρέπει να μάθουμε πώς στην πραγματικότητα μπορεί να αναδυθεί ο κόσμος μας στην θεωρία χορδών των 10 διαστάσεων και τον τρόπος με τον οποίο προκύπτουν από τη θεωρία χορδών η ισχυρή, η ασθενής και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, καθώς και τα κουάρκ και τα λεπτόνια, .
Παρόλα αυτά, υπάρχουν ορισμένες ενδεικτικές συνδέσεις της θεωρίας των χορδών με τον κόσμο μας. Το πιο σημαντικό από αυτές είναι πως η θεωρία των χορδών φαίνεται να απαιτεί ο κόσμος μας να έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται υπερσυμμετρία. Και ένα Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο με τις οριακές συνθήκες της θεωρίας χορδών έχει μποζόνια Higgs και εξηγεί τις ιδιότητές τους. Ότι η μάζα του μποζονίου Higgs δεν μπορεί να υπολογιστεί στο Καθιερωμένο Μοντέλο, ενώ μπορεί να υπολογιστεί στο Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Μοντέλο κατά προσέγγιση, για παράδειγμα η τελευταία λέει ότι μπορεί να είναι 90 έως 40 GeV – μια περιοχή που περιλαμβάνει την πιθανή τιμή που υπολογίστηκε με άλλους τρόπους – είναι πολύ σημαντικό.
Η ανακάλυψη ενός μποζονίου Higgs επομένως υποστηρίζει σθεναρά το Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Μοντέλο, το οποίο με τη σειρά του ενισχύει την άποψη ότι η θεωρία των χορδών είναι πράγματι η σωστή προσέγγιση για τη φύση. Αν έτσι έχουν τα πράγματα, είναι πολύ πιθανό να επιβεβαιωθεί η ύπαρξη του μποζονίου Χιγκς στους επόμενους μήνες ή λίγα χρόνια στον επιταχυντή LHC.
Leave a Comment