Το Καθιερωμένο Μοντέλο πάλι έχει πρόβλημα: Τι γίνεται με το σωματίδιο Higgs;

Από σελίδα του UniSci, 29 Ιανουαρίου 2002

Αυτό που ξέρουμε για τη θεμελιώδη φύση της ύλης δεν είναι αρκετό για να εξηγήσει ό,τι έχει παρατηρηθεί στα πειράματα της Φυσικής Υψηλής Ενέργειαςκατά τη διάρκεια της προηγούμενης δεκαετίας, σύμφωνα με ένα θεώρημα "Lose-Lose" που προτείνεται από έναν φυσικό με το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence του Μπέρκλεϋ.

Ο Michael Chanowitz, ένας θεωρητικός με το τμήμα Φυσικής του Εργαστηρίου του Μπέρκλεϋ, λέει ότι μια μέτρηση της διάσπασης των μορίων Ζ, τους μεταφορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, δείχνει ότι η θεωρία που έχει εξηγήσει επιτυχώς τη θεμελιώδη φυσική από τη δεκαετία του '70, το Καθιερωμένο Μοντέλο των σωματιδίων και των πεδίων, δεν είναι πλέον αρκετά τόσο επιτυχές.

Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters, ο Chanowitz υποστηρίζει ότι εάν οι επιστήμονες αποδέχονται τη μέτρηση τόσο έγκυρη ή την απομακρύνουν αυτή σαν μια ανωμαλία, το Καθιερωμένο Μοντέλο χάνει.

"Μια ανάλυση όλων των σχετικών στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων των αναζητήσεων για το μόριο Higgs, ευνοεί μια αλλαγή του   Καθιερωμένου Μοντέλου", λέει ο Chanowitz. "Αυτό υπονοεί, με μια υψηλή πιθανότητα, ότι υπάρχει μια νέα φυσική πέρα από την καθιερωμένη που περιμένει να ανακαλυφθεί."

Το Καθιερωμένο Μοντέλο παρέχει ένα θεωρητικό πλαίσιο για τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης και όλων των δυνάμεων που αλληλεπιδρούν με αυτά εκτός από τη βαρύτητα.

Υποστηρίζει ότι υπάρχουν δύο είδη φερμιόνια, ή σωματίδια ύλης, που καλούνται κουαρκ και λεπτόνια (τα λεπτόνια περιλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα), τα οποία ομαδοποιούνται σε τρεις ευδιάκριτες "γενεές" της αυξανόμενης μάζας.

Η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από την ελαφρύτερη γενεά των φερμιονίων: τα up, τα down και τα κουαρκ, τα οποία συνδυάζονται για να σχηματίσουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια των ατομικών πυρήνων. Επίσης τα ηλεκτρόνια, τα οποία δεσμεύουν τα άτομα μαζί στα μόρια,  και τα νετρίνα ηλεκτρονίου, τα οποία επηρεάζουν τη σταθερότητα αυτής της ύλης.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 30 χρόνων, το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει τις ιδιότητες των σωματιδίων ακόμη και προτού να βρεθούν πειραματικά αυτά τα σωματίδια. Παραδείγματος χάριν, πρόβλεψε ακριβώς τη μάζα του top κουαρκ, το οποίο βρέθηκε το 1994.

Το τελικό σωματίδιο που απαιτείται για να ολοκληρώσει τις προβλέψεις του Καθιερωμένου μοντέλου είναι το σωματίδιο Higgs, που ονομάστηκε έτσι προς τιμή του Peter Higgs του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, ο οποίος το πρότεινε πρώτος.

Το σωματίδιο Higgs, που είναι ένα μποζόνιο (σωματίδιο που μεταφέρει τη δύναμη), θεωρείται ότι χρειάζεται για να δίνει μάζα στα στοιχειώδη σωματίδια μέσω των αλληλεπιδράσεών του με αυτά. Μεταξύ των μετρήσεων που χρησιμοποιούνται για να προβλέψουν τη μάζα του σωματιδίου Higgs είναι η κατεύθυνση της διάσπασης των σωματιδίων Ζ σε bottom κουαρκ και στα antibottom κουάρκ, τα αντισωματίδια των κουάρκ.

Λέει ο Chanowitz, "Το αποτέλεσμα αυτής της μέτρησης διαφωνεί σημαντικά με την προβλεφθείσα τιμή του Καθιερωμένου Μοντέλου. Εάν είναι γνήσια, η απόκλιση υπονοεί ένα λάθος του Καθιερωμένου μοντέλου."

Επειδή αυτή η μέτρηση της αποσύνθεσης Ζ σε bottom και antibottom quarks είναι εξαιρετικά δύσκολη, ο Chanowitz λέει ότι δεν μπορεί να αποκλειστεί να υπάρχει πιθανότητα να αποκλίνει το αποτέλεσμα λόγω "λεπτού πειραματικού σφάλματος".

Εντούτοις, κάτω από τους όρους του δικού του θεωρήματος Lose-Lose, η δυνατότητα του πειραματικού σφάλματος δεν μπορεί να σώσει το Καθιερωμένο μοντέλο επειδή "η προβλεφθείσα τιμή της μάζας των σωματιδίων Higgs θα ήταν έπειτα τόσο χαμηλή που θα έπρεπε ήδη να είχε παρατηρηθεί στα υπάρχοντα πειράματα."

Ο Chanowitz βασίζει το συμπέρασμά του στο γεγονός πως τα πειράματα στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) στο μεγάλο συγκρουστή ποζιτρονίου-ηλεκτρονίου (LEP) έχουν ήδη θέσει το χαμηλότερο όριο για τη μάζα του σωματιδίιου Higgs σε 114,1 GeV (δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβολτ).

Εάν η αμφισβητήσιμη μέτρηση της Ζ-διάσπασης απορριφθεί, στο Καθιερωμένο Μοντέλο θα γίνει μια άριστη προσαρμογή με άλλες σημαντικές μετρήσεις. Εντούτοις, η προβλεφθείσα τιμή που έκανε το Καθιερωμένο Μοντέλο για τη μάζα του σωματιδίου Higgs, πέφτει τότε αρκετά κάτω από το θεωρητικό ελάχιστο.

"Το Καθιερωμένο Μοντέλο βρίσκεται σε ένα αδιέξοδο δίλημμα", λέει ο Chanowitz. "Εάν η αμφισβητήσιμη μέτρηση της Ζ-διάσπασης είναι είτε σωστή είτε λάθος, απαιτείται νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, είτε για να εξηγήσει την ανακόλουθη μέτρηση είτε για να εξηγήσει την αποτυχία να μην έχει παρατηρηθεί ήδη το σωματίδιο Higgs."

Μερικοί φυσικοί έχουν σκεφτεί ήδη για νέα είδη κουάρκ, ή μια συμμετρία φερμιονίων και μποζονίων γνωστής σαν "υπερσυμμετρία," σαν τις πιό πιθανές εξηγήσεις. Αλλά ο Chanowitz λέει ότι δεν υπάρχουν αρκετά στοιχεία για να είναι γνωστή αυτή τη στιγμή ποιά μπορεί να είναι η νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

"Χρειαζόμαστε νέα σωματίδια ή νέες δυνάμεις στις υψηλότερες κλίμακες που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα σωματίδια που εμείς ήδη ξέρουμε, προκειμένου να εξηγηθούν εκείνα τα αποτελέσματα που έχουμε δει και που δεν μπορούν να εξηγηθούν από το Καθιερωμένο Μοντέλο," συνέχισε. "Έως ότου είναι γνωστή αυτή η νέα φυσική, δεν μπορούμε να προβλέψουμε τη μάζα των σωματιδίων Higgs εκτός από τη γενική δήλωση ότι είναι πάνω ή κάτω από την κλίμακα των TeV".

Ο Chanowitz λέει ότι ο Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων, που σχεδιάζεται για να αρχίσει εργασίες στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) το 2005 και θα συνθλίψει μαζί πρωτόνια σε ένα μεγάλο εύρος ΤeV, είναι πιθανό να παρέχει απαντήσεις στις ερωτήσεις που τίθενται από το δικό του θεώρημα Lose-Lose.