Το βραβείο Wolf πηγαίνει σε θεωρητικούς στοιχειωδών σωματιδίων

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 20 Ιανουαρίου 2004

Το βραβείο Wolf του 2004 για τη φυσική απονεμήθηκε στους Robert Brout και Francois Englert του Πανεπιστημίου Libre των Βρυξελλών και στον Peter Higgs του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου για την ανάπτυξη των θεωριών που εξηγούν πώς τα θεμελιώδη σωματίδια μπορούν να αποκτήσουν  μάζα στο Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Το βραβείο, που απονέμεται από το Ίδρυμα Wolf στο Ισραήλ, έχει θεωρηθεί ως το βραβείο που προσδίδει το μεγαλύτερο γόητρο στη φυσική, μετά από το βραβείο Νόμπελ.

Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση: βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός και οι ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις.

Η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι δυνάμεις που δρουν σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ οι ισχυρές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις λειτουργούν μόνο μέσα στον πυρήνα. Το Καθιερωμένο μοντέλο περιλαμβάνει όλες αυτές τις δυνάμεις εκτός από τη βαρύτητα.

Εντούτοις, πριν από την εργασία των Brout, Englert, Higgs και άλλων, το Καθιερωμένο μοντέλο δεν  μπορούσε να εξηγήσει γιατί μερικά σωματίδια έχουν μάζα και άλλα όχι. Ιδίως, δεν μπορούσε να εξηγήσει το γεγονός ότι τα φωτόνια - τα σωματίδια-φορείς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης - δεν έχουν καμία μάζα, ενώ ανάλογα σωματίδια φορείς για την ασθενή αλληλεπίδραση έχουν μάζα. Τα σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή αλληλεπίδραση πρέπει να έχουν μεγάλες μάζες για να εξηγήσουν γιατί ενεργεί μόνο σε μικρές αποστάσεις.

Το 1964, οι Brout και Englert πρότειναν ότι οι ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις θα μπορούσαν να ενοποιηθούν μέσω του "αυθόρμητου σπάσιμου της συμμετρίας". Αυτό το φαινόμενο το γνώριζαν πολύ καλά στη φυσική συμπυκνωμένη ύλης, όπου οι φυσικοί το χρησιμοποιούσαν για να εξηγήσουν πώς, παραδείγματος χάριν, οι μικροσκοπικές άτακτες περιοχές ενός μαγνητικού υλικού θα μπορούσαν ξαφνικά να ευθυγραμμιστούν προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Ο Higgs έβγαλε το ίδιο συμπέρασμα ανεξάρτητα με τους Brout και Englert και έδειξε ότι τα σωματίδια που ήταν φορείς της ασθενούς δύναμης απέκτησαν τη μάζα τους μέσω των αλληλεπιδράσεων με ένα κυρίαρχο πεδίο, που ονομάζεται πεδίο Higgs, και ότι οι αλληλεπιδράσεις αυτές έγιναν μέσω σωματιδίων που λέγονται μποζόνια Higgs.

Αν και κανείς δεν έχει δει αυτά τα σωματίδια ακόμα σε πείραμα, πολλοί φυσικοί θεωρούν ότι θα παρατηρηθούν όταν λειτουργήσει ο Μεγάλο Συγκρουστής Αδρονίων (LHC) στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (Cern) το 2007.

Το βραβείο, αξίας 100.000 δολαρίων, θα δοθεί στην Ιερουσαλήμ το Μάιο, από τον Πρόεδρο του Ισραήλ, Moshe Katsav. Η επίσημη ανακοίνωση αναφέρει ότι οι βραβεύσεις γίνονται "για την πρωτοποριακή εργασία που έχει οδηγήσει στη βαθιά γνώση του τρόπου που δημιουργείται η μάζα, κάθε φορά μια τοπική συμμετρία βαθμίδας πραγματοποιείται ασυμμετρικά στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων".

Το σωματίδιο Higgs

Οι επιστήμονες άρχισαν να ψάχνουν για το σωματίδιο Higgs από την εποχή που ο Peter Higgs, του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου,  το πρότεινε αρχικά στη δεκαετία του '60 πως θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί η ύλη έχει μάζα.

Χρησιμοποιώντας το μεγαλύτερο συγκρουστή, επιταχυντή, σωματιδίων στο κόσμο, στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) κοντά στη Γενεύη, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να ανιχνεύσουν το μποζόνιο Higgs, που έχει ονομαστεί και ως "σωματίδιο του Θεού", έως ότου έκλεισαν τον επιταχυντή αυτό του CERN αργά πέρυσι.

Οι επιταχυντές εκσφενδονίζουν τα σωματίδια, με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, πάνω σε μια σειρά στόχων για να συγκρουστούν με αυτά και οι πυρήνες των στόχων να πάθουν σχάση . Έτσι οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν τη φύση της ύλης.

Το σωματίδιο αυτό έχει προβλεφθεί και από τη θεωρία της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας. Στη θεωρία αυτή, που έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά, έχει ενοποιηθεί η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση με την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, αλλά σε πολύ υψηλές ενέργειες. Η θεωρία αυτή αναπτύχθηκε από τους S.Glashow - A.Salam - S.Weinberg που τιμήθηκαν με το βραβείο Nobel το 1979. 

Η θεωρία αυτή δεν δίνει απάντηση γιατί ενώ τα φωτόνια δεν έχουν μάζα (φορείς της ηλεκτρομαγνητικής  αλληλεπίδρασης), τα μποζόνια (φορείς των ασθενών) έχουν και μάλιστα  αρκετά μεγάλη.

Επειδή υπάρχει αρκετά διαφορετική συμπεριφορά στις χαμηλές ενέργειες που επιταχύνουμε τα σωματίδια αυτά, γι' αυτό και πρέπει να τα επιταχύνουμε σε πολύ μεγάλες ενέργειες έτσι ώστε να δούμε αν θα επιβεβαιωθεί αυτή η θεωρία. 

Στις χαμηλές ενέργειες τα σωματίδια αυτά εμφανίζουν γενικά αρκετά διαφορετική συμπεριφορά. Η θεωρία όμως προβλέπει ότι σε υψηλές ενέργειες τα σωματίδια φορείς των ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών αλληλεπιδράσεων πρέπει να έχουν παραπλήσια συμπεριφορά. Η μεταβολή αυτή στη συμπεριφορά τους καθώς μεταβαίνουμε από τις υψηλές ενέργειες στις χαμηλές ενέργειες, ονομάζεται σπάσιμο της συμμετρίας.

Με το σπάσιμο της συμμετρίας τα ανόμοια πια μποζόνια αποκτούν και διαφορετικές μάζες. Στο σπάσιμο της συμμετρίας, καθοριστικό ρόλο παίζει η εμφάνιση ενός ακόμα μποζονίου, του ασταθούς σωματιδίου Higgs με μάζα περίπου 1Tev.

Εάν η μάζα του είναι 1ΤeV (βαρύ Higgs) τότε θα διασπάται σε δύο σωματίδια Ζ, και εν συνεχεία σε ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων ή ζεύγη μιονίων. Αν είναι μικρότερη από 1 ΤeV τότε η θεωρία προβλέπει διάσπαση του Higgs σε δύο φωτόνια Το καθιερωμένο μοντέλο μαζί με το σωματίδιο αυτό, εξηγεί ικανοποιητικά τη μεγάλη μάζα των μποζονίων.

Εάν δεν βρεθεί το σωματίδιο αυτό τότε η θεωρία της υπερσυμμετρίας προβλέπει την ύπαρξη άλλων μικρότερων σωματιδίων στα οποία δόθηκαν ονομασίες σκουαρκ, γκλουίνο (gluino) και φωτίνιο(photino). Αυτή η νέα Φυσική θα ασχολείται με τις παραβιάσεις της συμμετρίας CP.