Είναι η απάντηση για το σωματίδιο του Θεού και το σύμπαν;

Από την ιστοσελίδα Guardian, 21 Αυγούστου 2004

Το ονομάζουν σωματίδιο του Θεού: ένα μυστήριο υποατομικό σωματίδιο που διαπερνά ολόκληρο το σύμπαν και εξηγεί με ποιο τρόπο απέκτησε μάζα οτιδήποτε υπάρχει στον Κόσμο. Κανένας όμως δεν το έχει δει ποτέ το σωματίδιο του Θεού ή σωματίδιο Higgs όπως λέγεται. Μερικοί λένε ότι δεν υπάρχει αλλά, χωρίς να χάνουν την πίστη τους, οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο προετοιμάζονται να φτιάξουν ένα από το πιο φιλόδοξα και ακριβά επιστημονικά πειράματα που έχει δει ποτέ ο κόσμος, με στόχο τον εντοπισμό του.

Σε μια συνεδρίαση στο Πεκίνο στις 20 Αυγούστου, 12 εμπειρογνώμονες από πολλές χώρες συμπεριλαμβανομένης της Μεγάλης Βρετανίας, της Ιαπωνίας, της Αμερικής και της Γερμανίας ανήγγειλαν ότι έχουν συμφωνήσει σχετικά με ένα σχεδιάγραμμα για το νέο πείραμα - μια γιγαντιαία μηχανή συντριβής ατόμων που ονομάζεται Διεθνής Γραμμικός Συγκρουστής Σωματιδίων. Αλλά τώρα πρέπει να πείσουν τις αντίστοιχες κυβερνήσεις τους για να χρηματοδοτήσουν το πρόγραμμα με 5 δισεκατομμύρια ευρώ.

Εγκατεστημένη στο υπέδαφος για να θωρακισθεί από τους κραδασμούς της γήινης επιφάνειας, η γιγαντιαία αυτή διάταξη θα επιταχύνει σωματίδια από τα δύο άκρα ενός τούνελ μήκους 32 χιλιομέτρων, φέρνοντάς τα σε μετωπική σύγκρουση. Τη στιγμή της σύγκρουσης, θα πλησιάζουν το ανώτατο όριο της ταχύτητας του φωτός. Η μία δέσμη των σωματιδίων θα συνίσταται από ηλεκτρόνια και η άλλη από τα "κατοπτρικά τους είδωλα", τα λεγόμενα ποζιτρόνια – σωματίδια αντιύλης κατά τα άλλα ταυτόσημα με τα ηλεκτρόνια, αλλά με αντίθετο (θετικό) ηλεκτρικό φορτίο.

Από τη σύγκρουση θα προκύψει μια κατακλυσμιαία έκλυση θερμότητας, φωτός και ακτινοβολίας, η οποία, όπως ελπίζουν οι θεωρητικοί φυσικοί, θα αποτελεί αντίγραφο, κατά κάποιο τρόπο, των πρώτων δισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που πιστεύεται ότι δημιούργησε το Σύμπαν. Ακριβώς σε αυτό το περιβάλλον υπολογίζεται ότι θα εντοπισθεί το ασύλληπτο "θεϊκό σωματίδιο" ή αλλιώς μποζόνιο Higgs, όπως ονομάζεται στην επιστημονική διάλεκτο.

Ο συγκρουστής δεν θα χτιστεί στη Μεγάλη Βρετανία (ενδιαφέρονται η Γερμανία, η Αμερική και η Ιαπωνία) αλλά οι βρετανοί επιστήμονες είναι αποφασισμένοι να διαδραματίσουν έναν κύριο ρόλο στο πρόγραμμα. Οι βρετανοί φυσικοί έχουν ήδη συμμετάσχει στον προγραμματισμό διάφορων βασικών τμημάτων του και το ερευνητικό Συμβούλιο Φυσικής και Αστρονομίας Σωματιδίων (PPARC), που χρηματοδοτεί την έρευνα σε αυτόν τον τομέα, περιμένει να δει εάν η κυβέρνηση συμφωνεί να επενδύσει η Μεγάλη Βρετανία κάπου  480 εκατομμύρια ευρώ στο πείραμα αυτό, την προσεχή δεκαετία. Μια απόφαση που αναμένεται το φθινόπωρο.

Ο βρετανός φυσικός Ian Halliday, του PPARC, χαρακτηρίζει το φιλόδοξο επιστημονικό πρόγραμμα ως "εξαιρετικά σημαντικό ορόσημο" για τη Φυσική των Στοιχειωδών Σωματιδίων, που καταπιάνεται με τα έσχατα μυστήρια της Ύλης και του Σύμπαντος. Τη δεκαετία του ’90 οι Ηνωμένες Πολιτείες αναγκάσθηκαν κυριολεκτικά να ενταφιάσουν έναν παρόμοιο γραμμικό επιταχυντή στο Τέξας, που είχε αρχίσει να κατασκευάζεται, λόγω του υπέρογκου κόστους του έργου. Από τότε, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι μόνο η ευρείας κλίμακας διεθνής συνεργασία θα μπορούσε να στηρίξει παρόμοια μεγαπειράματα.

"Ο Διεθνής Γραμμικός Συγκρουστής Επιταχυνομένων Σωματιδίων θα οδηγήσει την επιστήμη σε ολότελα ανεξερεύνητες περιοχές", δηλώνει ο Brian Foster από το Πανεπιστήμιο της Oξφόρδης. "Θα μας βοηθήσει να δώσουμε απαντήσεις σε άκρως απαιτητικά ερωτήματα που βρίσκονται στην επιστημονική ατζέντα του 21ου αιώνα, όπως τα ερωτήματα για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, την πιθανή ύπαρξη περισσοτέρων των τεσσάρων διαστάσεων και τη θεμελιώδη φύση της ύλης, της ενέργειας, του χώρου και του χρόνου".

Το μποζόνιο Higgs, που χρωστάει την ονομασία του στον βρετανό θεωρητικό φυσικό Peter Higgs, ο οποίος διατύπωσε την υπόθεση γύρω από την ύπαρξή του τη δεκαετία του ’60, παίζει κομβικό ρόλο στην εξιχνίαση αυτών των προβλημάτων. Ο εντοπισμός του θα κλείσει την πιο σοβαρή «τρύπα» στη σύγχρονη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων, τον μεγαλύτερο θρίαμβο και ταυτόχρονα τον πιο ενοχλητικό πονοκέφαλο της κβαντικής φυσικής.

Η εν λόγω θεωρία ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο και είναι, για τη Φυσική του μικρόκοσμου, ό,τι είναι ο Περιοδικός Πίνακας για τη Χημεία: Επιτρέπει στους ειδικούς να βάζουν τάξη στο φαινομενικό χάος των διαφόρων σωματιδίων, ταξινομώντας τα ανάλογα με τις ιδιότητές τους, σαν να βάζουν στη θέση τους τα διάφορα κομμάτια ενός παζλ.

Όπως όλες οι θεωρίες, όμως, το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει αρχίσει να γερνάει καθώς, τα τελευταία χρόνια, μια σειρά νέων πειραμάτων αποκάλυψε διάφορες ανωμαλίες. Μία από τις πιο ενοχλητικές είναι η πειραματική διαπίστωση ότι διάφορα σωματίδια που θα έπρεπε, σύμφωνα με τη θεωρία, να είναι αβαρή, εμφανίζουν μη μηδενική μάζα. Το σωματίδιο Higgs θα μπορούσε να είναι ο από μηχανής θεός που θα σώσει τη θεωρία – οι επιστήμονες υποθέτουν ότι αλληλεπιδρά με όλα τα άλλα σωματίδια, προσδίδοντάς τους τη μάζα τους. Η ιδέα είναι τόσο γοητευτική, που να δικαιολογεί τη διάθεση δισεκατομμυρίων ευρώ στο κυνήγι του άπιαστου σωματιδίου.

Εκτός από το καθαρά γνωστικό ενδιαφέρον του, το μέγα πείραμα για το μποζόνιο Higgs μπορεί να έχει τεράστια "παράπλευρα κέρδη" ως προς την αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος.

Ο καθηγητής του φημισμένου Εργαστηρίου Ράδερφορντ, George Kalmus, εξηγεί: "O κόσμος αρχίζει να εξαντλεί τα εύκολα διαθέσιμα ενεργειακά του αποθέματα. Αν μάθουμε περισσότερα για την παράξενη διαπλοκή ύλης και ενέργειας, τότε οι πρακτικές εφαρμογές μπορεί να υπερβούν κάθε φαντασία".

Ένας άλλος επιταχυντής, ο Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων, είναι ήδη υπό κατασκευή στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) κάτω από τις ελβετικές Άλπεις και πρόκειται να λειτουργήσει το 2007. Θα μπορούσε να έχει τη δυνατότητα να βρει το σωματίδιο Higgs, αλλά θα πει λίγα στους φυσικούς για τις αλληλεπιδράσεις του.

Η ιστορία του μποζονίου Higgs άρχισε το 1961, όταν ο Yoichiro Nambu, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου, έδειξε ότι μία διαδικασία που ονομάζεται "αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας", είναι σε θέση να εξηγήσει από που προέρχεται η μάζα. Για να καταλάβετε τι σημαίνει, φανταστείτε μια μαρμάρινη έδρα πάνω από ένα μεξικάνικο καπέλο. Αυτό το σχήμα είναι συμμετρικό, επειδή φαίνεται το ίδιο από όλες τις κατευθύνσεις. Εντούτοις, το μάρμαρο δεν είναι σταθερό και η συμμετρία αυθόρμητα σπάει όταν πέφτει στο χείλος, στο άκρο του καπέλου. Αυτό μπορεί να φαίνεται απλό, αλλά το πεδίο Higgs πραγματικά είναι σαν ένα μεξικάνικο καπέλο.

Ένα έτος αργότερα ο Jeffrey Goldstone, του πανεπιστημίου του Καίμπριτζ, και δύο μελλοντικοί νομπελίστες, οι Abdus Salam και Steven Weinberg, έδειξαν ότι υπήρξε μια ρωγμή σε αυτήν την προσέγγιση. Η πρώτη συμβολή του Higgs στο πρόβλημα αυτό - που έγινε πριν 40 χρόνια - ήταν να δείξει ότι ο Goldstone και οι συνάδελφοί του είχαν κάνει επίσης ένα λάθος. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη δημοσιεύθηκε στο Physics Letters.

Ο Higgs πήγε έπειτα για να δείξει ότι το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας θα μπορούσε να εξηγήσει πώς σωματίδια που ήταν ήδη γνωστά τότε μπορούσαν να έχουν μάζα. Επιπλέον, η θεωρία του Higgs πρόβλεψε την ύπαρξη αυτού που το περιγράφει ως το "εναπομείναντα σωματίδιο". Αυτό το νέο σωματίδιο ήταν το μποζόνιο Higgs.

Ο Higgs έστειλε αυτό το δεύτερο αποτέλεσμα στο ίδιο περιοδικό, Physics Letters, αλλά του είπαν ότι δεν ήταν κατάλληλο για σύντομη δημοσίευση και αναγκάστηκε να το στείλει σε ένα άλλο περιοδικό. Εντούτοις, άκουσε αργότερα μέσω ενός συναδέλφου ότι η εργασία του είχε απορριφθεί επειδή οι συντάκτες του περιοδικού θεώρησαν ότι "δεν ήταν σχετική προφανώς  με τη φυσική". Αρχικά ο Higgs αγανάκτησε, αλλά αργότερα συνειδητοποίησε ότι το πρώτο σχέδιο της εργασίας του "ήταν ελλιπής". Της πρόσθεσε δύο παραγράφους και την έστειλε σε ένα αμερικανικό περιοδικό, το Physical Review Letters, όπου έγινε αποδεκτή.

Πάντως η επιστημονική κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής χρειάστηκε πολύ χρόνο για να αναγνωρίσει τη σημασία αυτής της εργασίας που είχε κάνει ο φυσικός του Εδιμβούργου. Ο Higgs θυμάται τις συζητήσεις πάνω στην εργασία του στα δύσπιστα ακροατήρια στο Χάρβαρντ και στο Princeton. "Με αντιμετώπιζαν σαν τρελάρα", θυμάμαι. "Στο τέλος της ημέρας δέχονταν ότι δεν ήμουν, αλλά δεν συνειδητοποίησαν τι χρήσιμο θα μπορούσαν να κάνουν με την εργασία".

Τελικά, οι Weinberg και Salam - οι οποίοι είχαν δείξει ότι είχε κάνει λάθος ο Higgs - χρησιμοποίησαν το μηχανισμό Higgs για να κάνουν μία από τις μεγαλύτερες σημαντικές ανακαλύψεις στην ιστορία της φυσικής, όταν συνδύασαν τις ασθενείς και τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις σε μια ενιαία δύναμη την ηλεκτρασθενή. Οι Weinberg, Salam και ένας αμερικανός φυσικός, ο Sheldon Glashow, μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ του 1979 για τη φυσική για αυτήν την εργασία, και το μποζόνιο Higgs έγινε κομμάτι της φυσικής σωματιδίων.

Αν και ο Higgs είναι λίγο γνωστός έξω από την κοινότητα της φυσικής, το όνομά του έγινε γνωστό στα βρετανικά ΜΜΕ το 2002 όταν δημοσιεύτηκε στο Scotsman μια διαφωνία του Higgs με τον Stephen Hawking. Σύμφωνα με τον Higgs, αυτός είχε κάνει μερικές παρατηρήσεις για έλλειψη επικοινωνίας μεταξύ του Hawking, που είναι πρώτιστα κοσμολόγος, και της κοινότητας των σωματιδιακών φυσικών. Τα δύο άτομα έχουν επιλύσει από τότε τις διαφορές τους, αν και ο Hawking ακόμα θεωρεί ότι το μποζόνιο Higgs δεν θα βρεθεί ποτέ.

Το υπόλοιπο δεν είναι εντελώς ιστορία, επειδή κανένας δεν έχει βρει ακόμα το μποζόνιο Higgs. Ο Higgs και χιλιάδες άλλοι φυσικοί είναι βέβαιοι ότι θα παρουσιαστεί μια μέρα στον Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων  (LHC) του CERN. Εάν αυτό συμβεί τότε ο Higgs - και ενδεχομένως οι Englert και Brout - θα ετοιμάσουν τις βαλίτσες τους για την τελετή των βραβείων Νόμπελ στη Στοκχόλμη. Και εάν το μποζόνιο Higgs δεν μπορεί να βρεθεί στο LHC, οι φυσικοί θα έχουν ακόμα ένα τεράστιο πρόβλημα να λύσουν.