Είναι το κενό πράγματι κενό; Το πεδίο Higgs και η σκοτεινή ενέργεια

Πηγή: Institute Of Physics, 11 Μαΐου 2007

Τα προβλήματα στην κατανόηση της αληθινής φύσης του "κενού" του χώρου συζητήθηκαν από το θεωρητικό φυσικό Alvaro de Rújula από το CERN, και καθηγητή της φυσικής στο πανεπιστήμιο της Βοστώνης στο συμπόσιο "Η Φυσική στην Εποχή μας", που έγινε στις 10 Μαΐου στο Παρίσι.

"Καθώς αποδεικνύεται, το κενό δεν είναι κενό - υπάρχει μια διαφορά μεταξύ του κενού και της ανυπαρξίας," δήλωσε. "Και κατά εκπληκτικό τρόπο, από όλες τις γνωστές ουσίες, το κενό είναι το πιο ελάχιστα καλά κατανοητό."

Από την άποψη της κοσμολογίας, το κενό εμφανίζεται να έχει μια ενεργειακή πυκνότητα, η οποία καλείται μερικές φορές "σκοτεινή ενέργεια" ή "κοσμολογική σταθερά", υπεύθυνη για την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Από την άποψη της σωματιδιακής φυσικής, το κενό διαπερνιέται από έναν "πεδίο Higgs" - που ονομάστηκε έτσι από το φυσικό Peter Higgs. Στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής (που έχει χαρτογραφήσει τον υποατομικό κόσμο με αξιοπρόσεκτη επιτυχία για πάνω από 30 χρόνια), οι μάζες όλων των σωματιδίων παράγονται ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεών τους με αυτό το πεδίο.

Θα πρέπει, επίσης, να είναι δυνατό να ανιχνευθούν οι διεγέρσεις του πεδίου Higgs υπό τη μορφή ενός σωματιδίου γνωστού ως "μποζόνιο Higgs". Η ανίχνευση του Higgs - το μόνο σωματίδιο στο καθιερωμένο μοντέλο που δεν έχει παρατηρηθεί πειραματικά - είναι επομένως  σήμερα μία από τις πιο σημαντικές προκλήσεις στη φυσική σωματιδίων. Οι επιστήμονες ελπίζουν να ανιχνεύσουν το σωματίδιο Higgs ή σωματίδιο του Θεού χρησιμοποιώντας το Μεγάλο Αδρονικό Συγκρουστή (LHC) του CERN, που αν πάνε όλα καλά οφείλει να ξεκινήσει το Νοέμβριο φέτος. Ο LHC θα είναι ο μεγαλύτερος επιταχυντής σωματιδίων σε παγκόσμιο επίπεδο, στον οποίο θα συγκρούονται πρωτόνια με πρωτόνια με μια συνολική ενέργεια 16 TeV για να παραγάγει μεταξύ των άλλων και αυτό που ελπίζουν οι φυσικοί, το σωματίδιο Higgs.

Ο LHC θα ψάξει επίσης για πολλά υποθετικά σωματίδια - εκτός από το μποζόνιο Higgs - μιας άλλης εξωτικής φυσικής πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο, τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Η υπερσυμμετρική επέκταση του καθιερωμένου μοντέλου προβλέπει ότι όλα τα θεμελιώδη σωματίδια - όπως τα κουάρκ, τα φωτόνια καθώς και τα ηλεκτρόνια - έχουν υπερσυμμετρικά ξαδέλφια.

Το καλύτερο επίτευγμα μέχρι σήμερα του Dr. de Rújula, σε συνεργασία με τους Sheldon Glashow και τον Howard Georgi, ήταν να κατανοήσει τις μάζες των σωματιδίων φτιαγμένων από κουάρκ. "Οι συνάδελφοί μου Arnon Dar και Shlomo Dado και εγώ επίσης πιστεύω ότι έχουμε λύσει πρόσφατα τα δύο κύρια προβλήματα της  αστροφυσικής υψηλής ενέργειας, των εκρήξεων ακτίνων γάμμα και των κοσμικών ακτίνων, αλλά οι αστροφυσικοί (ακόμα) δεν συμφωνούν με αυτό", εξήγησε ο Δρ δε Rϊjula.

Κοιτάζοντας στο μέλλον, ο Δρ de Rϊjula θεωρεί ότι ο συγκρουστής αδρονίων LHC θα μας διδάξει "κάτι θεμελιώδες". Εκτός από την ανακάλυψη του Higgs, είναι δυνατό να παραγάγει τα σωματίδια της "σκοτεινής ύλης" που παρατηρούνται έμμεσα στον Κόσμο. "Εντούτοις, ακόμα κι αν ο LHC δεν θα βρει τίποτα, αυτό πάλι θα ήταν πολύ ενδιαφέρον επειδή θα μας έλεγε ότι δεν έχουμε καταλάβει τίποτα για το κενό. Μια πλήρης έλλειψη κατανόησης προηγείται συχνά μιας επιστημονικής επανάστασης¨, συμπληρώνει.

Οι φυσικοί ξέρουν από την δεκαετία του '40, πως αυτό που ονομάζουμε κενός χώρος δεν είναι πραγματικά καθόλου κενό. Υπάρχουν κρυμμένα σωματίδια και πεδία που συνεχώς έρχονται και φεύγουν μέσα σε αυτόν, τα οποία δεν μπορούν να ανιχνευθούν άμεσα, αλλά που μπορούν όμως να προκύψουν με τη μελέτη της κίνησης και των ιδιοτήτων των υποατομικών σωματιδίων.

Η κοσμολογική σταθερά Λ είναι το αποτέλεσμα ενός νέου είδους πεδίου στη φύση, που υπάρχει στη κενή κατάσταση, και που στις τεράστιες κοσμολογικές κλίμακες προσδίδει στο κενό μια καθαρή ενέργεια. Αυτή η ενέργεια, εντούτοις, είναι αντίθετη από οποιοδήποτε είδος ενέργειας που έχουμε μέχρι τώρα μελετήσει.

Η κοσμολογική σταθερά Λ αντιμετωπίζεται σαν ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο που ονομάζεται η "ενέργεια του κενού". Με άλλα λόγια, είναι η ενέργεια του κενού διαστήματος και αυτή είναι που αναγκάζει το σύμπαν να επιταχύνεται. Νέα δεδομένα δείχνουν ότι καμία από τις φανταχτερές νέες θεωρίες που έχουν προταθεί στην τελευταία δεκαετία δεν είναι απαραίτητη για να εξηγήσει την επιτάχυνση. Κατά πάσα πιθανότητα, η κενή ενέργεια είναι η πλέον πιθανή αιτία και η ιστορία της διαστολής του σύμπαντος μπορεί να εξηγηθεί απλά προσθέτοντας αυτό το σταθερό υπόβαθρο της επιτάχυνσης στην κανονική θεωρία της βαρύτητας.

Ο τρόπος που αυτή η ενέργεια του κενού λειτουργεί είναι ο εξής: το κενό παράγει μια σταθερή πίεση σε κάθε κυβικό εκατοστόμετρο του χώρου που δεν έχει καμιά ύλη, αλλά αν ο χώρος διαστέλλεται αυξάνεται. Η φυσική πίεση του αερίου, αφ' ετέρου, θα μειωνόταν δεδομένου ότι αυξάνεται ο όγκος του χώρου. Έτσι, αυτή η νέα πίεση του κενού γίνεται αιτία, ώστε να επιταχύνεται η διαστολή του σύμπαντος, καθώς το σύμπαν μεγαλώνει.

Τα στοιχειώδη σωματίδια λέμε ότι αποκτούν τη μάζα τους κατά την αλληλεπίδρασή τους με το πεδίο Higgs. Ο μηχανισμός αυτός έχει περίπου ως εξής:

Ένα από τα βασικά σημεία της κβαντικής θεωρίας πεδίου (QFT) είναι η λεγόμενη κατάσταση κενού. Το κενό είναι μια κατάσταση στην οποία όλα τα πεδία που εμπλέκονται σε μια αλληλεπίδραση έχουν την ελάχιστη τιμή δυναμικής ενέργειας.

Γενικά έχουν μέση τιμή στην κατάσταση κενού ίση με το μηδέν. Χρησιμοποιούμε τον όρο "μέση τιμή" αντί της σκέτης λέξης "τιμή" γιατί υπάρχουν και οι κβαντικές διακυμάνσεις. 

Από την άλλη μεριά, το πεδίο Higgs είναι ένα πεδίο που βρίσκεται παντού στον χώρο αλλά έχει μέση κατάσταση κενού διάφορη του μηδενός. Ακόμα χειρότερα έχει άπειρο πλήθος από διαφορετικές μέσες τιμές της κατάστασης κενού, με κάποια συμμετρία μεταξύ τους. 

Η θεωρία πεδίου προβλέπει ότι αρκεί να επιλέξουμε μια κατάσταση κενού, αν υπάρχουν περισσότερες από μια, και η συμμετρία σπάει. Αυτό ονομάζεται αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας.

Εκείνο που συμβαίνει λοιπόν είναι ότι, όταν σπάει μια συμμετρία έχουμε την εμφάνιση σωματιδίων. Μερικά εξ αυτών έχουν μάζα και άλλα όχι. 

Όλο αυτό το θέμα είναι αρκετά μαθηματικοποιημένο και μοιάζει δύσκολο να γίνει κατανοητό, αλλά το σημαντικό είναι ότι τα πεδία που αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs αποκτούν μάζα εξαιτίας αυτού του σπασίματος της συμμετρίας, επειδή οι καταστάσεις  των κενών έχουν μη μηδενικές μέσες ενέργειες. Σημειώστε ότι μιλάμε για το πεδίο Higgs και όχι για το μποζόνιο Higgs. 

Το μποζόνιο Higgs είναι ένα σωματίδιο που εμφανίζεται ΜΕΤΑ το σπάσιμο της συμμετρίας και μπορεί να υπάρχει ακόμα και αν δεν υπάρχουν άλλα σωματίδια τριγύρω, διότι το πεδίο Higgs έχει την ενδιαφέρουσα ιδιότητα να μπορεί να αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Αυτή η αλληλεπίδραση με τον εαυτό του κάνει και το μποζόνιο Higgs να αποκτά τη δική του μάζα.