Το μποζόνιο Higgs υπήρξε από τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος μας. Το χωρίς κατεύθυνση πεδίο του διαπερνά όλο τον χώρο και προσελκύει εφήμερα σωματίδια για να επιβραδυνθούν και να αποκτήσουν μάζα. Χωρίς το πεδίο Higgs, δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν σταθερές δομές. το σύμπαν θα ήταν ψυχρό, σκοτεινό και χωρίς ζωή.
Πολλοί φυσικοί ελπίζουν ότι το μποζόνιο Higgs θα τους βοηθήσει να κατανοήσουν τα φαινόμενα που δεν προβλέπονται από το καθιερωμένο μοντέλο, τον οδηγό των φυσικών στον υποατομικό κόσμο. Ενώ το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι κυρίαρχος στην πρόβλεψη των ιδιοτήτων όλων των γνωστών υποατομικών σωματιδίων, υποχωρεί στην βαρύτητα, την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, τις υπερφυσικές ταχύτητες των περιστρεφόμενων γαλαξιών, την παράλογη κυριαρχία της ύλης έναντι της αντιύλης και πολλά άλλα.
“Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το μποζόνιο Higgs ως εργαλείο για να αναζητήσουμε μια νέα φυσική που μπορεί να μην αλληλεπιδρά άμεσα με το καθιερωμένο σύνολο σωματιδίων μας”, λέει ο Darin Acosta, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα.
Τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου
Συγκεκριμένα, υπάρχει η ελπίδα ότι το μποζόνιο Higgs θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με τη σκοτεινή ύλη, που θεωρείται ότι είναι διαδεδομένη παντού, αλλά που ποτέ δεν ανιχνεύτηκε άμεσα και που ξεπερνάει την κανονική ύλη σε ποσότητα πέντε προς ένα. Αυτό το θεωρητικό σωματίδιο της σκοτεινής ύλης καθίσταται γνωστό μέσω της βαρυτικής του έλξης. Οι φυσικοί βλέπουν τα δακτυλικά τους αποτυπώματα σε όλο το σύμπαν στην ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών, τις κινήσεις των σμηνών των γαλαξιών και την κάμψη του φωτός που έρχεται από μακριά. Παρόλο που η σκοτεινή ύλη φαίνεται να είναι παντού, οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη βρει ένα εργαλείο που να μπορεί να γεφυρώσει το φωτεινό και το σκοτεινό κομμάτι του σύμπαντος (σκοτεινή ύλη – σκοτεινή ενέργεια).
Αν το πεδίο Higgs είναι ο μόνος ‘πωλητής’ μάζας στον Κόσμο, τότε η σκοτεινή ύλη πρέπει να είναι ένας πελάτης. Αυτό σημαίνει ότι το μποζόνιο Higgs, το σωματίδιο που εκφράζει το πεδίο Higgs, πρέπει να έχει κάποια σχέση με τα σωματίδια σκοτεινής ύλης.
“Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να βοηθά στην παραγωγή μποζονίου Higgs, ή ότι τα μποζόνια Higgs μπορούν να μετατραπούν σε σωματίδια σκοτεινής ύλης καθώς αποσυντίθενται”, λέει ο Acosta. “Είναι απλό να το λέμε, αλλά η πρόκληση είναι να βρούμε στοιχεία που να δείχνουν ότι αυτό συμβαίνει, ειδικά όταν τόσα πολλά μέρη της εξίσωσης είναι εντελώς αόρατα”.
Περίληψη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ορισμένων σωματιδίων που περιγράφονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο
Το σωματίδιο που δεν ήταν εκεί
Για να βρουν στοιχεία για το μποζόνιο Higgs που φλερτάρει με τη σκοτεινή ύλη, οι φυσικοί πρέπει να μάθουν πώς να βλέπουν το αόρατο. Οι φυσικοί δεν βλέπουν ποτέ απευθείας το μποζόνιο Higgs. στην πραγματικότητα, ανακάλυψαν το μποζόνιο Higgs με τον εντοπισμό των σωματιδίων που παράγει καθώς διασπάται. Τώρα, θέλουν να μετρήσουν με ακρίβεια πόσο συχνά το μποζόνιο Higgs μετασχηματίζεται σε διαφορετικούς τύπους σωματιδίων. Δεν είναι εύκολο.
“Το μόνο που μπορούμε να δούμε με τον ανιχνευτή μας είναι το τελευταίο βήμα της αποσύνθεσης, που ονομάζεται τελική κατάσταση”, λέει ο Will Buttinger, ερευνητής του CERN. “Σε πολλές περιπτώσεις, το Higgs δεν είναι ο γονέας των σωματιδίων που βλέπουμε στην τελική κατάσταση, αλλά ο παππούς.”
Το Καθιερωμένο Μοντέλο όχι μόνο προβλέπει όλες τις διαφορετικές πιθανές αποσυνθέσεις (διασπάσεις) των μποζονίων Higgs, αλλά και το πόσο ευνοϊκή είναι η κάθε διάσπαση. Για παράδειγμα, προβλέπει ότι περίπου το 60% των μποζονίων Higgs θα μετατραπεί σε ένα ζευγάρι κάτω (down) κουάρκ, ενώ μόνο το 0,2% θα μετατραπεί σε ένα ζεύγος φωτονίων. Εάν τα πειραματικά αποτελέσματα δείξουν ότι τα μποζόνια Higgs διασπώνται σε ορισμένα σωματίδια περισσότερο ή λιγότερο συχνά από ότι προβλεπόταν, θα μπορούσε να σημαίνει ότι μερικά μποζόνια Higgs γλιστρούν και μετασχηματίζονται σε σκοτεινή ύλη.
Φυσικά, αυτά τα είδη μετρήσεων ακρίβειας δεν μπορούν να πουν στους σωματιδιακούς φυσικούς αν το Higgs εξελίσσεται σε σκοτεινή ύλη ως τμήμα της πορείας διάσπασης του – μόνο ότι συμπεριφέρεται παράξενα. Για να πιάσουν το Χιγκς στην πράξη, οι φυσικοί χρειάζονται αναμφισβήτητες αποδείξεις για την σχέση του Higgs με σκοτεινή ύλη.
“Πώς βλέπουμε αόρατα πράγματα;” ρωτά ο Will Buttinger του CERN. “Με την επίδραση που έχει με ό,τι μπορούμε να δούμε.”
Για παράδειγμα, οι άνθρωποι δεν μπορούν να δουν τον άνεμο, αλλά μπορούμε να κοιτάξουμε έξω από τα παράθυρά μας και αμέσως να μάθουμε αν φυσάει με βάση το αν τα δέντρα ταλαντεύονται ή όχι. Οι φυσικοί μπορούν να αναζητήσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης με παρόμοιο τρόπο.
“Για κάθε δράση, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση”, εξηγεί ο Buttinger. “Αν βλέπουμε τα σωματίδια να απομακρύνονται προς μία κατεύθυνση, γνωρίζουμε ότι πρέπει να υπάρχει κάτι που να κινείται προς την άλλη κατεύθυνση”.
Έτσι, εάν ένα μποζόνιο Higgs μετασχηματιστεί σε ένα ορατό σωματίδιο μαζί με ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης, τότε οι μοναχικές διαδρομές των ορατών σωματιδίων θα έχουν μια περίεργη και ανεξήγητη τροχιά – μια ένδειξη ότι πιθανώς διαφεύγει ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης.
Το μποζόνιο Higgs είναι το νεότερο εργαλείο που οι επιστήμονες που έχουν για να διερευνήσουν το άγνωστο έδαφος μέσα και πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Η συνεχιζόμενη έρευνα στον επιταχυντή LHC και οι μελλοντικές αναβαθμίσεις του θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να χαρακτηρίσουν αυτό το επιφυλακτικό σωματίδιο και να μάθουν τα μυστικά του Higgs.
