Στα χνάρια του σωματιδίου Χιγκς

Παρότι η αναζήτηση ενός υποθετικού σωματιδίου παραπέμπει σε ένα νοσταλγικό, παράξενο παραμύθι και μοιάζει δονκιχωτική, το σωματίδιο Χιγκς βρίσκεται στο επίκεντρο του «Καθιερωμένου Μοντέλου» της σωματιδιακής φυσικής.

Του Ντέιβιντ Κάιζερ*

Πριν από 50 χρόνια, οι φυσικοί της σωματιδιακής φυσικής ήρθαν αντιμέτωποι με μια αναπάντεχη πρόκληση. Τα καλύτερα μαθηματικά μοντέλα που είχαν στη διάθεσή τους μπορούσαν να ερμηνεύσουν ορισμένες από τις φυσικές δυνάμεις που διέπουν τη δομή και τη συμπεριφορά της ύλης σε θεμελιώδες επίπεδο, όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής πυρηνική δύναμη που ευθύνεται για τη ραδιενεργό διάσπαση. Τα μοντέλα αυτά, όμως, θα μπορούσαν να εφαρμοστούν μόνο εάν τα σωματίδια που περιέχονται στα άτομα δεν έχουν μάζα. Πώς θα μπορούσε, όμως, η συνύπαρξη τόσων σωματιδίων - πρωτεϊνών, ανθρώπων και πλανητών- να είναι αυτή που είναι εάν τα σωματίδια που τα απαρτίζουν είχαν μηδενική μάζα;

Κάποιοι φυσικοί σκέφτηκαν έναν έξυπνο ελιγμό: διατύπωσαν την ιδέα ότι υπάρχει ένας τύπος σωματιδίου που δεν έχει εντοπιστεί μέχρι σήμερα. Στο σωματίδιο αυτό έδωσαν το όνομα του Βρετανού φυσικού, Πίτερ Χιγκς. Για περίπου μισό αιώνα, οι φυσικοί αναζητούσαν το ασύλληπτο «σωματίδιο Χιγκς». Χάρη, όμως, στην έρευνα που διεξάγεται στο εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής CERN στη Γενεύη, η αναζήτηση φαίνεται να πλησιάζει στο τέλος της.

Με την πρώτη ματιά, η ιδέα του σωματιδίου Χιγκς μοιάζει αλλόκοτη. Αυτό που υποστήριξαν ο Χιγκς και οι συνεργάτες του είναι ότι, στην πραγματικότητα, κάθε βασικό σωματίδιο έχει μηδενική μάζα, όπως ακριβώς απαιτούν τα μαθηματικά μοντέλα. Συνεπώς, όλα τα σωματίδια μπορούν να κινούνται κανονικά στο χώρο με την ταχύτητα του φωτός. Ας υποθέσουμε, όμως, ότι τα πάντα γύρω μας -όλα τα σωματίδια του σύμπαντος- είναι βυθισμένα μέσα σε μια αόρατη, τεράστια δεξαμενή γεμάτη με σωματίδια Χιγκς. Κάθε φορά που τα σωματίδια αυτά μετακινούνται από το σημείο Α στο σημείο Β, προσκρούουν συνεχώς πάνω σε σωματίδια Χιγκς, με αποτέλεσμα να επιβραδύνεται η κίνησή τους. Είναι σαν τους καταναλωτές, παραμονές Χριστουγέννων, που δυσκολεύονται να περπατήσουν στα κατάμεστα εμπορικά κέντρα. Λόγω της αργής τους αυτής κίνησης υποθέτουμε ότι τα σωματίδια έχουν μάζα.

Παρότι η αναζήτηση ενός υποθετικού σωματιδίου παραπέμπει σε ένα νοσταλγικό, παράξενο παραμύθι και μοιάζει δονκιχωτική, το σωματίδιο Χιγκς βρίσκεται στο επίκεντρο του «Καθιερωμένου Μοντέλου» της σωματιδιακής φυσικής. Όλοι οι πειραματικοί έλεγχοι του μοντέλου που έχουν γίνει μέχρι σήμερα επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις των θεωρητικών. Υπάρχουν, μάλιστα, κάποιες περιπτώσεις που τα δεδομένα της πρόβλεψης και τα δεδομένα της μέτρησης συμφωνούν μέχρι και το δωδέκατο δεκαδικό ψηφίο, γεγονός που καθιστά το Καθιερωμένο Μοντέλο ως την πιο ακριβή επιστημονική θεωρία στην ανθρώπινη ιστορία. Το μοντέλο περιγράφει επιτυχώς τις τρεις από τις τέσσερις βασικές δυνάμεις της φύσης, μόνο η βαρύτητα παραμένει εκτός των ορίων του.)

Πολλοί πιστεύουν ότι τα σωματίδια Χιγκς έπαιξαν ακόμη πιο καθοριστικό ρόλο στη δημιουργία του σύμπαντος. Η δική μου έρευνα, αλλά και πολλών άλλων φυσικών παγκοσμίως, επικεντρώνεται στις επιπτώσεις από την ύπαρξη του σωματιδίου Χικγς ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Bing Bang, οι οποίες θα μπορούσαν ενδεχομένως να εξηγήσουν το σχήμα και την εξέλιξη αυτού του σύμπαντος.

Παρ' όλα αυτά, δεν υπάρχουν ακόμη χειροπιαστές αποδείξεις για την ύπαρξη των σωματιδίων Χιγκς. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, τα σωματίδια Χιγκς σκεδάζονται (συγκρούονται) μεταξύ τους, γεγονός που συνεπάγεται ότι θα πρέπει να έχουν και αυτά μάζα.

Η πιο πρόσφατη έρευνα υποδεικνύει πως τα σωματίδια Χιγκς - εάν υπάρχουν- θα πρέπει να είμαι από τα πιο βαριά πλάσματα του υποατομικού βασιλείου, παραπάνω από 120 φορές πιο βαριά από το γνωστό πρωτόνιο.

Για να δημιουργηθεί το εν λόγω σωματίδιο στο εργαστήριο θα πρέπει τα πρωτόνια να επιταχυνθούν σχεδόν ως στην ταχύτητα του φωτός και να συγκρουστούν μεταξύ τους.

Αυτό ακριβώς κάνει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN με συχνότητα τρισεκατομμυρίων φορών ανά δευτερόλεπτο. Από αυτές τις συγκρούσεις προκύπτουν πολλών ειδών «θραύσματα», τα οποία οι φυσικοί παρακολουθούν εξονυχιστικά με τεράστιους ανιχνευτές και τα μελετούν με σύνθετους αλγόριθμους μέσω υπολογιστών.

Στην αναζήτηση των Χιγκς, οι φυσικοί συναντούν δύο εμπόδια. Πρώτον, πρέπει να διακρίνουν κάποια μοτίβα στα θραύσματα που θα μπορούσαν να προέρχονται από την παραγωγή και γρήγορη διάσπαση ενός σωματιδίου Χιγκς. Η ένδειξη που ψάχνουν οι επιστήμονες φαίνεται απολύτως λογική κατ' αρχήν, δεδομένων των όσων γνωρίζουμε για το Καθιερωμένο Μοντέλο. Το ίδιο ισχύει και για τον θόρυβο που προέρχεται από όλα τα άλλα «σκουπίδια» που εκτοξεύονται όταν συγκρούονται δύο πρωτόνια απελευθερώνοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας. Οι φυσικοί που αναζητούν λίγα Χιγκς είναι σαν να ψάχνουν ψύλλους στα άχυρα, καθώς θα πρέπει να ελέγξουν εξονυχιστικά τα στοιχεία τους αναζητώντας ανωμαλίες στα θραύσματα, οι οποίες δεν μπορούν να ερμηνευτούν βάσει των γνωστών διαδικασιών.

Το δεύτερο εμπόδιο έχει σχέση με τη στατιστική. Οι κανόνες της κβαντικής θεωρίας, πάνω στην οποία στηρίχθηκε το Καθιερωμένο Μοντέλο, είναι κατά βάση πιθανοτικοί. Αυτό σημαίνει ότι στηρίζονται σε «στατιστικές συμπτώσεις» των δεδομένων, όπως ακριβώς θα συνέβαινε με τις ρίψεις ενός κέρματος, εάν ερχόταν συνεχώς κορώνα για επτά συνεχόμενες ρίψεις.

Για να βεβαιωθεί κανείς ότι το νόμισμα είναι φυσιολογικό, χωρίς κρυφές ιδιότητες, χρειάζεται έναν ικανό αριθμό ρίψεων και έλεγχο των στοιχείων που θα προκύψουν, ούτως ώστε να διαπιστώσει ότι τα αποτελέσματα κορώνας και γραμμάτων είναι -σε μακροχρόνια βάση- σχεδόν ισοδύναμα. Εάν τα στοιχεία εξακολουθούν να υποδεικνύουν αυξημένα αποτελέσματα κορώνας μετά από χίλιες ρίψεις, τότε μπορεί να υποστηρίξει κανείς ότι το κέρμα έχει ιδιαίτερες ιδιότητες.

Το ίδιο ισχύει και για τα θραύσματα που δημιουργούνται από τις συγκρούσεις των πρωτονίων. Για να συμπεράνουν οι φυσικοί ότι οι ανωμαλίες προέρχονται πράγματι από σωματίδια Χιγκς, θα πρέπει να συγκεντρώσουν αρκετά στοιχεία για να αποκλείσουν τυχόν συμπτώσεις.

Στο CERN, δύο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών ανακοίνωσαν πρόσφατα ότι τα στοιχεία τους συνάδουν με τον εντοπισμό του σωματιδίου Χιγκς, αν και εξακολουθεί να υπάρχει μια πιθανότητα 1/2000 οι ενδείξεις να προέρχονται από συνηθισμένες διαδικασίες που δεν σχετίζονται με το Χιγκς.

Μπορεί να μην έχουμε ακόμη το σωματίδιο Χιγκς «στο τσεπάκι», αλλά τα τελευταία αποτελέσματα παρέχουν ισχυρές ενδείξεις ότι η 50ετής αναζήτηση ενός από τα πιο θεμελιώδη σωματίδια της ύλης θα έχει ευτυχή κατάληξη. Το σίγουρο είναι ότι την επόμενη φορά που θα παραχωρήσουν συνέντευξη Τύπου οι επιστήμονες του CERN, θα έχουν βαρυσήμαντες ανακοινώσεις να κάνουν.

*Ο Ντέιβιντ Κάιζερ είναι καθηγητής Φυσικής και Ιστορίας των Επιστημών στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ). Το τελευταίο του βιβλίο κυκλοφόρησε με τίτλο «How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Revival».

Copyright: Project Syndicate, 2012