skip to Main Content

ΤΟΥ ΑΛΕΞΗ ΔΕΛΗΒΟΡΙΑ

 

Το Καθιερωμένο Πρότυπο , παρ’ όλη τη μεγάλη επιτυχία που έχει σημειώσει στην περιγραφή του Μικρόκοσμου των θεμελιωδών σωματιδίων, παραμένει εντούτοις ατελές. Αν και οι περισσότερες από τις επιμέρους προβλέψεις του έχουν επανειλημμένα επιβεβαιωθεί πειραματικά στους γιγάντιους επιταχυντές της Ευρώπης και της Αμερικής, ένα βασικό συστατικό του παραμένει μέχρι σήμερα ανεπιβεβαίωτο. Πρόκειται για μια θεωρητική πρόβλεψη, η οποία σχετίζεται με ένα από τα κορυφαία και αναπάντητα ακόμη ερωτήματα που αντιμετωπίζει η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων: τι είναι αυτό που προσδιορίζει τη μάζα των σωματιδίων της ύλης; Ή, για να θέσουμε το ερώτημα διαφορετικά, βάσει ποιου φυσικού μηχανισμού τα επιμέρους σωματίδια αποκτούν τη συγκεκριμένη μάζα που γνωρίζουμε ότι έχουν και όχι κάποια άλλη; Το ηλεκτρόνιο είναι το ελαφρύτερο από τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης και το κουάρκ top το βαρύτερο. Πού οφείλεται αυτό το τεράστιο εύρος που παρατηρείται στις μάζες των θεμελιωδών δομικών λίθων του σύμπαντος; Η απάντηση των περισσότερων φυσικών σήμερα είναι μονολεκτική: στο Higgs, ένα σωματίδιο δηλαδή ή μια ομάδα σωματιδίων που προσδίδει σε όλα τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια του σύμπαντος τη μάζα τους. Το σωματίδιο Higgs αποτελεί έναν από τους ακρογωνιαίους λίθους της Φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων και είναι το μοναδικό από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου που εξακολουθεί πεισματικά να αντιστέκεται στις μέχρι τώρα προσπάθειες των ερευνητών να το ανιχνεύσουν, παρόλο που προτάθηκε εδώ και 40 τουλάχιστον χρόνια. Μεταξύ αστείου και σοβαρού, το γεγονός αυτό μάλιστα έχει τόσο εξοργίσει τους επιστήμονες και τους έχει φέρει σε τέτοια απόγνωση που, όταν ο γνωστός νομπελίστας φυσικός Leon Lederman έγραψε ένα βιβλίο για το σωματίδιο Higgs, είχε αποφασίσει να επιλέξει ως τίτλο του «Το Αναθεματισμένο Σωματίδιο» (goddamn particle)! Για ευνόητους λόγους ο εκδότης του τον απέτρεψε από αυτήν την επιλογή και ο Lederman το ονόμασε εντέλει «Το Σωματίδιο του Θεού» ή «Το Θεϊκό Σωματίδιο», ονομασία που καθιερώθηκε άμεσα!

Για να δούμε πώς προκύπτει αυτό το θεμελιώδες πρόβλημα μάζας στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων θα κάνουμε μια μικρή αναδρομή στις προσπάθειες των φυσικών για την ενοποίηση των βασικών δυνάμεων της φύσης. Η πρώτη ενοποιημένη φυσική θεωρία εμφανίστηκε στα μέσα περίπου του 19ου αιώνα, όταν ο Σκοτσέζος φυσικός James Clerk Maxwell συνειδητοποίησε ότι οι μέχρι τότε εντελώς διακριτές και φαινομενικά άσχετες μεταξύ τους ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις και φαινόμενα δεν ήταν στην πραγματικότητα τίποτα άλλο από διαφορετικές εκφάνσεις μίας μόνο βασικής αλληλεπίδρασης, της ηλεκτρομαγνητικής. Σύμφωνα με την κβαντική εκδοχή της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του Maxwell, που αναπτύχθηκε περίπου στο πρώτο μισό του 20ου αιώνα, οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων οφείλονται στην ανταλλαγή πακέτων ή κβάντων ενέργειας, που ονομάστηκαν φωτόνια.

Σχεδόν 20 χρόνια αργότερα οι θεωρητικοί φυσικοί άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι μία αντίστοιχη σχέση ίσως και να υπάρχει μεταξύ της άπειρης εμβέλειας ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και των ασθενών αλληλεπιδράσεων, τα αποτελέσματα των οποίων γίνονται εμφανή μόνο στο υποατομικό βασίλειο. Μία σχέση που θα τους επέτρεπε να προχωρήσουν σε μια νέα ενοποίηση, όπου όλα τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, καθώς και ορισμένοι τύποι ραδιενεργού διάσπασης, στους οποίους οφείλεται μεταξύ άλλων και η παραγωγή ενέργειας στο εσωτερικό των άστρων, θα ήταν όλα διαφορετικές εκφάνσεις μίας μόνο αλληλεπίδρασης που ονομάστηκε – τι άλλο; – ηλεκτρασθενής. Η επονομαζόμενη ηλεκτρασθενής συμμετρία, που σχετίζει μεταξύ τους τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις, σε καθημερινά φαινόμενα που αφορούν σε χαμηλές ενέργειες είναι, όπως λένε οι φυσικοί, «σπασμένη» ή «κρυμμένη». Αυτό αποδεικνύεται και από το γεγονός ότι τόσο η επιμέρους ισχύς αυτών των αλληλεπιδράσεων, όσο και η εμβέλειά τους είναι εντελώς διαφορετικές. Στις τεράστιες όμως ενέργειες του νεαρού σύμπαντος η συμμετρία που τις ενοποιεί «αποκαθίσταται» και οι δύο αλληλεπιδράσεις «γίνονται» μία. Γι’ αυτό και, όπως ευελπιστούν οι επιστήμονες, τα πειράματα που θα αρχίσουν σύντομα να διεξάγονται στο νέο επιταχυντή LHC του CERN αναμένεται να αναδημιουργήσουν τις τεράστιες αυτές ενέργειες, φανερώνοντας την ηλεκτρασθενή συμμετρία σε όλο της το μεγαλείο και αποδεικνύοντας ότι οι ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις δεν είναι στην ουσία τίποτα άλλο από μία μόνο ενοποιημένη ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση.

Δυστυχώς, το μαθηματικό πλαίσιο που περιέγραφε αυτήν την ηλεκτρασθενή θεωρία στην αρχική της μορφή αντιμετώπιζε ένα σοβαρό πρόβλημα, καθώς απαιτούσε, μεταξύ άλλων, τα σωματίδια-φορείς αυτής της ευρύτερης ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης να μην έχουν μάζα. Και μπορεί αυτό να μην αποτελεί πρόβλημα για το φωτόνιο, το σωματίδιο-φορέα της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης που έχει μηδενική μάζα έτσι κι αλλιώς, για την ασθενή αλληλεπίδραση όμως, η οποία οφείλεται στην ανταλλαγή των μποζονίων W και Ζ, που τηρουμένων των αναλογιών, έχουν τεράστια μάζα, αυτό ήταν ένα σοβαρό πρόβλημα. Πολύ περισσότερο, όταν οι φυσικοί προσπάθησαν να διατυπώσουν θεωρίες που περιέγραφαν τα στοιχειώδη σωματίδια και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις, οι απλούστερες από αυτές «απαιτούσαν» και οι μάζες των σωματιδίων ύλης να είναι μηδενικές, γεγονός που προφανώς ερχόταν σε πλήρη αντίθεση με την πραγματικότητα. Η λύση αυτού του παράδοξου οφείλεται στην πρωτοποριακή έρευνα των φυσικών Peter Higgs, Robert Brout και Francois Englert, οι οποίοι πρότειναν το εξής εκπληκτικό: αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η αρχέγονη σούπα των στοιχειωδών σωματιδίων αποτελούνταν από σωματίδια χωρίς μάζα. Καθώς όμως το σύμπαν διαστελλόταν και η θερμοκρασία του μειωνόταν, έφτασε μια «κρίσιμη» θερμοκρασία όπου μπήκε σε λειτουργία ο περίφημος μηχανισμός Higgs, όπως ονομάστηκε προς τιμή του Βρετανού φυσικού που τον εισήγαγε, «σπάζοντας» την ηλεκτρασθενή συμμετρία και «εφοδιάζοντας» τα στοιχειώδη σωματίδια με τη μάζα τους. Σύμφωνα με τη λύση που πρότεινε ο Higgs και οι συνάδελφοί του, ολόκληρο το σύμπαν «διαποτίζεται» από ένα πεδίο, αντίστοιχο κατά μια έννοια με το ηλεκτρομαγνητικό. Καθώς τα διάφορα σωματίδια κινούνται μέσα στο χώρο διασχίζοντας το πεδίο αυτό, κάποια από αυτά αλληλεπιδρούν μαζί του και φαίνεται ότι αποκτούν μάζα. Όσο μάλιστα περισσότερο αλληλεπιδρούν, τόσο μεγαλύτερη είναι και η μάζα που αποκτούν, ενώ εκείνα που δεν αλληλεπιδρούν καθόλου παραμένουν χωρίς μάζα. Σύμφωνα όμως με την κβαντική θεωρία, κάθε πεδίο σχετίζεται και με ορισμένα σωματίδια, όπως για παράδειγμα το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με τα φωτόνια. Θα πρέπει επομένως να υπάρχει και ένα σωματίδιο, το μποζόνιο Higgs, το οποίο να αντιστοιχεί στο προαναφερόμενο πεδίο.

Τι είναι επομένως αυτό που προσδιορίζει τη μάζα των σωματιδίων της ύλης; Μια αναλογία που χρησιμοποιείται συχνά, προκειμένου να περιγράψει το Μηχανισμό Higgs με πιο εύληπτο τρόπο, είναι και η εξής: υποθέστε ότι είστε καλεσμένοι σε μια δεξίωση στο Hollywood. Η μεγάλη αίθουσα των δεξιώσεων είναι γεμάτη προσκεκλημένους, οι οποίοι λίγο έως πολύ είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι, καλύπτοντας όλη την αίθουσα, ακριβώς όπως το πεδίο Higgs «καλύπτει» το σύμπαν. Όταν όμως φτάσει στη δεξίωση ο πάντα αργοπορημένος αλλά επιφανής αστέρας του κινηματογράφου, παρατηρείται το εξής φαινόμενο. Οι καλεσμένοι που βρίσκονται πλησιέστερα στην είσοδο αρχίζουν να μαζεύονται γύρω του. Καθώς ο γνωστός αστέρας αρχίζει να κινείται διασχίζοντας την αίθουσα, «έλκει» προς το μέρος του εκείνους τους καλεσμένους που βρίσκονται πιο κοντά του, ενώ εκείνοι τους οποίους προσπέρασε επιστρέφουν στα δικά τους «πηγαδάκια». Εξαιτίας όμως του αριθμού των ατόμων που κάθε φορά μαζεύονται γύρω του, ο αστέρας όσο κινείται μέσα στην αίθουσα είναι δύσκολο να σταματήσει, όταν όμως σταματήσει είναι δύσκολο να συνεχίσει να κινείται, καθώς οι διάφοροι καλεσμένοι του πιάνουν κουβέντα ή θέλουν να φωτογραφηθούν μαζί του. Αποκτά με άλλα λόγια μεγαλύτερη μάζα και μεγαλύτερη ορμή αφού, στην κλασική φυσική η αντίσταση ενός σώματος σε ό,τι έχει την τάση να αλλάξει την κινητική του κατάσταση εξαρτάται από τη μάζα του. Αυτό λοιπόν το φαινόμενο συσσώρευσης ατόμων γύρω από τον αστέρα, που τον «δυσκολεύει» στη μεταβολή της κινητικής του κατάστασης, αφού του αυξάνει τη μάζα, είναι, τηρουμένων των αναλογιών, ο μηχανισμός Higgs που προσδίδει μάζα σε όλα τα σωματίδια. Εάν υποθέσουμε τώρα ότι αντί για τον αστέρα του κινηματογράφου διαδίδεται από τη μια άκρη της αίθουσας στην άλλη ένα κουτσομπολιό, προκαλούνται κατά τόπους αντίστοιχες συσσωρεύσεις, οι οποίες όμως αυτήν τη φορά παρατηρούνται μόνο μεταξύ των καλεσμένων. Οι συσσωρεύσεις αυτές του «πεδίου» των καλεσμένων αντιστοιχούν στο σωματίδιο Higgs του ομώνυμου πεδίου.
Δυστυχώς, σαράντα χρόνια και πλέον μετά τη θεωρητική πρόβλεψη της ύπαρξης του  μποζονίου Higgs και παρά τις συνεχείς έρευνες, οι φυσικοί δεν έχουν κατορθώσει ως σήμερα να αποδείξουν άμεσα την ύπαρξη του σωματιδίου του Θεού. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Αδρονίων (LHC), η λειτουργία του οποίου αναμένεται να ξεκινήσει ακόμα και μέσα στον Αύγουστο, θεωρείται ότι θα δώσει επιτέλους την πολυπόθητη απάντηση. Μια σύντομη εισαγωγή σ’ αυτό το μεγαλύτερο πείραμα στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων θα παρουσιαστεί στο Θέμα του Σεπτεμβρίου

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back To Top