Η Φυσική εξακολουθεί να κρύβεται στο μποζόνιο Higgs

Το 2012, τα σωματίδια που έσπασαν μαζί στην κυκλική σήραγγα μήκους 27 χιλιομέτρων του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων προκάλεσαν το μποζόνιο Higgs - το τελευταίο σωματίδιο που λείπει που προβλέφθηκε από το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων και η ακίδα που συγκρατεί αυτό το σύνολο εξισώσεων δεκαετιών. /P>

Αλλά κανένα άλλο νέο σωματίδιο δεν έχει υλοποιηθεί στον LHC, αφήνοντας ανοιχτά πολλά μυστήρια για το σύμπαν που το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν αντιμετωπίζει. Ακολούθησε μια συζήτηση για το αν θα κατασκευαστεί ένας ακόμη πιο τεράστιος διάδοχος του LHC —μια προτεινόμενη μηχανή 100 χιλιομέτρων σε περιφέρεια, πιθανώς στην Ελβετία ή την Κίνα— για να συνεχιστεί η αναζήτηση για νέα φυσική.

Οι φυσικοί λένε ότι υπάρχουν πολλά ακόμα που μπορούμε να μάθουμε από το ίδιο το μποζόνιο Higgs. Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι η ύπαρξη του σωματιδίου επιβεβαιώνει μια θεωρία 55 ετών για την προέλευση της μάζας στο σύμπαν. Η ανακάλυψή του κέρδισε το βραβείο Νόμπελ 2013 για τους Peter Higgs και François Englert, δύο από τους έξι θεωρητικούς που πρότειναν αυτόν τον μηχανισμό παραγωγής μάζας στη δεκαετία του 1960. Ο μηχανισμός περιλαμβάνει ένα πεδίο που διαπερνά όλο το διάστημα. Το σωματίδιο Higgs είναι ένας κυματισμός, ή κβαντική διακύμανση, σε αυτό το πεδίο Higgs. Επειδή η κβαντομηχανική μπλέκει τα σωματίδια και τα πεδία της φύσης, η παρουσία του πεδίου Higgs διαχέεται σε άλλα κβαντικά πεδία. Αυτή η σύζευξη είναι που δίνει μάζα στα συσχετισμένα σωματίδια τους.

Αλλά οι φυσικοί καταλαβαίνουν ελάχιστα για το πανταχού παρόν πεδίο Higgs, ή τη μοιραία στιγμή στο πρώιμο σύμπαν, όταν ξαφνικά μετατοπίστηκε από την μηδενική τιμή παντού (ή με άλλα λόγια, δεν υπάρχει) στην τρέχουσα, ομοιόμορφη κατάστασή του. Αυτή η μετατόπιση ή το γεγονός «σπάσιμο της συμμετρίας», κατέστησε αμέσως τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια και πολλά άλλα θεμελιώδη σωματίδια μαζικά, γεγονός που τα οδήγησε να σχηματίσουν άτομα και όλες τις άλλες δομές που φαίνονται στον κόσμο.

Μα γιατί? «Γιατί να αποφασίσει το σύμπαν να έχει αυτή την παρουσία του Χιγκς παντού; Αυτό είναι ένα μεγάλο, μεγάλο ερώτημα», δήλωσε ο Michelangelo Mangano, θεωρητικός σωματιδίων στο CERN, το εργαστήριο που στεγάζει τον LHC.

Οι φυσικοί αναρωτιούνται αν το γεγονός που σπάει τη συμμετρία Χιγκς είχε κάποιο ρόλο στη δημιουργία της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης του σύμπαντος - το ανεξήγητο γεγονός ότι υπάρχει πολύ περισσότερη ύλη από την αντιύλη. Ένα άλλο ερώτημα είναι εάν η τρέχουσα τιμή του πεδίου Higgs είναι σταθερή ή θα μπορούσε να αλλάξει ξαφνικά ξανά - μια ανησυχητική προοπτική γνωστή ως «διάσπαση κενού». Η αξία του πεδίου Higgs μπορεί να θεωρηθεί ως μια σφαίρα που βρίσκεται στον πυθμένα μιας κοιλάδας. Το ερώτημα είναι, υπάρχουν ακόμη βαθύτερες κοιλάδες στη μαθηματική καμπύλη που καθορίζει τις πιθανές τιμές του πεδίου; Αν ναι, η μπάλα τελικά θα περάσει στη χαμηλότερη, πιο σταθερή κοιλάδα, που αντιστοιχεί σε πτώση της ενέργειας του πεδίου Higgs. Μια φούσκα από το πιο σταθερό «αληθινό κενό» θα μεγάλωνε και θα περιλάμβανε το «ψευδές κενό» στο οποίο ζούσαμε, εξαλείφοντας τα πάντα.

Όχι μόνο το πεδίο Higgs είναι συνδεδεμένο με την προέλευση και τη μοίρα του σύμπαντος, αλλά η συμπεριφορά του σωματιδίου Higgs μπορεί επίσης να αποκαλύψει κρυμμένα ή αλλιώς άγνωστα σωματίδια με τα οποία αλληλεπιδρά - ίσως εκείνα που αποτελούν τη σκοτεινή ύλη που λείπει από το σύμπαν. Σε έναν επιταχυντή σωματιδίων, όταν τα σωματίδια συνθλίβονται με ταχύτητα σχεδόν φωτός, η κινητική τους ενέργεια μετατρέπεται σε ύλη, σχηματίζοντας περιστασιακά βαριά σωματίδια όπως το μποζόνιο Higgs. Αυτό το Higgs στη συνέχεια μεταμορφώνεται γρήγορα σε άλλα σωματίδια, όπως ένα ζεύγος κορυφαίων κουάρκ ή μποζονίων W, όπου η πιθανότητα κάθε αποτελέσματος εξαρτάται από την ισχύ της σύζευξης του Higgs με κάθε τύπο σωματιδίου. Η ακριβής μέτρηση των πιθανοτήτων αυτών των διαφορετικών φθορών Higgs και η σύγκριση των αριθμών με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου αποκαλύπτουν εάν λείπει κάτι, καθώς οι πιθανότητες πρέπει να αθροίζονται σε μία.

«Όσο περισσότερο μελετάμε [το Higgs], τόσο περισσότερο μπορεί να ανακαλύψουμε ότι όλη αυτή η ιστορία μπορεί να μην ταιριάζει ακριβώς όπως περιμένουμε, κάτι που θα οδηγήσει σε νέα φυσική», δήλωσε η Melissa Franklin, σωματιδιακή φυσική στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Από πειραματική άποψη, θέλουμε απλώς να φτιάξουμε ένα σωρό από αυτά και να δούμε τι θα συμβεί."

Αυτός είναι ένας λόγος που αυτή και πολλοί από τους συναδέλφους της θέλουν να κατασκευάσουν ένα μεγαλύτερο, καλύτερο μηχάνημα. Η πρώτη φάση του προτεινόμενου υπερεπιταχυντή έχει το παρατσούκλι «εργοστάσιο Χιγκς», επειδή η μηχανή θα συγκρούστηκε με ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια με ενέργειες ακριβώς συντονισμένες για να μεγιστοποιήσουν την πιθανότητα να δώσουν μποζόνια Higgs, των οποίων οι επακόλουθες διασπάσεις θα μπορούσαν να μετρηθούν λεπτομερώς. Στη δεύτερη φάση, η γιγάντια μηχανή θα συγκρούστηκε με πρωτόνια, με αποτέλεσμα πιο ακατάστατες αλλά πολύ πιο ενεργητικές συγκρούσεις.

Με τον LHC, οι περισσότερες συζεύξεις του μποζονίου Higgs με άλλα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου έχουν μετρηθεί με περίπου 20 τοις εκατό ακρίβεια, αλλά ένας μελλοντικός επιταχυντής, παράγοντας πολλά περισσότερα μποζόνια Higgs, θα μπορούσε να καθορίσει τους αριθμούς με ακρίβεια 1 τοις εκατό. Αυτό θα έδινε στους φυσικούς μια πολύ καλύτερη αίσθηση για το εάν οι πιθανότητες προστίθενται σε μία ή εάν τα μποζόνια Higgs περιστασιακά διασπώνται σε κρυμμένα σωματίδια. Επιπλέον σωματίδια που συνδέονται με το Higgs εμφανίζονται σε πολλές θεωρίες της φυσικής πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο, συμπεριλαμβανομένων των μοντέλων «δίδυμου Higgs» και «χαλάρωσης». «Δυστυχώς, υπάρχουν τόσα πολλά μοντέλα και τόσες πολλές παράμετροι που δεν υπάρχει ελπίδα για ένα θεώρημα χωρίς απώλεια», είπε ο σωματιδιακός φυσικός Matt Strassler — «απλώς μια ευκαιρία που μπορεί να κερδίσει».

Ίσως η πιο σημαντική σύζευξη που θέλουν να καταγράψουν οι φυσικοί ονομάζεται η τριπλή σύζευξη Higgs - ουσιαστικά η δύναμη της αλληλεπίδρασης του μποζονίου Higgs με τον εαυτό του. Αυτός ο αριθμός μετριέται μετρώντας σπάνια συμβάντα, που δεν έχουν δει ακόμη στον LHC, στα οποία ένα μποζόνιο Higgs διασπάται σε δύο από τον εαυτό του. Το Καθιερωμένο Μοντέλο κάνει μια πρόβλεψη για την τιμή της τριπλής σύζευξης Higgs, επομένως τυχόν μετρούμενες αποκλίσεις από αυτήν την πρόβλεψη θα σημαίνουν την ύπαρξη νέων σωματιδίων που δεν περιλαμβάνονται στο Καθιερωμένο μοντέλο και επηρεάζουν το Higgs.

Η μέτρηση της τριπλής σύζευξης Higgs θα αποκάλυπτε επίσης το σχήμα της μαθηματικής καμπύλης που καθορίζει τις διαφορετικές πιθανές τιμές του πεδίου Higgs, βοηθώντας να καθοριστεί εάν το κενό του σύμπαντός μας είναι σταθερό ή μόνο μετασταθερό - σε ένα τοπικό και όχι σε ένα παγκόσμιο ελάχιστο της καμπύλης . Εάν η πρόβλεψη του Καθιερωμένου Μοντέλου για τη σύζευξη είναι σωστή, τότε το σύμπαν είναι μετασταθερό, προορισμένο να αποσυντεθεί σε δισεκατομμύρια ή τρισεκατομμύρια χρόνια από τώρα. Αυτό δεν είναι τίποτα ανησυχητικό, αλλά μάλλον μια σημαντική ένδειξη για τη μεγαλύτερη ιστορία του σύμπαντός μας. Η ικανότητα αποκάλυψης της μοίρας του σύμπαντος είναι ο λόγος για τον οποίο η τριπλή σύζευξη Higgs "βρίσκεται στην καρδιά του πειραματικού προγράμματος στους μελλοντικούς επιταχυντές", δήλωσε ο Cédric Weiland, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ που μελέτησε αυτήν τη σύζευξη.

Με ένα εργοστάσιο Higgs, είπε ο Weiland, οι φυσικοί θα μπορούσαν να μετρήσουν την τριπλή σύζευξη Higgs με ακρίβεια 44 τοις εκατό. Ο επιταχυντής δεύτερης φάσης πρωτονίου-πρωτονίου θα μπορούσε να ρίξει την τιμή του εντός 5 τοις εκατό.

Η βασική προσδοκία είναι ότι οι μετρήσεις σε έναν μελλοντικό επιταχυντή θα επιβεβαιώσουν απλώς το Καθιερωμένο Μοντέλο, το οποίο φαίνεται απογοητευτικά άθραυστο, ακόμη κι αν παρέχει μια ελλιπή περιγραφή του φυσικού σύμπαντος. Μερικοί φυσικοί αμφισβητούν την προοπτική να επενδύσουν δισεκατομμύρια δολάρια σε μια μηχανή που θα μπορούσε απλώς να προσθέσει περισσότερα δεκαδικά ψηφία ακριβείας στις γνώσεις μας για ένα υπάρχον σύνολο εξισώσεων.

Οι φυσικοί και οι χρηματοδοτικοί οργανισμοί θα συζητήσουν ενεργά την αξία ενός διαδόχου του LHC τα επόμενα χρόνια. Το αν θα ξοδέψουμε 20 χρόνια και τόσα δισεκατομμύρια δολάρια για την κατασκευή ενός επιταχυντή περιφέρειας 100 χιλιομέτρων εξαρτάται από τη δυνατότητα ανακάλυψής του. Οι προηγούμενοι συγκρουόμενοι χτύπησαν ένα προς ένα τα κομμάτια του παζλ του Standard Model. Αλλά με αυτό το παζλ ολοκληρωμένο, δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι μια μελλοντική μηχανή θα βρει κάτι νέο, αφήνοντας τους φυσικούς με ένα δίλημμα:να κατασκευάσουν ή να μην κατασκευάσουν;