Αν δεν υπήρχε το μποζόνιο Higgs, αυτή η παρατήρηση θα ήταν η βόμβα

Αναρωτηθήκατε ποτέ τι θα είχαν κάνει οι φυσικοί των σωματιδίων αν δεν υπήρχε το μποζόνιο Higgs; Ακόμη και πριν πυροδοτήσουν τον θρυμματιστή ατόμων που πριν από 2 χρόνια εκτόξευσε το Higgs—τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) 5,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής σωματιδίων, CERN, κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας— οι ερευνητές είπαν ότι αν δεν το βρήκαν αυτό πολυπόθητο λατομείο, δεν θα ήταν ολοκληρωτική καταστροφή. Αν δεν υπήρχε Χιγκς, είπαν, τότε μια συγκεκριμένη συνηθισμένη αλληλεπίδραση σωματιδίων θα έπρεπε αντ 'αυτού να πάει χαμένη και να υπαινίσσεται οτιδήποτε έκανε η φύση για να τα βγάλει πέρα ​​χωρίς το Χιγκς. Τώρα, οι φυσικοί στο LHC εντόπισαν τη σπάνια αλληλεπίδραση σε αυτό το θεώρημα «μη απώλεια», το οποίο είναι γνωστό ως σκέδαση WW.

«Είμαι ενθουσιασμένη», λέει η Barbara Jäger, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Tübingen στη Γερμανία που δεν συμμετείχε στο έργο. Φυσικά, τώρα που οι φυσικοί γνωρίζουν ότι υπάρχει το Higgs, δεν περιμένουν ότι η διασπορά του Παγκόσμιου Πολέμου θα γίνει απογοητευτική. Ωστόσο, θα μπορούσε να παίξει σημαντικό ρόλο στο κυνήγι της νέας φυσικής, καθώς οι επιστήμονες αναζητούν αποκλίσεις από τις προβλέψεις του επικρατούντος τυπικού μοντέλου του πεδίου. Αυτή η προσέγγιση θα συμπλήρωνε τις μελέτες του ίδιου του Higgs, λέει ο Jäger.

Το μποζόνιο Higgs είναι το κλειδί για την εξήγηση των φυσικών για το πώς όλα τα στοιχειώδη σωματίδια - όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια - παίρνουν τις μάζες τους. Οι θεωρητικοί υποθέτουν ότι κατά τα άλλα σωματίδια χωρίς μάζα αλληλεπιδρούν με ένα κβαντικό πεδίο λίγο σαν ένα ηλεκτρικό πεδίο που αποτελείται από μποζόνια Χιγκς που κρύβονται «εικονικά» στο κενό. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις δίνουν σε κάθε τύπο σωματιδίου μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας και, χάρη στη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν E =mc, μάζα.

Αυτό μπορεί να φαίνεται σαν μεγάλος κόπος για να γίνει ένα σωματίδιο μαζικό. Αλλά αντιμετωπίζει ένα μεγάλο πρόβλημα με τα σωματίδια που ονομάζονται μποζόνιο W και μποζόνιο Z, τα οποία μεταφέρουν την ασθενή πυρηνική δύναμη που είναι υπεύθυνη για ένα είδος ραδιενεργής διάσπασης. Αυτά τα σωματίδια ζυγίζουν 86 και 97 φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο, αντίστοιχα. Στα μαθηματικά του καθιερωμένου μοντέλου, ωστόσο, οι θεωρητικοί δεν μπορούν απλώς να εισαγάγουν μάζες για το W και το Z, καθώς αυτό θα χαλούσε μια βασική μαθηματική συμμετρία που εξηγεί πώς προκύπτει αρχικά η ασθενής δύναμη. Ξεκινώντας με σωματίδια χωρίς μάζα που αλληλεπιδρούν με ένα πεδίο, ο μηχανισμός Higgs διατηρεί αυτή τη συμμετρία, ενώ εξαντλεί το W και το Z με τις μάζες τους.

Αυτή η σύνδεση εξηγεί επίσης τη σημασία που είχε η σκέδαση του WW ως εναλλακτική λύση στην εύρεση του Higgs. Ας υποθέσουμε ότι δύο πρωτόνια συγκρούονται. Σπάνια, ένα κουάρκ στο ένα πρωτόνιο και ένα κουάρκ στο άλλο θα ακτινοβολούν ένα μποζόνιο W. Αυτά τα μποζόνια W μπορούν να αναπηδήσουν ή να διασκορπιστούν το ένα από το άλλο, είτε συντρίβοντας απευθείας το ένα με το άλλο είτε ανταλλάσσοντας κάποιο άλλο κβαντικό σωματίδιο. Χάρη στην κβαντική παραξενιά, η διαδικασία κατά την οποία τα δύο W ανταλλάσσουν ένα Higgs εξουδετερώνει αυτά με τα οποία αναπηδούν ο ένας από τον άλλο ή ανταλλάσσουν ένα Z, όπως δύο κύματα που κυματίζουν σε μια λίμνη μπορούν να ακυρώσουν το ένα το άλλο. Αυτή η παρεμβολή διατηρεί το ρυθμό σκέδασης WW χαμηλό.

Εάν το Higgs δεν υπήρχε, ωστόσο, τότε ο ρυθμός σκέδασης του WW θα πρέπει να εκτοξευτεί στα ύψη πάνω από μια ορισμένη ενέργεια σύγκρουσης. Πράγματι, η πιθανότητα τέτοιων συγκρούσεων θα πρέπει να υπερβαίνει το 100%. «Αν δεν υπήρχε ο Χιγκς, ξέραμε ότι κάτι έπρεπε να συμβεί εκεί γιατί ξέρουμε ότι η πιθανότητα δεν είναι μεγαλύτερη από 100%,» λέει ο Marc-André Pleier, ένας φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Άπτον της Νέας Υόρκης και ένα από 3000 πειραματιστές που εργάζονται με το ATLAS, έναν από τους τέσσερις τεράστιους ανιχνευτές που τροφοδοτούνται από τον LHC. Έτσι, οι φυσικοί προέβλεψαν ότι εκτός από την αύξηση του ρυθμού στη σκέδαση του WW, θα πρέπει να εμφανιστούν νέα εφέ:για παράδειγμα, νέοι και αποκαλυπτικοί συσχετισμοί στις τροχιές των W.

Τώρα, ο Pleier και οι συνεργάτες του εντόπισαν στοιχεία διασποράς του WW, όπως περιγράφουν σε ένα άρθρο που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters . Από τις συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων 1,5 τετρασεκατομμύριο, οι ερευνητές του ATLAS εντόπισαν 34 περιπτώσεις σκέδασης WW. Το σήμα δεν είναι ακόμα αρκετά ισχυρό για να διεκδικήσει μια οριστική ανακάλυψη, λέει ο Pleier, αλλά φαίνεται να είναι συνεπές με το τυπικό μοντέλο. Οι φυσικοί με τον αντίπαλο ανιχνευτή CMS έχουν επίσης στοιχεία για τη σκέδαση του WW, λέει ο Pleier.

Η σκέδαση WW θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση νέων σωματιδίων, όπως αυτά που προβλέπονται από ένα σχήμα που ονομάζεται υπερσυμμετρία. Τα W μπορεί να αναπηδούν το ένα από το άλλο ανταλλάσσοντας τέτοια σωματίδια, αλλάζοντας τη σκέδαση από τις τυπικές προβλέψεις μοντέλων. Αλλά διαφορετικοί τρόποι επέκτασης του τυπικού μοντέλου προβλέπουν διαφορετικές αλλαγές στη σκέδαση του WW, σημειώνει ο Jürgen Reuter, θεωρητικός στο γερμανικό εργαστήριο Ηλεκτρονίων Συγχρονών (DESY) στο Αμβούργο. Επομένως, οι φυσικοί πρέπει πρώτα να προσδιορίσουν τα πιο πολλά υποσχόμενα σήματα προς αναζήτηση, λέει:"Δεν γνωρίζουμε όλα τα καλά παρατηρήσιμα στοιχεία αυτή τη στιγμή."