Χρόνια μετά το κλείσιμο, ο σπαστήρας ατόμων των ΗΠΑ αποκαλύπτει ιδιότητες του σωματιδίου του Θεού

Σε μια επιστημονική ιστορία φαντασμάτων, ένας θρυμματιστής των ΗΠΑ έχει κάνει μια σημαντική επιστημονική συνεισφορά 3,5 χρόνια μετά το κλείσιμό του. Οι επιστήμονες αναφέρουν ότι ο επιταχυντής Tevatron στη Batavia του Ιλινόις, έδωσε νέες λεπτομέρειες σχετικά με τη φύση του φημισμένου μποζονίου Higgs - το σωματίδιο που είναι το κλειδί για την εξήγηση των φυσικών για το πώς άλλα θεμελιώδη σωματίδια παίρνουν τη μάζα τους και το κομμάτι σε μια θεωρία που ονομάζεται πρότυπο μοντέλο. Το νέο αποτέλεσμα ενισχύει την υπόθεση ότι το Higgs, το οποίο ανακαλύφθηκε σε διαφορετικό θρυμματιστή ατόμου, ταιριάζει ακριβώς στις τυπικές προβλέψεις του μοντέλου.

«Αυτό είναι ένα πολύ ενδιαφέρον και σημαντικό έγγραφο, γιατί είναι ένας διαφορετικός μηχανισμός» για την ανίχνευση των ιδιοτήτων του Higgs, λέει ο John Ellis, θεωρητικός στο King's College του Λονδίνου και στο CERN που δεν συμμετείχε στην εργασία. "Αυτό είναι το κύκνειο άσμα" για τους Tevatron, λέει.

Το Tevatron, ένας επιταχυντής σε σχήμα δακτυλίου μήκους 7 χιλιομέτρων στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi (Fermilab) στη Μπαταβία του Ιλινόις, έτρεξε από το 1983 έως τον Σεπτέμβριο του 2011. Έβλεπε υπαινιγμούς του μποζονίου Higgs αλλά ποτέ δεν ανακάλυψε το σωματίδιο. Αυτή η τιμή πήγε στους φυσικούς που εργάζονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), έναν θρυμματιστή ατόμων μήκους 27 χιλιομέτρων στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής σωματιδίων κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Ανακοίνωσαν την ανακάλυψή τους τον Ιούλιο του 2012.

Μόλις οι φυσικοί του LHC ανακάλυψαν το Higgs, κάρφωσαν τη μάζα του:125 giga-ηλεκτρον βολτ, ή περίπου 133 φορές τη μάζα του πρωτονίου. Αλλά το σωματίδιο έχει και άλλες χαρακτηριστικές ιδιότητες. Όπως όλα τα θεμελιώδη σωματίδια, το Higgs έχει μια σταθερή και κβαντισμένη ποσότητα γωνιακής ορμής ή σπιν. Έχει επίσης μια ιδιότητα συμμετρίας που ονομάζεται ισοτιμία, η οποία μπορεί να είναι είτε άρτια είτε περιττή και η οποία επηρεάζει, για παράδειγμα, τον τρόπο με τον οποίο το Higgs μπορεί να διασπαστεί σε άλλα σωματίδια. Σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο, το Higgs θα πρέπει να έχει μηδενική περιστροφή και θετική ισοτιμία. Ωστόσο, είναι κατανοητό ότι το παρατηρούμενο σωματίδιο θα μπορούσε να έχει μηδενικό σπιν και αρνητική ισοτιμία ή δύο μονάδες σπιν και θετική ισοτιμία. Πολλοί φυσικοί θα ήταν ενθουσιασμένοι αν το Higgs είχε μια τέτοια εξωτική «ισοτιμία περιστροφής», καθώς θα έδειχνε νέα φαινόμενα που δεν προβλέπονται από το τυπικό μοντέλο.

Στην πραγματικότητα, οι πειραματιστές που εργάζονται με τους δύο μεγαλύτερους ανιχνευτές σωματιδίων που τροφοδοτούνται από τον LHC - τεράστιες συσκευές που ονομάζονται ATLAS και CMS - έχουν ήδη δείξει με μεγάλη βεβαιότητα ότι το μποζόνιο Higgs έχει μηδενικό σπιν και ακόμη και ισοτιμία. Για να το κάνουν αυτό, μελέτησαν τη διάσπαση του Higgs σε γνωστά σωματίδια, όπως ένα ζεύγος φωτονίων ή ένα ζεύγος σωματιδίων μεγάλης μάζας που ονομάζονται μποζόνια Ζ. Από τις γωνιακές κατανομές αυτών των αναδυόμενων θυγατρικών σωματιδίων, οι φυσικοί μπόρεσαν να προσδιορίσουν το σπιν και την ισοτιμία του γονέα Higgs.

Οι ερευνητές που εργάζονταν με τα δεδομένα Tevatron ακολούθησαν διαφορετική προσέγγιση. Αντί να μελετήσουν τις διασπάσεις του Higgses, αναζήτησαν σημάδια ενός Higgs που παράγεται σε συνδυασμό με ένα μποζόνιο Z ή ένα μποζόνιο W, σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή πυρηνική δύναμη, όπως εξηγούν σε ένα άρθρο που εκδόθηκε στο Physical Review Γράμματα . (Το Higgs υποτίθεται ότι διασπάται σε ένα ζεύγος σωματιδίων γνωστά ως κουάρκ κάτω και κουάρκ κατά του πυθμένα.) Από τις ενέργειες και τις ροπές του Higgs και του συνεργάτη του, οι ερευνητές υπολόγισαν στη συνέχεια μια ποσότητα που ονομάζεται αμετάβλητη μάζα για το ζεύγος. Αν ο Χιγκς και ο σύντροφος γεννιούνταν από τη διάσπαση ενός μονογονικού σωματιδίου, αυτή η ποσότητα θα ήταν η μάζα αυτού του γονέα. Στην πραγματικότητα, το Higgs και ο σύντροφός του θα αναδυθούν απευθείας από το χάος της σύγκρουσης των σωματιδίων, επομένως το μητρικό σωματίδιο είναι καθαρά υποθετικό.

Ωστόσο, με τον υπολογισμό της μάζας αυτού του υποθετικού μητρικού σωματιδίου, οι ερευνητές μπόρεσαν να δοκιμάσουν διαφορετικούς συνδυασμούς σπιν και ισοτιμίας με αντιπροσώπους. Εάν το Higgs είχε «εξωτική» ισοτιμία σπιν παρά τα τυπικά χαρακτηριστικά του μοντέλου, η παρατηρούμενη αμετάβλητη μάζα θα ήταν μεγαλύτερη. Έτσι, οι ερευνητές που εργάζονται με τους δύο ανιχνευτές σωματιδίων που τροφοδοτούνται από το Tevatron - CDF και D0 - αναζήτησαν τέτοια ζεύγη υψηλής αμετάβλητης μάζας. Μη βρίσκοντας κανένα, απέκλεισαν ακόμη πιο αυστηρά εξωτικές εκδοχές του Higgs. Έτσι, παρόλο που οι φυσικοί του Tevatron δεν παρατήρησαν ποτέ το μποζόνιο Higgs, μπόρεσαν να θέσουν όρια στις ιδιότητές του.

Τεχνικά, τα νέα όρια Tevatron είναι ελαφρώς ισχυρότερα από τα όρια που έχουν τεθεί από τα πειράματα LHC, λέει ο Dmitri Denisov, ένας φυσικός στο Fermilab που εργάζεται στο D0. Αλλά η Ellis του CERN λέει ότι το ATLAS και το CMS είχαν ήδη ουσιαστικά διευθετήσει το θέμα.

Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές της Tevatron έχασαν την ευκαιρία να συλλάβουν τους ομολόγους τους LHC σχετικά με την περιστροφή και την ισοτιμία του Higgs, λέει ο Ellis. Λίγες εβδομάδες αφότου οι ερευνητές στο LHC ανακάλυψαν το Higgs, ο Ellis και οι συνεργάτες του εξήγησαν σε ένα έγγραφο πώς οι ομάδες Tevatron θα μπορούσαν να εφαρμόσουν την τεχνική αναλλοίωτης μάζας στα αρχειοθετημένα δεδομένα τους για να ακολουθήσουν τον "γρήγορο δρόμο" για τη δοκιμή της περιστροφής και της ισοτιμίας του Higgs. Για τεχνικούς λόγους, η τεχνική θα ήταν πιο ευαίσθητη στα δεδομένα Tevatron παρά στα δεδομένα LHC, εξήγησαν, επειδή το Tevatron συγκρούστηκε με πρωτόνια και αντιπρωτόνια, ενώ το LHC συγκρούστηκε με πρωτόνια και πρωτόνια. Αλλά στο τέλος, η ανάλυση Tevatron προχώρησε αργά, καθώς τα μέλη της ομάδας CDF και D0 έφυγαν για να εργαστούν στον LHC. "Αυτό το αποτέλεσμα έχει κάπως χαρακτήρα "εμείς" αντί να είναι πρώτο όπως ελπίζαμε", λέει ο Ellis.

Ο Ντενίσοφ συμφωνεί ότι η έλλειψη ανθρώπων εμπόδισε την πρόοδο. Σημειώνει ότι η όλη ιδέα θα μπορούσε να είχε δοκιμαστεί ακόμη και πριν βρεθεί το Higgs:«Αν [Ellis] είχε έρθει σε εμάς ένα χρόνο νωρίτερα, θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε την περιστροφή και την ισοτιμία του Higgs ακόμη και πριν ανακαλυφθεί».

Για τις σπουδές του Higgs στο Tevatron, «αυτό είναι βασικά», λέει ο Denisov. Στο μεταξύ, οι φυσικοί που εργάζονται στο LHC στοχεύουν να διερευνήσουν άλλες ιδιότητες του Higgs με μεγαλύτερη ακρίβεια. Συγκεκριμένα, ελπίζουν να μετρήσουν μέσα σε λίγες ποσοστιαίες μονάδες πόσο γρήγορα το Higgs διασπάται σε διαφορετικούς συνδυασμούς πιο γνωστών σωματιδίων και να το συγκρίνουν με τις τυπικές προβλέψεις μοντέλων. Οι ερευνητές λένε ότι η εργασία πρέπει να διαρκέσει περίπου 15 χρόνια.