Με απλά λόγια, το μποζόνιο Higgs είναι το πιο ακριβό σωματίδιο όλων των εποχών. Αν, για παράδειγμα, ένας σωλήνας κενού και μερικά λαμπρά μυαλά ήταν αρκετά για να ανακαλύψουν το ηλεκτρόνιο, η αναζήτηση του μποζονίου Higgs απαιτούσε τη δημιουργία πειραματικής ενέργειας, η οποία σπάνια βρίσκεται στη Γη. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων δεν χρειάζεται συστάσεις, καθώς είναι ένα από τα πιο διάσημα και επιτυχημένα επιστημονικά πειράματα, αλλά το προφίλ του σωματιδίου, όπως και πριν, καλύπτεται από μυστήριο για το μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού. Ονομάστηκε σωματίδιο του Θεού, ωστόσο, χάρη στις προσπάθειες κυριολεκτικά χιλιάδων επιστημόνων, δεν χρειάζεται πλέον να αποδεχτούμε την ύπαρξή του με πίστη.
Τελευταίο άγνωστο
Τι είναι το μποζόνιο Higgs και ποια είναι η σημασία της ανακάλυψής του; Γιατί έχει γίνει αντικείμενο τόσης διαφημιστικής εκστρατείας, χρηματοδότησης και παραπληροφόρησης; Για δύο λόγους. Πρώτον, ήταν το τελευταίο μη ανακαλυφθέν σωματίδιο που χρειαζόταν για την επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής. Η ανακάλυψή της σήμαινε ότι μια ολόκληρη γενιά επιστημονικών δημοσιεύσεων δεν ήταν μάταιη. Δεύτερον, αυτό το μποζόνιο δίνει σε άλλα σωματίδια τη μάζα τους, κάτι που του δίνει μια ιδιαίτερη σημασία και κάποια «μαγεία». Έχουμε την τάση να σκεφτόμαστεη μάζα ως εγγενής ιδιότητα των πραγμάτων, αλλά οι φυσικοί πιστεύουν διαφορετικά. Με απλά λόγια, το μποζόνιο Higgs είναι ένα σωματίδιο χωρίς το οποίο η μάζα δεν υπάρχει κατ' αρχήν.
Ένα ακόμη πεδίο
Ο λόγος βρίσκεται στο λεγόμενο πεδίο Higgs. Περιγράφηκε ακόμη και πριν από το μποζόνιο Χιγκς, επειδή οι φυσικοί το υπολόγισαν για τις ανάγκες των δικών τους θεωριών και παρατηρήσεων, οι οποίες απαιτούσαν την παρουσία ενός νέου πεδίου, η δράση του οποίου θα εκτεινόταν σε ολόκληρο το Σύμπαν. Η ενίσχυση των υποθέσεων με την εφεύρεση νέων στοιχείων του σύμπαντος είναι επικίνδυνη. Στο παρελθόν, για παράδειγμα, αυτό οδήγησε στη δημιουργία της θεωρίας του αιθέρα. Αλλά όσο περισσότεροι μαθηματικοί υπολογισμοί γίνονταν, τόσο περισσότεροι φυσικοί κατανοούσαν ότι το πεδίο Higgs πρέπει να υπάρχει στην πραγματικότητα. Το μόνο πρόβλημα ήταν η έλλειψη πρακτικών μέσων για την παρατήρησή του.
Στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής, τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα μέσω ενός μηχανισμού που βασίζεται στην ύπαρξη του πεδίου Higgs που διαπερνά όλο το διάστημα. Δημιουργεί μποζόνια Higgs, τα οποία απαιτούν πολλή ενέργεια, και αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες χρειάζονται σύγχρονους επιταχυντές σωματιδίων για τη διεξαγωγή πειραμάτων υψηλής ενέργειας.
Από πού προέρχεται η μάζα;
Η ισχύς των ασθενών πυρηνικών αλληλεπιδράσεων μειώνεται γρήγορα με την αύξηση της απόστασης. Σύμφωνα με τη θεωρία του κβαντικού πεδίου, αυτό σημαίνει ότι τα σωματίδια που εμπλέκονται στη δημιουργία του - τα μποζόνια W και Z - πρέπει να έχουν μάζα, σε αντίθεση με τα γλουόνια και τα φωτόνια, που δεν έχουν μάζα.
Το πρόβλημα είναι ότι οι θεωρίες μετρητών ασχολούνται μόνο με στοιχεία χωρίς μάζα. Εάν τα μποζόνια μετρητή έχουν μάζα, τότε μια τέτοια υπόθεση δεν μπορεί να οριστεί εύλογα. Ο μηχανισμός Higgs αποφεύγει αυτό το πρόβλημα εισάγοντας ένα νέο πεδίο που ονομάζεται πεδίο Higgs. Σε υψηλές ενέργειες, τα μποζόνια μετρητών δεν έχουν μάζα και η υπόθεση λειτουργεί όπως αναμένεται. Σε χαμηλές ενέργειες, το πεδίο προκαλεί σπάσιμο συμμετρίας που επιτρέπει στα στοιχεία να έχουν μάζα.
Τι είναι το μποζόνιο Higgs;
Το πεδίο Higgs παράγει σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια Higgs. Η μάζα τους δεν καθορίζεται από τη θεωρία, αλλά ως αποτέλεσμα του πειράματος, καθορίστηκε ότι είναι ίση με 125 GeV. Με απλά λόγια, το μποζόνιο Χιγκς έχει επιβεβαιώσει οριστικά το Καθιερωμένο Μοντέλο με την ύπαρξή του.
Μηχανισμός, πεδίο και μποζόνιο φέρουν το όνομα του Σκωτσέζου επιστήμονα Πίτερ Χιγκς. Αν και δεν ήταν ο πρώτος που πρότεινε αυτές τις έννοιες, αλλά, όπως συμβαίνει συχνά στη φυσική, απλά έτυχε να είναι αυτός από τον οποίο ονομάστηκαν.
Σπασμένη συμμετρία
Το πεδίο Higgs πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνο για το γεγονός ότι τα σωματίδια που δεν θα έπρεπε να έχουν μάζα. Αυτό είναι ένα καθολικό μέσο που προικίζει σωματίδια χωρίς μάζα με διαφορετικές μάζες. Μια τέτοια παραβίαση της συμμετρίας εξηγείται με αναλογία με το φως - όλα τα μήκη κύματος κινούνται στο κενό με την ίδια ταχύτητα, ενώ σε ένα πρίσμα κάθε μήκος κύματος μπορεί να διακριθεί. Αυτή είναι, φυσικά, μια εσφαλμένη αναλογία, καθώς το λευκό φως περιέχει όλα τα μήκη κύματος, αλλά το παράδειγμα δείχνει πώςη δημιουργία μάζας από το πεδίο Higgs φαίνεται να οφείλεται στο σπάσιμο της συμμετρίας. Ένα πρίσμα σπάει τη συμμετρία της ταχύτητας διαφορετικών μηκών κύματος φωτός διαχωρίζοντάς τα και το πεδίο Higgs πιστεύεται ότι σπάει τη συμμετρία των μαζών ορισμένων σωματιδίων που κατά τα άλλα είναι συμμετρικά χωρίς μάζα.
Πώς εξηγείται το μποζόνιο Higgs με απλά λόγια; Μόλις πρόσφατα οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι εάν το πεδίο Higgs υπάρχει πραγματικά, η λειτουργία του θα απαιτήσει την παρουσία ενός κατάλληλου φορέα με ιδιότητες λόγω των οποίων μπορεί να παρατηρηθεί. Θεωρήθηκε ότι αυτό το σωματίδιο ανήκε σε μποζόνια. Με απλά λόγια, το μποζόνιο Χιγκς είναι η λεγόμενη δύναμη φορέας, ίδια με τα φωτόνια, που είναι φορείς του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του Σύμπαντος. Τα φωτόνια, κατά μία έννοια, είναι οι τοπικές διεγέρσεις του, όπως το μποζόνιο Higgs είναι μια τοπική διέγερση του πεδίου του. Η απόδειξη της ύπαρξης ενός σωματιδίου με τις ιδιότητες που περίμεναν οι φυσικοί ισοδυναμούσε, στην πραγματικότητα, με την άμεση απόδειξη της ύπαρξης ενός πεδίου.
Πείραμα
Πολλά χρόνια σχεδιασμού επέτρεψαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) να γίνει απόδειξη μιας πιθανής απόρριψης της θεωρίας μποζονίων Higgs. Ένας δακτύλιος υπερισχυρών ηλεκτρομαγνητών μήκους 27 χιλιομέτρων μπορεί να επιταχύνει φορτισμένα σωματίδια σε σημαντικά κλάσματα της ταχύτητας του φωτός, προκαλώντας συγκρούσεις αρκετά ισχυρές ώστε να τα χωρίσει στα συστατικά τους, καθώς και να παραμορφώσει το χώρο γύρω από το σημείο πρόσκρουσης. Σύμφωνα με υπολογισμούς, σε μια ενέργεια σύγκρουσης αρκετά υψηλού επιπέδου, είναι δυνατό να φορτιστεί ένα μποζόνιο έτσι ώστε να διασπαστεί, και αυτό μπορεί ναθα παρακολουθήσει. Αυτή η ενέργεια ήταν τόσο μεγάλη που κάποιοι πανικοβλήθηκαν και προέβλεψαν το τέλος του κόσμου, και η φαντασίωση άλλων έφτασε τόσο μακριά που η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs περιγράφηκε ως ευκαιρία να εξετάσουμε μια εναλλακτική διάσταση.
Τελική επιβεβαίωση
Οι αρχικές παρατηρήσεις φάνηκε να διαψεύδουν πραγματικά τις προβλέψεις και δεν βρέθηκε κανένα σημάδι του σωματιδίου. Μερικοί από τους ερευνητές που συμμετείχαν στην εκστρατεία για να ξοδέψουν δισεκατομμύρια δολάρια εμφανίστηκαν ακόμη και στην τηλεόραση και δήλωσαν με πραότητα το γεγονός ότι η διάψευση μιας επιστημονικής θεωρίας είναι εξίσου σημαντική με την επιβεβαίωσή της. Μετά από αρκετό καιρό, ωστόσο, οι μετρήσεις άρχισαν να προστίθενται στη μεγάλη εικόνα και στις 14 Μαρτίου 2013, το CERN ανακοίνωσε επίσημα την επιβεβαίωση της ύπαρξης του σωματιδίου. Υπάρχουν στοιχεία που υποδηλώνουν την ύπαρξη πολλαπλών μποζονίων, αλλά αυτή η ιδέα χρειάζεται περαιτέρω μελέτη.
Δύο χρόνια αφότου το CERN ανακοίνωσε την ανακάλυψη του σωματιδίου, οι επιστήμονες που εργάζονταν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων κατάφεραν να το επιβεβαιώσουν. Από τη μια, αυτή ήταν μια τεράστια νίκη για την επιστήμη, και από την άλλη, πολλοί επιστήμονες ήταν απογοητευμένοι. Αν κάποιος ήλπιζε ότι το μποζόνιο Χιγκς θα ήταν το σωματίδιο που θα οδηγούσε σε παράξενες και υπέροχες περιοχές πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο - υπερσυμμετρία, σκοτεινή ύλη, σκοτεινή ενέργεια - τότε, δυστυχώς, αποδείχτηκε ότι δεν ήταν έτσι.
Μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Physics επιβεβαίωσε τη διάσπαση σε φερμιόνια. Το Καθιερωμένο Μοντέλο προβλέπει ότι, με απλά λόγια, το μποζόνιοΤο Higgs είναι το σωματίδιο που δίνει τη μάζα τους στα φερμιόνια. Ο ανιχνευτής του επιταχυντή CMS επιβεβαίωσε τελικά τη διάσπασή τους σε φερμιόνια - κάτω κουάρκ και τα λεπτόνια.
Μποζόνιο Χιγκς με απλά λόγια: τι είναι;
Αυτή η μελέτη επιβεβαίωσε τελικά ότι αυτό είναι το μποζόνιο Higgs που προβλέφθηκε από το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων. Βρίσκεται στην περιοχή μάζας-ενέργειας των 125 GeV, δεν έχει σπιν και μπορεί να διασπαστεί σε πολλά ελαφρύτερα στοιχεία - ζεύγη φωτονίων, φερμιόνια κ.λπ. Χάρη σε αυτό, μπορούμε με βεβαιότητα να πούμε ότι το μποζόνιο Higgs, με απλά λόγια, είναι ένα σωματίδιο που δίνει μάζα σε όλα.
Απογοητευμένος με την προεπιλεγμένη συμπεριφορά ενός στοιχείου που άνοιξε πρόσφατα. Εάν η διάσπασή του ήταν έστω και ελαφρώς διαφορετική, θα σχετιζόταν με τα φερμιόνια διαφορετικά και θα προέκυπταν νέοι δρόμοι έρευνας. Από την άλλη, αυτό σημαίνει ότι δεν έχουμε προχωρήσει ούτε ένα βήμα πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, το οποίο δεν λαμβάνει υπόψη τη βαρύτητα, τη σκοτεινή ενέργεια, τη σκοτεινή ύλη και άλλα περίεργα φαινόμενα της πραγματικότητας.
Τώρα μπορεί κανείς μόνο να μαντέψει τι τους προκάλεσε. Η πιο δημοφιλής θεωρία είναι η υπερσυμμετρία, η οποία δηλώνει ότι κάθε σωματίδιο στο Καθιερωμένο Μοντέλο έχει έναν απίστευτα βαρύ υπερσύντροφο (αποτελώντας έτσι το 23% του σύμπαντος - τη σκοτεινή ύλη). Η αναβάθμιση του επιταχυντή, διπλασιάζοντας την ενέργεια σύγκρουσής του στα 13 TeV, πιθανότατα θα καταστήσει δυνατή την ανίχνευση αυτών των υπερσωματιδίων. Διαφορετικά, η υπερσυμμετρία θα πρέπει να περιμένει την κατασκευή ενός πιο ισχυρού διαδόχου του LHC.
Περαιτέρω προοπτικές
Πώς θα είναι λοιπόν η φυσική μετά το μποζόνιο Χιγκς; Ο LHC επανέλαβε πρόσφατα τη δουλειά του με σημαντικές βελτιώσεις και είναι σε θέση να δει τα πάντα, από την αντιύλη έως τη σκοτεινή ενέργεια. Πιστεύεται ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη αποκλειστικά μέσω της βαρύτητας και μέσω της δημιουργίας μάζας, και η σημασία του μποζονίου Higgs είναι το κλειδί για την κατανόηση του πώς ακριβώς συμβαίνει αυτό. Το κύριο μειονέκτημα του Καθιερωμένου Μοντέλου είναι ότι δεν μπορεί να εξηγήσει τις επιπτώσεις της βαρύτητας - ένα τέτοιο μοντέλο θα μπορούσε να ονομαστεί Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία - και ορισμένοι πιστεύουν ότι το σωματίδιο και το πεδίο Higgs θα μπορούσαν να είναι η γέφυρα που οι φυσικοί είναι τόσο απελπισμένοι να βρουν.
Η ύπαρξη του μποζονίου Higgs έχει επιβεβαιωθεί, αλλά η πλήρης κατανόησή του είναι ακόμα πολύ μακριά. Τα μελλοντικά πειράματα θα αντικρούσουν την υπερσυμμετρία και την ιδέα της αποσύνθεσής της στην ίδια τη σκοτεινή ύλη; Ή θα επιβεβαιώσουν και την τελευταία λεπτομέρεια των προβλέψεων του Καθιερωμένου Μοντέλου σχετικά με τις ιδιότητες του μποζονίου Higgs και θα τερματίσουν για πάντα αυτόν τον τομέα της έρευνας;
