Είναι το CERN κοντά στην ανακοίνωση του αιώνα σχετικά με την πηγή της μάζας του Σύμπαντος;

"Είναι πραγματικά εκπληκτικό να ψάχνουμε σε μικροσκοπική κλίμακα, για τις συνθήκες και την κατάσταση της ύλης που υπήρχε στην αυγή του χρόνου"

Θα μπορούσαν τα νέα δεδομένα από τον επιταχυντή LHC να υπαινίσσονται την ύπαρξη ενός παράλληλου σύμπαντος; Σε μια συνάντηση της Ευρωπαϊκής Ένωσης Φυσικών στην Γκρενόμπλ φυσικοί – συμπεριλαμβανομένων και ορισμένων από το Caltech – ανακοίνωσαν ότι τα τελευταία στοιχεία από τον επιταχυντή θα μπορούσαν να υπονοούν την ύπαρξη του συνεχώς φευγαλέου μποζονίου Higgs.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, την εξαιρετικά επιτυχημένη θεωρία για το πώς αλληλεπιδρούν τα θεμελιώδη σωματίδια, το μποζόνιο Higgs έχει την ευθύνη για την τροφοδότηση κάθε άλλου σωματιδίου με μάζα. Και καθώς το τελευταίο εναπομείναν σωματίδιο που έχει προβλέψει το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν έχει ακόμα ανιχνευθεί, η ανακάλυψή του είναι ένας από τους βασικούς στόχους του LHC, τον ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων στη Γη και ίσως η πιο σύνθετη επιστημονική προσπάθεια που επιχειρήθηκε ποτέ.

Ο LHC επιταχύνει πρωτόνια γύρω από ένα υπόγειο δακτύλιο μήκους πολλών χιλιομέτρων με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, παράγοντας δύο ακτίνες πρωτονίων που πέφτουν η μία πάνω στην άλλη. Τα περισσότερα από τα πρωτόνια συνεχίζουν το ταξίδι τους ανεπηρέαστα, αλλά ένα μικρό ποσοστό από αυτά συγκρούονται μεταξύ τους, δημιουργώντας στη συνέχεια πολλά άλλα σωματίδια, σαν ένα πίδακα. Όμως αυτά τα νέα σωματίδια είναι φευγαλέα, που διασπώνται σε ελαφρύτερα σωματίδια προτού αυτά μπορέσουν να ανιχνευθούν. Η πρόκληση για τους φυσικούς είναι να ξεχωρίσουν μέσα στα δεδομένα των συγκρούσεων υπαινιγμούς για μια νέα, εξωτική φυσική από τα εμφανισθέντα νεόκοπα σωματίδια. Με το κοσκίνισμα των δεδομένων ελπίζουν δε να δώσουν έμφαση σε σημάδια που να υπονοούν και την ανακάλυψη των μποζονίων Higgs.

Ο LHC είναι εφοδιασμένος με πολλούς ανιχνευτές, αλλά οι μεγαλύτεροι και αυτοί που πρόκειται να εντοπίσουν το μποζόνιο ονομάζονται ATLAS και CMS. Και οι δύο ανιχνευτές πρόσφατα ανέφεραν αυτό που οι φυσικοί καλούν “υπερβολικά γεγονότα."

Δηλαδή, ο LHC φαίνεται να έχει δημιουργήσει λίγο περισσότερα γεγονότα από ό,τι θα αναμενόταν εάν το Higgs δεν υπάρχει. Η σύγκρουση σημειώθηκε στην περιοχή μεταξύ 130 και 150 GeV, που είναι και μονάδα μάζας μέσω της σχέσης E = mc2, που είναι το αναμενόμενο εύρος τιμών της μάζας του Higgs.

Όμως τα στοιχεία δεν είναι ακόμη στατιστικώς σημαντικά ώστε να μπορούν οι φυσικοί να το θεωρήσουν ένα καθορισμένο σήμα, πόσο μάλλον μια ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs, λέει ο Harvey Newman, καθηγητής της φυσικής.

Υπάρχουν δύο πιθανές εξηγήσεις για αυτά τα αποτελέσματα, λέει. Η αιχμή στα δεδομένα θα μπορούσαν απλώς να είναι γεγονότα υποβάθρου, που να οφείλονται σε κάποια άγνωστη πηγή ή θα μπορούσε να είναι τα πρώτα σημάδια του Higgs. «Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι πρόκειται για μια ασυνήθιστη στατιστική διακύμανση», λέει. «Αλλά εγώ δεν το νομίζω»

Ο LHC λειτουργεί πλέον με ενέργειες 7 TeV (χίλιες φορές μεγαλύτερη από 1 GeV) στο κέντρο της μάζας μεταξύ των δύο δεσμών πρωτονίων, και μπορεί να αυξηθεί σε 8 TeV το επόμενο έτος (το μέγιστο της ενέργειας είναι 14 TeV, το οποίο θα επιτευχθεί μέχρι το 2014).

Οι φυσικοί θα συνεχίσουν να ανεβάζουν στροφές στον LHC, αναβαθμίζοντας τον σε υψηλότερες ενέργειες και αυξάνοντας τον αριθμό των συγκρούσεων με σκοπό να βελτιώσουν τις πιθανότητες για να παραχθούν τα μποζόνια Higgs. Με πάρα πολλές αλληλεπιδράσεις σωματιδίων, οι φυσικοί συνεχίζουν να βρίσκονται κοντά στο Higgs, καθώς και άλλα νέα σωματίδια και αλληλεπιδράσεις. Υπάρχει μια πιθανότητα ότι από το τέλος του επόμενου έτους, μπορούν να καθορίσουν, μια για πάντα, αν υπάρχει το Higgs.

Αν αποδειχθεί ότι το Higgs δεν υπάρχει, τότε οι φυσικοί θα πρέπει να κάνουν μια σοβαρή επανεξέταση του Καθιερωμένου Μοντέλου. "Αλλά ακόμα κι αν υπάρχει το μποζόνιο, το Καθιερωμένο Μοντέλο εξακολουθεί να έχει θεμελιώδη προβλήματα”, λέει ο Newman. Για παράδειγμα, η θεωρία δεν είναι συνεπής με τον εαυτό της. "Ο πιο φυσικός τρόπος για να λύσουμε αυτά τα προβλήματα είναι με την υπερσυμμετρία."

Αποδεικτικά στοιχεία για την υπερσυμμετρία, ή SUSY, είναι επίσης κάτι που οι φυσικοί είχαν προβλέψει στον LHC. Η θεωρία προτείνει ότι κάθε θεμελιώδες σωματίδιο έχει ένα υπερσυμμετρικό εταίρο – για παράδειγμα, ο εταίρος ενός κουάρκ ονομάζεται "squark."

Υπάρχουν πολλές εκδοχές της θεωρίας, από τα απλά μοντέλα έως τα πιο περίπλοκα. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, ο LHC δεν έχει εντοπίσει οποιαδήποτε σημάδια της υπερσυμμετρίας. "Πολλά από τα μοντέλα που συμπεραίνουμε είναι απλά μοντέλα”, λέει η Μαρία Σπιροπούλου, αναπληρώτρια καθηγήτρια της φυσικής.

Έτσι, ακόμη κι αν ο κόσμος μπορεί να είναι απογοητευμένος, είναι πάρα πολύ νωρίς για να αποκλείσουμε τη θεωρία. "Ορισμένοι άνθρωποι παθαίνουν κατάθλιψη που η SUSY πρόκειται να αποκλειστεί. Αλλά είναι ακριβώς το αντίθετο – εργαζόμαστε επιβεβαιώνοντας ότι η φύση είναι πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι θα ήταν προφανές."

Τι ακριβώς είναι ένα μποζόνιο Higgs;

Το 1964, ο φυσικός Peter Higgs πρότεινε την ύπαρξη ενός πεδίου που διαπερνά όλο το σύμπαν. Ακριβώς όπως ένα μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με ρινίσματα σιδήρου, το λεγόμενο πεδίο Higgs, το οποίο διαπερνά το κενό ανάμεσα σε κάθε σωματίδιο στο σύμπαν, αλληλεπιδρά με όλα τα θεμελιώδη σωματίδια. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επιβραδύνουν ένα σωματίδιο που κινείται μέσα στο πεδίο Higgs. Επειδή ένα ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, δεν αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs τόσο πολύ, μπορεί να γλιστρά μέσα από το πεδίο με ευκολία, όπως ένα μικρό ψαράκι που κολυμπά μέσα στον ωκεανό, και, ως εκ τούτου, έχει μικρή μάζα.

Τα σωματίδια όπως τα κουάρκ ωστόσο αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs πολύ πιο έντονα, έτσι σε αυτά το πεδίο μοιάζει περισσότερο σαν ένας ωκεανός παχύρευστης μελάσας παρά με το νερό. Γι αυτό και το κορυφαίο (top) κουάρκ είναι πολύ βαρύ και δυσκίνητο, ζυγίζει πάνω από 300.000 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου. Στη φυσική, κάθε πεδίο έχει ένα σχετικό σωματίδιο. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σχετίζεται με το φωτόνιο, για παράδειγμα. Για το πεδίο Higgs, το σωματίδιο που σχετίζονται είναι το μποζόνιο Higgs. Η αλληλεπίδραση με τον εαυτό του, είναι υπεύθυνη για τη δική του μάζα.

Πέρα όμως από την ανακάλυψη του Higgs μπορεί να είναι άμεση μία από τις πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις του νέου αιώνα μας, αν ο επιταχυντής LHC παράγει νανο-μαύρες τρύπες. Σύμφωνα με την καλύτερη ερμηνεία της παρούσας φυσικής, οι νανο-μαύρες τρύπες δεν θα μπορούσαν να παραχθούν με τα επίπεδα ενέργειας του LHC που μπορεί να δημιουργήσει, αλλά θα μπορούσαν να φτιαχτούν μόνο αν ένα σύμπαν παράλληλο με το δικό μας πρόσφερε μια επιπλέον βαρυτική είσοδο.

Διάφορες εκδόσεις της θεωρίας του πολυσύμπαντος δείχνουν ότι υπάρχει τουλάχιστον ένα άλλο σύμπαν πολύ κοντά στο δικό μας, ίσως κι ένα χιλιοστό πιο μακριά μας (κατά μήκος μιας άλλης κρυμμένης διάστασης). Το γεγονός αυτό καθιστά πιθανό ότι η βαρύτητα, "διαρρέει μέσα της", κάτι που θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο για την παραγωγή της σκοτεινής ενέργειας και σκοτεινής ύλης που αποτελούν το 96% του σύμπαντος.

Πηγή: Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech)

Physics4u