 |
| Δείτε ΕΔΩ μια παρόμοια "ερμηνεία" |
Τα θεμέλια της σύγχρονης κατανόησης της μάζας βρίσκονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Στην καρδιά του καθιερωμένου προτύπου βρίσκεται η Λαγκρανζιανή η οποία περιγράφει πως αλληλεπιδρούν τα διάφορα σωματίδια. Από αυτή τη συνάρτηση και ακολουθώντας τους κανόνες που περιγράφει η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου οι φυσικοί έχουν τη δυνατότητα να υπολογίζουν τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου και του πως αυτά συνδέονται και σχηματίζουν σύνθετα σωματίδια όπως τα πρωτόνια. Εν συνεχεία, μπορούμε να υπολογίσουμε, τόσο για τα στοιχειώδη σωματίδια όσο και για τα σύνθετα, πως αυτά αποκρίνονται στις δυνάμεις – και δοθείσης μιας δύναμης , μπορούμε να γράψουμε την εξίσωση του Νεύτωνα F=mα. Η Λαγκρανζιανή μας λέει τι θα χρησιμοποιήσουμε στη θέση του m εδώ, και τούτο ακριβώς εννοούμε όταν μιλάμε για τη μάζα του σωματιδίου.
Πως αποκτούν μάζα ηρεμίας τα πραγματικά στοιχειώδη σωματίδια; Η εξήγηση που προτείνει η φυσική συνίσταται στο ότι οι μάζες των θεμελιωδών σωματιδίων πηγάζουν από τις αλληλεπιδράσεις με το πεδίο Higgs. Αλλά γιατί είναι το πεδίο Higgs πανταχού παρόν στο σύμπαν; Γιατί δεν μηδενίζεται ουσιαστικά η τιμή του σε κοσμικές κλίμακες, όπως συμβαίνει με εκείνη του Η/Μ πεδίου; Τι είναι εντέλει το πεδίο Higgs;
Το πεδίο Higgs είναι ένα κβαντικό πεδίο, όπως και το Η/Π πεδίο. Ωστόσο το πεδίο Higgs διαφέρει από όλα τα άλλα κβαντικά πεδία σε τρεις κρίσιμες απόψεις....
Η πρώτη διαφορά αναφέρεται στο σπιν που χαρακτηρίζει τα σωματίδια που σχετίζονται με τα πεδία. Το μποζόνιο Higgs είναι το μόνο που έχει σπιν μηδέν. Έτσι το πεδίο Higgs μπορεί να εμφανίζεται στη Λαγκρανζιανή κατά διαφορετικούς τρόπους απ’ ότι τα υπόλοιπα σωματίδια, γεγονός το οποίο καθιστά δυνατά – και οδηγεί στα άλλα δυο διακριτικά του γνωρίσματα.
Η δεύτερη μοναδική ιδιότητα του πεδίου Higgs εξηγεί πως και γιατί έχει το εν λόγω πεδίο μη μηδενική ένταση σε ολόκληρο το σύμπαν. Στην περίπτωση του πεδίου Higgs, η ενέργεια του σύμπαντος ελαχιστοποιείται όταν το πεδίο δεν μηδενίζεται, αλλά έχει παντού μια σταθερή μη μηδενική τιμή.
Το τελευταίο χαρακτηριστικό γνώρισμα του πεδίου Higgs συνίσταται στην μορφή των αλληλεπιδράσεών του με τα υπόλοιπα σωματίδια. Όσα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs συμπεριφέρονται σαν να έχουν μάζα ανάλογη με την ένταση του πεδίου πολλαπλασιασμένη επί τη σταθερά σύζευξης της αλληλεπίδρασης. Οι μάζες προκύπτουν από τους όρους της Λαγκρανζιανής που περιγράφουν την αλληλεπίδραση των σωματιδίων με το πεδίο Higgs.
Όμως ακόμη δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα πόσων ειδών πεδία Higgs υπάρχουν. Μολονότι το καθιερωμένο πρότυπο προϋποθέτει μόνο ένα πεδίο για να παραγάγει τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων, είναι γνωστό ότι το πρότυπο θα ξεπεραστεί. Ήδη τα Υπερσυμμετρικά Καθιερωμένα Πρότυπα προβάλλουν ως προεκτάσεις του καθιερωμένου προτύπου. Στο υπερσυμμετρικό πρότυπο χρειάζονται τουλάχιστον δυο διαφορετικά είδη πεδίων Higgs. Οι αλληλεπιδράσεις με αυτά τα πεδία δίνουν στα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου τη μάζα τους. Παράλληλα δίνουν και στους υπερσυντρόφους κάποιο μέρος (αλλά όχι όλη) της μάζας τους. Τα δυο πεδία Higgs παράγουν πέντε ειδών μποζόνια Higgs: 3 ηλεκτρικώς ουδέτερα και 2 φορτισμένα. Οι μάζες των σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα, οι οποίες είναι μικρές σε σύγκριση με εκείνες των υπόλοιπων σωματιδίων, θα μπορούσαν να προκύπτουν μάλλον έμμεσα από αυτές τις αλληλεπιδράσεις ή από ένα τρίτο είδος πεδίου Higgs.
Οι θεωρητικοί έχουν αρκετούς λόγους ώστε να πιστεύουν ότι εικόνα των Υπερσυμμετρικών Καθιερωμένων Προτύπων για την αλληλεπίδραση Higgs ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα.
Πρώτον, χωρίς τον μηχανισμό Higgs τα μποζόνια W και Ζ θα έμεναν χωρίς μάζα και η ασθενής αλληλεπίδραση θα ήταν εξίσου ισχυρή με την Η/Μ.
Δεύτερον, ουσιαστικά όλες οι πλευρές του καθιερωμένου προτύπου έχουν ελεγχθεί σε ικανοποιητικό βαθμό, και μια τέτοια επιβεβαιωμένη θεωρία είναι δύσκολο να τροποποιηθεί μόνο σε ένα μέρος της (τον μηχανισμό Higgs) χωρίς να επηρεαστεί το υπόλοιπο. Για παράδειγμα, η ανάλυση των μετρήσεων ακριβείας των ιδιοτήτων των μποζονίων W και Ζ, οδήγησαν στην ακριβή πρόβλεψη της μάζας του κορυφαίου κουάρκ προτού αυτό παραχθεί άμεσα. Η τροποποίηση του μηχανισμού Higgs θα ανέτρεπε αυτήν και άλλες επιτυχείς προβλέψεις.
Τρίτον, ο μηχανισμός Higgs του Καθιερωμένου Προτύπου αποδίδει εξαίρετα όσον αφορά την πρόσδοση μαζών σε όλα τα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου, κάτι που δεν ισχύει στις εναλλακτικές προτάσεις. Επίσης, το Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο προσφέρει ένα πλαίσιο που επιτρέπει την ενοποίηση της κατανόησης των δυνάμεων της φύσης.
Τέλος το ΥΚΠ μπορεί να εξηγήσει γιατί η ενεργειακή «κοιλάδα» του σύμπαντος έχει το σχήμα που απαιτεί ο μηχανισμός Higgs. Ενώ στο καθιερωμένο πρότυπο το σχήμα της κοιλάδας πρέπει να εισαχθεί ως αξίωμα, στο ΥΚΠ το σχήμα μπορεί να εξαχθεί μαθηματικώς.
Η ιδέα ότι η μάζα προκύπτει από τις αλληλεπιδράσεις Higgs μπορεί να ελεγχθεί πειραματικά. Υπάρχουν 3 βασικά χαρακτηριστικά που μπορούμε να ελέγξουμε.
Πρώτον, να ανιχνεύσουμε τα σωματίδια Higgs.
Δεύτερον, αφού ανιχνευθούν τα μποζόνια Higgs, θα μπορέσουμε να παρατηρήσουμε πως αλληλεπιδρούν αυτά με τα υπόλοιπα σωματίδια. Τις ιδιότητες τούτων των αλληλεπιδράσεων τις καθορίζουν οι ίδιοι ακριβώς όροι της Λαγκρανζιανής που καθορίζουν τις μάζες των σωματιδίων. Έτσι, θα έχουμε τη δυνατότητα να διεξαγάγουμε πειράματα για να ελέγξουμε ποσοτικά την παρουσία όρων αλληλεπίδρασης. Η σταθερά ζεύξης της αλληλεπίδρασης και το μέγεθος της μάζας του σωματιδίου συνδέονται κατά μονοσήμαντο τρόπο.
Τρίτον, τα διαφορετικά σύνολα πεδίων Higgs, συνεπάγονται διαφορετικά σύνολα μποζονίων Higgs μα ποικίλες ιδιότητες. Οι ισχυροί επιταχυντές θα ξεκαθαρίσουν και αυτό το θέμα.
Σε ότι αφορά τη σκοτεινή ύλη, από τα σωματίδια του Υπερσυμμετρικού Καθιερωμένου Προτύπου σημαντικότερος αναδεικνύεται ο «ελαφρότερος υπερσύντροφος». Οι περισσότεροι υπερσύντροφοι διασπώνται ταχύτατα σε υπερσυντρόφους χαμηλότερων μαζών, μια αλυσίδα διασπάσεων η οποία καταλήγει στον ελαφρότερο υπερσύντροφο, που χαρακτηρίζεται από σταθερότητα επειδή δεν υπάρχει ελαφρότερο σωματίδιο στο οποίο θα μπορούσε να διασπαστεί. (Όταν διασπάται ένας υπερσύντροφος, μεταξύ των προϊόντων της διάσπασής του θα πρέπει να περιλαμβάνεται τουλάχιστον ένας άλλος υπερσύντροφος. Οι υπερσύντροφοι απαγορεύεται να διασπαστούν αποκλειστικά και μόνο σε σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου). Έτσι, ο ελαφρότερος υπερσύντροφος εμφανίζεται ως ο επικρατέστερος υποψήφιος που διεκδικεί το ρόλο των σωματιδίων από τα οποία σύγκειται η σκοτεινή ύλη.
Τα μποζόνια Higgs ενδέχεται να επηρεάζουν και άμεσα την ποσότητα σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Τα δυο βασικά πεδία Higgs του ΥΚΠ δίνουν μάζα στα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου και μέρος της μάζας των υπερσυντρόφων, μεταξύ των οποίων συγκαταλέγεται και ο ελαφρότερος υπερσύντροφος. Οι υπερσύντροφοι αποκτούν περισσότερη μάζα μέσω πρόσθετων αλληλεπιδράσεων, οι οποίες πιθανόν να συντελούνται με άλλα πεδία Higgs πέραν των προαναφερθέντων ή με πεδία παρόμοια με το Higgs. Αυτά αναμένεται να ξεκαθαρίσουν στον LHC.
Από τις αλληλεπιδράσεις με πεδία τύπου Higgs μπορεί επίσης να προκύπτουν και μάζες των νετρίνων.
Έτσι, έχουμε πλέον κατανοήσει τους 3 τρόπους με τους οποίους προκύπτει η μάζα: Η βασική μορφή μάζας που μας είναι οικεία – εκείνη των πρωτονίων και των νετρονίων, κατά συνέπεια των ατόμων – πηγάζει από την κίνηση των κουάρκ. Η μάζα των πρωτονίων θα είχε περίπου την ίδια τιμή ακόμη κι αν έλλειπε το πεδίο Higgs. για τις μάζες ωστόσο των ίδιων των κουάρκ καθώς και για τη μάζα του ηλεκτρονίου, ευθύνεται καθ’ ολοκληρία το πεδίο Higgs. Τέλος, όχι λιγότερο σημαντικό είναι ότι κατά το μεγαλύτερό τους μέρος οι μάζες των υπερσυντρόφων, κατά συνέπεια δε και η μάζα του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης (εφόσον πρόκειται για τον ελαφρότερο υπερσύντροφο), πηγάζει κυρίως από τις πρόσθετες αλληλεπιδράσεις πέραν της βασικής αλληλεπίδρασης Higgs.
Το πρόβλημα των γενιών. Την τελευταία πεντηκονταετία οι φυσικοί έδειξαν ότι ο κόσμος μας είναι φτιαγμένος από 3 σωματίδια ύλης («πάνω» κουάρκ, «κάτω» κουάρκ, ηλεκτρόνια), από δυο κβάντα δυνάμεων (φωτόνια και γλοιόνια) και από μποζόνια Higgs – μια αξιοσημείωτη και εκπληκτικά απλή περιγραφή. Εντούτοις υπάρχουν 4 ακόμη κουάρκ, 2 επιπλέον σωματίδια παρόμοια με το ηλεκτρόνιο και 3 νετρίνα. Πρόκειται για σωματίδια που είτε είναι πολύ βραχύβια είτε αλληλεπιδρούν ελάχιστα με τα υπόλοιπα 6 σωματίδια. Όλα τα σωματίδια μπορούν να ταξινομηθούν σε 3 οικογένειες:
(1) «πάνω» κουάρκ, «κάτω» κουάρκ, ηλεκτρόνιο, νετρίνο του ηλεκτρονίου
(2) «γοητευτικό» κουάρκ, «παράδοξο» κουάρκ, μιόνιο, νετρίνο του μιονίου
(3) «αληθινό» κουάρκ, «όμορφο ή πυθμένας» κουάρκ, ταυ, νετρίνο του ταυ
Τα σωματίδια κάθε οικογένειας έχουν αλληλεπιδράσεις ταυτόσημες με εκείνες των σωματιδίων των υπολοίπων οικογενειών. Διαφέρουν στο ότι τα σωματίδια της δεύτερης γενιάς είναι βαρύτερα από αυτά της πρώτης και αυτά της τρίτης ακόμη πιο βαρύτερα. Επειδή οι μάζες προκύπτουν από αλληλεπιδράσεις με το πεδίο Higgs, τα σωματίδια πρέπει να έχουν και διαφορετικές αλληλεπιδράσεις με το εν λόγω πεδίο.
Οπότε, το πρόβλημα των οικογενειών παρουσιάζει δυο σκέλη: γιατί υπάρχουν 3 οικογένειες και γιατί διαφέρουν οι οικογένειες ως προς τις μάζες έχοντας τις μάζες που έχουν;
Το Καθιερωμένο Πρότυπο και το Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο μπορούν να «χωρέσουν» την παρατηρούμενη δομή των οικογενειών, πλην όμως αδυνατούν να την εξηγήσουν (και ούτε πρόκειται). Η θεωρία των χορδών φαίνεται ικανή να λύσει τα προβλήματα αυτά.
Gordon Kane, «Τα μυστήρια της μάζας» , Scientific American, Οκτώβριος 2005
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου