7/12/11

Πότε και πως θα ανακαλυφθεί το σωματίδιο Higgs

Ο Matt Strassler, θεωρητικός φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων περιγράφει με απλά λόγια,  στο Cosmic Variance, σε ποιο σημείο βρίσκονται οι έρευνες στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) σχετικά με την αναζήτηση του σωματιδίου Higgs και το πως αυτές θα εξελιχθούν τα επόμενα χρόνια.

Σύμφωνα με τον Matt Strassler η αναζήτηση για το σωματίδιο Higgs στον LHC χωρίζεται στην φάση 1 και φάση 2. Τώρα βρισκόμαστε στην φάση 1 και αναμένεται να ολοκληρωθεί μέχρι το τέλος του 2012. Στη συνέχεια η φάση 2 μπορεί να έχει διάρκεια μέχρι και δέκα χρόνια. Με λίγα λόγια η απάντηση στο ερώτημα υπάρχει ή δεν υπάρχει το σωματίδιο Higgs έχει πολύ δρόμο ακόμα:

Στην φάση 1 τα πειράματα ATLAS και CMS ψάχνουν για το απλούστερο δυνατό σωματίδιο Higgs....
.....Αυτή η "απέριττη έκδοση" του σωματιδίου Higgs ονομάζεται συνήθως σωματίδιο Higgs του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model Higgs), ή "SM Higgs" για συντομία.
Η φάση 1 θα ολοκληρωθεί σε ένα χρόνο περίπου ή και πολύ νωρίτερα.
Σε αυτό το χρονικό διάστημα, είτε το SM Higgs θα εμφανιστεί, ή θα αποκλειστεί μια για πάντα, στρέφοντας την πειραματική αναζήτηση σε πιο εξωτικά είδη σωματιδίων Higgs.
Έτσι κι αλλιώς βρισκόμαστε σε ένα σημείο καμπής στην εξέλιξη των προσπαθειών μας για την κατανόηση των θεμελιακών νόμων της φύσης.
Αυτή η στιγμή αναμενόταν εδώ και πάρα πολύ καιρό.
Έχω εργαστεί ως επιστήμονας για πάνω από 20 χρόνια και στο παρελθόν διάβαζα άρθρα και άκουγα διαλέξεις πολλών ειδικών σχετικά με τη σωματιδιακή φυσική.
Και τότε το σωματίδιο Higgs αποτελούσε ένα βαθύ μυστήριο. Στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου ξεχώριζε ως κάτι διαφορετικό σε σχέση με τα άλλα σωματίδια - που εισάγεται ad hoc.
Ως Καθιερωμένο Πρότυπο θεωρούμε τις εξισώσεις που χρησιμοποιούνται στον LHC για να περιγράψουν όλα τα σωματίδια και τις δυνάμεις της φύσης που γνωρίζουμε μέχρι τώρα, συμπεριλαμβανομένου και του σωματιδίου – πεδίου SM Higgs.
Υπήρχε η υποψία ότι η πλήρης ιστορία πρέπει να είναι πιο περίπλοκη.
Ήδη από την δεκαετία του 1970 και 1980 υπήρχαν υποθετικές εκδοχές των εξισώσεων του Καθιερωμένου Προτύπου που περιείχαν διάφορους τύπους σωματιδίων Higgs, και άλλες εκδοχές με ένα πιο περίπλοκο πεδίο Higgs και χωρίς σωματίδιο Higgs – με τον βασικό ρόλο του σωματιδίου Higgs να παίζεται από άλλα νέα σωματίδια και δυνάμεις.
Αλλά ο καθένας γνώριζε επίσης και το εξής: δεν θα μπορούσαμε να πάρουμε τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου, πετώντας έξω το σωματίδιο Higgs, χωρίς τίποτε στη θέση του.
Οι εξισώσεις αυτές δεν θα αποτελούσαν μια πλήρη θεωρία, δεν θα είχαν αυτοσυνέπεια.
Έτσι ήταν ευρέως γνωστό, εδώ και τριάντα χρόνια, ότι θα έπρεπε να υπάρχει στις εξισώσεις αυτές κάτι σαν το σωματίδιο Higgs για να έχουν νόημα.
Οι εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου θα απαιτούσαν σημαντικές και ιστορικές τροποποιήσεις εκτός και αν το σωματίδιο SM Higgs, βρισκόταν να έχει μάζα μικρότερη των 800 GeV /c2 (Συγκριτικά η μάζα ενός ατόμου υδρογόνου είναι περίπου 1 GeV /c2).
Η φάση 1 στην αναζήτηση του SM Higgs είναι το εύκολο κομμάτι της αναζήτησης για το σωματίδιο Higgs.
Γιατί είναι εύκολο;
Γιατί οι εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου είναι τόσο λεπτομερείς και καλά ορισμένες ώστε οτιδήποτε σχετικά με το σωματίδιο Higgs (SM) να είναι ήδη γνωστό, εκτός από ένα πράγμα:
τη μάζα του.
Πιο συγκεκριμένα αν μου πείτε την μάζα του σωματιδίου Higgs, θα μπορούσα να σας περιγράψω πως αυτό παράγεται στον LHC και με τι ρυθμό, και σε ποια σωματίδια διασπάται, πόσο συχνά και σε ποιο ποσοστό.
Αυτό κάνει εύκολη την ζωή των πειραματικών φυσικών των ομάδων ATLAS και CMS γιατί αυτό που έχουν να κάνουν είναι το εξής: να επιλέξουν μια μάζα μέσα στα επιτρεπόμενα όρια, να ζητήσουν από τους θεωρητικούς φυσικούς να υπολογίσουν τις ιδιότητες ενός σωματιδίου Higgs (SM) με αυτή τη μάζα, και να σχεδιάσουν στη συνέχεια τον καλύτερο τρόπο αναζήτησής του.
Στη συνέχεια ψάχνουν στα δεδομένα τους. Υπάρχουν στοιχεία που αποδεικνύουν την ύπαρξή του; Αν όχι, επαναλαμβάνουν συστηματικά την ίδια διαδικασία σε όλο το εύρος των πιθανών μαζών. (Στην πραγματικότητα όλες αυτές οι έρευνες γίνονται ταυτόχρονα και όχι διαδοχικά).
Όταν διερεύνηση αυτή ολοκληρωθεί – ή μόλις βρεθεί κάτι – η φάση 1 ολοκληρώνεται

H τρέχουσα κατάσταση της αναζήτησης για το σωματίδιο SM Higgs. Υπάρχει ένα κενό στο εύρος 115-141 GeV για το οποίο αναμένεται μια πρώτη ενημέρωση στις 13 Δεκεμβρίου.
Είναι πρακτικό να βλέπουμε την φάση 1 σαν τρεις μικρότερες, που πραγματοποιούνται ταυτόχρονα αλλά προσεγγίζονται με διαφορετικούς ρυθμούς - την αναζήτηση του ελαφρότερου, του ενδιάμεσου και του βαρύτερου SM Higgs.
Έχουμε τελειώσει σχεδόν με την ενδιάμεση περίπτωση – την ευκολότερη – στην οποία γίνεται αναζήτηση κυρίως ενός σωματιδίου Higgs που διασπάται σε δυο σωματίδια W ή δυο Z.
Oλόκληρο το εύρος από 141 μέχρι 470 GeV, ήδη αποκλείστηκε (σύμφωνα με τις μέχρι τώρα ανακοινώσεις των ομάδων ATLAS και CMS).
Το εύρος κάτω από τα 115 GeV , κυριαρχείται από την αναζήτηση ενός σωματιδίου Higgs που διασπάται σε δύο φωτόνια.
Για να παρατηρηθεί η εν λόγω διάσπαση, που είναι μια πολύ σπάνια διαδικασία, απαιτείται η ανάλυση πολλών δεδομένων. Έτσι για να αποκλειστεί πλήρως το εύρος αυτό θα χρειαστούν ακόμα περί τους έξι μήνες με ένα χρόνο.
Θα μάθουμε περισσότερα για το ελαφρύ Higgs στις 13 Δεκεμβρίου, στην επίσημη ενημέρωση του CERN.
Ένα ελαφρύ σωματίδιο Higgs διασπάται διαμέσου μιας πολύ σπάνιας διεργασίας σε δυο φωτόνια. Η ανακάλυψη ενός μεσαίου ή ενός βαρύτερου σωματιδίου Higgs (πάντα SM - στα πλαίσια του καθιερωμένου προτύπου) μπορεί να γίνει με μέσω της διάσπασής του σε δύο σωματίδια W ή δύο σωματίδια Ζ (καθένα από τα οποία στη συνέχεια διασπάται σε δύο άλλα σωματίδια).
Την περίπτωση του σωματιδίου Higgs με μάζα πάνω των 450 GeV, πολλοί θεωρητικοί την θεωρούν τελειωμένη, εξαιτίας έμμεσων πειραματικών αποδείξεων
Υπάρχουν διαδικασίες, που έχουν μετρηθεί προσεκτικά κατά τη διάρκεια των τελευταίων 20 ετών, που είναι έμμεσα ευαίσθητες στη μάζα του Higgs (SM). Αυτές υποδεικνύουν ότι η μάζα του Higgs πρέπει να είναι κάτω από 300-400 GeV.
Αλλά ακόμα κι αν κανείς δεν πείθεται από αυτά τα ισχυρά επιχειρήματα, το τελικό ξεκαθάρισμα θα γίνει από την ανάλυση των δεδομένων μέχρι το τέλος του επόμενου έτους.
Η φάση 1 θα ολοκληρωθεί εφόσον και τα πειραματικά δεδομένα του 2012 αναλυθούν πλήρως.
Ποια θα είναι τα πιθανά αποτελέσματα της φάσης 1:
1) Το σωματίδιο Higgs SM (Standard Model) να μην βρίσκεται στο ενδιάμεσο εύρος μαζών αλλά στο μικρότερο ή στο μεγαλύτερο εύρος.
2) Το σωματίδιο Higgs SM να αποκλειστεί εντελώς στο εύρος από 115 έως 800 GeV. (Θυμηθείτε, όμως, ότι αυτό θα δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχει σωματίδιο Higgs οποιουδήποτε τύπου - αυτό θα σημαίνει μόνο ότι δεν υπάρχει στη φύση ο απλούστερος τύπος σωματιδίου Higgs)
3) Μπορεί να βρεθεί ένα σωματίδιο σαν το Higgs – αλλά όχι σαν αυτό που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο (γιατί οι ρυθμοί παραγωγής ή οι ρυθμοί διάσπασής του είναι διαφορετικοί για την δεδομένη μάζας του).
    3α) Μπορεί να γίνουν άλλες απρόσμενες μεγάλες ανακαλύψεις στον LHC και η έρευνα για το σωματίδιο Higgs να περάσει σε δεύτερη μοίρα.
Τι θα σημαίνει το καθένα απ’ αυτά τα σενάρια;
1) Αν το Higgs (SM) βρεθεί θα είναι μια ιστορική ανακάλυψη από τον LHC, και θα επιβεβαιωθεί η απλούστερη μορφή του σωματιδίου Higgs. Aυτό ταυτόχρονα θα είναι και λίγο απογοητευτικό διότι το Καθιερωμένο Πρότυπο αφήνει πολλά και σημαντικά ερωτήματα στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων αναπάντητα και μόνον βρίσκοντας τα ελαττώματα στις εξισώσεις του θα μπορέσουμε να απαντήσουμε στα ερωτήματα αυτά.
2) Αν το Higgs (SM) αποκλειστεί, θα είναι μια ακόμα πιο ιστορική ανακάλυψη, που θα σημάνει ότι οι εξισώσεις του Καθιερωμένου Πρότυπου δεν επιβεβαιώνονται στον LHC. Για τους περισσότερους φυσικούς των στοιχειωδών σωματιδίων, αυτό θα είναι ένα πολύ πιο συναρπαστικό αποτέλεσμα! Θα υπάρξει μια μεγάλη ευκαιρία για τον LHC να μας διδάξει κάτι βαθύτερο για τη φύση που κανείς προς το παρόν δεν υποπτεύεται.
3) Αν βρεθεί κάτι διαφορετικό, ένα νέο μη - σωματίδιο Higgs (SM), αυτό θα είναι το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Δεν θα δούμε μόνο τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου να καταρρέουν, αλλά θα έχουμε μια άμεση ένδειξη - με τη μορφή νέων σωματιδίων – για το πώς πρέπει να γίνει η τροποποίησή τους. Στην περίπτωση αυτή ο LHC θα βοηθήσει να γραφούν τα νέα κεφάλαια στα εγχειρίδια της σωματιδιακής φυσικής.
    3α) Και αν κάτι άλλο απροσδόκητο εμφανιστεί στα δεδομένα του LHC, κανείς δεν πρόκειται να παραπονεθεί. Αυτό βέβαια σημαίνει την αποτυχία των εξισώσεων του καθιερωμένου προτύπου και νέα στοιχεία στα μυστήρια της φύσης.
Τελικά στην παραπάνω λίστα δεν υπάρχει κακό αποτέλεσμα!
Μια πολύ απλοποιημένη απεικόνιση του τρόπου με τον οποίο θα προχωρήσει η φάση 2 της αναζήτησης του Higgs, ανάλογα με την έκβαση της φάσης 1
Η φάση 2 μπορεί διαρκέσει μέχρι και 10 χρόνια αφότου τελειώσει η φάση 1.
Αν η φάση 1 διαπιστώσει κάτι σαν το σωματίδιο Higgs (SM), στη φάση 2 θα εξεταστούν όλα τα δεδομένα έτσι ώστε να προκύψει μεγαλύτερη ακρίβεια. Και αυτή η διαδικασία μπορεί να περιέχει εκπλήξεις και ανατροπές.
Αν η πρώτη φάση αποκλείσει το Higgs (SM) τότε με νέες στρατηγικές θα αναζητηθούν όλες οι εξωτικές μορφές σωματιδίων Higgs. Επίσης πρέπει να θυμόμαστε ότι μπορεί να μην υπάρχει κανένα σωματίδιο Higgs και στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να ενταθούν οι προσπάθειες για την εύρεση άλλων σωματιδίων και δυνάμεων που πρέπει να εισαχθούν στο Καθιερωμένο Πρότυπο ώστε οι εξισώσεις του να αποκτήσουν πάλι νόημα.
Και αν στη φάση 1 ανακαλυφθεί ένα νέο σωματίδιο Higgs (όχι SM), η φάση 2 θα περιλαμβάνει όλες τις στρατηγικές που παράγουν το νέο Higgs σε μεγάλες ποσότητες και  θα αναζητήσει περισσότερες ενδείξεις σχετικά με αυτά που δεν περιγράφονται από τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου.....
Το συμπέρασμα είναι ότι εφόσον ο LHC συνεχίσει να λειτουργεί χωρίς προβλήματα το επόμενο έτος θα μείνει στην ιστορία της φυσικής.
blogs.discovermagazine.com

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...