22/7/12

To «εφιαλτικό σενάριο» του μποζονίου Higgs

Η αναζήτηση του μποζονίου Higgs στα πλαίσια του .... εφιαλτικού σεναρίου
Στις 4 Ιουλίου, οι φυσικοί του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) - του μεγαλύτερου επιταχυντή σωματιδίων που κατασκευάστηκε ποτέ - ανακοίνωσαν την ανακάλυψη ενός νέου υποατομικού σωματιδίου. Πολλοί πιστεύουν ότι πρόκειται για το πολυπόθητο μποζόνιο Higgs, που λύνει το μυστήριο της μάζας άλλων στοιχειωδών σωματιδίων. Η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs αξίζει σίγουρα και θα οδηγήσει – ίσως και φέτος – στο βραβείο Nobel.

Όμως εν μέσω χειροκροτημάτων, εκτόξευσης φελλών σαμπάνιας και του σπάνιου φαινομένου δημοσιογραφικής κάλυψης με κομμένη την ανάσα ενός πειράματος φυσικής, ορισμένοι επιστήμονες άρχισαν να αγχώνονται. Για πολλούς φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων, πίσω από τους πανηγυρισμούς παραμονεύει ένας φόβος – ο φόβος ότι η εύρεση του Higgs δεν σηματοδοτεί μια αρχή για την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων αλλά το τέλος της.

Την εξέλιξη αυτή κάποιοι φυσικοί την ονόμασαν «εφιαλτικό σενάριο». Η ύπαρξη του μποζονίου Χιγκς επιβεβαιώνει το καθιερωμένο πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, μια θεωρία που στην ουσία προέβλεπε με απαράμιλλη ακρίβεια τα αποτελέσματα κάθε πειράματος σχετικού με στοιχειώδη σωματίδια. Όμως παρ’ όλη την αξία του Καθιερωμένου Προτύπου, οι επιστήμονες γνωρίζουν ήδη ότι είναι ελαττωματικό και αναζητούν ενδείξεις για το τι κρύβεται πέρα απ’ αυτό. Κι αν ο μεγαλύτερος και πιο ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων που κατασκευάστηκε ποτέ δεν μπορεί να μας δείξει τίποτε πέρα από το μποζόνιο Χιγκς, τότε αυτό μπορεί να είναι ένα ανεπιθύμητο σημάδι ότι έχουμε φτάσει στα όρια του τι μπορούμε να μάθουμε.

Αυτό ίσως ακούγεται παράξενα. Στο κάτω-κάτω μια ανακάλυψη, εξ’ ορισμού μας διδάσκει κάτι καινούργιο σχετικά με τη φύση. Αλλά σε αυτό το επίπεδο, η φυσική δεν είναι απλά ένα ζήτημα σχετικό με την ανακάλυψη νέων σωματιδίων: είναι επίσης και μια διαδικασία μάθησης του πόσο μακριά μπορούν να φτάσουν τα όρια της γνώσης μας.

Κατά μια έννοια, το μποζόνιο Higgs δεν είναι καθόλου μια «ανακάλυψη». Εμφανίστηκε στη θεωρητική φυσική για πρώτη φορά πριν από 50 χρόνια. Λίγο μετά αναγνωρίστηκε ότι το Χιγκς – ή κάτι σαν αυτό – ήταν ένα απαραίτητο κομμάτι του Καθιερωμένου Προτύπου, την θεωρία που περιγράφει με τον καλύτερο τρόπο τις δυνάμεις που διαμορφώνουν τον υποατομικό κόσμο. Και ενώ είχαν συγκεντρωθεί οι αποδείξεις για το υπόλοιπο της θεωρίας, οι φυσικοί κατάφεραν να ανιχνεύσουν και το μποζόνιο Higgs.

Ωστόσο, δεν είχε παρατηρηθεί άμεσα πριν από την πιο πρόσφατη σειρά πειραμάτων. Πράγματι, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) χτίστηκε με κόστος περίπου 9 δισεκατομμυρίων δολαρίων για τον σκοπό αυτό – να επιταχύνει πρωτόνια δίνοντάς τους αρκετή ενέργεια ώστε οι συγκρούσεις τους να παραγάγουν το μποζόνιο Higgs. Αλλά ακόμη και οι φυσικοί που κατασκεύασαν τον Mεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων ήλπιζαν ότι ο επιταχυντής θα κάνει πολύ περισσότερα.

«Η ανακάλυψη ενός μποζονίου Higgs στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου είναι τόσο συναρπαστική, όσο αν ο Κολόμβος έφθανε κατευθείαν στην Ινδία αντί να ανακαλύψει μια νέα ήπειρο» ισχυρίζεται ο Daniel Whiteson, ένας πειραματικός φυσικός του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, και ότι «πρόκειται για έναν πειραματικό άθλο, αλλά δεν μας μαθαίνει κάτι που να μην ξέρουμε ήδη».

Η πραγματική ελπίδα για τη φυσική θα ήταν τα πειράματα Higgs να άνοιγαν την πόρτα για κάτι καινούργιο, να μας διαφώτιζαν σε ερωτήματα που το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μπορεί να απαντήσει. Μέχρι σήμερα γνωρίζουμε ότι υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση. Το Καθιερωμένο Πρότυπο περιγράφει τις τρεις από αυτές με εκπληκτική ακρίβεια. Αλλά δεν μας λέει τίποτα για την τέταρτη δύναμη, την βαρύτητα. Η βαρυτική δύναμη είναι μυστηριωδώς διαφορετική από τις άλλες τρεις δυνάμεις. Για παράδειγμα είναι πολύ ασθενέστερη σε σχέση με τις άλλες – 1032 φορές ασθενέστερη από την ασθενέστερη δύναμη του Καθιερωμένου Προτύπου. Αυτή η ανεξήγητη «αδυναμία» της βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις υπόλοιπες είναι γνωστή ως Πρόβλημα Ιεραρχίας.

Σύμφωνα με τον θεωρητικό φυσικό Lee Smolin «ο βασικότερος λόγος απογοήτευσης από τον LHC θα είναι – εφόσον δεν ανακαλυφθεί τίποτε άλλο πέραν του Higgs στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου – το πρόβλημα της Ιεραρχίας να παραμείνει ανεξήγητο».
Το Καθιερωμένο Πρότυπο αφήνει επίσης κι άλλα προβλήματα άλυτα. Οι αστρονομικές παρατηρήσεις μας αποκαλύπτουν ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά διαστέλλεται επιταχυνόμενα – και η διαδικασία αυτή απαιτεί τεράστια ποσά της επονομαζόμενης σκοτεινής ενέργειας. Οι φυσικοί την ονομάζουν έτσι γιατί δεν έχουν ιδέα περί τίνος πρόκειται. Εν τω μεταξύ οι μετρήσεις των μαζών γαλαξιών μας αποκαλύπτουν ότι υπάρχουν πολύ μεγαλύτερες ποσότητες μη ορατής ύλης. Η ύλη αυτή ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Πολλοί φυσικοί περιμένουν ότι η σκοτεινή ύλη θα ερμηνευθεί με κάποιο νέο σωματίδιο το οποίο δεν περιλαμβάνεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο.
Η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη αποτελούν το 96% της μάζας του σύμπαντος. Το Καθιερωμένο Πρότυπο περιγράφει μόνο το υπόλοιπο 4%. Πολλοί φυσικοί ήλπιζαν ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων θα μας αποκάλυπτε από τι είναι φτιαγμένο το 96% του σύμπαντος. Αλλά μέχρι στιγμής δεν υπάρχει τίποτε σχετικό.

Αν ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων αποκάλυπτε κι άλλους τύπους σωματιδίων στην γειτονιά του μποζονίου Higgs - για παράδειγμα αυτά που η θεωρία ονομάζει s-σωματίδια ή άλλες εναλλακτικές περιπτώσεις του Χιγκς - τότε θα μπορούσαν να υποστηριχθούν μεγάλες θεωρίες που ωθούν την φυσική πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου. Αλλά αν το σωματίδιο Higgs υπάρχει, όπως φαίνεται μέχρι τώρα και αν συμπεριφέρεται ακριβώς όπως το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει, τότε η επαλήθευση των προτεινόμενων θεωριών πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου βρίσκονται έξω από τις πειραματικές μας δυνατότητες.

Μερικοί ανησυχούν ότι για να βρούμε κάτι πραγματικά καινούργιο πρέπει να φτάσουμε πολύ βαθύτερα απ’ ότι έχουμε πετύχει μέχρι σήμερα, διεισδύοντας σ’ αυτό που ονομάζεται κλίμακα Planck.  Για να προσεγγίσει ένας επιταχυντής αυτή την κλίμακα πρέπει ενεργειακά να είναι 1016 ισχυρότερος από τον LHC. O LHC είναι κυκλικός με μήκος περιφέρειας 27 χιλιόμετρα και χρειάστηκαν δέκα χρόνια για την κατασκευή του. Ο επιταχυντής που θα είχε την δυνατότητα να διερευνήσει την κλίμακα Plnack, θα είχε στην κυριολεξία το μέγεθος ενός ολόκληρου γαλαξία.

Αν και ο LHC μας αποκάλυψε ένα σωματίδιο σαν το Higgs, υπάρχει ακόμη προβληματισμός για το αν είναι το μποζόνιο του Καθιερωμένου προτύπου και ποιες είναι οι ιδιότητές του που το αποδεικνύουν.
Μετά την αρχική ανακοίνωση ανακάλυψης του Χιγκς, αρκετοί φυσικοί έχουν δείξει ότι τα δεδομένα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων είναι συμβατά τόσο με το Καθιερωμένο πρότυπο, όσο και με διάφορες ενδιαφέρουσες εναλλακτικές θεωρίες. «Κάτι μέσα μου, μου λέει ότι πρόκειται για ένα μποζόνιο Higgs πέραν του Καθιερωμένου προτύπου» λέει ο Ian Low, ένας θεωρητικός του Πανεπιστημίου Northwestern University και του Argonne National Laboratory.

Άλλοι φυσικοί επισημαίνουν ότι ακόμη κι αν το νέο σωματίδιο είναι ακριβώς όπως αυτό που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο, τα πράγματα θα μπορούσαν να είναι χειρότερα. Ο πραγματικός εφιάλτης, σύμφωνα με τον θεωρητικό John Ellis του King College του Λονδίνου, θα ήταν να βρουν το μποζόνιο σε μία λίγο μεγαλύτερη η ενέργεια. Τότε δεν θα χρειαζόμασταν νέα φυσική μέχρι να φτάσουμε στην κλίμακα Planck. Η ενέργεια στην οποία παρατηρήθηκε το Higgs σημαίνει ότι υπάρχουν αστάθειες στο Καθιερωμένο Μοντέλο, που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια νέα φυσική κάτω από λιγότερο ακραίες συνθήκες.

Και ο LHC μπορεί να μας πει ακόμη περισσότερα. Τον επόμενο χρόνο ο επιταχυντής θα βελτιωθεί. Και όταν επαναλειτουργήσει θα φτάσει σε διπλάσιες ενέργειες από τις σημερινές. Και είναι πολύ πιθανόν να βρει κάτι καινούργιο.

Αλλά ακόμη κι έτσι, οι ίδιες ανησυχίες είναι πιθανόν να εμφανιστούν πάλι. Η θεμελιώδης φυσική έχει φτάσει σε ένα τέτοιο στάδιο όπου τα μεγάλα πειράματα κοστίζουν δισεκατομμύρια δολάρια και απαιτούν προσπάθειες χιλιάδων φυσικών. Κάθε φορά που διευρύνουμε τα όρια της γνώσης μας, φθάνουμε όλο και πιο κοντά στο όριο πέραν του οποίου δεν θα μπορούμε να προχωρήσουμε. Βρισκόμαστε σε έναν αγώνα ανάμεσα στα ερωτήματα που μπορούμε να απαντήσουμε και στους περιορισμούς που θέτουν οι δυνατότητές μας – και κάποτε, ίσως σύντομα, να εξαντληθούν τα όρια των δυνατοτήτων μας.
ΠΗΓΗ: James Owen Weatherall - bostonglobe.com

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...