Θα μπορούσε η γνώση για το
άπιαστο μποζόνιο Higgs (Χίγκς) - το σωματίδιο που αναζητά απεγνωσμένα ο επιταχυντής Large Hadron Collider (LHC) στο CERN - να προκύψει μέσα από ένα απλό στερεό υλικό;
Η απάντηση είναι καταφατική από τρεις φυσικούς στην Ισπανία, οι οποίοι υποστηρίζουν ότι σημαντικά στοιχεία μπορούν να προκύψουν από την μελέτη του
γραφενίου - που δεν είναι τίποτε άλλο, παρά ένα φύλλο άνθρακα με πάχος ακριβώς όσο ένα άτομο. Oι επιστήμονες αυτοί υποστηρίζουν ότι οι κυματισμοί σ' αυτό το υλικό προκύπτουν από μια διαδικασία αυθόρμητου σπασίματος συμμετρίας παρόμοια με αυτή που διαχωρίζει την ασθενή και την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση στο πρώιμο σύμπαν.
Στις υψηλές ενέργειες του πρώιμου σύμπαντος, η ασθενής πυρηνική και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελούσαν μια δύναμη, την ηλεκτρασθενή. Καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και η θερμοκρασία του μειωνόταν, από ένα συγκεκριμένο σημείο και μετά, οι δυο δυνάμεις ξαφνικά διαχωρίστηκαν. Αυτό το "ηλεκτρασθενές σπάσιμο συμμετρίας" μπορεί να εξηγηθεί με τη χρήση ενός πεδίου - το πεδίο Χιγκς - που μεταβαίνει από μια φαινομενικά κενή υψηλής ενέργειας κατάσταση προς τη θεμελιώδη κατάστασή του, γεμίζοντας τον χώρο με ένα πεδίο, το οποίο δίνει σε κάποια σωματίδια την μάζα τους.
Η ανίχνευση του μποζονίου Χίγκς στο LHC, βασίζεται στον συσχετισμό του σωματιδίου με τις δονήσεις αυτού του πεδίου. Αλλά τι είναι ακριβώς αυτό που οδηγεί το πεδίο Χιγκς μεταξύ των καταστάσεων υψηλής ενέργειας και θεμελιώδους κατάστασης;
Αν και οι παράμετροι του καθιερωμένου προτύπου στην φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων μπορούν να καθοριστούν έτσι ώστε να προκύπτει υποχρεωτικά το σπάσιμο της συμμετρίας, είναι πιθανόν με το πεδίο Χιγκς να μην χρειάζεται κανένα "μαγείρεμα".
Ο Pablo San-Jose και οι συνεργάτες του στο ινστιτούτο επιστήμης υλικών, στην Μαδρίτη, υποστηρίζουν ότι η έρευνα της εμφάνισης των κυματισμών στο γραφένιο μπορεί να ρίξει φως στη παραπάνω διαδικασία.
Το αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας βρίσκεται στην καρδιά της αναλογίας.
Το γραφένιο χάνει κάποια συμμετρία κατά την μετάβαση από ένα επίπεδο σχήμα σε ένα κυματοειδές, με τον ίδιο τρόπο που η "ενεργοποίηση" του πεδίου Χιγκς συνδέεται με το σπάσιμο της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας. Σε σύγκριση με τις μεγάλες κοσμολογικές κλίμακες τα φύλλα γραφενίου φαίνονται πολύ ταπεινά, αλλά ο San-Jose σκέφεται διαφορερικά: "Πειραματιζόμενοι με τους κυματισμούς του γραφενίου κάτω από διάφορες τάσεις μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες για την ενδογενή συμπύκνωση Χιγκς".
Η εργασία του San-Jose με τους συνεργάτες του, Francisco Guinea και Jose Gonzalez, δείχνει ότι το ενεργειακό τοπίο των κυματισμών του γραφενίου σε δυο διαστάσεις και αυτό του πεδίου Χιγκς στις τρεις διαστάσεις, περιγράφονται με παρόμοια δυναμικά σε σχήμα "μεξικάνικου καπέλου".
Όπως ένα σομπρέρο, η δυναμική ενέργεια ξεκινά ψηλά στο κέντρο αλλά γρήγορα πέφτει στο ελάχιστο σε οποιαδήποτε κατεύθυνση.
Η αρνητική καμπυλότητα στο πάνω μέρος εξασφαλίζει το γεγονός ότι η συμμετρία σπάει αυθόρμητα - κάθε ώθηση από το κέντρο στέλνει το σύστημα προς τα κάτω σε σημεία ισορροπίας στον "γύρο" του σομπρέρο.
Στην περίπτωση του γραφενίου, η αρνητική καμπυλότητα είναι ένα αποτέλεσμα του πως το γραφένιο ανταποκρίνεται στην επιμήκυνση ή την συμπίεση.
Στη σωματιδιακή φυσική, η αρνητική καμπυλότητα είναι το αποτέλεσμα μεταξύ του πεδίου Χιγκς και της "γυμνής" μάζας του μποζονίου Χιγκς. Για να είναι ασταθής αυτή η γυμνή μάζα πρέπει να είναι φανταστική - το μποζόνιο Χιγκς αποκτά μια πραγματική, ενεργό μάζα όταν το πεδίο φθάνει στην πραγματικά σταθερή θεμελιώδη κατάσταση.
Σύμφωνα με τον San-Jose, μελετώντας πως το γραφένιο ανταποκρίνεται στην συμπίεση λυγίζοντας σε κυματισμούς, παίρνουμε πληροφορίες για το πως συμπυκνώνεται το Χιγκς.
Μικροί, αυθόρμητοι κυματισμοί χωρίς καμιά συμπίεση, για παράδειγμα, θα αποδείκνυαν ότι το πεδίο Χιγκς μπορεί να συμπυκνωθεί χωρίς να απαιτείται μια φανταστική μάζα για το μποζόνιο Χιγκς.
Τα πειράματα με το γραφένιο θα μπορούσαν επίσης να μας δείξουν την δομή του δυναμικού σε περιπτώσεις που οι κυματισμοί είναι μεγαλύτεροι, παρέχοντας χρήσιμη βοήθεια στο χειρισμό των μαθηματικών της κβαντικής θεωρίας του πεδίου Χιγκς.
http://physicsworld.com
Phys. Rev. Lett. 106 045502.
Το πιο λεπτό υλικό στον κόσμο και ταυτόχρονα ανθεκτικό και ηλεκτρικά αγώγιμο, το γραφένιο, ανακαλύφθηκε από τους Αndre Geim και Kostya Novoselov το 2004 στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ. Το υλικό αυτό με τις μοναδικές του ιδιότητες αναμένεται ότι θα φέρει επανάσταση στην επιστήμη των υλικών και για τον λόγο αυτό άλλωστε οι ερευνητές του Μάντσεστερ έλαβαν το βραβείο Νομπέλ φυσικής 2010.
