The Higgs boson: Τι το κάνει ξεχωριστό;

Ως απλός θα έλεγα τώρα… Νομίζω ότι το έχουμε.

« Ήταν » το μποζόνιο Higgs, η σχεδόν μυθική οντότητα που έβαλε τη σωματική φυσική στο προσκήνιο και ο άνθρωπος που διακηρύχθηκε ως απλός λαός δεν ήταν άλλος από τον Γενικό Διευθυντή του CERN , Rolf Heuer. Ο Heuer μίλησε στο κύριο αμφιθέατρο του εργαστηρίου στις 4 Ιουλίου 2012 , λίγες στιγμές μετά την ανακοίνωση της συνεργασίας CMS και ATLAS στο Large Hadron Collider για την ανακάλυψη ενός νέου στοιχειώδους σωματιδίου , το οποίο τώρα γνωρίζουμε ότι είναι ένα μποζόνιο Higgs. Χειροκροτήματα αντηχήθηκαν στη Γενεύη από τη Μελβούρνη της Αυστραλίας, όπου οι εκπρόσωποι του Διεθνούς Συνεδρίου για τη Φυσική Υψηλής Ενέργειας συνδέθηκαν μέσω τηλεδιάσκεψης.

Τι ακριβώς είναι τόσο ξεχωριστό για αυτό το σωματίδιο;

« Εύκολο! Είναι το πρώτο και μοναδικό στοιχειώδες σκαριαρό σωματίδιο που έχουμε παρατηρήσει », χαμογελάει η Rebeca Gonzalez Suarez , η οποία, ως διδακτορικός φοιτητής, συμμετείχε στην αναζήτηση CMS για το μποζόνιο Higgs. Εύκολο για έναν φυσικό, ίσως…

Κομψότητα και συμμετρίες

Στην υποατομική κλίμακα, το σύμπαν είναι μια σύνθετη χορογραφία στοιχειωδών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω θεμελιωδών δυνάμεων, η οποία μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας έναν όρο που οι φυσικοί όλων των πειθειών στρέφονται σε: κομψότητα .

«Στη δεκαετία του 1960, οι θεωρητικοί φυσικοί δούλευαν με έναν κομψό τρόπο περιγραφής των θεμελιωδών νόμων της φύσης από την άποψη της κβαντικής θεωρίας πεδίου», λέει ο Pier Monni , του τμήματος Θεωρίας του CERN. Στη θεωρία του κβαντικού πεδίου, τόσο τα σωματίδια της ύλης ( φερόνια όπως τα ηλεκτρόνια, ή τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια) όσο και οι φορείς δύναμης ( μποζόνια όπως το φωτονίο ή τα γλουόνια που δεσμεύουν τα κουάρκ) είναι εκδηλώσεις υποκείμενων, θεμελιωδών κβαντικών πεδίων. Σήμερα ονομάζουμε αυτήν την κομψή περιγραφή το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων .

Το πρότυπο μοντέλο βασίζεται στην έννοια της συμμετρίας στη φύση, ότι οι φυσικές ιδιότητες που περιγράφουν παραμένουν αμετάβλητες υπό κάποια μεταμόρφωση, όπως η περιστροφή στο διάστημα. Χρησιμοποιώντας αυτήν την έννοια, οι φυσικοί μπορούν να παρέχουν ένα ενοποιημένο σύνολο εξισώσεων τόσο για τον ηλεκτρομαγνητισμό (ηλεκτρισμός, μαγνητισμός, φως) όσο και για την ασθενή πυρηνική δύναμη (ραδιενέργεια). Η δύναμη που είναι έτσι ενοποιημένη ονομάζεται δύναμη ηλεκτροπληξίας.

Αλλά αυτές οι συμμετρίες παρουσίαζαν ένα έντονο πρόβλημα: «Οι συμμετρίες εξήγησαν τη δύναμη της ηλεκτροπληξίας, αλλά για να διατηρήσουν έγκυρες τις συμμετρίες, απαγόρευαν στα σωματίδια της να έχουν μάζα», εξηγεί ο Fabio Cerutti, ο οποίος ηγήθηκε των ομάδων Higgs στο ATLAS στο δύο ξεχωριστές περιπτώσεις. «Το φωτόνιο, το οποίο φέρει ηλεκτρομαγνητισμό, ξέραμε ότι ήταν μαζικό. τα μποζόνια W και Z , φορείς της αδύναμης δύναμης, δεν μπορούσαν να είναι. ” Αν και το W και το Z δεν είχαν παρατηρηθεί άμεσα εκείνη τη στιγμή, οι φυσικοί γνώριζαν ότι εάν δεν είχαν μάζα, διεργασίες όπως η βήτα διάσπαση θα είχαν συμβεί με άπειρους ρυθμούς – μια φυσική αδυναμία – ενώ άλλες διαδικασίες θα είχαν πιθανότητες μεγαλύτερες από μία σε υψηλές ενέργειες.

Το 1964, δύο έγγραφα – το ένα από τους Robert Brout και François Englert , το άλλο από τον Peter Higgs – φέρεται να έχουν μια λύση: έναν νέο μηχανισμό που θα έσπαζε την συμμετρία της ηλεκτροπληξίας. Ο μηχανισμός Brout-Englert-Higgs εισήγαγε ένα νέο κβαντικό πεδίο που σήμερα ονομάζουμε το πεδίο Higgs, του οποίου η κβαντική εκδήλωση είναι το μποζόνιο Higgs. Μόνο σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs αποκτούν μάζα. «Είναι ακριβώς αυτός ο μηχανισμός», προσθέτει ο Cerutti, «δημιουργεί όλη την πολυπλοκότητα του Standard Model».

Αρχικά σχεδιάστηκε για να εξηγήσει τις μάζες των μποζονίων W και Z, οι επιστήμονες σύντομα βρήκαν ότι θα μπορούσαν να επεκτείνουν τον μηχανισμό Brout-Englert-Higgs για να εξηγήσουν τη μάζα όλων των τεράστιων στοιχειωδών σωματιδίων. «Για να φιλοξενήσουμε τη μάζα των μποζονίων W και Z, δεν χρειαζόμαστε το ίδιο πεδίο Higgs για να δώσουμε μάζα σε άλλα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια ή κουάρκ», σχολιάζει ο Kerstin Tackmann , συνιδρυτής της ομάδας Higgs στο ATLAS. “Αλλά είναι ένας βολικός τρόπος να το κάνουμε!”

Το μαθηματικό παζλ είχε λυθεί πριν από δεκαετίες, αλλά αν τα μαθηματικά που περιγράφονται η φυσική πραγματικότητα έμεινε να δοκιμαστεί.

Κάτι σε τίποτα

Το πεδίο Higgs είναι περίεργο με δύο συγκεκριμένους τρόπους.

Φανταστείτε μια κενή περιοχή του χώρου, ένα τέλειο κενό, χωρίς να υπάρχει κανένα θέμα. Η θεωρία του κβαντικού πεδίου μας λέει ότι αυτή η υποθετική περιοχή δεν είναι πραγματικά κενή: ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων που σχετίζονται με διαφορετικά κβαντικά πεδία εμφανίζονται για λίγο πριν εξαφανιστούν, μετατρέπονται σε ενέργεια. Ωστόσο, η «τιμή προσδοκίας» αυτών των πεδίων σε κενό είναι μηδέν, υπονοώντας ότι κατά μέσο όρο μπορούμε να περιμένουμε να μην υπάρχουν σωματίδια στο τέλειο κενό. Το πεδίο Higgs από την άλλη πλευρά έχει μια πολύ υψηλή τιμή προσδοκίας κενού. «Αυτή η μη αναμενόμενη τιμή αναμονής κενού», εξηγεί ο Tackmann, «σημαίνει ότι το πεδίο Higgs είναι παντού .» Η πανταχού παρουσία του είναι αυτό που επιτρέπει στο πεδίο Higgs να επηρεάζει όλα τα γνωστά τεράστια στοιχειώδη σωματίδια σε ολόκληρο το σύμπαν.

Όταν το σύμπαν μόλις είχε δημιουργηθεί και ήταν εξαιρετικά ζεστό, η ενεργειακή του πυκνότητα ήταν υψηλότερη από την ενέργεια που σχετίζεται με την τιμή προσδοκίας κενού του πεδίου Higgs. Ως αποτέλεσμα, οι συμμετρίες του Τυπικού Μοντέλου θα μπορούσαν να κρατήσουν, επιτρέποντας σε σωματίδια όπως το W και το Z να είναι μαζικά. Καθώς το σύμπαν άρχισε να κρυώνει, η ενεργειακή πυκνότητα μειώθηκε, έως ότου – κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη – έπεσε κάτω από αυτό του πεδίου Higgs. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να σπάσουν οι συμμετρίες και ορισμένα σωματίδια να αποκτήσουν μάζα.

Η άλλη ιδιότητα του πεδίου Higgs είναι αυτό που καθιστά αδύνατη την άμεση παρατήρηση. Τα κβαντικά πεδία, τόσο παρατηρούμενα όσο και υποθετικά, έρχονται σε διαφορετικές ποικιλίες. Τα διανυσματικά πεδία είναι σαν τον άνεμο: έχουν μέγεθος και κατεύθυνση. Κατά συνέπεια, τα διανυσματικά μποζόνια έχουν εγγενή γωνιακή ορμή που οι φυσικοί αποκαλούν κβαντική περιστροφή. Τα βαθμιαία πεδία έχουν μόνο μέγεθος και κατεύθυνση, όπως η θερμοκρασία, και τα βαθμωτά μποζόνια δεν έχουν κβαντική περιστροφή. Πριν από το 2012 είχαμε παρατηρήσει μόνο διανυσματικά πεδία σε κβαντικό επίπεδο, όπως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

«Μπορείτε να παρατηρήσετε ένα πεδίο παρατηρώντας ένα σωματίδιο που αλληλεπιδρά με αυτό, όπως τα ηλεκτρόνια που κάμπτονται σε ένα μαγνητικό πεδίο», εξηγεί ο Monni. “Ή μπορείτε να το παρατηρήσετε παράγοντας το κβαντικό σωματίδιο που σχετίζεται με το πεδίο, όπως ένα φωτόνιο.” Όμως το πεδίο Higgs, με τη σταθερή μη μηδενική του τιμή, δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί όπως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Οι επιστήμονες είχαν μόνο μία επιλογή για να αποδείξουν ότι υπάρχει: δημιουργήστε – και παρατηρήστε – το μποζόνιο Higgs.

Κυνήγι χτυπήματος στο μεγάλο Hadron Collider

Οι συγκρούσεις σωματιδίων σε αρκετά υψηλή ενέργεια είναι απαραίτητες για την παραγωγή ενός μποζονίου Higgs, αλλά για μεγάλο χρονικό διάστημα οι φυσικοί κυνηγούσαν στο σκοτάδι: δεν ήξεραν τι ήταν αυτό το ενεργειακό εύρος.

Είχαν ψάξει για σημάδια του μποζονίου Higgs σε συντρίμμια σύγκρουσης σωματιδίων στο συγκρότημα Large Electron – Positron (LEP), το οποίο ήταν ο άμεσος προκάτοχος του Large Hadron Collider, και στο Tevatron του Fermilab στις ΗΠΑ. Το Large Hadron Collider είχε την ικανότητα να εξερευνήσει ολόκληρο το προβλεπόμενο ενεργειακό εύρος όπου θα μπορούσε να εμφανιστεί το μποζόνιο Higgs και οι δύο ανιχνευτές σωματιδίων γενικής χρήσης στο LHC – ATLAS και CMS – προορίζονταν να δώσουν μια οριστική απάντηση στην ύπαρξή του. Για μερικούς, όπως η Monni, η κλήση του LHC ήταν ακαταμάχητη, οδηγώντας τον να αλλάξει καριέρα από την αεροδιαστημική μηχανική στη θεωρητική φυσική.

Οι συνάδελφοι και φίλοι του Gonzalez Suarez βρίσκονταν στα δωμάτια ελέγχου CMS και ATLAS όταν το LHC ξεκίνησε το ταξίδι υψηλής ενέργειας στις 30 Μαρτίου 2010 . Η ίδια ήταν στο γραφείο της στον κεντρικό ιστότοπο του CERN στη Γενεύη. «Έγραψα τη διδακτορική μου διατριβή σε μια οθόνη και έβλεπα τη ζωντανή ροή των συγκρούσεων σε ένα δευτερόλεπτο. Ήθελα να μάθω αν ο κώδικας που είχα γράψει για να προσδιορίσω σωματίδια που παράγονται στις συγκρούσεις λειτούργησε! “

Όταν δύο πρωτόνια συγκρούονται εντός του LHC, είναι τα συστατικά τους κουάρκ και γλουόνια που αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις υψηλής ενέργειας μπορούν, μέσω καλά προβλεπόμενων κβαντικών επιδράσεων, να παράγουν ένα μποζόνιο Higgs, το οποίο θα μεταμορφώσει αμέσως – ή “αποσυντίθεται” – σε ελαφρύτερα σωματίδια που θα μπορούσαν να παρατηρήσουν οι ATLAS και CMS. Οι επιστήμονες λοιπόν χρειάστηκαν να δημιουργήσουν αρκετά στοιχεία για να υποδείξουν ότι σωματίδια που θα μπορούσαν να είχαν εμφανιστεί από μια παραγωγή και μετασχηματισμό Higgs ήταν πράγματι το αποτέλεσμα μιας τέτοιας διαδικασίας.

«Όταν ξεκίνησε το πρόγραμμα LHC, η δημοφιλής πεποίθηση ήταν ότι θα μπορούσαμε να δούμε ένα μποζόνιο Higgs μετά από αρκετά χρόνια συλλογής δεδομένων», αναφέρει ο Vivek Sharma , ο οποίος ηγήθηκε της αναζήτησης CMS όταν άρχισε να λειτουργεί το LHC. Ο Sharma και οι συνάδελφοί του παρουσίασαν ένα σχέδιο στο CMS τον Σεπτέμβριο του 2010 σχετικά με τον τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος με τα μισά από αυτά τα δεδομένα. Απαιτούσε διεξοδική κατανόηση όχι μόνο του υλικού ανιχνευτή κάποιου, της εμβέλειας και των περιορισμών του, αλλά και μιας ομάδας με ποικιλία τεχνικών γνώσεων. «Μέχρι τη στιγμή που η ATLAS και η CMS έκαναν κοινή ομιλία στην Επιτροπή Επιστημονικής Πολιτικής του CERN τον Μάρτιο του 2011», συνεχίζει ο Sharma, « υπήρχε μια δύναμη που να ενισχύει το μποζόνιο Higgs με ακόμη μικρότερα σύνολα δεδομένων».

Ένα σεμινάριο ρουτίνας στο τέλος του έτους από τους ATLAS και CMS τον Δεκέμβριο του 2011 υπερφόρτωσε τους διακομιστές webcast του CERN, καθώς χιλιάδες συντονίστηκαν για να ακούσουν τις τελευταίες ενημερώσεις από τις συνεργασίες. Τα πρώτα σημάδια του μποζονίου Higgs ήταν εκεί: και οι δύο ανιχνευτές είχαν δει χτυπήματα στα δεδομένα τους που άρχισαν να φαίνονται διακριτά από τυχόν στατιστικές διακυμάνσεις ή θόρυβο. Ωστόσο, τα αποτελέσματα δεν είχαν την απαραίτητη στατιστική βεβαιότητα για να διεκδικήσουν την ανακάλυψη. Ο κόσμος έπρεπε να περιμένει σχεδόν επτά μήνες πριν ο Joe Incandela της CMS και η Fabiola Gianotti της ATLAS μπορούσαν να το κάνουν τον Ιούλιο του 2012. Οι συνεργασίες είχαν αποδώσει καλύτερα από το αναμενόμενο για να ανακαλύψουν το μποζόνιο Higgs με μόλις δύο χρόνια δεδομένων από τον LHC.

Στο αμφιθέατρο του CERN, ο Peter Higgs σκουπίζει τα δάκρυα της χαράς και ο François Englert αποτίει φόρο τιμής στον αείμνηστο συνάδελφο και συνεργάτη του, Robert Brout, ο οποίος δεν ζούσε για να δει απόδειξη του μηχανισμού που φέρει το όνομά του.

Ο Γκονζάλες Σουάρεζ γιόρτασε με μικτά συναισθήματα. Η μεταδιδακτορική της έρευνα την πήρε από την έρευνα Higgs πριν από την ανακάλυψη, και τελικά από το CMS, στη συνεργασία ATLAS. «Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs ήταν ένα ιστορικό γεγονός, αλλά είμαστε ακόμα στην αρχή μόνο για την κατανόηση αυτού του νέου σωματιδίου».

πηγή