Πώς μελετούν οι φυσικοί το μποζόνιο Higgs 10 χρόνια μετά την ανακάλυψή του

Νέα

Το διάσημο σωματίδιο ίσως να καταδεικνύει ρωγμές στο καθιερωμένο πρότυπο και μία νέα φυσική πέρα ​​από αυτό

Ο Javier Duarte ξεκίνησε την επιστημονική του καριέρα παρακολουθώντας το μεγαλύτερο γεγονός της σωματιδιακής φυσικής εδώ και δεκαετίες. Στις 4 Ιουλίου 2012, επιστήμονες του CERN στη Γενεύη ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, του πολυαναμενόμενου υποατομικού σωματιδίου το οποίο αποκαλύπτει την προέλευση της μάζας. Ο Ντουάρτε, τότε, ήταν ένας μεταπτυχιακός φοιτητής που μόλις είχε φτάσει στο CERN.

«Ήμουν εκεί ίσως μια εβδομάδα πριν από την ανακοίνωση», λέει ο Duarte. Καθώς ένα πολύβουο πλήθος φυσικών συνωστίζονταν για να παρακολουθήσουν την ανακοίνωση στο CERN, ο Duarte δεν κατάφερε να φτάσει στο κύριο αμφιθέατρο. Αυτός ο χώρος ήταν για VIP – και για εκείνους που ήταν αρκετά αποφασισμένοι να περιμένουν στην ουρά όλη τη νύχτα για να πιάσουν μια θέση. Αντίθετα, λέει, βρέθηκε στο υπόγειο, σε ένα ασφυκτικά γεμάτο δωμάτιο.

Όμως και εκεί ο ενθουσιασμός ήταν ακόμα αισθητός. «Ήταν μια πολύ συναρπαστική στιγμή, αυτή, για να βυθιστώ σε αυτόν τον κόσμο», λέει. Από τότε, αυτός και χιλιάδες άλλοι φυσικοί από όλο τον κόσμο που εργάζονται σε πειράματα του CERN έχουν δώσει τον καλύτερο εαυτό τους στην εξερεύνηση των ιδιοτήτων του σωματιδίου.

Οι επιστήμονες προέβλεψαν την ύπαρξη του μποζονίου Higgs το 1964, ως το χαρακτηριστικό της διαδικασίας που προσδίδει μάζα στα στοιχειώδη σωματίδια. Αλλά η εύρεση του σωματιδίου έπρεπε να περιμένει τον επιταχυντή Large Hadron Collider του CERN (LHC). Το 2010, ο LHC άρχισε να πραγματοποιεί συγκρούσεις πρωτονίων με εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, ενώ οι τεράστιοι ανιχνευτές των ATLAS και CMS κατέγραφαν τα… “συντρίμμια”.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου έδωσε το στοιχείο-κλειδί που έλειπε από το καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Αυτή η θεωρία περιγράφει τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους, τα οποία βρίσκονται πίσω από σχεδόν όλα όσα γνωρίζουμε. Τα σωματίδια χρησιμεύουν ως δομικά στοιχεία των ατόμων και μεταδίδουν θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός. Και η μάζα αυτών των σωματιδίων είναι το κλειδί για τη συμπεριφορά τους. Αν τα ηλεκτρόνια δεν είχαν μάζα, για παράδειγμα, τα άτομα δεν θα σχηματίζονταν. Χωρίς το μποζόνιο Higgs, λοιπόν, μια από τις πιο επιτυχημένες θεωρίες των επιστημόνων θα κατέρρεε.

Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs κυριάρχησε στα πρωτοσέλιδα σε όλο τον κόσμο. Περίπου μισό εκατομμύριο άνθρωποι συντονίστηκαν για να παρακολουθήσουν τη ζωντανή μετάδοση της ανακοίνωσης και πλάνα από την εκδήλωση εμφανίστηκαν σε περισσότερα από 5.000 ειδησεογραφικά προγράμματα. Ακόμη και ασήμαντες λεπτομέρειες έφτασαν στον Τύπο, με μερικά άρθρα να αναλύουν τη χρήση της συχνά περιφρονημένης γραμματοσειράς Comic Sans από τους φυσικούς. Έναν περίπου χρόνο αργότερα απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ σε δύο από τους επιστήμονες που ανέπτυξαν τη θεωρία πίσω από το μποζόνιο Higgs, τον François Englert και τον Peter Higgs (από τον οποίο πήρε και το όνομά του).

Στις 4 Ιουλίου 2012, στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής CERN, οι επιστήμονες ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Ο φυσικός Lyn Evans (δεύτερος από αριστερά), που ηγήθηκε της κατασκευής του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων, γιορτάζει μαζί με πρώην διευθυντές του CERN.
Denis Balibouse/AFP/GettyImages

Τώρα, με την ανακάλυψη να κλείνει τα 10 της χρόνια, ο αρχικός αυτός ενθουσιασμός είναι ακόμα εδώ, τόσο για τον Duarte όσο και για πολλούς άλλους φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων. Όντας καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο και μέλος του πειράματος CMS, η έρευνα του Duarte εξακολουθεί να περιστρέφεται γύρω από το πολύ σημαντικό σωματίδιο. Η πρόοδος στην κατανόηση του Higgs ήταν «εκπληκτική», λέει. «Έχουμε φτάσει πολύ πιο μακριά από όσο περιμέναμε».

Οι φυσικοί έχουν εργαστεί έχοντας στο μυαλό τους μια λίστα με πράγματα που θέλουν να μάθουν για το μποζόνιο Higgs. Πέρασαν την τελευταία δεκαετία μελετώντας τις ιδιότητές του, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου αλληλεπίδρασης με πολλά άλλα σωματίδια. Αν και οι μετρήσεις είναι μέχρι στιγμής σύμφωνες με τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου, εάν τυχόν εμφανιστεί στο μέλλον μία απόκλιση, αυτό μπορεί να σημαίνει ότι υπάρχουν άγνωστα σωματίδια που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.

Και υπάρχουν ακόμα περισσότερα στην ατζέντα. Ένα ιδιαίτερα σημαντικό στοιχείο είναι η αλληλεπίδραση του μποζονίου Higgs με τον εαυτό του. Για να τον εντοπισμό αυτής αλλά και άλλων ιδιοτήτων του σωματιδίου Higgs, οι φυσικοί ανυπομονούν να συλλέξουν περισσότερα δεδομένα. Οι επιστήμονες ενεργοποίησαν έναν αναβαθμισμένο LHC για έναν νέο κύκλο εργασιών τον Απρίλιο. Την εποχή της ανακάλυψης του Higgs, οι συγκρούσεις στον LHC έφταναν σε ενέργεια τα 8 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Οι συγκρούσεις (οι οποίες θα ξεκινήσουν στις 5 Ιουλίου, με την λήψη δεδομένων να συνεχίζεται μέχρι το 2026) αναμένεται να σημειώσουν ρεκόρ, φτάνοντας τα 13,6 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Αυτές οι υψηλότερες ενέργειες προσφέρουν ευκαιρίες για εντοπισμό βαρύτερων σωματιδίων. Και ο High-Luminosity LHC, ο αναβαθμισμένος, πιο ισχυρός LHC, αναμένεται να ξεκινήσει το 2029.

«Η εύρεση ενός σωματιδίου ακούγεται σαν το τέλος του μονοπατιού, αλλά είναι στην πραγματικότητα μόνο η αρχή», λέει η πειραματική φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων María Cepeda του CIEMAT στη Μαδρίτη, μέλος της συνεργασίας CMS.

Οι συζεύξεις

Η μελέτη του μποζονίου Higgs είναι σαν ένα κυνήγι θησαυρού, λέει ο θεωρητικός φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων Gudrun Heinrich του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης στη Γερμανία. Όπως οι χομπίστες του geocaching χρησιμοποιούν μια συσκευή GPS για να αποκαλύψουν ένα κρυμμένο κουτί με διασκεδαστικά μπιχλιμπίδια, οι φυσικοί χρησιμοποιούν το μυαλό τους για να αποκαλύψουν τον θησαυρό του μποζονίου Higgs. Το 2012, οι επιστήμονες απλώς εντόπισαν το κρυφό κουτί· τα επόμενα 10 χρόνια αφιερώθηκαν στην αποκάλυψη των περιεχομένων του. Και αυτή η έρευνα συνεχίζεται. «Η ελπίδα είναι ότι τα περιεχόμενα θα έχουν κάποιου είδους χάρτη, ο οποίος οδηγεί σε έναν ακόμη μεγαλύτερο θησαυρό», λέει ο Heinrich.

Η λεπτομερής μελέτη του μποζονίου Higgs θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να λύσουν μυστήρια που το καθιερωμένο πρότυπο δεν μπορεί να εξηγήσει. «Γνωρίζουμε ότι η θεωρία έχει περιορισμούς», λέει η θεωρητική φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων Laura Reina από το State University της Φλόριντα. Για παράδειγμα, το καθιερωμένο πρότυπο δεν παρέχει καμία εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη, μια σκιώδη ουσία που ρίχνει το βάρος της γύρω από τον κόσμο, ασκώντας μια βαρυτική έλξη που είναι απαραίτητη για να εξηγήσει μια ποικιλία αστρονομικών παρατηρήσεων. Η θεωρία δεν μπορεί επίσης να εξηγήσει και άλλα προβλήματα, όπως γιατί το σύμπαν αποτελείται κυρίως από ύλη και όχι από το alter ego του, την αντιύλη. Πολλές από τις προτεινόμενες λύσεις για τα μειονεκτήματα του καθιερωμένου προτύπου απαιτούν την ύπαρξη νέων σωματιδίων, τα οποία θα άλλαζαν τον τρόπο με τον οποίο το Higgs αλληλεπιδρά με τα γνωστά σωματίδια.

Το πείραμα ATLAS ήταν είναι από τους δύο ανιχνευτές που είδαν οριστικά σημάδια του μποζονίου Higgs. Σε αυτό το συμβάν, που καταγράφηκε στις 10 Ιουνίου 2012 και εμφανίζεται εδώ σε τρεις διαφορετικές προβολές, ένα υποψήφιο σωματίδιο Χιγκς διασπάται σε τέσσερα μιόνια (κόκκινα ίχνη).
ATLAS Experiment © 2012 CERN (CC BY-SA 4.0)

Για τη μάζα δεν είναι υπεύθυνο το ίδιο το μποζόνιο Higgs. Αντίθετα, αυτή είναι η δουλειά του πεδίου Higgs. Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, όλα τα σωματίδια στην πραγματικότητα είναι εκδηλώσεις σε αόρατα πεδία, όπως οι κυματισμοί στην επιφάνεια μιας λίμνης. Τα μποζόνια Higgs δεν αποτελούν τίποτα περισσότερο από διογκώσεις του πεδίου Higgs, το οποίο διαπερνά ολόκληρο το σύμπαν. Όταν τα στοιχειώδη σωματίδια αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs, αποκτούν μάζα. Όσο περισσότερη μάζα έχει το σωματίδιο, τόσο πιο έντονα αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs και με το μποζόνιο Higgs. Τα σωματίδια χωρίς μάζα, όπως τα φωτόνια, δεν αλληλεπιδρούν καθόλου με το πεδίο Higgs.

Ένας από τους καλύτερους τρόπους για το κυνήγι του θησαυρού που σχετίζεται με το σωματίδιο Higgs είναι να μετρήσουμε αυτές τις αλληλεπιδράσεις, γνωστές ως “συζεύξεις” (couplings). Οι συζεύξεις Higgs περιγράφουν το σε ποια σωματίδια διασπάται το μποζόνιο Higgs, το ποια σωματίδια μπορούν να συντηχθούν για να παράξουν μποζόνια Higgs και το πόσο συχνά συμβαίνουν αυτές οι διεργασίες. Οι επιστήμονες μετρούν αυτές τις συζεύξεις κοσκινίζοντας και αναλύοντας τις βροχές των σωματιδίων που παράγονται όταν τα μποζόνια Higgs αναδύονται στα συντρίμμια των συγκρούσεων πρωτονίων.

Ακόμα κι αν τα άγνωστα σωματίδια είναι πολύ βαριά για να εμφανιστούν στον LHC, οι συζεύξεις Higgs θα μπορούσαν να αποκαλύψουν την ύπαρξή τους. «Οποιαδήποτε από αυτές τις συζεύξεις διαφέρει από το πως την αναμέναμε να είναι, αποτελεί ένα πολύ σαφές σημάδι για την ύπαρξη μίας απίστευτα ενδιαφέρουσας νέας φυσικής πίσω από αυτήν», λέει ο φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων Marumi Kado του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης και του CERN, ο οποίος είναι αναπληρωτής εκπρόσωπος της συνεργασίας ATLAS.

Οι φυσικοί έχουν ήδη μελετήσει τις συζεύξεις με πολλά στοιχειώδη σωματίδια. Αυτές περιλαμβάνουν και τις δύο κύριες κατηγορίες σωματιδίων στη φυσική: τα μποζόνια (σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις) και τα φερμιόνια (σωματίδια που αποτελούν την ύλη, όπως τα ηλεκτρόνια). Οι επιστήμονες μέτρησαν τις αλληλεπιδράσεις του Higgs με έναν βαρύ συγγενή του ηλεκτρονίου που ονομάζεται “ταυ λεπτόνιο” (φερμιόνιο), καθώς και με τα μποζόνια W και Z, σωματίδια που μεταδίδουν την ασθενή αλληλεπίδραση, η οποία είναι υπεύθυνη για ορισμένους τύπους ραδιενεργής διάσπασης. Οι ερευνητές έχουν κατανοήσει επίσης τις συζεύξεις του Higgs με το top κουάρκ και το bottom κουάρκ. Αυτά είναι τα δύο από τα έξι κουάρκ, που σχηματίζουν μεγαλύτερα σωματίδια όπως πρωτόνια και νετρόνια. (Το Higgs είναι υπεύθυνο για τη μάζα των στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά η μάζα των σύνθετων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των πρωτονίων και των νετρονίων, προέρχεται κυρίως από την ενέργεια των σωματιδίων που ταλαντώνονται στο εσωτερικό τους.)

Οι συζεύξεις που μετρήθηκαν μέχρι στιγμής περιλαμβάνουν τα βαρύτερα στοιχειώδη σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου. Το top κουάρκ, για παράδειγμα, είναι περίπου τόσο βαρύ όσο ένα ολόκληρο άτομο χρυσού. Δεδομένου ότι το Higgs συνδέεται πιο έντονα με βαριά σωματίδια, αυτές οι αλληλεπιδράσεις τείνουν να είναι πιο εύκολα μετρήσιμες. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες θέλουν να παρατηρήσουν τις συζεύξεις των ελαφρύτερων σωματιδίων. Το ATLAS και το CMS έχουν χρησιμοποιήσει τους γιγάντιους ανιχνευτές τους για να βρουν ενδείξεις πως το Higgs διασπάται σε μιόνια, τον μέσου βάρους αδερφό της οικογένειας των ηλεκτρονίων, ελαφρύτερο από το ταυ αλλά βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Οι επιστημονικές ομάδες έχουν αρχίσει επίσης να ερευνούν τη σύζευξη με τα charm κουάρκ, τα οποία έχουν λιγότερη μάζα από τα κουάρκ top και bottom.

Μέχρι στιγμής, το Higgs δείχνει να συμμορφώνεται με το καθιερωμένο πρότυπο. «Η μεγάλη ανακάλυψή μας είναι ότι μοιάζει αρκετά με αυτό που περιμέναμε να είναι. Δεν υπήρξαν μεγάλες εκπλήξεις», λέει η θεωρητική φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων Sally Dawson του Brookhaven National Laboratory στο Upton της Νέας Υόρκης.

Αλλά μπορεί να υπάρχουν αποκλίσεις που απλώς δεν έχουν εντοπιστεί ακόμα. Οι προβλέψεις του καθιερωμένου προτύπου συμφωνούν με τις μετρημένες συζεύξεις εντός σφαλμάτων κοντά στο 10% ή περισσότερο. Κανείς όμως δεν ξέρει αν συμφωνεί κατά 5% ή 1%. Όσο μεγαλύτερη η ακρίβεια με την οποία μπορούν οι επιστήμονες να μετρήσουν αυτές τις συζεύξεις, τόσο καλύτερος ο έλεγχος που μπορούν να διενεργήσουν για ενδεχόμενες αποκλίσεις.

Η μελέτη του πως το μποζόνιο Higgs αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια αποτελεί έναν τρόπο να ελέγξουμε εάν ταιριάζει με τις προβλέψεις του καθιερωμένου προτύπου. Οι επιστήμονες έχουν μετρήσει τις αλληλεπιδράσεις του Higgs, ή τις «συζεύξεις», με πέντε τυπικά σωματίδια του προτύπου (σκούρο ροζ) και έχουν πρώιμες ενδείξεις σύζευξης με ένα έκτο. Τα βαρύτερα σωματίδια ήταν οι πρώτοι στόχοι αφού αλληλεπιδρούν πιο έντονα με το μποζόνιο Higgs (όπως φαίνεται στο γράφημα), επομένως είναι πιο εύκολο να μετρηθούν. Μέχρι στιγμής, όλες οι μετρημένες ζεύξεις συμφωνούν με τις προβλέψεις.
E. Otwell; CMS collaboration/CERN

Μοναδικότητα

Πριν λειτουργήσει ο LHC, οι επιστήμονες είχαν ένα ξεκάθαρο φαβορί για μια θεωρία φυσικής που θα μπορούσε να λύσει μερικά από τα δεινά του καθιερωμένου προτύπου: την υπερσυμμετρία, μια κατηγορία θεωριών στην οποία σε κάθε γνωστό σωματίδιο αντιστοιχεί ένα σωματίδιο “συνεργάτη” το οποίο δεν έχει ακόμα ανακαλυφθεί. Οι φυσικοί ήλπιζαν ότι τέτοια σωματίδια θα εμφανίζονταν στον LHC. Αλλά δεν έχει βρεθεί κανένα ακόμη. Αν και η υπερσυμμετρία δεν αποκλείεται πλήρως, οι πιθανότητες για τη θεωρία θεωρούνται πλέον μικρές.

Χωρίς να υπάρχει κοινά αποδεκτός υποψήφιος μεταξύ πολλών άλλων θεωριών για το τι θα μπορούσε να βρίσκεται πέρα ​​από το καθιερωμένο πρότυπο, η προσοχή στρέφεται στο Higgs. Οι φυσικοί ελπίζουν ότι οι μελέτες του Higgs θα αποκαλύψουν κάτι που θα μπορούσε να δείχνει προς τη σωστή κατεύθυνση για να ξεμπερδέψουμε μερικές από τις παραφωνίες του καθιερωμένου προτύπου. «Η μέτρηση των ιδιοτήτων [του μποζονίου Higgs] θα μας πει πολύ περισσότερα για το τι είναι πέρα ​​από το καθιερωμένο πρότυπο… από οτιδήποτε άλλο στο παρελθόν», λέει η Reina.

Ένα ερώτημα που ερευνούν οι επιστήμονες στις συγκρούσεις του LHC είναι αν το Higgs είναι πραγματικά μοναδικό. Όλα τα άλλα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια έχουν μια κβαντική μορφή στροφορμής, γνωστή ως σπιν. Αλλά το σπιν του Higgs είναι μηδέν, είναι δηλαδή “βαθμωτό”. Οι άλλοι τύποι σωματιδίων τείνουν να βρίσκονται σε οικογένειες, επομένως δεν είναι παράξενο να φανταστούμε ότι το μποζόνιο Higgs θα μπορούσε να έχει βαθμωτούς συγγενείς. «Θα μπορούσε να υπάρχει κάπου κρυμμένη μία τεράστια βαθμωτή οικογένεια και εμείς να είδαμε μόλις το πρώτο σωματίδιο της», λέει ο Heinrich. Η υπερσυμμετρία προβλέπει πολλά μποζόνια Higgs, αλλά υπάρχουν και πολλές άλλες ιδέες που οραματίζονται συνεργάτες του σωματιδίου Higgs.

Είναι επίσης πιθανό το Higgs να μην είναι στην πραγματικότητα στοιχειώδες. Είναι γνωστό ότι συνδυασμοί σωματιδίων, όπως τα κουάρκ, συνθέτουν μεγαλύτερα σωματίδια με μηδενικό σπιν. Ίσως το Higgs, όπως και αυτά τα άλλα βαθμωτά, να αποτελείται από -ακόμη άγνωστα- μικρότερα πράγματα.

Ενώ αναζητούν αυτές τις απαντήσεις, οι φυσικοί επίσης θα παρακολουθούν στενά για την ύπαρξη οποιαδήποτε σχέσης μεταξύ της συμπεριφοράς του Higgs και άλλων πρόσφατων αινιγματικών αποτελεσμάτων. Το 2021, το πείραμα Muon g−2 στο Fermilab στη Batavia, ανέφερε ενδείξεις πως τα μιόνια έχουν μαγνητικές ιδιότητες οι οποίες δεν συμφωνούν με τις προβλέψεις του καθιερωμένου προτύπου. Και τον Απρίλιο, οι επιστήμονες με το πείραμα CDF – το οποίο μελέτησε τις συγκρούσεις σωματιδίων στο Fermilab μέχρι το 2011 – διαπίστωσαν ότι η μάζα του μποζονίου W είναι μεγαλύτερη από όσο προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο.

Η σχετική νεότητα του μποζονίου Higgs το καθιστά κατάλληλο για ανακαλύψεις που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίλυση αυτών των προβλημάτων. «Το μποζόνιο Higgs είναι το λιγότερα εξερευνημένο στοιχειώδες σωματίδιο και θα μπορούσε να αποτελεί μια πόρτα στα άλλα μυστήρια που πρέπει ακόμα να αποκαλύψουμε ή να ρίξουμε φως», λέει ο Heinrich.

Ο ανιχνευτής CMS, ένας από τους ανιχνευτές που ανακάλυψαν το μποζόνιο Higgs, αναβαθμίστηκε πριν από μια νέα σειρά συγκρούσεων σωματιδίων που ξεκίνησε στον LHC φέτος.
Samuel Joseph Hertzog/CERN

Μιλώντας στον εαυτό μας

Για να επιλύσουν ακανθώδεις γρίφους, οι φυσικοί μερικές φορές μιλάνε στον εαυτό τους. Με παρόμοιο τρόπο, ένα ακόμα παζλ για το Higgs αποτελεί το εάν το σωματίδιο μιλάει με τον… εαυτό του.

Αυτή η «αυτοσύζευξη», το πώς αλληλεπιδρούν τα μποζόνια Higgs μεταξύ τους, δεν έχει μετρηθεί ποτέ πριν. Αλλά «φαίνεται πως είναι ένα πραγματικά απίστευτο βαρόμετρο νέας φυσικής», λέει ο θεωρητικός φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων Nathaniel Craig από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Για παράδειγμα, η μέτρηση της αυτοσύζευξης Higgs θα μπορούσε να αποκαλύψει κρυμμένα σωματίδια που αλληλεπιδρούν μόνο με το Higgs, ενώ αγνοούν οποιοδήποτε από τα άλλα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου.

Η αυτοσύζευξη Higgs σχετίζεται στενά με το δυναμικό Higgs, μια κυματοειδή επιφάνεια σε σχήμα σομπρέρο που περιγράφει την ενέργεια του πεδίου Higgs η οποία διαπερνά το σύμπαν. Στο πρώιμο σύμπαν, αυτό το δυναμικό καθόρισε τον τρόπο με τον οποίο τα θεμελιώδη σωματίδια απέκτησαν μάζα, όταν το πεδίο Higgs εμφανίστηκε για πρώτη φορά.

Το πώς ακριβώς συνέβη αυτή η μετάβαση από την ανυπαρξία μάζας σε μάζα έχει μεγάλη σημασία για το σύμπαν. Θα μπορούσε να εξηγήσει το πώς η ύλη πήρε το πάνω χέρι έναντι της αντιύλης στο πρώιμο σύμπαν. Εάν το πεδίο Higgs έπαιξε αυτόν τον ρόλο στις απαρχές του σύμπαντος, λέει ο Craig, «θα έχει αφήσει κάποια δακτυλικά αποτυπώματα στο δυναμικό Higgs που μετράμε σήμερα».

Ανάλογα με το πλήρες σχήμα του σομπρέρο του δυναμικού Higgs, κάποια στιγμή στο εξαιρετικά μακρινό μέλλον, το πεδίο Higgs θα μπορούσε να μετατοπιστεί ξανά, όπως έγινε στο πρώιμο σύμπαν. Ένα τέτοιο άλμα θα άλλαζε τις μάζες των θεμελιωδών σωματιδίων, δημιουργώντας ένα σύμπαν στο οποίο γνωστά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένης της ζωής, πιθανότατα θα εξαλείφονταν.

Για να κατανοήσουν καλύτερα το δυναμικό του Higgs, οι επιστήμονες θα προσπαθήσουν να μετρήσουν την αυτοσύζευξη. Αυτό θα το κάνουν αναζητώντας τα μποζόνια Higgs που παράγονται σε ζεύγη, ένα σημάδι της αλληλεπίδρασης του Higgs με τον εαυτό του. Αυτό πιστεύεται ότι συμβαίνει με ρυθμό μικρότερο από το ένα χιλιοστό αυτού με τον οποίο παράγονται μεμονωμένα μποζόνια Higgs στον LHC, καθιστώντας έτσι εξαιρετικά δύσκολη τη μέτρηση.

Ακόμη και με τον High-Luminosity LHC, ο οποίος τελικά θα συλλέξει περίπου 10 φορές περισσότερα δεδομένα από τον LHC, οι επιστήμονες προβλέπουν ότι η αυτοσύζευξη θα μετρηθεί με μεγάλα όρια σφάλματος (περίπου 50%), υποθέτοντας ότι το καθιερωμένο πρότυπο είναι σωστό. Αυτό δεν αρκεί για να διευθετηθεί το θέμα.

Εάν οι επιστήμονες κάνουν απλώς αυτό που έχουν αρχίσει να κάνουν, «θα υστερήσουμε», λέει ο Duarte. Αλλά οι νέες τεχνικές θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους φυσικούς να αναγνωρίσουν καλύτερα τα γεγονότα διπλού σωματιδίου Higgs. Ο Duarte μελετά συγκρούσεις στις οποίες δύο ιδιαίτερα υψηλής ενέργειας μποζόνια Higgs διασπώνται, το καθένα σε ένα κουάρκ bottom και ένα αντικουάρκ bottom. Χρησιμοποιώντας μια εξειδικευμένη τεχνική machine learning, ο Duarte και οι συνεργάτες του συνέταξαν μια από τις πιο λεπτομερείς έως τώρα αναλύσεις για αυτόν τον τύπο διάσπασης.

Βελτιώνοντας αυτή την τεχνική και συνδυάζοντας τα αποτελέσματα από άλλους ερευνητές που εξετάζουν διαφορετικούς τύπους διάσπασης, «έχουμε μια καλή ελπίδα ότι θα μπορέσουμε να παρατηρήσουμε [την αυτοσύζευξη] οριστικά», λέει ο Duarte.

Το δυναμικό Higgs μπορεί να αναπαρασταθεί ως μια επιφάνεια σε σχήμα σομπρέρο που περιγράφει την ενέργεια του πεδίου Higgs. Κάποια στιγμή στο πρώιμο σύμπαν, η ενέργεια του πεδίου έπεσε από μια υψηλότερη τιμή στην κορυφή του σομπρέρο σε μια χαμηλότερη ενέργεια. Τότε είναι που τα σωματίδια απέκτησαν μάζα.
John Ellis/arXiv.org 2013, CERN, adapted by E. Otwell

Παιχνίδι αναμονής

Παρά το πάθος του για το Higgs, ο Duarte σημειώνει ότι υπήρξαν απογοητεύσεις. Μετά από τον ενθουσιασμό της ανακοίνωσης του Higgs, «Ήλπιζα σε μια ανακάλυψη σε επίπεδο Higgs κάθε χρόνο». Αυτό δεν συνέβη. Όμως δεν έχει χάσει την αισιοδοξία του. «Περιμένουμε ότι θα υπάρξει άλλη ανατροπή», λέει. «Ακόμα ελπίζουμε ότι είναι στη γωνία».

Η αναμονή για νέα φυσική δεν αποτελεί σοκ για τους βετεράνους προηγούμενων κυνηγιών σωματιδίων. Ο Meenakshi Narain, φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο Brown στο Providence, R.I., και μέλος του πειράματος CMS, ήταν προπτυχιακός φοιτητής περίπου την εποχή που ανακαλύφθηκε το bottom κουάρκ, τη δεκαετία του 1970. Μετά από αυτή την ανακάλυψη, ο Narain συμμετείχε στην αναζήτηση του top κουάρκ. Παρόλο που οι φυσικοί ήταν πεπεισμένοι για την ύπαρξη του σωματιδίου, αυτό το κυνήγι κράτησε ακόμα σχεδόν 20 χρόνια, λέει. Και χρειάστηκαν σχεδόν 50 χρόνια για να αποκαλυφθεί το μποζόνιο Higgs αφότου υποτέθηκε.

Τα ελαττώματα του καθιερωμένου προτύπου δίνουν στους φυσικούς την σιγουριά πως πρέπει να υπάρχουν περισσότεροι θησαυροί για να ανακαλυφθούν. Λόγω των προηγούμενων εμπειριών της με τη μακροπρόθεσμη διαδικασία της ανακάλυψης, η Narain λέει: «Έχω μεγάλη πίστη.»

Παραπομπές:

O. Brüning et al. The scientific potential and technological challenges of the High-Luminosity Large Hadron Collider program. Reports on Progress in Physics. Vol. 85, March 29, 2022, p. 046201. doi: 10.1088/1361-6633/ac5106.

M. McCullough. Implications of New Physics Models for the Couplings of the Higgs Boson. Annual Review of Nuclear and Particle Science. Vol. 71, July 9, 2021, p. 529. doi: 10.1146/annurev-nucl-122320-041022.

S.D. Bass, A. De Roeck and M. Kado. The Higgs boson implications and prospects for future discoveries. Nature Reviews Physics. Vol. 3, July 15, 2021, p. 608. doi: 10.1038/ s42254-021-00341-2.    

Πηγή:
https://www.sciencenews.org/

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *