Tα πειράματα στο CERN και το σωματίδιο Higgs : Θεωρίες της Φυσικής και Βιβλική Κοσμολογία σε θέση αντίθεση και σύνθεση - Τακαρίδης Γεώργιος (4)

Συνέχεια από Τρίτη, 7 Ιουλίου 2020

1.2. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο CERN κατά το παρελθόν

Όπως θα αναπτύξουμε διεξοδικότερα παρακάτω, οι προσπάθειες των επιστημόνων να κατανοήσουν τη βαθύτερη δομή της ύλης οδήγησε στη δημιουργία ενός μοντέλου περιγραφής, που ονομάστηκε Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model). Το Καθιερωμένο Πρότυπο συγκεντρώνει όλες τις μέχρι σήμερα γνώσεις των επιστημόνων για τη δομή της γνωστής ύλης και τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφόρων στοιχειωδών σωματιδίων· δεν αποτελεί ωστόσο την τελική πρόταση της Φυσικής17. Πολλά είναι ακόμη τα αναπάντητα ερωτήματα, όπως η προέλευση και η δομή της άγνωστης σε μας μορφής ύλης που αποκαλείται «σκοτεινή ύλη» και η άγνωστη μορφή ενέργειας που αποκαλείται «σκοτεινή ενέργεια». Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των επιστημόνων η γνωστή ύλη και ενέργεια, δηλαδή αυτή που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις και τα όργανα μέτρησης που διαθέτουμε, αποτελεί μόλις το 4% της συνολικής υλοενέργειας στο Σύμπαν. Το υπόλοιπο 23% αποτελείται από σκοτεινή ύλη και το 73% από σκοτεινή ενέργεια18.

Τα πειράματα στο CERN αλλά και στους άλλους επιταχυντές ανά τον κόσμο, είχαν και συνεχίζουν να έχουν ως στόχο τους την αναζήτηση των νόμων της Φύσης που διέπουν τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων και την όσο το δυνατόν βαθύτερη κατανόησή τους. Το Καθιερωμένο Πρότυπο αποδείχθηκε ανθεκτικό στα πειράματα που έγιναν και συνεχίζουν ακόμη να γίνονται. Μία σειρά σωματιδίων που είχαν ανιχνευτεί πριν από την δημιουργία του Προτύπου ερμηνεύτηκαν από αυτό, αλλά και μία σειρά άγνωστων σωματιδίων, που προβλέφθηκαν από αυτό, ανιχνεύτηκαν και επιβεβαιώθηκαν στην πορεία του χρόνου στους μεγάλους επιταχυντές.

Ενδεικτικά αναφέρουμε ορισμένα από τα σημαντικότερα πειράματα που συνέβαλαν στην επιβεβαίωση της ορθότητας του Καθιερωμένου Προτύπου19. Το 1979, το CERN πήρε την απόφαση να μετατρέψει τον Super Proton Synchrotron (SPS) σε επιταχυντή – συγκρουστή πρωτονίων – αντιπρωτονίων. Οι πρώτες συγκρούσεις πρωτονίων – αντιπρωτονίων πραγματοποιήθηκαν μόλις δύο χρόνια μετά την έγκριση του σχεδίου, και σε δύο πειράματα με ονόματα UA1 και UA2, άρχισαν να ψάχνουν τα προϊόντα – «συντρίμμια» της σύγκρουσης. Το 1983, το CERN ανακοίνωσε την ανακάλυψη των W και Ζ σωματιδίων που επιβεβαίωναν την εγκυρότητα του Καθιερωμένου Προτύπου για την ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Η ανακάλυψη ήταν τόσο σημαντική, ώστε οι δύο βασικοί επιστήμονες Carlo Rubbia και Simon van der Meer έλαβαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής μόλις ένα χρόνο αργότερα20.

Ακολούθησε ο επιταχυντής LEP, ο οποίος ήταν και εξακολουθεί να είναι ο μεγαλύτερος επιταχυντής ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Άρχισε να λειτουργεί το καλοκαίρι του 1989 και για έξι χρόνια η ενέργεια σύγκρουσης των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων του ήταν ρυθμισμένη ακριβώς στην τιμή που χρειαζόταν για την παραγωγή του ουδέτερου φορέα της ασθενούς δύναμης, το μποζόνιο Z0. Από το καλοκαίρι του 1996, ο LEP λειτουργούσε στην ενέργεια ακριβώς που χρειαζόταν για την παραγωγή ζευγών των φορτισμένων φορέων της ασθενούς δύναμης, των μποζονίων W+ και W-. Στους τέσσερις τεράστιους ανιχνευτές του, ALEPH, DELPHI, L3 και OPAL, παρατηρήθηκαν και ανιχνεύτηκαν εκατομμύρια σωματίδια Z0 και εκατοντάδες W, που επέτρεψαν την πραγματοποίηση ελέγχων εξαιρετικής ακριβείας για το Καθιερωμένο Πρότυπο. Επιπλέον οι μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν στον LEP, επιβεβαίωσαν το γεγονός ότι υπάρχουν τρεις –και μόνο τρεις– γενιές σωματιδίων της ύλης21. Σε συνδυασμό με τις ανακαλύψεις των υπολοίπων επιταχυντών στον κόσμο, το Καθιερωμένο Πρότυπο απέκτησε κύρος ισχυρού μοντέλου, εφόσον βασιζόταν σε στέρεα πλέον θεωρητικά και πειραματικά θεμέλια.

1.3.  Η περίπτωση του σωματιδίου Higgs

I. Η σχέση του σωματιδίου Higgs με το Καθιερωμένο Πρότυπο

Το σωματίδιο Higgs αποτελεί το τελευταίο και πιο παράξενο σωματίδιο που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αρχικά οι εξισώσεις του Προτύπου όχι μόνο δεν προέβλεπαν μάζα για τα σωματίδια που είναι φορείς των αλληλεπιδράσεων22, αλλά επιπλέον ο όρος της μάζας μέσα στις εξισώσεις αυτές ερχόταν σε αντίθεση με τους αυστηρούς όρους αυτοσυνέπειας της θεωρίας23. Αρκετοί επιστήμονες ασχολήθηκαν με το θέμα αυτό προκειμένου να βρεθεί ένας μηχανισμός που να δίνει λύση συμβατή με τις εξισώσεις του Προτύπου και να ερμηνεύει τον τρόπο με τον οποίο οι αρχικά ενεργειακές οντότητες αποκτούν μάζα – υλική υπόσταση. Τον Αύγουστο του 1964 οι Robert Brout και Francois Englert, βασισμένοι σε εργασίες άλλων επιστημόνων και κυρίως στο θεώρημα του Goldstone, δημοσίευσαν μία εργασία σχετικά με έναν μηχανισμό, που είναι συμβατός αφενός με τις μαθηματικές εξισώσεις και αφετέρου είναι ικανός να ερμηνεύσει την «απονομή» μάζας στα ενεργειακά σωματίδια. Τον Σεπτέμβριο του ίδιου έτους ο Peter Higgs εισήγαγε στο μηχανισμό και ένα μποζόνιο (αυτό που σήμερα αποκαλείται σωματίδιο Higgs) και τις ιδιότητές του στην εργασία του με τίτλο «Σπασμένες συμμετρίες και οι μάζες των μποζονίων»24. Έτσι κατέστη εφικτό, μέσα στα αυστηρά μαθηματικά πλαίσια, να μπορεί το Καθιερωμένο Πρότυπο να ερμηνεύει την εμφάνιση της μάζας με ένα μηχανισμό, ο οποίος αρκετά αργότερα, στα 1972, προς τιμήν του Higgs πήρε το όνομά του.

Η σημασία του σωματιδίου είναι όμως καθοριστική, όχι μόνο γιατί ερμηνεύει την αλλαγή από την αϋλότερη – ενεργειακότερη υφή των σωματιδίων σε υλικότερη καθώς τα «υποχρεώνει» να εμφανίσουν την μάζα τους, αλλά και γιατί η επιβεβαίωσή του έρχεται να κλείσει τον κύκλο και να ολοκληρώσει την εικόνα του Καθιερωμένου Προτύπου, του οποίου οι προβλέψεις συμφωνούν πλήρως με όλα τα πειραματικά δεδομένα της τελευταίας τριακονταετίας25. Η ενοποίηση της ασθενούς με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, μία από τις κορυφαίες κατακτήσεις της Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων, βασίστηκε πάνω στο μηχανισμό Higgs, βάσει του οποίου προβλέφθηκαν τα σωματίδια – φορείς W+, W- και Ζ0, τα οποία στη συνέχεια ανιχνεύτηκαν και επιβεβαιώθηκαν Βέβαια το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως προαναφέρθηκε, δεν αποτελεί μία συνολική πρόταση που επιλύει όλα τα προβλήματα και τις ερωτήσεις για την ύλη και τον κόσμο μας· υπάρχουν και άλλα πολλά θέματα που περιμένουν να απαντηθούν και να επιλυθούν. Ωστόσο, η επιβεβαίωση του σωματιδίου Higgs θα σημάνει το κλείσιμο μιας επίμονης και επίπονης προσπάθειας χιλιάδων επιστημόνων. Εάν το σωματίδιο επιβεβαιωθεί, επιβεβαιώνονται συνολικά και όλες οι προηγούμενες επιτυχίες του Προτύπου που βασίστηκαν πάνω σ’ αυτό. Εάν δεν επιβεβαιωθεί, τότε υπάρχουν δύο ενδεχόμενα· είτε πρέπει να επινοηθεί ένας νέος μηχανισμός που θα ερμηνεύει την εμφάνιση της μάζας μέσα στα αυστηρά μαθηματικά πλαίσια του Προτύπου, για να συνεχίσει το Πρότυπο να είναι συνολικά αυτοσυνεπές, είτε το Καθιερωμένο Πρότυπο πλήττεται σοβαρά, εφόσον αδυνατεί να ερμηνεύσει την μάζα των σωματιδίων. Παράλληλα πλήττεται και η βασική ιδέα της ρήξης της συμμετρίας, ενός μηχανισμού με ισχυρό μαθηματικό υπόβαθρο που ερμηνεύει με κομψότατο τρόπο τις αλλαγές φάσης στη Φύση26. Σε μία τέτοια περίπτωση απαιτείται παραγωγή νέας θεωρίας στη Φυσική, η οποία θα πρέπει να προβλέπει και να ερμηνεύει όλα αυτά που πέτυχε το Καθιερωμένο Πρότυπο, με την πρόσθετη απαίτηση να ερμηνεύει και το μηχανισμό απονομής μάζας.

Σημειώσεις

17. http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/WhyLHC-en.html

18. Βλ. Αυγολούπης Σταύρος, ΑΡΧΗ ΚΑΙ ΤΕΛΟΣ, Η Ιστορία του Σύμπαντος, Εκδόσεις Πλανητάριο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη 2009, σελ. 36 –37.

19. Η συνεισφορά του Cern δεν εξαντλείται στα πειράματα επιβεβαίωσης του Καθιερωμένου Προτύπου. Αναφέρονται αυτά διότι σχετίζονται άμεσα με την παρούσα εργασία.

20. http://public.web.cern.ch/public/en/About/History83-en.html

21. http://public.web.cern.ch/public/en/About/History89-en.html

22. Για τα σωματίδια αυτά υπάρχει εκτενέστερη αναφορά στην παράγραφο 2.4. ΙΙ.

23. Τράκας Ν., Τι είναι, επί τέλους, αυτό το σωματίδιο higgs; http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/articles/higgs.html

24. Η εργασία του αυτή αρχικά δημοσιεύτηκε με ελλείψεις στο PHYSICS LETTERS το Σεπτέμβριο του 1964: Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields, Higgs P., Physics Letters, v. 12, No 2, pages 132–133, (1964). Στη συνέχεια μετά από συμπλήρωσή της δημοσιεύτηκε τον Οκτώβριο του ίδιου χρόνου στο PHYSICAL REVIEW LETTERS: Broken Symmetry and the Masses of Gauge Bosons, Higgs P., Phys. Rev. Lett., v. 13, No 16, pages 508–509, (1964).

25. Τράκας Ν., όπ. παρ., http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/articles/higgs.html

26. Για τις συμμετρίες και το σπάσιμό τους υπάρχει εκτενής αναφορά στην παράγραφο 2.6.

Στήν αρχή ο Θεός δημιούργησε τόν ουρανό καί τήν γή. Η δέ γή ήταν άμορφος καί έρημος καί σκότος επί τού προσώπου τής αβύσσου. Καί Πνεύμα Θεού εφέρετο επί τής επιφανείας τών υδάτων.