Συνέχεια από: Τετάρτη, 8 Ιουλίου 2020
II. Η προ του LHC (Large Hadron Collider) κατάσταση
Ίσως εύλογα προκύπτει η απορία γιατί αυτό το σωματίδιο με τον τόσο ιδιάζοντα ρόλο που παίζει, άργησε τόσο πολύ να ανακαλυφθεί. Σύμφωνα με αυτά που προβλέπει η θεωρία, το σωματίδιο Higgs ενεργεί με έναν πολύ ιδιαίτερο και πολύ ανεπαίσθητο τρόπο μέσα στη Φύση, γι’ αυτό και απαιτείται υψηλή τεχνολογία και προχωρημένη επιστημονική γνώση, για να ανιχνευτεί. Το Καθιερωμένο Πρότυπο αδυνατεί να προβλέψει τη μάζα του συγκεκριμένου σωματιδίου ή σωματιδίων, εάν υπάρχουν περισσότερα από ένα διαφορετικών μαζών σωματίδια Higgs, όπως προβλέπουν κάποιες διευρυμένες εκδοχές του Καθιερωμένου Προτύπου27. Επιπλέον οι αλληλεπιδράσεις του με σωματίδια της ύλης είναι ανάλογες της μάζας τους, δηλαδή όσο πιο μικρή μάζα έχει ένα σωματίδιο τόσο πιο ασθενικά αλληλεπιδρά με το σωματίδιο Higgs28, και επομένως τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα να ανιχνευτεί στις αλληλεπιδράσεις του με τα μικρής μάζας σωματίδια που απαντώνται στη Φύση. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί πως η φύση ευνοεί τα χαμηλής μάζας σωματίδια που έχουν και χαμηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο. Το βαρύτερο σταθερό σωμάτιο είναι το πρωτόνιο με μάζα περίπου 1 GeV. Έτσι τα μεγάλης μάζας σωματίδια ανιχνεύτηκαν και έγιναν γνωστά είτε από την κοσμική ακτινοβολία που φτάνει στη Γη από το διάστημα, είτε παράχθηκαν στους μεγάλους επιταχυντές μέσα στο εργαστήριο. Χαρακτηριστικό γνώρισμα όλων αυτών των σωματιδίων υψηλής μάζας είναι ο πολύ μικρός χρόνος ζωής τους, καθώς διασπώνται σε ελαφρότερα και σταθερότερα σωματίδια. Από τη σχέση ισοδυναμίας μάζας – ενέργειας, μεγάλη τιμή μάζας αντιστοιχεί και σε μεγάλη τιμή ενέργειας και αντίστροφα. Αυτό σημαίνει πως όσο οι επιταχυντές δε μπορούσαν να δώσουν υψηλές τιμές ενέργειας στις συγκρουόμενες δέσμες, τόσο μικρότερες ήταν οι μάζες των σωματιδίων που παρήγαγαν, άρα τόσο μικρότερη ήταν και η πιθανότητα ανίχνευσης του Higgs. Επομένως, αφενός αυτό έπρεπε να αναζητηθεί σε υψηλές περιοχές ενέργειας, όπου η πιθανότητα ανίχνευσής του ήταν μεγαλύτερη, αφετέρου ήταν άγνωστη η ακριβής περιοχή μαζών – ενεργειών όπου έπρεπε να γίνει η αναζήτηση. Το γεγονός αυτό καθιστούσε ακόμη πιο δύσκολο τον εντοπισμό του σωματιδίου, διότι ανάλογα με την κλίμακα μάζας που γίνεται η αναζήτηση χρησιμοποιείται και διαφορετική τεχνική. Επιπρόσθετα πρέπει να αναφερθεί ότι παρόλο που η μάζα του ίδιου του Higgs δεν είχε ακριβώς προσδιοριστεί, οι εκτιμήσεις έδιναν μεγάλες τιμές μάζας, που σημαίνει πως είναι εξαιρετικά ασταθές σωματίδιο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ταχύτατη διάσπασή του σε άλλα ελαφρύτερα και επομένως αναμένεται η παρατήρησή του να είναι έμμεση μέσα από τα λεγόμενα κανάλια διάσπασής του.
Στην τελευταία φάση λειτουργίας του επιταχυντή LEP, όταν αναβαθμίστηκε και μπορούσε να δώσει τις θεωρητικά απαιτούμενες ενέργειες, έγινε συστηματική προσπάθεια για τον εντοπισμό του σωματιδίου. Στον ανιχνευτή ALEPH, στα 114 GeV ενδεχομένως το σωματίδιο να έδωσε κάποια σήματα, που δε μπόρεσαν όμως να επιβεβαιωθούν στατιστικά. Η πειραματική επιβεβαίωση ενός σωματιδίου απαιτεί υψηλή στατιστική βεβαιότητα κάτι το οποίο δεν ήταν εφικτό από τα στοιχεία που έδινε ο LEP. Αυτό συνέβη διότι ο επιταχυντής έφτανε στα πάνω όρια λειτουργίας που του επέτρεπαν οι κατασκευαστικές του προδιαγραφές. Η λειτουργία του LEP διακόπηκε όταν φάνηκε πως είχαν πλέον εξαντληθεί τα όρια του.
Με τη διακοπή της λειτουργίας του επιταχυντή LEP και αναμένοντας την κατασκευή του νέου επιταχυντή LHC που απαίτησε μία οκταετία, τα βλέμματα και οι ελπίδες των επιστημόνων στράφηκαν στον επιταχυντή Tevatron στο εργαστήριο Fermilab των Ηνωμένων Πολιτειών, ο οποίος διαδραμάτισε σπουδαίο ρόλο στην Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων. Η δυνατότητά του –2 TeV– ήταν μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτήν του LEP, δηλαδή μπορούσε να δώσει στις συγκρουόμενες δέσμες μέχρι και 10 φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που έδινε ο LEP. Στην εποχή του, παρήγαγε περίπου 10 εκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων–αντιπρωτονίων κάθε δευτερόλεπτο, από τις οποίες οι 200 περίπου καταγράφονταν από τους ανιχνευτές για περαιτέρω ανάλυση29.
Στον Tevatron ανακαλύφθηκε το 1995 το βαρύτερο κουάρκ που απαντάται στη φύση, το top κουάρκ. Η σημασία της ανακάλυψης αυτής ήταν μεγάλη, διότι αφενός το κουάρκ αυτό ήταν το τελευταίο σωματίδιο του Καθιερωμένου Προτύπου που δεν είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά και αφετέρου η ανακάλυψή του έδινε σημαντικά στοιχεία για την περαιτέρω προσέγγιση της μάζας του μποζονίου Higgs30. Το παζλ της Φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, μετά από επίπονη πορεία δεκαετιών, έδειχνε ότι φτάνει στην ολοκλήρωσή του. Μετά το top κουάρκ απέμενε μία τελευταία ψηφίδα, ένα τελευταίο μποζόνιο, το σωματίδιο Higgs. Έτσι άρχισαν τα πειράματα που σε πρώτη φάση θα περιόριζαν την επιτρεπόμενη περιοχή ενεργειών στην οποία θα προσδιορίζονταν το παράξενο σωματίδιο. Τον Μάρτιο του 2009 πραγματοποιήθηκε η πιο ακριβής μέτρηση του μποζονίου W, που οδήγησε σε αυστηρότερα όρια εκτίμησης της μάζας του Higgs. Τον Μάρτιο του 2011 αποκλείστηκαν κάποιες περιοχές ενέργειας και υποδείχθηκε η περιοχή 115 – 156 GeV ως η καταλληλότερη. Στις 30 Σεπτεμβρίου του 2011 πραγματοποιήθηκαν στον Tevatron οι τελευταίες συγκρούσεις πρωτονίων – αντιπρωτονίων και η λειτουργία του διακόπηκε, ενώ συλλέχθηκαν στοιχεία που θα απαιτήσουν αρκετά χρόνια για να αναλυθούν. Από τη διακοπή λειτουργίας του και μετά, οι ανακοινώσεις που ακολούθησαν επιβεβαίωναν την ορθότητα του Καθιερωμένου Προτύπου με ολοένα και μεγαλύτερη ακρίβεια.
Σημειώσεις
27. http://www.atlas.ch/news/2012/HiggsStatementATLAS-Greek.pdf
28. Ι. . Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, Εισαγωγή στα στοιχειώδη σωμάτια & την κοσμολογία, Εκδόσεις Συμεών, Αθήνα 2000, σελ. 96 – 97.
29. Fermilab: http://www.fnal.gov/pub/tevatron/milestones/interactive-timeline.html
30. Γνωρίζοντας τη μάζα του top κουάρκ, του μποζονίου W και τη συμπεριφορά του μποζονίου Ζ στην παραγωγή και τις διασπάσεις του, καθίσταται ευκολότερη η εκτίμηση της μάζας του σωματιδίου Higgs. Fermilab, όπ. παρ.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου