Τι θα γίνει τελικά αν δεν υπάρχει το μποζόνιο Higgs;

Τι θα γίνει αν το 2012 δεν επιβεβαιωθεί η ύπαρξη του Higgs; υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις αν το σωματίδιο του Θεού όπως ονομάστηκε από τα ΜΜΕ δεν υπάρχει; Ναι, γιατί, δεν χρειαζόμαστε υποχρεωτικά το μποζόνιο Higgs για να δοθεί μάζα στα σωματίδια. Ανοίγει έτσι η πόρτα για πιο εξωτικά είδη της φυσικής, συμπεριλαμβανομένων των πρόσθετων σωματιδίων και δυνάμεων.

Ο θεωρητικός Matt Strassler του Πανεπιστημίου Rutgers λέει πως το μποζόνιο Higgs είναι απλώς ένα κυματισμός στο λεγόμενο πεδίο Higgs, που στην πραγματικότητα αυτό θεωρείται ότι δίνει μάζα σε όλα τα άλλα σωματίδια. «Το φτωχό πεδίο Higgs εργάζεται στην αφάνεια, προστατεύοντας το σύμπαν από την καταστροφή, αλλά δεν εισπράττει τίποτα από αυτά που αξίζει," σχολιάζει ο Strassler.

Οι φυσικοί ψάχνουν μόνο για το σωματίδιο Higgs γιατί είναι ο ευκολότερος τρόπος για να αποκτήσουν πρόσβαση στον τομέα. Αν αυτοί δεν το βλέπουν, τότε αυτό μας δείχνει πως το πεδίο είναι διαφορετικό από αυτό που προβλέπεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Κανονικά, τα σωματίδια στα πεδία είναι σαν τους κυματισμούς σε λίμνες – για παράδειγμα τα φωτόνια είναι κυματισμοί στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Αλλά αν το πεδίο μοιάζει περισσότερο σαν μελάσα από ότι νερό, τότε οι κυματισμοί σβήνουν πάρα πολύ γρήγορα για να μπορέσουμε να το ανιχνεύσουμε.

Κι αυτό σημαίνει ότι η ύλη θα μπορούσε να αποκτήσει τη μάζα του από ένα παχύ πεδίο σαν το Higgs, που δεν έχει όμως κανένα σχετικό σωματίδιο. Για να πάρουμε ένα τέτοια ‘κολλώδες’ πεδίο, οι θεωρητικοί πρέπει να πάνε σε πιο εξωτικές δυνατότητες – όπως νέα σωματίδια και δυνάμεις της φύσης. "Δεν μπορείτε να πάρετε την κατάσταση όπου δεν υπάρχει σωματίδιο Higgs εκεί, εκτός κι αν προσθέσετε κάτι άλλο," δήλωσε ο Strassler.

Τι σημαίνει πιο εξωτικές δυνατότητες;

Η ύπαρξη μιας νέας δύναμης, που ονομάζεται technicolor, θα μπορούσε επίσης να δώσει σωματίδια μάζα, χωρίς την ανάγκη ενός μποζονίου Higgs. Το technicolour θα μπορούσε να λειτουργήσει σαν μια βαρέως τύπου εκδοχή της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η οποία ως γνωστόν δεσμεύει μαζί τα κουάρκ μέσα στους πυρήνες των ατόμων. Η δύναμη Technicolor θα μπορούσε να γεμίζει το διάστημα με ζεύγη από ακόμα πιο νέα σωματίδια, τα οποία θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια σούπα, μέσω του οποίου τα άλλα σωματίδια θα ταξίδευαν, κερδίζοντας μάζα κατά τη διαδικασία αυτή του ‘ταξιδιού’ τους.

"Θα ήταν μια εξαιρετική εναλλακτική λύση, εάν το Higgs δεν υπάρχει," λέει ο νομπελίστας Steven Weinberg. "Σε αυτή την περίπτωση θα υπήρχε μια ολόκληρη σειρά από άλλα σωματίδια, κατά πάσα πιθανότητα σε υψηλότερες ενέργειας, που μπορεί να ανακαλύψει ο LHC. Αλλά ο επιταχυντής LHC δεν θα βρει το μποζόνιο. Δεν θα ήταν ένα μποζόνιο, με τη συνήθη έννοια."

Υπάρχουν ακόμη πιο εξωτικές ιδέες;

Η ύπαρξη μιας τέταρτης διάστασης του χώρου, πέραν των τριών που βιώνουμε, θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί τα σωματίδια έχουν διαφορετικές μάζες – γεγονός που αποδίδεται συνήθως στο μποζόνιο Higgs.

Οι διαφορετικοί τύποι των σωματιδίων θεωρείται ότι έχουν διαφορετικές μάζες, επειδή αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs με δυνάμεις διαφορετικής ισχύος. Αλλά αν υπάρχει μια επιπλέον διάσταση του χώρου, τα σωματίδια μπορούν να έχουν υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις, οι οποίες εμφανίζονται μόνο στην επιπλέον 4η διάσταση. Στην συνηθισμένη σωματιδιακή φυσική, τα σωματίδια έχουν μια βασική ενέργεια που ονομάζεται θεμελιώδη κατάσταση και μπορεί να έχουν διεγερμένες καταστάσεις με μεγαλύτερη ενέργεια πάνω από αυτήν. Επειδή η ενέργεια σχετίζεται με τη μάζα μέσω της σχέσης E=mc², οι διεγερμένες καταστάσεις ‘ζυγίζουν’ ελαφρώς περισσότερο από την θεμελιώδη κατάσταση.

Σε έναν κόσμο με τέσσερις χωρικές διαστάσεις, τα σωματίδια έχουν μια πλήρη γκάμα (εύρος) διεγερμένων καταστάσεων, αλλά το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους είναι παγιδευμένο στην επιπλέον διάσταση, όπου δεν μπορούμε να την δούμε. Οι αθέατες καταστάσεις ενός απλού είδους σωματιδίου τελικά θα μοιάζουν με διαφορετικά σωματίδια στον 3D κόσμο μας. Χρειάζεστε ένα πεδίο σαν το Higgs για να δώσει μάζα σε ένα σωματίδιο στην θεμελιώδη του κατάσταση, αλλά μία επιπλέον διάσταση μπορεί να εξηγήσει γιατί βλέπουμε τα σωματίδια με διαφορετικές μάζες, χωρίς να επικαλείται το συνηθισμένο μποζόνιο Higgs.

"Αυτός θα ήταν ένας τρόπος ώστε να γίνουν διακρίσεις μεταξύ των σωματιδίων και να αποκτήσουν διαφορετικές μάζες, ο οποίος όμως δεν κάνει καμία αναφορά σε κανένα μποζόνιο Higgs ή οτιδήποτε”, εξηγεί ο θεωρητικός του CERN John Ellis.

Τελικά γιατί να πάρουμε αυτές τις εναλλακτικές ιδέες στα σοβαρά;

«Είναι η δουλειά των θεωρητικών φυσικών να παίζουν με όλες τις διαφορετικές δυνατότητες, έτσι ώστε οι πειραματιστές να έχουν όλα τα εργαλεία που χρειάζονται όταν τελικά ανακαλύψουν ή δεν ανακαλύψουν κάτι στον LHC, που αυτός μόνο θα αποκαλύψει ή δεν θα αποκαλύψει τι υπάρχει στην πραγματικότητα”, συμπληρώνει ο Ellis.

Ό,τι κι αν βρει ο LHC, η προοπτική του να πάρει μια πλημμύρα δεδομένων είναι συναρπαστική, τονίζει ο Tonelli. "Αυτή είναι η ατμόσφαιρα εδώ. Οι άνθρωποι αισθάνονται ότι αγγίζουμε πραγματικά κάτι το σημαντικό."

Ο μηχανισμός Higgs

Για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό Higgs, ας φανταστούμε μια συγκέντρωση φυσικών οι οποίοι βρίσκονται ομοιόμορφα κατανεμημένοι μέσα σε μια αίθουσα, και συζητούν με τους διπλανούς τους.

Μια όμορφη φυσικός μπαίνει και διασχίζει την αίθουσα. Όλοι οι φυσικοί απ’ όπου περνάει, μαζεύονται και συνωθούνται γύρω της. Καθώς δηλαδή διασχίζει την αίθουσα, έλκει τα πρόσωπα που βρίσκονται κοντά της, ενώ αυτά που προσπέρασε, επιστρέφουν στις κανονικές αποστάσεις μεταξύ τους.

Επειδή πάντα υπάρχει ένας σωρός ανθρώπων γύρω της, αυτή αποκτά μεγαλύτερη μάζα απ’ ότι θα είχε αν ήταν μόνη της. Αυτό υπονοεί ότι έχει τώρα περισσότερη ορμή για την ίδια ταχύτητα κίνησης. Δηλαδή, όταν κινείται είναι δυσκολότερο να σταματήσει, ενώ όταν σταματήσει, είναι δυσκολότερο να ξεκινήσει ξανά, διότι ο σωρός γύρω της πρέπει να κινηθεί και αυτός.

Στις τρεις διαστάσεις και με τις περιπλοκές που φέρνει η σχετικότητα, αυτός περίπου είναι ο μηχανισμός του Higgs. Το πεδίο Higgs θεωρείται ως υπόβαθρο όλου του χώρου. Απ’ οπουδήποτε περνάει ένα σωματίδιο, αυτό παραμορφώνει τοπικά το πεδίο Higgs. Η παραμόρφωση αυτή που έχει ως αντίστοιχο τη συγκέντρωση των ανθρώπων γύρω από την όμορφη φυσικό που εισέρχεται στην αίθουσα, γεννάει τη μάζα του σωματιδίου.

Η ιδέα προέρχεται από τη φυσική της στερεάς κατάστασης. Αντί για ένα πεδίο που γεμίζει όλο το χώρο, σ’ ένα στερεό σώμα, υπάρχει το πλέγμα των θετικών ιόντων του κρυστάλλου. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται μέσα στο πλέγμα των ιόντων, τα ιόντα έλκονται από αυτό, κάνοντας έτσι τη φαινομενική μάζα του ηλεκτρονίου μα είναι ακόμη και 40 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ελευθέρου ηλεκτρονίου.

Το πεδίο Higgs στο κενό, αποτελεί ένα τέτοιο είδος υποθετικού πλέγματος, που γεμίζει όλο το Σύμπαν. Χωρίς αυτό δεν θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε γιατί τα σωματίδια Z και W που είναι οι φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων, έχουν τόσο μεγάλη μάζα, ενώ το φωτόνιο που είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, δεν έχει καθόλου μάζα.

Πηγή: physics4u.gr/blog