«Διαλύοντας» το σωματίδιο Χιγκς

Αυτό που συμβαίνει μέσα στον επιταχυντή του CERN στη Γενεύη σε ώρα λειτουργίας είναι δύσκολο να το χωρέσει το ανθρώπινο μυαλό. Εννοείται το μυαλό κάποιου που δεν είναι εξοικειωμένος με τη Φυσική των Υψηλών Ενεργειών και με το κυνηγητό σωματιδίων με ζωή μόλις για δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Δύο δέσμες πρωτονίων, η μία δίπλα στην άλλη, σε εντελώς χωριστούς αγωγούς, με αντίθετης φοράς τροχιές, κατευθύνονται με ταχύτητα που υπολείπεται κατά ένα μόλις χιλιοστό της ταχύτητας του φωτός, μέσα σε σωλήνες όπου εκτός από το σκοτάδι βασιλεύει και το σχεδόν απόλυτο κενό. Μονταρισμένους 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της γης, απομονωμένους από την κοσμική ακτινοβολία, περιστοιχισμένους από τεράστιους ευθύγραμμους μαγνήτες, απαραίτητους για την εστίαση αλλά και το «στρίψιμο» της δέσμης. Ολα μαζί σε μια φωτισμένη στοά με μέγεθος λίγο μικρότερο αυτών του μετρό, μήκους 27 χιλιομέτρων.

Η κάθε δέσμη δεν είναι συνεχής (όπως δηλαδή γίνεται με το νερό που τρέχει στον σωλήνα του ποτίσματος) αλλά χωρίζεται, σε πλήρη λειτουργία, σε 2.808 κινούμενα πακέτα που το καθένα περιέχει 115 δισεκατομμύρια πρωτόνια (πού να τα βρίσκουν άραγε αυτά τα πρωτόνια και τόσα πολλά κάθε φορά;). Οι δύο αντίθετα κινούμενες δέσμες των πρωτονίων συναντιούνται και έρχονται σε τροχιά σύγκρουσης μόνον όταν φθάνουν στην καρδιά 4 παρεμβαλλόμενων ανιχνευτών που το ύψος και ο όγκος τους είναι κοντά σε αυτά του κτιρίου της Μητρόπολης και το βάρος του μεγαλύτερου είναι διπλάσιο από όσο βάρος έχουν τα σίδερα του πύργου του Αϊφελ.

Πριν από έξι χρόνια μέσα από παγκόσμιες συνδέσεις, συνεντεύξεις Τύπου και πολύ θόρυβο οι ερευνητές και ο υπόλοιπος κόσμος του CERN, αρκετά ανακουφισμένοι είναι η αλήθεια, ανακοίνωσαν ότι διέθεταν επαρκείς ενδείξεις για την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs. Πριν από λίγες ημέρες, στις 28 Αυγούστου, χωρίς κανείς σχεδόν να εντυπωσιαστεί, πέρα από τους ειδικούς, ανακοινώθηκε, πάλι από το CERN, ότι εντοπίστηκαν τα δυο χαμηλά κουάρκ (bottom quarks) που προκύπτουν από το επόμενο βήμα στην αφάνταστα σύντομη ζωή του σωματιδίου Χιγκς. Ενός σωματιδίου που ζει μόλις 10^-22  του δευτερολέπτου στον κόσμο μας (πόσο μεγάλος είναι αυτός ο χρόνος; Είναι 1 δεκάκις χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου! Γι’ αυτό, όπως είπε κάποιος ερευνητής: «Δεν θα μπορέσει κανείς να κρατήσει στα χέρια του ποτέ ένα σωματίδιο Χιγκς»). Και μετά την εμφάνισή του, όπως προβλέπει η θεωρία, «αμέσως» διασπάται. Στο 60% του χρόνου παρακολούθησης της όλης διαδικασίας το περιβόητο αυτό σωματίδιο μπορεί να δώσει και τα δυο κουάρκ-πυθμένα, το ένα φτιαγμένο από ύλη και το άλλο από αντι-ύλη.

Εντελώς αντίστροφα με τη συντομία και τη λιτότητα της ανακοίνωσης, πολύς κόπος και πολύς χρόνος απαιτήθηκαν για να επιβεβαιωθεί αυτή η σημαντική διαδικασία διάσπασης που είχε προβλεφθεί εδώ και καιρό από τη θεωρία. Είναι σημαντική διότι οι άνθρωποι της Φυσικής σήμερα δεν διστάζουν να θέτουν ερωτήματα εξαιρετικά θεμελιώδη. Από το πώς ήταν τα πράγματα, τότε στην όποια «αρχή» της αρχής, έως και το γιατί να έχουν μάζα και μάλιστα διαφορετική αυτά όλα τα σωματίδια που ανακαλύπτονται κάθε τόσο. Ετσι, μεταξύ άλλων, μετά το Χιγκς υπήρχε το ερώτημα αν με τη διάσπασή του θα εμφανίζονταν και εντελώς καινούργια σωματίδια ή θα επιβεβαιώνονταν τα από χρόνια δεδομένα του λεγόμενου Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model).

Δύο ανιχνευτές, ATLAS και CMS, είχαν εμπλακεί στα πειράματα ανίχνευσης των γεγονότων που ενδιαφέρουν εδώ. Με τον κάθε ανιχνευτή να διαθέτει τη δική του ομάδα επιστημόνων και τεχνικών. Αρα όλα γίνονται διπλά. Οι δυο ομάδες, στη συγκεκριμένη περίπτωση, εργάζονται κατά κάποιον τρόπο ανεξάρτητα, με διαφορετικές τεχνικές, και συγκρίνουν τα αποτελέσματα των μετρήσεών τους την κατάλληλη στιγμή, για να διαπιστωθεί αν καταλήγουν στο ίδιο αποτέλεσμα. Λογικό και αναμενόμενο. Αυτό που είναι λίγο πιο δύσκολο να φανταστούν οι απ’ έξω είναι το ότι στην καρδιά του κάθε ανιχνευτή, εκεί όπου οι δύο αντίθετα κινούμενες δέσμες συναντιούνται, τα πράγματα κάθε άλλο παρά απλά είναι. Από τα δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων των αλληλοσυγκρουόμενων πρωτονίων προκύπτουν όχι μόνον κάποια λίγα σωματίδια με ενδιαφέρον για ένα συγκεκριμένο πείραμα αλλά και χείμαρροι ολόκληροι άλλων σωματιδίων (jets), που περισσότερο θολώνουν την αναζήτηση. Αλλωστε, μόνον το σωματίδιο Χιγκς μπορεί να διασπαστεί με πέντε διαφορετικούς τρόπους, δίνοντας: δύο φωτόνια – δύο μποζόνια Ζ – δύο μποζόνια W – ένα bottom quark και το αντίστοιχο αντι-bottom quark – ένα ζευγάρι τ-αυ σωματιδίων. Συν το ότι κάποια από τα προηγούμενα σωματίδια μπορούν να προκύψουν, και προκύπτουν, από άλλες διεργασίες και διασπάσεις που συμβαίνουν την ίδια στιγμή. Κάθε συγκεκριμένη αλληλουχία γεγονότων ονομάζεται από τους ειδικούς κανάλι διάσπασης. Αρα πρέπει να βρεθεί κάποιος τρόπος να ανιχνεύεται και να ακολουθείται το κάθε κανάλι διάσπασης, κυρίως τα πιο «καθαρά», μαζί με τα όποια σκόρπια σωματίδια.

Αν θέλει κάποιος να κατανοήσει περισσότερο τη δυσκολία μπορεί να σκεφθεί την αντίστοιχη περίπτωση όπου ένα νόμισμα των δύο ευρώ έχει αντικατασταθεί από τα ισοδύναμα μικρότερης αξίας νομίσματα (π.χ. 2 των 50 σεντ, 3 των 20 και 4 των 10), αυτά να έχουν πεταχτεί σε ένα σωρό από άλλα παρόμοια και να του ζητούν, πηγαίνοντας αντίστροφα, να βρει ποια ήταν ακριβώς αυτά που αντικατέστησαν το εντελώς συγκεκριμένο νόμισμα των 2 ευρώ.

Και δεν είναι μόνον ότι υπάρχουν και άλλοι τρόποι για την παραγωγή ζευγαριών κουάρκ και μάλιστα του τύπου b, δηλαδή bottom («χαμηλό» ή «κουάρκ-πυθμένα» στα ελληνικά) αλλά και τα ίδια τα κουάρκ είναι δύσκολα… στη συμπεριφορά τους. Εχουν την τάση να περιβάλλονται και από άλλα κουάρκ και τελικά να φτιάχνουν άλλα, αποπροσανατολιστικά για τους ερευνητές σωματίδια. Διότι παράγονται κατά ζεύγη και ενώνονται ανά δύο με τη βοήθεια των γκλουονίων, που μπορούμε να τα φανταστούμε σαν ισχυρότατους ελαστικούς συνδέσμους. Παρ’ όλα αυτά, κάποια κουάρκ καταφέρνουν να σπάσουν τους δεσμούς τους και στα γυμνά άκρα εμφανίζονται νέα αντι-κουάρκ, με τη διαδικασία αυτή να επαναλαμβάνεται. Από τη συσσώρευση αυτή των κουάρκ μπορεί να προκύψουν στη συνέχεια ελαφριά αδρόνια που μπορούν να μπερδέψουν ακόμη περισσότερο την εικόνα.

Αυτή όλη η αστάθμητη συμπεριφορά των κουάρκ άλλωστε ήταν που απέτρεψε τους ερευνητές, όταν το 2012 έψαχναν ακόμη για τη χειροπιαστή πειραματική απόδειξη της ύπαρξης του σωματιδίου Χιγκς, να μην την ψάξουν προς την πλευρά αυτήν. Είναι αναμενόμενο λοιπόν, αν κάποιος δεν ζει από κοντά αυτές τις δυσκολίες και τις αγωνίες της κάθε ομάδας, να μην εντυπωσιαστεί από μια ανακοίνωση όπως αυτή της 28ης Αυγούστου.

Αφού λοιπόν με επιδεξιότητα και διασταύρωση των αποτελεσμάτων από τις δύο ομάδες επιβεβαιώθηκε το ότι ανιχνεύθηκε η όλη διαδικασία μπορεί να λεχθεί ότι έγινε ένα ακόμη μεγάλο βήμα για την κατανόηση του κόσμου που μας περιβάλλει. Στην ουσία, μετά την επιβεβαίωση της ύπαρξης του σωματιδίου Χιγκς οι ερευνητές, μεταξύ άλλων, ασχολούνται και με το να μάθουν τα πάντα γύρω από αυτό. ‘Η, πιο σωστά, να διαπιστώσουν αν αυτά που έχουν προβλεφθεί θεωρητικά ισχύουν ή μήπως κρύβεται και κάτι εντελώς νέο και απρόβλεπτο έως τώρα.

Ετσι η ανακοίνωση της 28ης Αυγούστου, με βάση τα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, βεβαιώνει έμμεσα μεταξύ άλλων πως αυτό το περιβόητο σωματίδιο δεν θεωρήθηκε άδικα ότι λειτουργώντας ως μεταφορέας, δηλαδή κάτι σαν delivery-man της επίδρασης του λεγόμενου πεδίου Χιγκς, εμπλέκεται στο να έχει μάζα κάποιο άλλο σωματίδιο. Στην περίπτωσή μας το bottom-quark, όπως προβλέπεται και από το Καθιερωμένο Πρότυπο, ελαττώνοντας αντίστοιχα τις πιθανότητες κάποιος άλλος μηχανισμός να εμπλέκεται με τη μάζα.

Το Σωματίδιο ή Μποζόνιο του Χιγκς δεν πρέπει να είναι στο μυαλό του αναγνώστη σαν ένα ακόμη ανεξάρτητο μπαλάκι που μπήκε στην τελευταία κενή θέση στον πίνακα του Καθιερωμένου Προτύπου. Πολύ προτού διαπιστωθεί πειραματικά το 2012 η ύπαρξή του, είχε γίνει αισθητός ο σημαντικός ρόλος του. Τόσο ώστε να του αποδίδονται και ιδιότητες που δεν έχει. Το Μποζόνιο Χιγκς, για παράδειγμα, δεν είναι υπεύθυνο για το ότι εμείς έχουμε ο καθένας μας όλη αυτή τη μάζα. Και παραστατικά μπορεί να λεχθεί ότι αν μπορούσαμε για μια στιγμή να «σβήσουμε», δηλαδή να σταματήσουμε εντελώς την επίδρασή του, θα χάναμε το πολύ ένα κιλό! Ναι, δεν αλείφει αυτό τη «μαρμελάδα», όπως έχει γραφτεί, που κάνει όλα τα υλικά σώματα να αισθάνονται ότι κινούνται μέσα σε αυτήν και έτσι δυσκολεύονται από τη μάζα τους. Διότι απλούστατα η επίδρασή του δεν είναι σε όλη τη μάζα που υπάρχει στο Σύμπαν.

Υπάρχουν κατ’ αρχάς τρία πράγματα Χιγκς. Το σωματίδιο, ένα πεδίο που ονομάζεται Χιγκς (για την ακρίβεια Brout-Englert-Higgs Field) και ένας μηχανισμός και αυτός με το όνομα Χιγκς. Πεδίο λέμε ότι υπάρχει σε έναν χώρο εάν σε αυτόν εξασκούνται με κάποιον τρόπο δυνάμεις. Στο ηλεκτρικό πεδίο έχουμε την περίπτωση ενός χώρου όπου υπάρχουν ηλεκτρικά φορτία και αυτά ασκούν ηλεκτρικής φύσης δυνάμεις. Στο βαρυτικό πεδίο έχουμε μάζες και αυτές μεταξύ τους έλκονται με δυνάμεις. Μια εικόνα για τα πεδία αυτά που ονομάζονται κβαντικά, και μας πηγαίνει ένα βήμα πιο πέρα είναι πως πρόκειται για μια θάλασσα απλωμένη παντού. Και μάλιστα μια θάλασσα κάθε άλλο παρά ήρεμη. Σε κάποια σημεία υπάρχουν εξάρσεις, κύματα που ξεφεύγουν από την επιφάνεια και αυτά είναι αντίστοιχα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, όπως το φωτόνιο ή και το σωματίδιο Χιγκς. Αρα μπορούμε να πούμε ότι εξαιτίας ενός συγκεκριμένου μηχανισμού (που έχει να κάνει με τις συμμετρίες των νόμων της Φυσικής) και ονομάζεται μηχανισμός Χιγκς, έχουμε την εμφάνιση ενός πεδίου στον χώρο, του πεδίου Χιγκς και το σωματίδιο Χιγκς είναι ο αγγελιαφόρος της επίδρασής του ως προς τη μάζα σε συγκεκριμένα μόνον σωματίδια.

Προσοχή όμως και στις ιδιομορφίες του. Τα άλλα πεδία έχουν τις συγκεκριμένες και χειροπιαστές πηγές που τα δημιουργούν. Τα φορτία, τους μαγνήτες, τις μάζες. Οπου δεν υπάρχουν αυτά δεν θα υπάρχει και πεδίο. Το πεδίο Χιγκς όμως θεωρείται ότι δεν προέρχεται από κάποιες συγκεκριμένες πηγές, που μπορούν και να αφαιρεθούν, αλλά ότι έτσι ήταν από τις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της ύπαρξης του Σύμπαντος. Και υπάρχει από τότε, μαζί με τον χρόνο και τις τρεις διαστάσεις. Αν δεν υπήρχε αυτό, όλα τα σωματίδια θα κινούνταν με την ταχύτητα του φωτός, όπως τώρα το κάνουν π.χ. τα φωτόνια, που φαίνεται να το αψηφούν.

Το πεδίο αυτό δεν αφαιρεί ενέργεια από τα σωματίδια. Αλλά ένα μέρος της είναι η ενέργειά τους καθώς κινούνται και ένα μέρος τους είναι η «μάζα» τους, σύμφωνα και με την εξίσωση του Αϊνστάιν. Ας ιδωθεί δηλαδή η μάζα κάτι σαν «στερεοποιημένη ενέργεια», που γι’ αυτήν ακριβώς είναι υπεύθυνο το πεδίο Χιγκς.

Και κάτι τελευταίο, πολύ βασικό όμως, που εξηγεί το κάπως παράδοξο, ότι 1 κιλό μόλις από τη μάζα μας μπορεί να είναι η επίδραση του πεδίου Χιγκς σε αυτήν. Το πεδίο επιδρά στους δομικούς λίθους της ύλης αλλά σχεδόν μηδαμινά στα μεγάλα και σύνθετα σώματα ή και άτομα. Για παράδειγμα, η μάζα ενός πρωτονίου είναι 938 ΜeV. Στο εσωτερικό του υπάρχουν τρία κουάρκ και αυτά συνδέονται με γκλουόνια που είναι χωρίς μάζα. Συνολικά η μάζα των τριών κουάρκ είναι μόλις 11 ΜeV, περίπου το 10% της συνολικής μάζας. Αλλά όλα αυτά κινούνται δαιμονιωδώς μέσα στον χώρο του πρωτονίου, ώστε το υπόλοιπο 90% να οφείλεται στην κινητική τους ενέργεια. Το ίδιο συμβαίνει και με τα νετρόνια. Το πεδίο Χιγκς όμως επιδρά στη μάζα μόνον αυτού του μόλις 10%!

Ο επιταχυντής ξεκίνησε τον Σεπτέμβριο του 2008. Δέκα χρόνια μετά έχει δώσει κάποιες απαντήσεις αλλά τώρα τον Δεκέμβριο σταματά για να αναβαθμιστεί. Ζητούνται και άλλες απαντήσεις.

-Το λεγόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) δίνει συνοπτικά τα συστατικά του υλικού κόσμου και αυτών που λειτουργούν ως αγγελιαφόροι των διαφόρων δυνάμεων από το μικρότερο σωματίδιο μέχρι τους γαλαξίες.
-Η ύλη σύμφωνα με αυτό αποτελείται από τα φερμιόνια και αυτά με τη σειρά τους δρουν μεταξύ τους μέσω των αγγελιαφόρων των δυνάμεων που είναι τα μποζόνια.
– Στα φερμιόνια περιλαμβάνονται 12 σωματίδια, 6 λεπτόνια και 6 κουάρκ, και όλα αυτά θεωρείται ότι δεν αναλύονται σε άλλα μικρότερα.
-Τα λεπτόνια είναι: ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυ και τα αντίστοιχα νετρίνα τους. Τα κουάρκ είναι σε τρεις «γεύσεις»: άνω-κάτω, γοητευτικό-παράξενο, υψηλό-χαμηλό.
-Τα μποζόνια είναι 6: φωτόνιο, γκλουόνιο, βαρυτόνιο, μποζόνια W και Z, μποζόνιο Χιγκς.
– Στη Φυσική των στοιχειωδών αυτών σωματιδίων λαμβάνεται πάντα υπόψη ο τύπος του Αϊνστάιν που συνδέει τη μάζα με την ενέργεια: Ε = mc2. Είναι κάτι τόσο απλό πια που μοιάζει με τον τύπο που δίνει, ας πούμε, την ισοτιμία του ευρώ (αν φανταστούμε προς στιγμήν ότι αντιστοιχεί στο Ε), με ένα άλλο νόμισμα (που αντιπροσωπεύεται από το m), με τη διαφορά ότι, αντίθετα με τα νομίσματα, ο συντελεστής ισοτιμίας είναι πάντα σταθερός και ίσος με c2. Δηλαδή όλες οι μάζες των σωματιδίων εκφράζονται με μονάδες ενέργειας που είναι συνήθως τα πολλαπλάσια του ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Π.χ. η μάζα του μποζονίου Χιγκς δίδεται ως 125 GeV, δηλαδή 125 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Και είναι περίπου όση η μάζα 125 πρωτονίων μαζί.
-Τα πιο γνωστά μας σωματίδια συντίθενται από τα φερμιόνια. Π.χ. το πρωτόνιο από τρία άνω κουάρκ, το νετρόνιο από ένα άνω και δύο κάτω.
-Τα κουάρκ και τα γκλουόνια δεν μπορούν να απομονωθούν. Είναι εγκλωβισμένα μέσα σε σωματίδια όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο. Παρουσιάζουν εκεί μέσα μια υπερκινητική συμπεριφορά και το παράδοξο είναι ότι η μεταξύ τους δύναμη, η ισχυρή αλληλεπίδραση όπως είναι γνωστή, αντίθετα με τις άλλες γνωστές δυνάμεις (όπως της βαρύτητας ή μεταξύ ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων), όταν αυξάνεται η απόσταση αυξάνεται και αυτή.
– Πού βρίσκονται τόσα πρωτόνια για τον επιταχυντή του CERN; Από μια μικρή φιάλη με άτομα υδρογόνου, αποσπώντας τους πρώτα το ηλεκτρόνιο και κρατώντας τον πυρήνα που είναι ένα πρωτόνιο. Για έναν χρόνο λειτουργίας μπορεί να δαπανηθούν 3-4 γραμμάρια υδρογόνου.