|
4 Ιουλίου 2012
ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS ΑΝΑΚΟΙΝΩΘΗΚΕ ΣΤΟΝ ΕΥΡΩΠΑΪΚΟ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟ ΠΥΡΗΝΙΚΩΝ ΕΡΕΥΝΩΝ (CERN)
Αθανάσιος Βαλαβανίδης
Εισαγωγή: Γιατί η ανακάλυψη του σωματιδίου του Higgs (Χιγκς) προκαλεί τόσο ενθουσιασμό στα Μέσα Μαζικής Ενημέρωσης;
Τον τελευταίο
χρόνο τα Μέσα μαζικής Ενημέρωσης (ΜΜΕ) προκαλούν με πληθώρα ανακοινώσεων το «μυθολογικό»
ενδιαφέρον του ευρύτερου κοινού για υποατομικά σωματίδια στον κόσμο της Υψηλής
Φυσικής. Με τον υπερβολικά δημοσιογραφικό τρόπο και με αναφορές στο «σωματίδιο
του θεού» και άλλες υπεραπλουστεύσεις δημιουργούν πιο πολλά ερωτηματικά απ’ ό,τι
προσπαθούν να καταγράψουν. Αναπόφευκτα το ευρύτερο κοινό δεν αντιλαμβάνεται ένα
«παιχνίδι» λέξεων και αναφορών που αφορά δυσνόητους όρους φυσικής, που είναι
κατανοητοί από λίγους και παρεξηγημένοι από πολλούς. Με τον τρόπο αυτό
διαστρεβλώνεται το περιεχόμενο της επιστημονικής έρευνας και τα υπερβολικά ποσά
που ξοδεύονται σε περιόδους οικονομικής κρίσης. Τα πειράματα διεξάγονται εδώ και
χρόνια στο κέντρο πυρηνικών δοκιμών της Ευρώπης. Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών, ή όπως είναι γνωστός στην Ευρώπη ως CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire, ή πλήρης τίτλος: Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) είναι το μεγαλύτερο πειραματικό κέντρο πυρηνικών ερευνών στον κόσμο και ειδικότερα για τη σωματιδιακή φυσική υψηλών ενεργειών. Βρίσκεται στη Γενεύη στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας. Ιδρύθηκε το 1954 από δώδεκα ευρωπαϊκές χώρες και σήμερα αριθμεί 20 κράτη-μέλη μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα (ιδρυτικό μέλος). Η κύρια λειτουργία του κέντρου πυρηνικών ερευνών αφορά την παροχή επιταχυντών σωματιδίων και άλλων υλικοτεχνικών υποδομών που χρειάζονται για την πειραματική έρευνα στο πεδίο της φυσικής υψηλών ενεργειών. Στο CERN λειτουργούν επομένως πολλοί επιταχυντές, ένας εκ των οποίων είναι ο LHC (Large Hadron Collider, Μέγας Επιταχυντής Ανδρονίων), ο οποίος αναπτύσσεται σε υπόγεια κυκλική σήραγγα 27 χιλιομέτρων που επιτρέπει στα πρωτόνια να επιταχύνονται σε πολύ υψηλές ενέργειες. Το CERN απασχολεί σήμερα περίπου 3.000 μόνιμους εργαζόμενους, ενώ περίπου 6.500 επιστήμονες και μηχανικοί (που αντιπροσωπεύουν 500 πανεπιστήμια από 80 διαφορετικές εθνικότητες), περίπου το μισό της κοινότητας της σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο, δουλεύουν σε πειράματα που οργανώνονται από το CERN.
Τι επιδιώκουν οι επιστήμονες να αποδείξουν με τα πειράματα αυτά;
Οι επιστήμονες προσπαθούν με την επιτάχυνση πρωτονίων να πετύχουν υψηλές ενέργειες που θα διασπάσουν υλικά σε υποατομικά σωματίδια. Επιδιώκουν να πετύχουν τον έλεγχο για την πειραματική επιβεβαίωση του μόνου σωματιδίου (σωματιδίου Higgs) που δεν έχει παρατηρηθεί, αλλά προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model), ένα θεωρητικό μοντέλο που οι προβλέψεις του συμφωνούν πλήρως με όλα τα πειραματικά δεδομένα τις τελευταίας τριακονταετίας. Επίσης οι επιστήμονες με τα πειράματα αυτά και τα δεδομένα που θα προκύψουν κάνουν προσπάθεια παρατήρησης νέων πειραματικών διεργασιών που θα δώσουν τα πρώτα στοιχεία υπέρ ή κατά μιας πληθώρας νέων θεωρητικών προτύπων που επεκτείνουν το Καθιερωμένο Πρότυπο. Το εύλογο ερώτημα βέβαια είναι γιατί έως τώρα και τόσα πειράματα επί δεκαετίες δεν έχουν παρατηρήσει το σωματίδιο Ηiggs. Οι επιστήμονες του CERN για να παραγάγουν ένα σωματίδιο στα πειράματα πρέπει να έχουν διαθέσιμη ενέργεια κατ' ελάχιστο ίση με το γινόμενο της μάζας του σωματιδίου επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Επομένως, αν το σωματίδιο Higgs έχει μεγάλη μάζα, τα έως σήμερα πειράματα δεν είχαν την ικανότητα να το παραγάγουν, θα απαιτούνται εξαιρετικά υψηλές ενέργειες. Οι θεωρητικές προβλέψεις των επιστημόνων για τη μάζα του σωματιδίου Higgs είναι τέτοιες ώστε να θεωρούν ότι με τα νέα πειράματα που ξεκίνησαν το 2009 στο CERN να έχουν τελικά την ικανή ενέργεια να το παραγάγουν και να το ανιχνεύσουν. Η επιστήμη της φυσικής όταν περιγράφει τη δομή και τη φύση της ύλης διακρίνει τα θεμελιώδη σωματίδια σε αυτά που συγκροτούν την ύλη , δηλαδή τα κουάρκ και τα λεπτόνια και τα σωματίδια που είναι υπεύθυνα για την μετάδοση των δυνάμεων και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων που καλούνται φορείς των δυνάμεων. Οι δυνάμεις αυτές ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων τόσο της πρώτης ομάδας όσο και της δεύτερης. Οι επιστήμονες διεξάγουν επί δεκαετίες προσπάθειες για να περιγράψουν τις τέσσερις παραπάνω αλληλεπιδράσεις ως θεωρίες βαθμίδας (τεσσάρων διαφορετικών θεωριών, λιγότερων ή ακόμα και μιας μόνο θεωρίας, είναι θέμα που ερευνάται εντατικά) [1]. Η τρέχουσα κατάσταση της κατάταξης των στοιχειωδών σωματιδίων περιγράφεται στο Καθιερωμένο Μοντέλο (ή Καθιερωμένο Πρότυπο). Στο καθιερωμένο μοντέλο περιγράφονται οι ισχυρές, οι ασθενείς και οι ηλεκτρομαγνητικές θεμελιώδεις δυνάμεις, χρησιμοποιώντας τα ενδιάμεσα μποζόνια βαθμίδας, τους φορείς δηλαδή της εκάστοτε αλληλεπίδρασης. Τα είδη των μποζονίων βαθμίδας είναι τα γκλουόνια, τα W και Z μποζόνια και το φωτόνιο αντίστοιχα. Το μοντέλο περιέχει επίσης 24 θεμελιώδη σωματίδια (12 ζευγάρια σωματιδίων/αντι-σωματιδίων), τα οποία είναι τα βασικά συστατικά της ύλης, τα κουάρκ και τα λεπτόνια. Τέλος, προβλέπει την ύπαρξη ενός τύπου μποζονίου γνωστό και ως μποζόνιο Χιγκς, το οποίο όμως δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί. Η εύρεσή του αποτελεί τον κύριο στόχο του ερευνητικού προγράμματος που έχει ξεκινήσει στον επιταχυντή LHC της Γενεύης. Η πρώτη επιτυχής θεωρία βαθμίδας ήταν η κβαντική ηλεκτροδυναμική, της οποίας την πλήρη διατύπωση έγινε κατά την δεκαετία του 1940 και αποτελεί την κβαντική επέκταση του ηλεκτρομαγνητισμού που διατύπωσε στο τέλος του 19ου αιώνα, ο γνωστός φυσικός James Clerk Maxwell (1831 -1879). Μεταξύ αυτών που ξεχωρίζουν για την διατύπωση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής είναι οι Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, and Richard P. Feynman (Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1965, «για τις πρωτοποριακές τους έρευνες στην κβαντική ηλεκτροδυναμική (quantum electrodynamics) και τις συνέπειες στην φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων»). Η ιδέα του 'Aγγλου φυσικού Higgs και άλλων επιστημόνων όπως των Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Kibble και Nambu, είναι ακριβώς το ξεπέρασμα της δυσκολίας αυτής και η εμφάνιση του όρου μάζας για τα σωματίδια φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Οι ιδέες των επιστημόνων αναπτύχθηκαν για μεγάλο χρονικό διάστημα. Κατ' αρχάς απαιτήθηκε η εισαγωγή στη θεωρία ενός νέου σωματιδίου με "παράξενες", αλλά πλήρως συμβατές με τους αυστηρούς κανόνες, ιδιότητες. Το νέο σωματίδιο (το σωματίδιο Ηiggs) διαφέρει τόσο από τα σωματίδια ύλης (κουάρκ και λεπτόνια) όσο και από τα σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων, αλλά αλληλεπιδρά και μαζί τους. 'Ολα αυτά βέβαια αντικατοπτρίζονται στην εισαγωγή νέων όρων στις μαθηματικές εκφράσεις της θεωρίας. Η επίλυση των μαθηματικών (διαφορικών) εξισώσεων είναι πολύ δύσκολη στην κβαντομηχανική, ακόμα και σε απλά προβλήματα [1].
'Eνα
άλλο ερώτημα που ακούγεται συχνά είναι κατά πόσο το σωματίδιο του Ηiggs είναι
κύμα ή σωματίδιο. Ο δυϊσμός κύμα-σωματίδιο, που απασχόλησε πολλά χρόνια τους
πρωτεργάτες της κβαντομηχανικής στο πρώτο μισό του 20ου αιώνα, περιγράφεται
πλήρως στο πλαίσιο της «κβαντικής θεωρία πεδίου». Αυτό αποτελεί συνδυασμό της
κβαντομηχανικής και της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας. Αυτός ο δυϊσμός ισχύει
για κάθε σωματίδιο
[1]. Στοιχειώδη σωματίδια της φύσης Η τρέχουσα κατάσταση της κατάταξης των στοιχειωδών σωματιδίων περιγράφεται στο Καθιερωμένο Μοντέλο (ή Καθιερωμένο Πρότυπο). Στο καθιερωμένο μοντέλο περιγράφονται οι ισχυρές δυνάμεις, οι ασθενείς δυνάμεις και οι ηλεκτρομαγνητικές θεμελιώδεις δυνάμεις. Στο μοντέλο χρησιμοποιούνται τα ενδιάμεσα μποζόνια (bosons) βαθμίδας, τους φορείς δηλαδή της εκάστοτε αλληλεπίδρασης. Τα είδη των μποζονίων βαθμίδας είναι τα γκλουόνια (gluons), τα W και Z μποζόνια και το φωτόνιο αντίστοιχα. Το μοντέλο περιέχει επίσης 24 θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία είναι 12 ζευγάρια σωματιδίων και αντι-σωματιδίων. Τα σωματίδια αυτά είναι τα βασικά συστατικά της ύλης, τα κουάρκ και τα λεπτόνια. Τέλος, προβλέπει την ύπαρξη ενός τύπου μποζονίου γνωστό και ως μποζόνιο Χιγκς, το οποίο όμως δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί. Η εύρεσή του αποτελεί τον κύριο στόχο του ερευνητικού προγράμματος που έχει ξεκινήσει στον επιταχυντή LHC της Γενεύης.
Τι ανακοινώθηκε στη Γενεύη από το ερευνητικό Κέντρο CERN [Η Ελληνική σελίδα του CERN ( http://cern.gr/cern)] Την ανακάλυψη ενός νέου υποατομικού σωματιδίου ανακοίνωσαν επιστήμονες στο ερευνητικό κέντρο CERN στην Ελβετία, την Τετάρτη 4 Ιουλίου 2012. Ωστόσο, οι ερευνητές αρνήθηκαν να επιβεβαιώσουν ότι το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε είναι το μποζόνιο του Χιγκς, το αποκαλούμενο «σωματίδιο του Θεού», αρκούμενοι να σχολιάσουν πως υπάρχουν μεγάλες ομοιότητες μεταξύ του μποζονίου που ανακαλύφθηκε και του «σωματιδίου του Θεού». Η ύπαρξη του σωματιδίου «παρατηρήθηκε» και από τις δύο ερευνητικές ομάδες που διεξήγαγαν σχετικά πειράματα στον μεγάλο επιταχυντή ανδρονίων που βρίσκεται στο CERN. Το «σωματίδιο Higgs» αναζητούταν επί χρόνια στον μεγάλο επιταχυντή ανδρονίων που διαθέτει το CERN, όπου διενεργούνται πειράματα που έχουν κοστίσει δισεκατομμύρια ευρώ. Το μποζόνιο του Χιγκς ήταν ένας από τους μεγαλύτερους «πονοκεφάλους» των φυσικών επί πολλά χρόνια, και έχει υπάρξει το αντικείμενο πάμπολλων ερευνών από το 1964, όταν η ύπαρξή του θεμελιώθηκε θεωρητικά από έξι διαφορετικούς φυσικούς, με πρώτο ανάμεσά τους τον Βρετανό Πίτερ Χιγκς. Πρόκειται για ένα στοιχειώδες υποατομικό σωματίδιο, το οποίο θεωρητικά είναι υπαίτιο για το ομώνυμο κβαντικό πεδίο που προσδίδει μάζα σε όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια. Χωρίς μάζα, το σύμπαν θα είχε μια πολύ διαφορετική μορφή από αυτή που γνωρίζουμε σήμερα, καθώς δεν θα υπήρχαν αστέρια, γαλαξίες, πλανήτες, ή ακόμη μόρια και άτομα. Το σωματίδιο αποτελεί το κομμάτι του ψηφιδωτού που λείπει για την ολοκλήρωση του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής.
Τον Δεκέμβριο του 2011 οι ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες του ATLAS και του CMS, των δυο πειραμάτων του CERN για τον εντοπισμό του μποζονίου Χιγκς, είχαν ανακοινώσει ότι είχαν δει ένα «φευγαλέο ίχνος» του σωματιδίου και συγκεκριμένα ένα πλεόνασμα αλληλεπιδράσεων, περίπου στην ίδια μάζα (στα 126 και στα 124 gigaelectronvolt, γιγαηλεκτρονιοβόλτ αντίστοιχα). Eπρόκειτο για μια σύμπτωση των αποτελεσμάτων η οποία δεν μπορούσε να θεωρηθεί τυχαία, ιδιαίτερα τη στιγμή που οι δυο ομάδες διεξάγουν τις έρευνές τους «τυφλά», χωρίς δηλαδή να γνωρίζει η μια τα αποτελέσματα της άλλης προκειμένου να διασφαλιστεί η αντικειμενικότητα των συμπερασμάτων τους.
Ωστόσο η
επεξεργασία των δεδομένων βρισκόταν ακόμη σε ένα στάδιο το οποίο δεν μπορούσε να
αποκλείσει το ενδεχόμενο λάθους (η στατιστική βεβαιότητα στο σημείο εκείνο δεν
ξεπερνούσε τα δυο σίγμα, όταν για την κατοχύρωση μιας ανακάλυψης απαιτούνται
πέντε σίγμα
-
δηλαδή περιθώριο λάθους ένα στο εκατομμύριο). Για τον λόγο αυτόν οι επιστήμονες
είχαν δηλώσει επιφυλακτικοί έως ότου προχωρήσουν στην εξέταση περισσότερων
δεδομένων. Σύμφωνα με τους ερευνητές, δήλωσαν στη συνέντευξη τύπου, η περαιτέρω
εξέταση των δεδομένων στους μήνες που ακολούθησαν έρχεται να στηρίξει τα πρώτα
συμπεράσματα, φέρνοντας τους ερευνητές πολύ κοντά στην απόδειξη της ύπαρξης του
φευγαλέου σωματιδίου.
'Ενας τεχνικός παρατηρεί την εικόνα των συγκρούσεων των νετρονίων στο πείραμα CMS στο θάλαμο ελέγχου του LHC στο Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών CERN.
Η ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΩΝ ΣΤΗ ΓΕΝΕΥΗ, 4/7/2012 Geneva, 4 July 2012. At a seminar held at CERN[1] today as a curtain raiser to the year's major particle physics conference, ICHEP2012 in Melbourne, the ATLAS and CMS experiments presented their latest preliminary results in the search for the long sought Higgs particle. Both experiments observe a new particle in the mass region around 125-126 GeV. "We observe in our data clear signs of a new particle, at the level of 5 sigma, in the mass region around 126 GeV. The outstanding performance of the LHC and ATLAS and the huge efforts of many people have brought us to this exciting stage," said ATLAS experiment spokesperson Fabiola Gianotti, "but a little more time is needed to prepare these results for publication." "The results are preliminary but the 5 sigma signal at around 125 GeV we're seeing is dramatic. This is indeed a new particle. We know it must be a boson and it's the heaviest boson ever found," said CMS experiment spokesperson Joe Incandela. "The implications are very significant and it is precisely for this reason that we must be extremely diligent in all of our studies and cross-checks." "It's hard not to get excited by these results," said CERN Research Director Sergio Bertolucci. "We stated last year that in 2012 we would either find a new Higgs-like particle or exclude the existence of the Standard Model Higgs. With all the necessary caution, it looks to me that we are at a branching point: the observation of this new particle indicates the path for the future towards a more detailed understanding of what we're seeing in the data." The results presented today (4/7/2012) are labeled preliminary. They are based on data collected in 2011 and 2012, with the 2012 data still under analysis. Publication of the analyses shown today is expected around the end of July. A more complete picture of today's observations will emerge later this year after the LHC provides the experiments with more data. The next step will be to determine the precise nature of the particle and its significance for our understanding of the universe. Are its properties as expected for the long-sought Higgs boson, the final missing ingredient in the Standard Model of particle physics? Or is it something more exotic? The Standard Model describes the fundamental particles from which we, and every visible thing in the universe, are made, and the forces acting between them. All the matter that we can see, however, appears to be no more than about 4% of the total. A more exotic version of the Higgs particle could be a bridge to understanding the 96% of the universe that remains obscure. "We have reached a milestone in our understanding of nature," said CERN Director General Rolf Heuer. "The discovery of a particle consistent with the Higgs boson opens the way to more detailed studies, requiring larger statistics, which will pin down the new particle's properties, and is likely to shed light on other mysteries of our universe".
Πολυάριθμοι
επιστήμονες και δημοσιογράφοι στην αίθουσα της Γενεύης όπου έγινε η ανακοίνωση Βιβλιογραφία 1. Ν.Δ. Τράκας, Αναπλ. Καθηγητής Ε.Μ.Π. http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS/articles/higgs.html 2. CERN. http://public.web.cern.ch/public/en/science/higgs-en.html 3. Chalmers M. Physicists find new particle, but is it Higgs?. Nature 2 July 2012. 4. PHYSLINK.com: Physics & Astronomy On Line. http://www.physlink.com/education/askexperts/ae304.cfm 5. Of Particular Significance, http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/the-higgs-particle/360-2/ 6. Το σωματίδιο Χιγκς διασπάται σε 4 μουόνια στον ανιχνευτή του πειράματος ΑΤΛΑΣ
Higgs particle
decaying into 4 muons in the ATLAS detector.
(http://www.lhc-closer.es/php/index.php?i=1&s=6&p=5&e=0)
Η είδηση
για την ανακάλυψη του σωματιδίου HIGGS στα ΜΜΕ (4/7/2012)
in.gr »
Ειδήσεις » Επιστήμη-Τεχνολογία <Επιστροφή στη λίστα επιστημονικών θεμάτων και ανακοινώσεων> |
