Τι είναι το μποζόνιο Higgs; Το "σωματίδιο του Θεού" εξηγείται απλά

Το μποζόνιο Higgs είναι ένα εξαιρετικά σημαντικό σωματίδιο για όλους τους φυσικούς και ήταν ένα στοίχημα, που προφανώς κερδήθηκε, των μοντέλων που περιγράφουν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης και τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν τις δομές που βλέπουμε, από τα άτομα μέχρι τα αστέρια.

Ξεκινώντας από τη δεκαετία του '60 του περασμένου αιώνα, οι σωματιδιακοί φυσικοί είχαν κατανοήσει ότι όλη η ύλη σχηματίζεται από τον συνδυασμό κάποιων, λίγων, θεμελιωδών σωματιδίων. Για το σκοπό αυτό, καταρτίστηκε ένας πίνακας, ένα είδος περιοδικού πίνακα των σωματιδίων, που ονομάζεται καθιερωμένο μοντέλο.

Αυτός ο ειδικός πίνακας περιέχει δύο ομάδες θεμελιωδών σωματιδίων (σωματίδια που δεν μπορούν πλέον να διαιρεθούν): τα κουάρκ και τα λεπτόνια ονομάζονται φερμιόνια και αντιπροσωπεύουν τα γράμματα του αλφαβήτου μέσω των οποίων δομούνται οι ατομικοί πυρήνες και τα άτομα. Η άλλη ομάδα αποτελείται από μποζόνια, εξαιρετικά ιδιαίτερα σωματίδια, τα οποία έχουν το μοναδικό καθήκον να μεταδίδουν στο χώρο πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των φερμιονίων.

Επικοινωνία μεταξύ σωματιδίων

Μπορούμε να φανταστούμε τα μποζόνια ως σωματίδια που χρησιμοποιούνται από τα φερμιόνια για να επικοινωνούν και να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Όταν ένα φερμιόνιο πλησιάζει ένα άλλο και θέλει να αλληλεπιδράσει μαζί του, σηκώνει το τηλέφωνο και επικοινωνεί εκπέμποντας μποζόνια. Αλλά σε σύγκριση με ένα κλασικό τηλεφώνημα, υπάρχει κάτι διαφορετικό. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο δύο φερμιόνια θέλουν να επικοινωνήσουν, χρησιμοποιούν ένα συγκεκριμένο μποζόνιο. Συνολικά, υπάρχουν τέσσερα μποζόνια: τέσσερις τρόποι επικοινωνίας των στοιχειωδών σωματιδίων . Αυτός ο αριθμός δεν είναι σίγουρα τυχαίος. Τα στοιχειώδη σωματίδια, στην πραγματικότητα, έχουν μόνο τέσσερις πιθανούς τρόπους να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Οι φυσικοί τους αποκαλούν τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της Φύσης. Στην πραγματικότητα, δεν έχουν όλα τα φερμιόνια και τις τέσσερις διαθέσιμες αλληλεπιδράσεις. Μόνο τα κουάρκ έχουν πλήρη ελευθερία επιλογής. Τα λεπτόνια , στα οποία ανήκουν το ηλεκτρόνιο και τα ασύλληπτα νετρίνα, έχουν μόνο 3 διαθέσιμες. Ανεξάρτητα από αυτή τη μικρή διαφορά, οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις είναι: ηλεκτρομαγνητική δύναμη, βαρυτική δύναμη, ισχυρή δύναμη και ασθενής δύναμη.

Τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις

Ολόκληρο το Σύμπαν υπακούει σε αυτές τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις, από τους γαλαξίες μέχρι εμάς που σπρώχνουμε το καρότσι με τα ψώνια εμποδισμένοι από τη δύναμη της βαρύτητας και την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση με το πάτωμα που προκαλεί τριβή. Οι δύο πρώτες είναι πολύ γνωστές, οι τελευταίες λίγο λιγότερο, επειδή δρουν μόνο σε υποατομική κλίμακα. Αλλά δεν είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ποια είναι η σημασία των αλληλεπιδράσεων, αλλά είναι σημαντικό να ξεκαθαρίσουμε ότι όταν δύο θεμελιώδη σωματίδια «επιλέγουν» τον τρόπο με τον οποίο θα αλληλεπιδράσουν, εκπέμπουν τα μποζόνια που σχετίζονται με τη συγκεκριμένη αλληλεπίδραση, τα οποία μεταδίδουν στο χώρο όλες τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες για να κατανοήσουμε πώς πρέπει να πραγματοποιηθεί η αλληλεπίδραση.

Μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης, τα κουάρκ δημιουργούν τα συστατικά σωματίδια των ατομικών πυρήνων: πρωτόνια και νετρόνια. Ο συνδυασμός πρωτονίων και νετρονίων δημιουργεί ατομικούς πυρήνες που συγκρατούνται από την ισχυρή δύναμη, με τη βοήθεια της ασθενούς δύναμης που είναι υπεύθυνη για ορισμένες διαδικασίες, όπως η β-διάσπαση. Ο συνδυασμός ατομικών πυρήνων με ηλεκτρόνια δημιουργεί άτομα, χάρη στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα άτομα συνδυάζονται και δημιουργούν μόρια, τα οποία δημιουργούν μεγαλύτερες δομές, μέχρι πλανήτες και αστέρια, που διέπονται από τη βαρυτική δύναμη . Το μοντέλο που παρουσιάζεται με αυτόν τον τρόπο φαίνεται να λειτουργεί πολύ καλά. Κάθε σωματίδιο χαρακτηρίζεται από ένα πακέτο ιδιοτήτων που αποτελούν την τέλεια ταυτότητά του, μεταξύ των οποίων μπορούμε να αναφέρουμε το ηλεκτρικό φορτίο, το σπιν και πολλά άλλα που δεν μας ενδιαφέρουν.

Βαρυτική δύναμη

Η ταυτότητα κάθε σωματιδίου καθορίζει τη συμπεριφορά και το αποτέλεσμά του μόλις επιλέξει να επικοινωνήσει με ένα άλλο σωματίδιο μέσω της εκπομπής μποζονίων. Ωστόσο, από την ταυτότητα λείπει ένα θεμελιώδες στοιχείο: η μάζα. Το μοντέλο περιγράφει τέλεια τις ιδιότητες και τους τρόπους με τους οποίους όλα τα σωματίδια αλληλεπιδρούν, δικαιολογώντας το σχηματισμό όλης της ύλης και την ίδια την ύπαρξη του Σύμπαντος, αλλά χωρίς να λαμβάνει υπόψη του τη μάζα. Αυτό είναι ένα μεγάλο πρόβλημα: είναι σαν να λέτε ότι είστε σε θέση να προβλέψετε τέλεια τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες του Σύμπαντος, υπό την προϋπόθεση ότι βεβαιώνετε ότι τα αντικείμενα δεν έχουν μάζα, ότι οι πλανήτες, τα αστέρια και οι άνθρωποι είναι φτιαγμένοι από σωματίδια χωρίς βάρος και όχι από υλικά.

Μια αντίφαση

Για να καταλάβετε ότι πρόκειται για μια μεγάλη αντίφαση, δεν χρειάζεται να είστε φυσικός: δοκιμάστε να περάσετε μέσα από έναν τοίχο και πείτε μου αν δεν αισθάνεστε τη συνοχή του σκυροδέματος! Η κατάσταση ήταν ακόμη πιο σοβαρή, στην πραγματικότητα, διότι αν εισαγόταν μια νέα ιδιότητα στο μοντέλο που θα λάμβανε κατά κάποιο τρόπο υπόψη τη διαφορετική μάζα των σωματιδίων , όλο το κάστρο κατέρρεε πάνω του: οι αλληλεπιδράσεις, ακόμη και η ίδια η ύπαρξη της ύλης, δεν δικαιολογούνταν πλέον. Πώς είναι όλα αυτά δυνατά; Μήπως το μοντέλο είναι λάθος; Αλλά τότε γιατί προβλέπει τόσο καλά την πραγματικότητα, εφόσον δεν λαμβάνουμε υπόψη τη μάζα των σωματιδίων;

Η μεγάλη αμηχανία ξεπεράστηκε, τουλάχιστον από θεωρητική άποψη, από έναν Άγγλο φυσικό, κάποιον Peter Higgs, τη δεκαετία του '70. Ο Βρετανός φυσικός δήλωσε ότι η μάζα είναι μια ιδιότητα εξωτερική των σωματιδίων, που συνδέεται με ένα πεδίο, ανάλογο με εκείνο που είναι υπεύθυνο για τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, το οποίο ονομάζεται πεδίο Higgs. Το πεδίο Higgs μπορεί να φανταστεί κανείς ως ένα πυκνό ζελατινώδες δίκτυο που διαπερνά όλο το χώρο, μέσα στο οποίο κινούνται τα σωματίδια και για κάποιο λόγο συναντούν αντίσταση στην κίνηση . Το παρατηρούμενο αποτέλεσμα είναι απολύτως ισοδύναμο με αυτό ενός σωματιδίου με εγγενή μάζα που κινείται στο χώρο, αλλά η προέλευση είναι πολύ διαφορετική. Στην πραγματικότητα, αυτό το μοντέλο μας λέει κάτι συγκλονιστικό: τα σωματίδια, και επομένως όλες οι δομές του Σύμπαντος, συμπεριλαμβανομένου και εμάς, έχουν μάζα, μια συνοχή, μόνο και μόνο επειδή κινούμαστε μέσα σε αυτό το πυκνό ζελατινώδες δίκτυο που συγκρατεί και ρυθμίζει τις κινήσεις μας.

Η ιδέα δεν είναι τόσο παράλογη, αν μη τι άλλο επειδή το βαρυτικό πεδίο είναι υπεύθυνο για ένα παρόμοιο αποτέλεσμα: συγκρατεί τα σώματα στον εαυτό του, ρυθμίζοντας τις ιδιότητες των κινήσεών τους. Εισάγοντας την ιδέα αυτού του πεδίου Higgs με μαθηματικούς όρους και ενσωματώνοντάς την στο καθιερωμένο μοντέλο, όλα φαίνεται να λειτουργούν τέλεια. Αλλά πώς επικοινωνούν το πεδίο Higgs και τα σωματίδια που πρέπει να το αντιληφθούν; Εδώ είναι που μπαίνει στο παιχνίδι το διάσημο μποζόνιο Higgs. Γνωρίζουμε ότι τα μποζόνια είναι τρόποι επικοινωνίας μιας συγκεκριμένης αλληλεπίδρασης, οπότε αν υπάρχει το πεδίο Higgs που δίνει μάζα στα σωματίδια, ο αγγελιοφόρος του, το μποζόνιο Higgs , πρέπει να υπάρχει. Για να αποδειχθεί η ύπαρξη του πεδίου, επομένως, είναι απαραίτητο να παρατηρηθεί το μποζόνιο Higgs.

Ανίχνευση σωματιδίων

Επί του παρόντος, το μεγαλύτερο μέρος των προσπαθειών των σωματιδιακών φυσικών κατευθύνεται προς την πειραματική ανίχνευση αυτού του σωματιδίου, το οποίο θεωρείται ότι έχει μάζα περίπου 200 φορές μεγαλύτερη από το πρωτόνιο. Για την ανίχνευση της παρουσίας του, οι επιταχυντές σωματιδίων πρέπει να είναι σε θέση να φτάσουν σε ενέργεια 200 GeV (Giga electron Volts), θεωρητικά εντός της εμβέλειας του νέου επιταχυντή LHC (Large Hadron Collider) στη Γενεύη και του Fermilab στο Σικάγο. Και πράγματι, το καλοκαίρι του 2012, οι επιστήμονες του LHC ανακοίνωσαν ότι βρήκαν στοιχεία για αυτό το πολύ σημαντικό και ασύλληπτο σωματίδιο. Φαίνεται, λοιπόν, ότι η θεωρία ήταν σωστή. Όσο παράξενο κι αν φαίνεται, η Φύση λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο!