Επιτέλους, οι φυσικοί ανακαλύπτουν το φημισμένο μποζόνιο Higgs
MEYRIN, ΕΛΒΕΤΙΑ —Η μακρά αναμονή τελείωσε. Σήμερα, φυσικοί που εργάζονται με τον μεγαλύτερο θρυμματιστή ατόμων στον κόσμο εδώ στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής σωματιδίων, το CERN, ανέφεραν ότι ανακάλυψαν το πολυπόθητο μποζόνιο Higgs - το τελευταίο κομμάτι που λείπει από το τυπικό τους μοντέλο θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων και το κλειδί για εξήγηση του πώς όλα τα άλλα θεμελιώδη σωματίδια παίρνουν τις μάζες τους.
Η ανακάλυψη εκπληρώνει μια πρόβλεψη 48 ετών και σηματοδοτεί ένα σημαντικό πνευματικό επίτευγμα. Ωστόσο, ακόμη και όταν οι φυσικοί γιορτάζουν, η ανακάλυψη προκαλεί ανησυχίες σε μερικούς ότι μπορεί να μην υπάρχει νέα φυσική που να μπορεί να ανακαλυφθεί με τον θρυμματιστή ατόμων. Για τη σωματιδιακή φυσική, η ανακάλυψη του Higgs θα μπορούσε να είναι το τέλος του δρόμου.
Τα δεδομένα προέρχονται από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), έναν υπόγειο επιταχυντή σωματιδίων μήκους 27 χιλιομέτρων που περιστρέφεται κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα κοντά στη Γενεύη. Ο LHC συνθλίβει πρωτόνια μαζί με τεράστια ενέργεια για να εκτινάξει νέα και φευγαλέα υποατομικά σωματίδια. Τα πρωτόνια συγκρούονται μέσα σε δύο τεράστιους ανιχνευτές σωματιδίων, που ονομάζονται ATLAS και CMS, που κυνηγούν το Higgs. Τα μποζόνια Higgs που δημιουργούνται σε αυτά θα πρέπει να διασπώνται σε συγκεκριμένους συνδυασμούς σωματιδίων που είναι ορατά στους ανιχνευτές. Σήμερα, οι ομάδες ATLAS και CMS παρουσίασαν και οι δύο τα τελευταία τους δεδομένα για την αναζήτηση Higgs σε ένα ειδικό σεμινάριο στο CERN. Και οι δύο ομάδες βλέπουν ουσιαστικά οριστικά σήματα.
Για παράδειγμα, οι περίπου 3000 ερευνητές που εργάζονται στον ανιχνευτή CMS βλέπουν ξεκάθαρα σημάδια αποσύνθεσης του Higgs σε δύο φωτόνια. Από τις ενέργειες των δύο φωτονίων, οι φυσικοί μπορούν να συμπεράνουν τη μάζα του υποτιθέμενου μητρικού σωματιδίου τους. Και όταν οι ερευνητές του CMS κάνουν μια γραφική παράσταση των μαζών των συναγόμενων σωματιδίων, βλέπουν μια καθαρή κορυφή στην κορυφή ενός φόντου που παράγεται από τυχαία ζεύγη φωτονίων (βλ. σχήμα). Αυτή η κορυφή σηματοδοτεί την παρουσία ενός σωματιδίου τύπου Higgs με μάζα 125 giga-ηλεκτρονιοβολτ (GeV), ή περίπου 133 φορές τη μάζα του πρωτονίου, όπως αναφέρει ο Joseph Incandela, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, και εκπρόσωπος της ομάδας CMS, είπε σε μια κατάμεστη αίθουσα στο CERN.
Οι ερευνητές του CMS βλέπουν επίσης στοιχεία ότι το Higgs διασπάται σε ένα ζευγάρι σωματιδίων που ονομάζονται μποζόνια W ή σε ένα ζευγάρι σωματιδίων που ονομάζονται μποζόνια Z, ανέφερε ο Incandela. Αυτά τα τεράστια σωματίδια μεταφέρουν την ασθενή πυρηνική δύναμη με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που τα φωτόνια μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Συμπεριλαμβανομένων των διασπάσεων σε ακόμη περισσότερους συνδυασμούς γνωστών σωματιδίων, τα δεδομένα αφήνουν ελάχιστη αμφιβολία ότι το σωματίδιο που μοιάζει με Higgs είναι εκεί. Οι πιθανότητες οι τυχαίες στατιστικές διακυμάνσεις να μπορούν να παράγουν τέτοια σήματα είναι μόλις μια τρίχα υψηλότερες από το αυθαίρετο επίπεδο 1 στα 3,5 εκατομμύρια που οι φυσικοί των σωματιδίων προσπαθούν για μια επίσημη ανακάλυψη - το λεγόμενο πρότυπο 5 σίγμα.
Η ομάδα ATLAS βλέπει μια παρόμοια κορυφή στο οικόπεδο μάζας για τον Higgses να διασπάται σε ζεύγη φωτονίων, ανέφερε η Fabiola Gianotti, φυσικός στο CERN και εκπρόσωπος του πειράματος ATLAS. Και οι ερευνητές του ATLAS βλέπουν επίσης το Higgs να διασπάται σε μποζόνια Ζ και άλλους συνδυασμούς σωματιδίων. Συνολικά, τα σήματα του ATLAS απλώς πληρούν το πρότυπο 5 σίγμα της ανακάλυψης, ανέφερε ο Gianotti, κερδίζοντας αμέσως το χειροκρότημα.
Στο τέλος του σεμιναρίου, οι φυσικοί χαιρέτησαν τα αποτελέσματα με ένα μακροχρόνιο χειροκρότημα και κρυφές επιδοκιμασίες. «Νομίζω ότι τα καταφέραμε», δήλωσε ο Γενικός Διευθυντής του CERN, Ρολφ Ντίτερ Χόιερ. "Συμφωνείτε?" Ο Peter Higgs, ο 83χρονος θεωρητικός από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου στο Ηνωμένο Βασίλειο που προέβλεψε την ύπαρξη του μποζονίου το 1964 και ήταν έτοιμος για την εκδήλωση, είπε:"Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους πειραματιστές. Δεν νομίζω ότι θα το έβλεπα αυτό στη ζωή μου».
Οι φυσικοί πρέπει ακόμα να ελέγξουν εάν το παρατηρούμενο σωματίδιο έχει ακριβώς τις ιδιότητες που το καθιερωμένο μοντέλο προβλέπει ότι θα έπρεπε, τονίζει ο John Ellis, θεωρητικός στο King's College του Λονδίνου. Για παράδειγμα, οι ερευνητές πρέπει να συγκρίνουν τους σχετικούς ρυθμούς με τους οποίους διασπάται ο Higgses σε διαφορετικούς συνδυασμούς σωματιδίων, καθώς αυτοί οι ρυθμοί προβλέπονται από τη θεωρία. Αλλά το γεγονός ότι το σωματίδιο ανακαλύφθηκε μέσω των προβλεπόμενων διασπάσεων στην πρώτη θέση υποδηλώνει ότι δεν μπορεί να είναι πολύ διαφορετικό από το τυπικό μοντέλο Higgs, αναγνωρίζει ο Ellis.
Εάν είναι όντως το μποζόνιο Χιγκς, τότε η ανακάλυψη θα εκπληρώσει μια πρόβλεψη που έγινε πριν από δεκαετίες από τον Χιγκς, αν και άλλοι ανέπτυξαν μερικές από τις ίδιες βασικές ιδέες περίπου την ίδια στιγμή. Αυτή θα ήταν απλώς η πιο πρόσφατη σε μια χούφτα βαθιές προβλέψεις που έγιναν από σωματιδιακούς φυσικούς. Για παράδειγμα, το 1970, οι θεωρητικοί προέβλεψαν την ύπαρξη ενός σωματιδίου που ονομάζεται κουάρκ γοητείας. δύο πειραματιστές ανακάλυψαν ανεξάρτητα το σωματίδιο το 1974, για το οποίο έλαβαν το βραβείο Νόμπελ στη φυσική 2 χρόνια αργότερα. Το 1968, οι θεωρητικοί προέβλεψαν την ύπαρξη των μποζονίων W και Z. το 1983, αυτά τα σωματίδια ανακαλύφθηκαν επίσης. Σε αυτή την περίπτωση, η θεωρία πίσω από την πρόβλεψη κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1979 και η ανακάλυψη το κέρδισε το 1984.
Η πρόβλεψη και η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs είναι εξίσου σημαντικές με εκείνες του W και του Z, λέει ο Stuart Raby, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, Columbus. «Είναι σίγουρα στο ίδιο επίπεδο», λέει. «Είναι σίγουρα το ίδιο θεμελιώδες».
Τώρα που το τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής έχει ολοκληρωθεί, ένα βασικό ερώτημα είναι εάν τα νέα σωματίδια βρίσκονται στην εμβέλεια του LHC ή οποιουδήποτε θρυμματιστή ατόμων υψηλότερης ενέργειας που θα μπορούσε να έρθει μετά από αυτό. Οι φυσικοί λένε ότι οι εννοιολογικές τρύπες στο τυπικό μοντέλο υποδηλώνουν έντονα ότι η θεωρία είναι ελλιπής. Για παράδειγμα, στο τυπικό μοντέλο, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του Higgs και των άλλων σωματιδίων θα έπρεπε να αναγκάσουν τη μάζα του Higgs να εκτοξευθεί στα ύψη σε μια τιμή ένα τρισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη. Κι όμως αυτό δεν συμβαίνει. Έτσι, οι περισσότεροι φυσικοί υποψιάζονται ότι υπάρχουν νέα σωματίδια εκεί έξω που με κάποιο τρόπο εξουδετερώνουν την εκτόξευση της μάζας Higgs.
Θα έχουν όμως τέτοια σωματίδια αρκετά χαμηλές μάζες για να ανακαλυφθούν με οποιονδήποτε πιθανό ανθρωπογενή θρυμματιστή ατόμων; «Δεν υπάρχει καμία απολύτως εγγύηση», λέει ο Στίβεν Γουάινμπεργκ, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, ο οποίος μοιράστηκε το Νόμπελ του 1979 για τη θεωρία πίσω από το Δ και το Ω. «Ο εφιάλτης μου, και δεν είμαι μόνο εγώ, αλλά πολλά από εμάς [στη σωματιδιακή φυσική], είναι ότι ο LHC ανακαλύπτει το μποζόνιο Higgs και τίποτα άλλο», λέει ο Weinberg. «Αυτό θα ήταν σαν να κλείνεις μια πόρτα».
Αλλά οι περισσότεροι φυσικοί λένε ότι είναι αισιόδοξοι ότι, τώρα που ο LHC ανακάλυψε το Higgs, θα ακολουθήσουν και άλλες πιο εκπληκτικές ανακαλύψεις. Προς το παρόν, η ανακάλυψη του Higgs είναι ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα.
*Η ιστορία έχει αναθεωρηθεί για να διορθώσει το έτος κατά το οποίο το βραβείο Νόμπελ στη φυσική τίμησε τη θεωρία πίσω από τα μποζόνια W και Z από το 1972 έως το 1979.
