Οι φυσικοί που αναζητούν σπάνια ζεύγη μποζονίων Higgs θα μπορούσαν να δώσουν νέα φυσική
Για τους σωματιδιακούς φυσικούς που θέλουν να εξερευνήσουν νέα σύνορα, η εντόπιση του μποζονίου Higgs έχει γίνει ένας γλυκόπικρος θρίαμβος. Ανιχνεύτηκε το 2012 στον μεγαλύτερο θρυμματιστή ατόμων στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), το πολυπόθητο σωματίδιο γέμισε το τελευταίο κενό στο τυπικό μοντέλο των θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων. Αλλά από τότε, το τυπικό μοντέλο ανταποκρίνεται σε κάθε δοκιμή, χωρίς να δίνει υποδείξεις νέας φυσικής. Τώρα, ο ίδιος ο Χιγκς μπορεί να προσφέρει μια διέξοδο από το αδιέξοδο. Οι πειραματιστές στο LHC, που βρίσκεται στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, σχεδιάζουν να κυνηγήσουν για συγκρούσεις που παράγουν όχι μόνο ένα μποζόνιο Higgs, αλλά δύο. Η εύρεση περισσότερων αυτών των σπάνιων γεγονότων διπλού Higgs από ό,τι αναμενόταν θα μπορούσε να υποδεικνύει σωματίδια ή δυνάμεις πέρα από το τυπικό μοντέλο και θα μπορούσε ακόμη και να εξηγήσει την ανισορροπία της ύλης και της αντιύλης στο σύμπαν.
«Αυτό είναι το επόμενο μεγάλο πράγμα», λέει η Sally Dawson, θεωρητικός στο Brookhaven National Laboratory στο Upton της Νέας Υόρκης και διοργανωτής ενός εργαστηρίου την περασμένη εβδομάδα στο Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) στη Batavia του Ιλινόις, όπου περισσότερα από 100 φυσικοί συγκεντρώθηκαν για να βελτιώσουν τα εννοιολογικά εργαλεία που χρειάζονται για τη μακρά αναζήτηση.
Το μποζόνιο Χιγκς παίζει έναν ιδιαίτερο ρόλο στο τυπικό μοντέλο, το οποίο περιγράφει πώς αλληλεπιδρούν δώδεκα είδη σωματιδίων μέσω τριών δυνάμεων:του ηλεκτρομαγνητισμού και των αδύναμων και ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων. (Η θεωρία δεν περιλαμβάνει τη βαρύτητα, μια σημαντική αστοχία.) Οι δυνάμεις στο μοντέλο προκύπτουν από ορισμένες μαθηματικές συμμετρίες. Αλλά αυτά τα μαθηματικά λειτουργούν μόνο εφόσον τα σωματίδια δεν ξεκινούν με μάζα. Έτσι, η μάζα πρέπει με κάποιο τρόπο να αναδυθεί μέσω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ίδιων των κατά τα άλλα χωρίς μάζα σωματιδίων.
Εκεί μπαίνει το Higgs. Οι φυσικοί υποθέτουν ότι το διάστημα περιέχει ένα πεδίο Higgs - λίγο σαν ηλεκτρικό πεδίο - που δημιουργείται από μποζόνια Higgs που κρύβονται στο κενό. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το πεδίο για να αποκτήσουν ενέργεια και, μέσω της περίφημης εξίσωσης του Άλμπερτ Αϊνστάιν, E=mc, μάζα.
Αυτός ο μηχανισμός Higgs έλαβε ηχηρή υποστήριξη πριν από 6 χρόνια, όταν πειραματιστές που εργάζονταν με τους δύο μεγαλύτερους ανιχνευτές σωματιδίων που τροφοδοτούνται από τον LHC, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) και το Compact Muon Solenoid (CMS), δημιούργησαν ένα φευγαλέο σωματίδιο που ζύγιζε 133 φορές περισσότερο. όσο ένα πρωτόνιο. Διασπάται με τους τρόπους που υποτίθεται ότι το Higgs - για παράδειγμα, σε ένα ζεύγος φωτονίων. Αλλά οι φυσικοί δεν είναι σίγουροι αν έχουν παρατηρήσει το τυπικό μοντέλο μποζονίου Higgs ή κάτι ελαφρώς διαφορετικό.
Τα γεγονότα Double-Higgs υπόσχονται έναν τρόπο να το πούμε με βεβαιότητα, αποκαλύπτοντας πόσο έντονα αλληλεπιδρά το πεδίο Higgs με τον εαυτό του. Ένα ηλεκτρικό πεδίο εξαφανίζεται αν δεν υπάρχει φορτίο τριγύρω, αλλά το πεδίο Higgs πρέπει να παραμένει πάντα στο κενό — διαφορετικά δεν θα είναι σε θέση να μεταδώσει μάζα σε άλλα σωματίδια. Το τυπικό μοντέλο προϋποθέτει ότι αυτό συμβαίνει με ένα πεδίο Higgs που αλληλεπιδρά με τον εαυτό του και ελαχιστοποιεί την ενέργειά του όχι εξαφανίζοντας, αλλά παίρνοντας μια μη μηδενική ισχύ.
Μαθηματικά, υπάρχουν πολλοί τρόποι να μαγειρέψετε ένα τέτοιο σχήμα και το τυπικό μοντέλο χρησιμοποιεί τον απλούστερο, που ελέγχεται από μία μόνο παράμετρο. Αυτή η παράμετρος, με τη σειρά της, προβλέπει τον ρυθμό με τον οποίο θα πρέπει να εμφανίζονται τα ζεύγη Higgs σε συγκρούσεις σωματιδίων, δίνοντας στους φυσικούς έναν τρόπο να δοκιμάσουν το τυπικό μοντέλο.
Η πρόκληση είναι να βρούμε τις εξαιρετικά σπάνιες φθορές. Το τυπικό μοντέλο προβλέπει ότι για κάθε 10.000 συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου στον LHC που παράγουν ένα μόνο μποζόνιο Higgs, περίπου έξι θα παράγουν ένα ζεύγος. Αυτά τα συμβάντα διπλού Higgs θα πρέπει να δημιουργήσουν ακατάστατες βροχές άλλων σωματιδίων, καθιστώντας ακόμη πιο δύσκολο τον εντοπισμό τους. Το LHC πιθανότατα έχει ήδη δημιουργήσει περίπου 1000 συμβάντα διπλού Higgs, αλλά το ATLAS και το CMS δεν μπορούν ακόμη να πάρουν ένα σήμα από το παρασκήνιο.
Ωστόσο, οι πειραματιστές του LHC λένε ότι είναι αισιόδοξοι για τις πιθανότητές τους, ειδικά επειδή οι τεχνικές τους για τον εντοπισμό των μποζονίων Higgs βελτιώνονται. Τον περασμένο μήνα, ανακοίνωσαν την απόδειξη ότι είχαν ανιχνεύσει έναν ιδιαίτερα ακατάστατο τρόπο αποσύνθεσης στον οποίο ένα Higgs γεννά ένα ζεύγος ογκωδών σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ βυθού, όπως θα έπρεπε σχεδόν στο 60% όλων των διασπάσεων. Αυτό είναι καλό για αναζητήσεις διπλού Higgs επειδή βασίζονται σε τουλάχιστον ένα Higgs στο ζεύγος που αποσυντίθεται με αυτόν τον πιο πιθανό τρόπο.
Τα πειράματα LHC μπορεί να χρειαστούν χρόνια για να δουν ένα σήμα. Αργότερα φέτος, ο LHC θα είναι σε αδράνεια για 2 χρόνια για αναβαθμίσεις. Το 2026 θα υποστεί άλλο ένα διάλειμμα 2 ετών για να αυξήσει το ρυθμό σύγκρουσής του. Ο λεγόμενος Υψηλής Φωτεινότητας LHC θα λειτουργούσε τότε μέχρι το 2034. Στα χαρτιά, μόνο η πλήρης εκτέλεση θα αποφέρει αρκετά δεδομένα για να επικυρώσει την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου. Ωστόσο, ορισμένοι φυσικοί πιστεύουν ότι μπορούν να ξεπεράσουν αυτό το χρονοδιάγραμμα, καθώς οι αλγόριθμοι εντοπισμού Higgs συνεχίζουν να βελτιώνονται. "Ακόμη και πριν από τον LHC υψηλής φωτεινότητας, νομίζω ότι θα μπορούσαμε να πλησιάσουμε την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου", λέει η Caterina Vernieri, μέλος CMS στη Fermilab.
Φυσικά, όλοι οι πειραματιστές του LHC ελπίζουν ότι το ποσοστό για συμβάντα διπλού Higgs θα υπερβεί την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου. Δεν μπορεί να είναι ψηλά ή θα αντιμετωπίσει έμμεσους περιορισμούς από τις παρατηρούμενες αποσυνθέσεις Higgs, λέει η Ελένη Βρυωνίδου, θεωρητικός στο CERN. Ωστόσο, το ποσοστό διπλού Higgs θα μπορούσε να είναι έως και έξι φορές μεγαλύτερο από την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου, εκτιμά.
Μια τέτοια βελτίωση θα έδειχνε ένα πεδίο Higgs που αλληλεπιδρά έντονα με τον εαυτό του. Θα μπορούσε επίσης να σηματοδοτήσει φευγαλέα νέα σωματίδια που τείνουν να διασπώνται σε Higgses, όπως οι βαρύτεροι συνεργάτες Higgs που προβλέπονται από πολλές τυπικές επεκτάσεις μοντέλων. Και μπορεί να έχει επιπτώσεις πολύ πέρα από τη σωματιδιακή φυσική, λέει η Marcela Carena, θεωρητικός στο Fermilab. Οι φυσικοί δεν ξέρουν γιατί το βρεφικό σύμπαν κατέληξε με περισσότερη ύλη παρά αντιύλη. Αλλά η Carena λέει ότι η ξαφνική εμφάνιση ενός πεδίου Higgs που αλληλεπιδρά έντονα με τον εαυτό του μπορεί να έχει κλειδώσει στην ανισορροπία.
Ακόμα κι αν το ποσοστό των γεγονότων διπλού Higgs δεν αψηφά τις τυπικές προβλέψεις του μοντέλου, η προσπάθεια μέτρησής τους θα αποδώσει άψογα, λέει η Katharine Leney, πειραματίστρια ATLAS στο University College του Λονδίνου. "Αυτό που οδηγεί πολλούς ανθρώπους, συμπεριλαμβανομένου εμένα, είναι να μπορώ να πω μια για πάντα, προς Θεού, είναι ή δεν είναι το τυπικό μοντέλο Higgs."
