Τα μυστήρια της μάζας

Ο περισσότερος κόσμος νομίζει ότι γνωρίζει τι σημαίνει μάζα, όμως στην πραγματικότητα δεν κατανοεί παρά μέρος μόνο της όλης υπόθεσης. Για παράδειγμα, οι ελέφαντες είναι σαφώς ογκωδέστεροι και ζυγίζουν περισσότερο από τα μυρμήγκια. Ακόμη και απουσία βαρύτητας, ένας ελέφαντας θα είχε μεγαλύτερη μάζα —θα χρειαζόταν να ασκήσουμε μεγαλύτερη ώθηση για να τον θέσουμε σε κίνηση. Προφανώς, ο ελέφαντας έχει μεγαλύτερη μάζα διότι σε σύγκριση με το μυρμήγκι αποτελείται από πολύ περισσότερα άτομα, ωστόσο, τι είναι εκείνο που καθορίζει τη μάζα τού κάθε μεμονωμένου ατόμου; Και τι μπορούμε να πούμε για τα στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία συνίστανται τα άτομα —τι καθορίζει τις δικές τους μάζες; Αλήθεια, γιατί καν να έχουν μάζες;

● Οι φυσικοί κυνηγούν ένα φευγαλέο σωματίδιο το οποίο θα αποκάλυπτε την παρουσία ενός νέου είδους πεδίου που διαποτίζει ολόκληρο τον κόσμο. H ανακάλυψη αυτού του πεδίου, του πεδίου Higgs, θα μας προσφέρει πληρέστερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί το Σύμπαν.

● Ο Σκοτσέζος φυσικός Higgs πρότεινε πως το κενό περιέχει ένα «πανταχού παρών» πεδίο που μπορεί να επιβραδύνει κάποια (ειδάλλως άμαζα) στοιχειώδη σωματίδια – όπως ένα δοχείο με μέλι επιβραδύνει μία σφαίρα μεγάλης ταχύτητας. Τέτοια σωματίδια θα συμπεριφέρονται σαν σωματίδια με μάζα, που ωστόσο ταξιδεύουν με ταχύτητες μικρότερες αυτής του φωτός. Άλλα σωματίδια – όπως τα φωτόνια – είναι απρόσβλητα στο πεδίο: δεν επιβραδύνονται και παραμένουν άμαζα. 

Όπως βλέπουμε, το πρόβλημα της μάζας παρουσιάζει δύο ανεξάρτητες πλευρές. Πρώτον, πρέπει να μάθουμε πώς αναφύεται η μάζα. Όπως αποδεικνύεται, η μάζα προκύπτει από τρεις τουλάχιστον διαφορετικούς μηχανισμούς, τους οποίους και θα περιγράψουμε στη συνέχεια. Βασικός πρωταγωνιστής στις μη επεξεργασμένες ακόμα θεωρίες των φυσικών για τη μάζα είναι ένα νέο είδος πεδίου που διαποτίζει ολόκληρη την πραγματικότητα, και το οποίο ονομάζεται πεδίο Higgs. Οι μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων θεωρείται ότι προέρχονται από τη δράση του πεδίου Higgs. Av όντως υφίσταται το πεδίο Higgs, η θεωρία επιβάλλει να έχει ένα αντίστοιχο σωματίδιο, το μποζόνιο Higgs. Και ακριβώς αυτό το μποζόνιο κυνηγούν τώρα οι επιστήμονες πειραματιζόμενοι σε διάφορους επιταχυντές σωματιδίων, όπως στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).

H δεύτερη πλευρά του προβλήματος συνίσταται στο ότι οι επιστήμονες επιδιώκουν να μάθουν γιατί τα διάφορα είδη στοιχειωδών σωματιδίων έχουν το καθένα μάζα συγκεκριμένου μεγέθους. Οι εγγενείς τους μάζες καλύπτουν 11 τουλάχιστον τάξεις μεγέθους, χωρίς όμως να γνωρίζουμε γιατί θα έπρεπε να έχουν έτσι τα πράγματα, Και για να προσφέρουμε στον αναγνώστη ένα οικείο μέτρο σύγκρισης, ας πούμε ότι ένας αρσενικός ελέφαντας στην Αφρική ζυγίζει 6.000 kg και το μικρότερο μυρμήγκι, που ζυγίζει μόλις 0.01 milligram, διαφέρουν ως προς τη μάζα κατά περίπου 11 τάξεις μεγέθους.

Τι είναι μάζα

Τον πρώτο επιστημονικό ορισμό της μάζας τον παρουσίασε ο Νεύτων στο μνημειώδες έργο του Principia: «Η ποσότητα της ύλης – όπως προτιμούσε να την λέει ο Νεύτωνας τη μάζα – είναι το μέτρο της ύλης, το οποίο προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της πυκνότητας επί τον όγκο της». Αυτός ο βασικότατος ορισμός στάθηκε αρκετός για τον Νεύτωνα και τους υπόλοιπους επιστήμονες επί 200 και πλέον χρόνια. Και τούτο διότι κατά τη συγκεκριμένη περίοδο επεκράτησε, και ορθώς, η αντίληψη ότι η επιστήμη όφειλε πρώτα να περιγράψει πώς λειτουργούν τα πράγματα και μόνο έπειτα να προσπαθήσει να κατανοήσει γιατί λειτουργούν έτσι. Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, το γιατί της μάζας αποτελεί πλέον αντικείμενο έρευνας στη φυσική. H κατανόηση του νοήματος και της προέλευσης της μάζας θα ολοκληρώσει και θα επεκτείνει το Καθιερωμένο Μοντέλο (Standard Model) της σωματιδιακής φυσικής, τη δοκιμασμένη θεωρία που περιγράφει τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους. Συνάμα, θα λύσει μυστήρια όπως η σκοτεινή ύλη, η οποία αποτελείτο 25% περίπου της υλο-ενέργειας του Σύμπαντος.

Τα θεμέλια της σύγχρονης κατανόησης της μάζας είναι πολύ πιο πολύπλοκα από τον ορισμό του Νεύτωνα και βασίζονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Στην καρδιά του Καθιερωμένου Μοντέλου βρίσκεται μια μαθηματική συνάρτηση που ονομάζεται Λαγκρανζιανή, η οποία περιγράφει πώς αλληλεπιδρούν τα διάφορα σωματίδια. Από αυτή τη συνάρτηση, ακολουθώντας κανόνες συλλήβδην γνωστούς ως σχετικιστική κβαντική θεωρία, οι φυσικοί έχουν τη δυνατότητα να υπολογίζουν τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου και του πώς αυτά συνδέονται και σχηματίζουν σύνθετα σωματίδια όπως τα πρωτόνια. Εν συνεχεία, μπορούμε να υπολογίσουμε, τόσο για τα στοιχειώδη σωματίδια όσο και για τα σύνθετα, πώς αυτά αποκρίνονται στις δυνάμεις —και δοθείσης μιας δύναμης F, μπορούμε να γράψουμε την εξίσωση του Νεύτωνα F = ma, η οποία συνδέει τη δύναμη, τη μάζα και την παραγόμενη επιτάχυνση. H λαγκρανζιανή μάς λέει τι θα χρησιμοποιήσουμε στη θέση τού m εδώ, και τούτο ακριβώς εννοούμε όταν μιλάμε για τη μάζα του σωματιδίου.
 

Ωστόσο, η μάζα, όπως την αντιλαμβανόμαστε συνήθως, δεν παρουσιάζεται μόνο στη σχέση F = ma. Για παράδειγμα, η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι τα άμαζα σωματίδια κινούνται στο κενό με την ταχύτητα του φωτός, ενώ τα σωματίδια με μάζα (αυτά που έχουν μάζα) κινούνται βραδύτερα, κατά τρόπο ο οποίος μπορεί να υπολογιστεί εφόσον γνωρίζουμε τις μάζες τους. Οι νόμοι της βαρύτητας, από την άλλη, προβλέπουν ότι η βαρύτητα δρα τόσο στη μάζα όσο και στην ενέργεια, και μάλιστα κατά σαφώς καθορισμένο τρόπο. To μέγεθος m που συνάγεται από τη λαγκρανζιανή για κάθε σωματίδιο συμπεριφέρεται σωστά από όλες αυτές τις απόψεις, ακριβώς όπως θα περιμέναμε για μια δεδομένη μάζα.

Τα θεμελιώδη σωματίδια έχουν μια εγγενή μάζα γνωστή ως μάζα ηρεμίας. Για ένα σύνθετο σωματίδιο, στην ολική του μάζα συνεισφέρουν τόσο η μάζα ηρεμίας των συστατικών του όσο και η κινητική ενέργεια της κίνησης τους και η δυναμική ενέργεια των αλληλεπιδράσεων τους. H ενέργεια και η μάζα συνδέονται άμεσα, και τη μεταξύ τους σχέση την περιγράφει η περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν E = mc2 (η ενέργεια ισούται με τη μάζα επί την ταχύτητα του φωτός υψωμένη στο τετράγωνο).

 

Ένα παράδειγμα ενέργειας που συνεισφέρει στη μάζα παρουσιάζεται στο πλέον οικείο είδος ύλης στο Σύμπαν: στα πρωτόνια και τα νετρόνια από τα οποία αποτελούνται τα άστρα, οι πλανήτες, οι άνθρωποι και όλα όσα βλέπουμε (η ορατή ύλη). Αυτά τα σωματίδια αναλογούν στο 4% έως 5% της μάζας-ενέργειας του Σύμπαντος.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια συνίστανται από στοιχειώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ και τα οποία συνδέονται μεταξύ τους μέσω άμαζων σωματιδίων που ονομάζονται γλουόνια (glouns). Μολονότι τα συστατικά σωματίδια κινούνται ταχύτατα μέσα σε κάθε πρωτόνιο, από έξω βλέπουμε το πρωτόνιο ως συνεκτικό αντικείμενο με εγγενή μάζα, η οποία δίνεται από το άθροισμα των μαζών και των ενεργειών των συστατικών του.

 To Καθιερωμένο Μοντέλο οδηγεί βάσει υπολογισμών στο συμπέρασμα ότι σχεδόν όλη η μάζα των πρωτονίων και των νετρονίων προέρχεται από την κινητική ενέργεια των συστατικών τους κουάρκ και γλουονίων (η υπόλοιπη προέρχεται από τη μάζα ηρεμίας των κουάρκ). – Δεξιά εικόνα

Κατά συνέπεια, περίπου

το 4% έως 5% ολόκληρου του Σύμπαντος —σχεδόν όλη η οικεία ύλη γύρω μας— προέρχεται από την ενέργεια της κίνησης των κουάρκ και των γλοιονίων τα οποία περιέχουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

 

Οι μάζες των σωματιδίων του Καθιερωμένου Μοντέλου διαφέρουν κατά τουλάχιστον 11 τάξεις μεγέθους, πιστεύεται δε ότι παράγονται από αλληλεπιδράσεις με το πεδίο Higgs. Είναι πιθανόν να υπάρχουν τουλάχιστον 5 σωματίδια Higgs. Oi μάζες τους προς το παρόν παραμένουν άγνωστες- στο διάγραμμα παρουσιάζονται οι δυνατές μάζες των Higgs.(κλικ για μεγέθυνση)

O μηχανισμός Higgs

Σε αντίθεση με τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα πραγματικά στοιχειώδη σωματίδια — όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια — δεν αποτελούνται από μικρότερα μέρη. H εξήγηση του πώς αποκτούν τη μάζα ηρεμίας τους τα εν λόγω σωματίδια οδηγεί στην ίδια την καρδιά του προβλήματος της προέλευσης της μάζας. Όπως είπαμε προηγουμένως, η εξήγηση που προτείνει η σύγχρονη θεωρητική φυσική συνίσταται στο ότι οι μάζες των θεμελιωδών σωματιδίων πηγάζουν από τις αλληλεπιδράσεις με το πεδίο Higgs. Αλλά γιατί είναι το πεδίο Higgs πανταχού παρόν στο Σύμπαν; Γιατί δεν μηδενίζεται ουσιαστικά η τιμή του σε κοσμικές κλίμακες, όπως συμβαίνει με εκείνη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου; Τι είναι, εν τέλει, το πεδίο Higgs;

Το πεδίο Higgs, λοιπόν, είναι ένα κβαντικό πεδίο. Μολονότι η δήλωση μας αυτή πιθανόν να ηχεί κάπως μυστηριώδης στα αφτιά του αμύητου αναγνώστη, αποτελεί γεγονός ότι όλα τα στοιχειώδη σωματίδια προκύπτουν ως κβάντα κάποιου αντίστοιχου κβαντικού πεδίου. Επίσης κβαντικό πεδίο είναι, παραδείγματος χάριν, και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (και έχει ως αντίστοιχο του στοιχειώδες σωματίδιο το φωτόνιο). Από αυτή την άποψη, επομένως, το πεδίο Higgs δεν πρέπει να φαίνεται πιο αινιγματικό από τα ηλεκτρόνια και το φως. To πεδίο Higgs, ωστόσο, διαφέρει από όλα τα υπόλοιπα κβαντικά πεδία από τρεις κρίσιμες απόψεις.

H πρώτη διαφορά έχει κάπως τεχνικό χαρακτήρα: Όλα τα πεδία χαρακτηρίζονται από μια ιδιότητα που ονομάζεται σπιν, μια εγγενή στροφορμή καθορισμένου μεγέθους την οποία φέρει κάθε σωματίδιο τους. Σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια έχουν στην 1/2, ενώ τα περισσότερα σωματίδια που λειτουργούν ως φορείς κάποιας δύναμης, όπως το φωτόνιο, έχουν σπιν 1. Απεναντίας, το μποζόνιο Higgs (το σωματίδιο του πεδίου Higgs) έχει σπιν 0. Έχοντας σπιν 0, το πεδίο Higgs μπορεί να εμφανίζεται στη λαγκρανζιανή κατά διαφορετικούς τρόπους απ’ ό,τι τα υπόλοιπα σωματίδια, γεγονός το οποίο καθιστά δυνατά τα — και οδηγεί στα — άλλα δύο διακριτικά του γνωρίσματα.

H δεύτερη μοναδική ιδιότητα του πεδίου Higgs εξηγεί πώς και γιατί έχει το εν λόγω πεδίο μη μηδενική ένταση σε ολόκληρο το Σύμπαν: Κάθε σύστημα, ακόμη και το ίδιο το Σύμπαν, δεν μπορεί παρά να πέσει τελικά στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση, σαν μια μπάλα που κατρακυλά στον πυθμένα μιας κοιλάδας. Για τα οικεία πεδία, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία χάρις στα οποία καθίσταται δυνατή η μετάδοση των ραδιοφωνικών εκπομπών, η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση είναι εκείνη στην οποία τα πεδία λαμβάνουν μηδενική τιμή (στην οποία, δηλαδή, τα πεδία εξαφανίζονται) —εάν εισαχθεί κάποιο μη μηδενικό πεδίο, η ενέργεια που υπάρχει αποθηκευμένη στο πεδίο αυξάνει τη συνολική ενέργεια του συστήματος.

Το πεδίο Higgs διαπερνά όλο το σύμπαν. Ένα τυπικό πεδίο, όπως το ηλεκτρομαγνητικό, έχει την χαμηλότερη ενέργεια τότε που το πεδίο είναι μηδενικό. (αριστερά). Το σύμπαν αντίθετα είναι σαν μια μπάλα που ρολάρει γύρω γύρω και πέφτει στο τέλος στο βάθος της κοιλάδας αποκτώντας ελάχιστη ενέργεια, όμως το πεδίο Higgs δεν βρίσκεται στη θέση μηδέν, αλλά έχει μια ελάχιστη τιμή! (δεξιά εικόνα). Δηλαδή ενώ το σύμπαν είναι στην κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας διαποτίζεται από ένα πεδίο Higgs η μηδενικό.

Στην περίπτωση, όμως, του πεδίου Higgs, η ενέργεια του Σύμπαντος ελαχιστοποιείται όταν το πεδίο δεν μηδενίζεται αλλά έχει παντού μια σταθερή μη μηδενική τιμή.

Εάν επιμείνουμε στη μεταφορά της κοιλάδας, για τα συνήθη πεδία ο πυθμένας της κοιλάδας βρίσκεται στη θέση του μηδενικού πεδίου, για το Higgs, αντίθετα, η κοιλάδα έχει ένα λοφίσκο στο κέντρο της (στη θέση μηδενικού πεδίου) και το βαθύτερο μέρος της κοιλάδας σχηματίζει έναν κύκλο γύρω από το λοφίσκο. Το Σύμπαν, όπως θα συνέβαινε και σε μια μπάλα, έρχεται και ηρεμεί κάπου σε αυτό το κυκλικό αυλάκι, θέση η οποία αντιστοιχεί σε μη μηδενική τιμή του πεδίου. Δηλαδή, στη φυσική του κατάσταση, στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση, το Σύμπαν το διαποτίζει απ’ άκρου εις άκρον ένα μη μηδενικό πεδίο Higgs.

Δεξιά: Δύο διαφορετικά φαινόμενα – η απόκτηση της μάζας από ένα σωματίδιο (πάνω) και η παραγωγή ενός μποζονίου Higgs (κάτω), προκαλούνται ακριβώς από την ίδια αλληλεπίδραση. Κι αυτό το γεγονός θα είναι ο οδηγός μας για να εξετάσουμε τη θεωρία για την ύπαρξη του Higgs στο CERN

Το τελευταίο διακριτικό γνώρισμα του πεδίου Higgs συνίσταται στη μορφή των αλληλεπιδράσεων του με τα υπόλοιπα σωματίδια: Όσα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs συμπεριφέρονται σαν να έχουν μάζα ανάλογη με την ένταση του πεδίου πολλαπλασιασμένη επί τη σταθερά ζεύξης (που ενίοτε αναφέρεται και ως «ένταση») της αλληλεπίδρασης. Οι μάζες προκύπτουν από τους όρους της λαγκρανζιανής που περιγράφουν την αλληλεπίδραση των σωματιδίων με το πεδίο Higgs.

 

ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΠΟΓΡΑΦΗ

H θεωρία του πεδίου Higgs εξηγεί πώς αποκτούν τη μάζα τους τα στοιχειώδη σωματίδια, οι ελάχιστοι δομικοί λίθοι του Σύμπαντος. Ωστόσο, ο μηχανισμός Higgs δεν αποτελεί τη μοναδική πηγή μάζας-ενέργειας στο Σύμπαν (ο όρος «υλο-ενέργεια» αναφέρεται τόσο στη μάζα όσο και στην ενέργεια, οι οποίες συνδέονται μέσω της περίφημης σχέσης τού Αϊνστάιν E = mc2 ).

Το 70% περίπου της υλο-ενέργειας του Σύμπαντος υπάρχει με τη μορφή της λεγόμενης σκοτεινής ενέργειας, η οποία δεν συνδέεται άμεσα με κάποιου είδους σωματίδια. H βασική ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας συνίσταται στην επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος. To ποια ακριβώς είναι η φύση της σκοτεινής ενέργειας αποτελεί ένα από τα βαθύτερα ανοικτά ερωτήματα στη φυσική.

To υπολειπόμενο 30% της υλο-ενέργειας του Σύμπαντος προέρχεται από την ύλη, από τα σωματίδια που έχουν μάζα. To πιο οικείο είδος ύλης είναι τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια, από τα οποία απαρτίζονται τα άστρα, οι πλανήτες, οι άνθρωποι και όλα όσα βλέπουμε γύρω μας. Τούτα τα σωματίδια αναλογούν στο 1/6 της ύλης του Σύμπαντος, ή στο 4% έως 5% όλης της μάζας-ενέργειας του Σύμπαντος.

Όπως εξηγείται στο κυρίως κείμενο, το μεγαλύτερο μέρος αυτής της μάζας προκύπτει από την ενέργεια της κίνησης των κουάρκ και των γλουονίων που κινούνται ταχύτατα μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια.

 

Μια μικρότερη συνεισφορά στην ύλη του Σύμπαντος προέρχεται από τα σωματίδια που ακούν στο όνομα νετρίνα, τα οποία εμφανίζονται σε τρεις ποικιλίες. Τα νετρίνα έχουν μεν μάζα, αλλά εκπληκτικά μικρή. Οι απόλυτες μάζες των νετρίνων δεν έχουν μετρηθεί ακόμη, αλλά τα υπάρχοντα δεδομένα οδηγούν σε ένα ανώτερο όριο για αυτές — αναλογούν σε λιγότερο από το 0,5% του Σύμπαντος.

Σχεδόν όλη η υπόλοιπη ύλη — περί το 25% της συνολικής υλο-ενέργειας του Σύμπαντος — είναι ύλη αόρατη, η οποία ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Την ύπαρξη της τη συνάγουμε από τις βαρυτικές επιδράσεις της στην ορατή ύλη. Δεν γνωρίζουμε ακόμη τι στα αλήθεια είναι αυτή η σκοτεινή ύλη, αλλά υπάρχουν σοβαροί υποψήφιοι για το ρόλο των σωματιδίων από τα οποία σύγκειται, ταυτόχρονα δε βρίσκονται σε εξέλιξη πειράματα που θα ελέγξουν τις διάφορες ιδέες. H σκοτεινή ύλη θα έπρεπε να συνίσταται από βαρέα σωματίδια επειδή σχηματίζει σβώλους γαλαξιακού μεγέθους υπό την επίδραση της βαρυτικής δύναμης. Ποικίλα επιχειρήματα μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η σκοτεινή ύλη αποκλείεται να αποτελείται από κάποια από τα σωματίδια του συνηθισμένου Καθιερωμένου Μοντέλου.

 

H υλο-ενέργεια του Σύμπαντος εμφανίζεται κατά κύριο λόγο σε τέσσερεις γενικούς τύπους. Έχουμε: μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια στην οποία οφείλεται η επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος· αόρατη σκοτεινή ύλη η οποία ανιχνεύεται μέσω των βαρυτικών της επιδράσεων ορατή ύλη· και τέλος, νετρίνα.

Ως ο σοβαρότερος υποψήφιος για να αναλάβει το ρόλο του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης θεωρείται ο «ελαφρότερος υπερ-εταίρος» (LSP), συγκεκριμένα του νετραλίνο, για τον οποίο περισσότερες λεπτομέρειες δίνονται στο κυρίως κείμενο. O ελαφρότερος υπερ-εταίρος εμφανίζεται σε επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου οι οποίες ονομάζονται Υπερσυμμετρικά Καθιερωμένα Μοντέλα. H μάζα του νετραλίνο δηλαδή του ελαφρότερου υπερ-εταίρου πιστεύεται ότι ανέρχεται σε περίπου 100 μάζες πρωτονίου. To ότι το νετραλίνο αποτελούσε σοβαρό υποψήφιο για το ρόλο του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης το αναγνώρισαν οι θεωρητικοί προτού ακόμη αντιληφθούν οι κοσμολόγοι ότι για *nv εξήγηση της σκοτεινής ύλης χρειαζόταν ένα νέο είδος θεμελιώδους ύλης.

 

H κατανόηση μας για όλα τούτα, ωστόσο, δεν είναι ακόμη ολοκληρωμένη, και δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα πόσων ειδών πεδία Higgs υπάρχουν. Μολονότι το Καθιερωμένο Moντέλο δεν προϋποθέτει παρά την ύπαρξη ενός μόνο πεδίου Higgs για να παραγάγει όλες τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων, οι φυσικοί ξέρουν ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο αναγκαστικά θα ξεπεραστεί κάποτε και θα αντικατασταθεί από μια πληρέστερη θεωρία. Ως επικρατέστεροι υποψήφιοι για το ρόλο της θεωρίας αυτής προβάλλουν οι επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου που είναι γνωστές ως Υπερ-συμμετρικά Καθιερωμένα Μοντέλα (YKM, ή SSM). Στα εν λόγω μοντέλα, κάθε σωματίδιο του Καθιερωμένου Μοντέλου έχει έναν, όπως λέγεται, υπερ-εταίρο (που ακόμη δεν έχει παρατηρηθεί) με στενά συνδεόμενες ιδιότητες.

Στο Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Μοντέλο, χρειάζονται τουλάχιστον δύο διαφορετικά είδη πεδίων Higgs. Οι αλληλεπιδράσεις με αυτά τα δύο πεδία δίνουν στα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου τη μάζα τους. Παράλληλα, δίνουν και στους υπερεταίρους κάποιο μέρος (αλλά όχι όλη) της μάζας τους. Τα δύο πεδία Higgs παράγουν πέντε ειδών μποζόνια Higgs: τρία ηλεκτρικώς ουδέτερα και δύο φορτισμένα. Οι δε μάζες νετρίνων, οι οποίες είναι μικρές σε σύγκριση με εκείνες των υπόλοιπων σωματιδίων, θα μπορούσαν να προκύπτουν μάλλον έμμεσα από αυτές τις αλληλεπιδράσεις ή από ένα τρίτο είδος πεδίου Higgs.

 

Οι θεωρητικοί έχουν αρκετούς λόγους ώστε να πιστεύουν ότι η εικόνα των YKM για την αλληλεπίδραση Higgs ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Πρώτον, χωρίς το μηχανισμό Higgs, τα μποζόνια W και Z που δρουν ως φορείς της ασθενούς δύναμης θα έμεναν χωρίς μάζα, ακριβώς όπως το φωτόνιο (με το οποίο συνδέονται), και η ασθενής αλληλεπίδραση θα ήταν εξίσου ισχυρή με την ηλεκτρομαγνητική. H θεωρία πρεσβεύει ότι ο μηχανισμός Higgs δίνει μάζα στο W και το Z με έναν πολύ ειδικό τρόπο. Οι προβλέψεις της συγκεκριμένης προσέγγισης (όπως ο λόγος των μαζών τού W και του Z) έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά.

Δεύτερον, ουσιαστικά όλες οι πλευρές του Καθιερωμένου Μοντέλου έχουν ελεγχθεί σε ικανοποιητικό βαθμό, και με μια τέτοια λεπτομερή θεωρία δύσκολα θα μπορούσε να τροποποιηθεί ένα μέρος της (όπως ο μηχανισμός Higgs) χωρίς να επηρεαστεί το υπόλοιπο. Για παράδειγμα, η ανάλυση των μετρήσεων ακριβείας των ιδιοτήτων των μποζονίων W και Z οδήγησαν στην ακριβή πρόβλεψη της μάζας του «κορυφαίου» ή top κουάρκ προτού ακόμη αυτό παραχθεί άμεσα. H τροποποίηση του μηχανισμού Higgs θα ανέτρεπε αυτήν και άλλες επιτυχείς προβλέψεις.

Τρίτον, ο μηχανισμός Higgs του Καθιερωμένου Μοντέλου αποδίδει εξαίρετα όσον αφορά την πρόσδοση μαζών σε όλα τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου, τόσο στα μποζόνια W και Z όσο και στα κουάρκ και τα λεπτόνια, κάτι το οποίο δεν ισχύει συνήθως για τις εναλλακτικές προτάσεις. Επίσης, σε αντίθεση με τις άλλες θεωρίες, το YKM προσφέρει ένα πλαίσιο που επιτρέπει την ενοποίηση της κατανόησης των δυνάμεων της Φύσης. Τέλος, το YKM μπορεί να εξηγήσει γιατί η ενεργειακή «κοιλάδα» του Σύμπαντος έχει το σχήμα που απαιτεί ο μηχανισμός Higgs. Ενώ στο βασικό Καθιερωμένο Μοντέλο το σχήμα της κοιλάδας πρέπει να εισαχθεί ως αξίωμα, στο YKM μπορεί να εξαχθεί μαθηματικώς.

Ελέγχοντας τη θεωρία

Βεβαίως, οι φυσικοί επιθυμούν να υποβάλουν σε άμεσους ελέγχους την ιδέα ότι η μάζα προκύπτει από τις αλληλεπιδράσεις με τα διαφορετικά πεδία Higgs. Υπάρχουν τρία βασικά χαρακτηριστικά που μπορούμε να ελέγξουμε.

Πρώτον, μπορούμε να αναζητήσουμε τα σωματίδια-«υπογραφή» που ονομάζονται μποζόνια Higgs. Τα συγκεκριμένα κβάντα πρέπει να υπάρχουν, ειδάλλως η εξήγηση δεν ευσταθεί. Επί του παρόντος, οι φυσικοί αναζητούν τα μποζόνια Higgs στον επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών Tevatron του Επιταχυντή Fermi και στον LHC του CERN.

Δεύτερον, αφ’ης στιγμής ανιχνευθούν τα μποζόνια Higgs, θα μπορέσουμε να παρατηρήσουμε πώς αλληλεπιδρούν αυτά με τα υπόλοιπα σωματίδια. Τις ιδιότητες τούτων των αλληλεπιδράσεων τις καθορίζουν οι ίδιοι ακριβώς όροι της λαγκρανζιανής που καθορίζουν και τις μάζες των σωματιδίων. Έτσι, θα έχουμε τη δυνατότητα να διεξαγάγουμε πειράματα για να ελέγξουμε ποσοτικά την παρουσία όρων αλληλεπίδρασης του συγκεκριμένου τύπου. H σταθερά ζεύξης της αλληλεπίδρασης και το μέγεθος της μάζας του σωματιδίου συνδέονται κατά μονοσήμαντο τρόπο.

Τρίτον, τα διαφορετικά σύνολα πεδίων Higgs, όπως εκείνα που εμφανίζονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο ή στα διάφορα YKM, συνεπάγονται διαφορετικά σύνολα μποζονίων Higgs με ποικίλες ιδιότητες, οπότε και αυτές οι εναλλακτικές λύσεις μπορούν να διακριθούν με τη βοήθεια κατάλληλων ελέγχων. Για να πραγματοποιήσουμε τέτοιους ελέγχους, δεν χρειαζόμαστε παρά αρκετά ισχυρούς επιταχυντές σωματιδίων —τέτοιους που να έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να παραχθούν τα διάφορα είδη μποζονίων Higgs, επαρκή φωτεινότητα ώστε η παραγωγή τους να γίνεται σε ικανούς αριθμούς και εξαιρετικούς ανιχνευτές για να αναλυθούν τα παραγόμενα γεγονότα.

Ένα πρακτικό πρόβλημα με την πραγματοποίηση τέτοιων ελέγχων έγκειται στο ότι ακόμη δεν κατανοούμε τις θεωρίες τόσο ικανοποιητικά ώστε να μπορούμε να υπολογίσουμε τις μάζες που θα έπρεπε να έχουν τα μποζόνια Higgs, κάτι το οποίο δυσκολεύει την αναζήτηση τους διότι μας υποχρεώνει να εξετάσουμε μια ολόκληρη περιοχή πιθανών μαζών. Με το συνδυασμό θεωρητικών συλλογισμών και δεδομένων από πειράματα οδηγούμαστε σε μια χοντρική εκτίμηση των μαζών που πρέπει να αναμένονται.

O Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (LEP) στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών (CERN), κοντά στη Γενεύη, – ο πρόγονος του LHC – ερεύνησε μια περιοχή μαζών όπου υπήρχε σημαντική πιθανότητα να ανιχνευθεί ένα μποζόνιο Higgs. Τέτοιο μποζόνιο, όμως, δεν βρέθηκε ώσπου έκλεισε ο LEP το 2000, προκειμένου να απελευθερωθεί χώρος για να κατασκευαστεί ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) του CERN. Ας σημειωθεί ότι περιμένουμε η μάζα τού Higgs, από πειράματα σε επιταχυντές να βρίσκεται κοντά στα 114 GeV.

Higgs και σκοτεινή ύλη

Σε ό,τι αφορά τη σκοτεινή ύλη, από τα σωματίδια του YKM σημαντικότερος αναδεικνύεται το νετραλίνο – ο «ελαφρότερος υπερ-εταίρος» (LSP). Όπως εμφαίνει και η ίδια η ονομασία του, ανάμεσα στους υπερεταίρους των γνωστών σωματιδίων του Καθιερωμένου Μοντέλου τους οποίους προβλέπει το YKM, είναι αυτό που έχει τη χαμηλότερη μάζα. Οι περισσότεροι υπερεταίροι διασπώνται ταχύτατα σε άλλα παρόμοια σωματίδια χαμηλότερων μαζών, μια αλυσίδα διασπάσεων η οποία καταλήγει στον ελαφρότερο LSP, που χαρακτηρίζεται από σταθερότητα επειδή δεν υπάρχει ελαφρότερο σωματίδιο στο οποίο θα μπορούσε να διασπαστεί. (Όταν διασπάται ένας τέτοιος υπερ-εταίρος, μεταξύ των προϊόντων της διάσπασης του θα πρέπει να περιλαμβάνεται τουλάχιστον ένας άλλος υπερεταίρος· οι υπερεταίροι απαγορεύεται να διασπαστούν αποκλειστικά και μόνο σε σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου.)

Τέτοια σωματίδια-πρέπει να δημιουργήθηκαν κατά τις πρώιμες φάσεις της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά κατόπιν θα διασπάστηκαν ταχέως σε ελαφρότερους υπερεταίρους. Έτσι, ο ελαφρότερος υπερεταίρος εμφανίζεται ως ο επικρατέστερος υποψήφιος που διεκδικεί το ρόλο των σωματιδίων από τα οποία σύγκειται η σκοτεινή ύλη.

Τα μποζόνια Higgs ενδέχεται να επηρεάζουν και άμεσα την ποσότητα σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν. Γνωρίζουμε ότι σήμερα οι ελαφρότεροι LSP θα πρέπει να υπάρχουν σε ποσότητα μικρότερη από εκείνη στην οποία υπήρχαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, καθότι κατά ένα μέρος τους θα πρέπει να συγκρούστηκαν μεταξύ τους και να εξαϋλώθηκαν παράγοντας κουάρκ, λεπτόνια και φωτόνια, και στο ρυθμό εξαΰλωσης πιθανόν να κυριαρχούν οι αλληλεπιδράσεις των ελαφρότερων υπερσυντρόφων με τα μποζόνια Higgs.

Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, τα δύο βασικά πεδία Higgs του YKM δίνουν μάζα στα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου και μέρος της μάζας των υπερεταίρων, μεταξύ των οποίων συγκαταλέγεται και ο ελαφρότερος υπερεταίρος. Οι υπερεταίροι αποκτούν περισσότερη μάζα μέσω πρόσθετων αλληλεπιδράσεων, οι οποίες πιθανόν να συντελούνται με άλλα πεδία Higgs πέραν των προαναφερθέντων ή με πεδία παρόμοια με τα Higgs. Μολονότι διαθέτουμε θεωρητικά μοντέλα σχετικά με το πώς μπορεί να συντελούνται αυτές οι διαδικασίες, οι λεπτομέρειες τους θα μένουν άγνωστες έως ότου αποκτήσουμε δεδομένα για τους ίδιους τους υπερεταίρους. Τέτοια δεδομένα αναμένεται να πάρουμε από τον LHC ή ίσως ακόμη και από το Tevatron.

Higgs και νετρίνα

Από αλληλεπιδράσεις με πρόσθετα πεδία Higgs ή με πεδία τύπου Higgs μπορεί επίσης να προκύπτουν και οι μάζες των νετρίνων, και μάλιστα κατά έναν πολύ ενδιαφέροντα τρόπο. Τα νετρίνα αρχικά θεωρούνταν άμαζα, αλλά από το 1979 και εντεύθεν διάφοροι θεωρητικοί προέβλεψαν ότι έχουν μικρές μάζες, τις προβλέψεις δε αυτές ήρθαν να τις επιβεβαιώσουν κατά την περασμένη δεκαετία αρκετά εντυπωσιακά πειράματα. Οι μάζες των νετρίνων είναι μικρότερες από το 1 εκατομμυριοστό της αμέσως μεγαλύτερης μάζας, της μάζας του ηλεκτρονίου. Λόγω της ηλεκτρικής ουδετερότητας των νετρίνων, η θεωρητική περιγραφή των μαζών τους παρουσιάζει περισσότερες περιπλοκές απ’ ό,τι η αντίστοιχη της για τα φορτισμένα σωματίδια.

Στη μάζα κάθε είδους νετρίνων συνεισφέρουν αρκετές διαδικασίες, και για τεχνικούς λόγους η συγκεκριμένη τιμή της μάζας προκύπτει από την επίλυση μιας εξίσωσης και όχι από την απλή άθροιση όρων. Έτσι, έχουμε πλέον κατανοήσει τους τρεις τρόπους με τους οποίους προκύπτει μάζα: H βασική μορφή μάζας που μας είναι οικεία —εκείνη των πρωτονίων και νετρονίων, κατά συνέπεια δε και των ατόμων— πηγάζει από την κίνηση των κουάρκ τα οποία υπάρχουν δέσμια εντός των πρωτονίων και των νετρονίων.

H μάζα των πρωτονίων θα είχε περίπου την τιμή που έχει ακόμη κι αν έλειπε το πεδίο Higgs. Για τις μάζες των ίδιων των κουάρκ, ωστόσο, καθώς και για τη μάζα του ηλεκτρονίου, ευθύνεται καθ’ ολοκληρίαν το πεδίο Higgs. Τέλος, όχι λιγότερο σημαντικό είναι ότι κατά το μεγαλύτερο τους μέρος οι μάζες των υπερεταίρων, κατά συνέπεια δε και η μάζα του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης (εφόσον πρόκειται όντως για τον ελαφρότερο υπερεταίρο), πηγάζει κυρίως από πρόσθετες αλληλεπιδράσεις πέραν της βασικής αλληλεπίδρασης Higgs.

Τώρα μπορεί κανείς πλέον να αντιληφθεί γιατί ιστορικά χρειάστηκε τόσο πολύς χρόνος για να αρχίσουμε να κατανοούμε τη μάζα. Δίχως το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και την ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας πεδίων για την περιγραφή των σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων τους, οι φυσικοί δεν μπορούσαν καν να διατυπώσουν τα σωστά ερωτήματα. Ενώ δεν κατανοούμε ακόμη πλήρως την προέλευση και τις τιμές των μαζών, το πλαίσιο που χρειάζεται για την κατανόηση τους ενδέχεται να έχει ήδη συγκροτηθεί. H μάζα δεν θα μπορούσε να κατανοηθεί προτού διατυπωθούν θεωρίες όπως το Καθιερωμένο Μοντέλο, η υπερσυμμετρική του επέκταση και η θεωρία χορδών. Τώρα, κατά πόσο οι εν λόγω θεωρίες προσφέρουν την ολοκληρωμένη απάντηση, τούτο μένει ακόμη να διευκρινιστεί εν πάση περιπτώσει, η μάζα αποτελεί πλέον σύνηθες αντικείμενο έρευνας στη σωματιδιακή φυσική.