Για αρκετά χρόνια, μια θεωρία στοιχειωδών σωματιδίων που λέγεται υπερσυμμετρία, πρόσφερε μια σχεδόν αναγκαστική λύση στο πρόβλημα της ιεραρχίας της σωματιδιακής φυσικής. Τώρα υπάρχει μια εναλλακτική θεωρία που προβλέπει την ύπαρξη ελαφρών σωματιδίων Higgs. Το καθιερωμένο πρότυπο στη σωματιδιακή φυσική είναι φοβερά επιτυχημένο γιατί μπορεί να προβλέψει με ακρίβεια τα αποτελέσματα των πειραμάτων από την ατομική κλίμακα (περίπου 10-10 m) έως και την μικρότερη απόσταση που μπορούμε να διερευνήσουμε στο εργαστήριο (περίπου 10-18m). Όμως οι θεωρητικοί φυσικοί των σωματιδίων δεν είναι καθόλου ικανοποιημένοι με το μοντέλο και στύβουν τα μυαλά τους για να βρουν μια θεωρία που να πηγαίνει πέρα από αυτό. Γιατί επιδιώκουν κάτι τέτοιο; και τι είναι αυτό που πάει λάθος με το καθιερωμένο πρότυπο;
Κατ’ αρχήν ας ανακεφαλαιώσουμε το καθιερωμένο πρότυπο; Αυτό θυμίζει κατά κάποιο τρόπο τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, καθώς τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια της ύλης – τα 6 κουάρκ και τα 6 λεπτόνια (δηλαδή το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο, το ταυ και τα αντίστοιχα νετρίνα τους) – μπορούν να τοποθετηθούν σ’ ένα πίνακα σύμφωνα με τους κβαντικούς αριθμούς των, όπως είναι το ηλεκτρικό φορτίο, το "χρώμα", η "γεύση" και το σπιν.
Παρόλα αυτά το καθιερωμένο πρότυπο πηγαίνει πολύ πιο πέρα από τον περιοδικό πίνακα, γιατί μπορεί να περιγράψει ακριβώς πως τα κουάρκ και τα λεπτόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω ανταλλαγής "σωματιδίων βαθμίδας" που είναι και οι φορείς των διαφόρων αλληλεπιδράσεων. Έτσι τα γκλουόνια μεταφέρουν την ισχυρή δύναμη, τα W και Z μποζόνια την ασθενή δύναμη, και τα φωτόνια την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ένα χαρακτηριστικό του μοντέλου είναι ότι τα σωματίδια ύλης -τα κουάρκ και τα λεπτόνια- όλα τους έχουν σπιν h/4π. Αυτό σημαίνει ότι όλα τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης είναι φερμιόνια, ενώ τα σωματίδια φορείς των αλληλεπιδράσεων είναι μποζόνια.
Αφότου ανακαλύφθηκε το κουάρκ-κορυφή το 1995, τρεις πλήρεις "οικογένειες" από κουάρκ και λεπτόνια καθώς και όλα τα διάφορα μποζόνια βαθμίδας, έχουν παρατηρηθεί στα πειράματα. Επιπλέον οι αλληλεπιδράσεις τους έχουν μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια και κάθε τι είναι σε τέλεια συμφωνία με τη θεωρία.
Η απόκτηση μάζας από τα σωματίδια
Το τελικό χαρακτηριστικό του καθιερωμένου προτύπου, είναι ο μηχανισμός Higgs και μας περιγράφει πως τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους. Ο μηχανισμός αυτός που ονομάστηκε έτσι από τον Peter Higgs του πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα από τους Francois Englert και Robert Brout, και από τους Gerald Guralnik, Dick Hagen και Tom Kibble.
Ο Higgs και οι άλλοι στηριγμένοι σε προηγούμενες εργασίες των Julian Schwinger και Phil Anderson, – έδειξαν πως θα μπορούσε να σπάσει η ηλεκτρασθενής συμμετρία και τα σωματίδια με τον τρόπο αυτό να αποκτήσουν μάζα.
Το φωτόνιο πάλι είναι άμαζο γιατί η συμμετρία της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης δεν σπάει στη φύση. (Σημειώστε ότι οι περισσότερες από τις μάζες των σωματιδίων που δεν είναι θεμελιώδη, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, προέρχονται από την ενέργεια σύνδεσης της ισχυρής δύναμης που κρατάει τα κουάρκ συνδεδεμένα, και όχι από τις μάζες των ίδιων των κουάρκ.)
Σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο, το κενό μέσα στο οποίο συμβαίνουν όλες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων, δεν είναι πραγματικά κενό, αλλά αντίθετα είναι γεμάτο με ένα συμπύκνωμα σωματιδίων Higgs. Τα κουάρκ, τα λεπτόνια, τα W και Z μποζόνια, συνεχώς συγκρούονται με αυτά τα σωμάτια Higgs καθώς ταξιδεύουν μέσα στο κενό. Το συμπύκνωμα Higgs δρα σαν τις μολάσσες (παχύρρευστα υγρά) και επιβραδύνει κάθε τι που αλληλεπιδρά με αυτό. Όσο ισχυρότερη είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματίων και του συμπυκνώματος Higgs, τόσο μεγαλύτερη μάζα αποκτά το σωμάτιο (γίνεται βαρύτερο).
Ο μηχανισμός Higgs είναι ένα ουσιαστικό μέρος του καθιερωμένου προτύπου. Χωρίς αυτόν, τα κουάρκ και τα λεπτόνια, καθώς και τα W και Z μποζόνια, θα ήταν άμαζα και ο κόσμος δεν θα είχε τη μορφή που γνωρίζουμε.
Όμως η φυσική που υπάρχει πίσω από τον μηχανισμό Higgs είναι από τα λιγότερο ελεγμένα σημεία του καθιερωμένου προτύπου. Αν και έχουμε αρκετές περιστασιακές ενδείξεις για το σωματίδιο Higgs, που προέρχονται από το γεγονός ότι τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν μάζες συμβατές με το μηχανισμό Ηiggs, και από κάποιες έμμεσες μετρήσεις στο CERN και στο Stanford, τα σωματίδια Higgs ουδέποτε παράχθηκαν ή παρατηρήθηκαν απευθείας σε πειράματα στον επιταχυντή.
Παρόλα αυτά δεν είναι αυτός ο λόγος που οι θεωρητικοί δεν είναι ικανοποιημένοι με το καθιερωμένο πρότυπο. Πράγματι οι πιο πολλοί θεωρητικοί είναι πεπεισμένοι ότι το σωματίδιο Ηiggs θα ανακαλυφθεί μέσα στη δεκαετία που διανύουμε, είτε στον επιταχυντή Tevatron στο Fermilab, είτε στον μεγάλο συγκρουστή αδρονίων (LHC) στο CERN.
Η πρόβλεψη που μας λέει ότι το Higgs είναι αρκετά ελαφρύ για να παραχθεί σε συγκρούσεις σωματιδίων στο LHC ή στο Tevatron, μπορεί να γίνει κατανοητή ως εξής: Όπως τα κουάρκ και τα λεπτόνια, έτσι και το σωματίδιο Higgs αποκτά επίσης τη μάζα του από τη σύζευξη με το συμπύκνωμα Higgs. Επιπλέον, μετρήσεις της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης μας δείχνουν ότι η ισχύς της σύζευξης του σωματιδίου Higgs με το συμπύκνωμα Higgs δεν είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τη σύζευξη του κουάρκ-κορυφή. Συνεπώς το σωματίδιο Higgs δεν μπορεί να είναι σημαντικά βαρύτερο από το κουάρκ-κορυφή, το οποίο έχει μάζα περίπου 174.3 ± 5.1 GeV. Πιο συγκεκριμένα, περιμένουμε να έχει μάζα άνω των 114GeV – καθώς οι μάζες κάτω από το όριο αυτό έχουν αποκλειστεί από πειράματα στο CERN – και κάτω από μερικές εκατοντάδες GeV. Για σύγκριση αναφέρουμε ότι το πρωτόνιο έχει μάζα της τάξης του 1 GeV.
Το πρόβλημα της ιεραρχίας
Ποιο είναι λοιπόν το πρόβλημα; Το ζήτημα αφορά την εσωτερική συνέπεια της θεωρίας – ο τομέας γύρω από το θέμα του Higgs περιέχει μια αστάθεια που προέρχεται από κβαντομηχανικές αλληλεπιδράσεις.
Επιπρόσθετα από την αλληλεπίδραση του σωματιδίου Higgs με το συμπύκνωμα, αυτό μπορεί να αποκτήσει μάζα και ως αποτέλεσμα αλληλεπιδράσεων με "εικονικά" σωματίδια.
Είναι γνωστό ότι η αρχή της αβεβαιότητας στην κβαντομηχανική, επιτρέπει σε "δυνάμει" ή αλλιώς "εικονικά" σωματίδια να δημιουργούνται από το κενό και να εξαφανίζονται πολύ σύντομα. Αν και είναι λοιπόν εξαιρετικά βραχύβια, αυτά τα εικονικά σωματίδια μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στις ιδιότητες των πραγματικών σωματιδίων.
Ατυχώς για το καθιερωμένο πρότυπο, αυτές οι συνεισφορές αυτών των αλληλεπιδράσεων, μεγαλώνουν γρήγορα με την ενέργεια των εικονικών σωματιδίων, και εφόσον η κβαντομηχανική επιτρέπει την ύπαρξη εικονικών σωματιδίων με οσοδήποτε μεγάλες ενέργειες, φαίνεται πως τέτοιες κβαντικές διορθώσεις κάνουν τη μάζα του σωματιδίου Higgs, αυθαίρετα μεγάλη.
Αυτό προφανώς έρχεται σε αντίθεση με την απαίτηση να είναι το σωματίδιο Higgs ελαφρύτερο από μερικές εκατοντάδες GeV. Αυτό το πρόβλημα αναφέρεται συχνά ως "πρόβλημα της ιεραρχίας". Το πρόβλημα αυτό αφορά μόνο το σωματίδιο Higgs γιατί έχει μηδενικό σπιν. Δεν αποτελεί πρόβλημα για σωματίδια με μη μηδενικό σπιν, όπως είναι τα μποζόνια βαθμίδας.
Πώς μπορεί να λυθεί αυτό το πρόβλημα;
Το πρόβλημα της ιεραρχίας μας λέει ότι πρέπει να τροποποιηθεί το καθιερωμένο πρότυπο προς μια νέα θεωρία που να κυριαρχεί σε ενέργειες πάνω από τα 1000 GeV ή το 1 TeV. Εκ πρώτης όψεος αυτό θα μπορούσε να φανεί σαν άσχημα νέα. Δεν πρόκειται όμως για άσχημα νέα, γιατί το καθιερωμένο πρότυπο έχει ελεγχθεί πειραματικά σε ενέργειες κάτω του 1 TeV, ούτως ώστε δεν έχουμε πραγματικούς λόγους να πιστεύουμε ότι μας εξασφαλίζει μια καλή περιγραφή των σωματιδίων με υψηλότερες μάζες και ενέργειες.
Κάθε νέα θεωρία πρέπει να περιέχει νέα σωματίδια, πέραν αυτών του καθιερωμένου προτύπου, και επίσης νέες αλληλεπιδράσεις, οι οποίες κατά κάποιον τρόπο συνωμοτούν και ακυρώνουν τις μεγάλες κβαντικές συνεισφορές που επέρχονται στη μάζα του σωματιδίου Higgs από τις αλληλεπιδράσεις με τα εικονικά σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου.
Το συμπέρασμα αυτό από μόνο του είναι πολύ σημαντικό και ενδιαφέρον. Το πρόβλημα της ιεραρχίας προβλέπει ότι υπάρχει νέα φυσική πέραν του καθιερωμένου προτύπου, που πιθανόν μπορεί να γίνει αντιληπτή με τον νέο επιταχυντή LHC. Έτσι, όχι μόνον αναμένουμε να δούμε το σωματίδιο Higgs να παράγεται στον LHC, αλλά αναμένεται και να ανακαλύψουμε τα νέα σωματίδια που χρειαζόμαστε για να λύσουμε το πρόβλημα της ιεραρχίας.
Ποια θα είναι αυτά τα νέα σωματίδια;
Κανείς δεν γνωρίζει και γι αυτό χρειάζονται τα νέα πειράματα. Όμως παρουσιάζει ενδιαφέρον να κάνουμε μερικές εικασίες.
Χρησιμοποιώντας ως οδηγό το πρόβλημα της ιεραρχίας, μπορούμε να προσπαθήσουμε να συνάγουμε κάποιες ιδιότητες αυτών των νέων σωματιδίων. Σε ενέργειες πάνω από το 1 TeV, οι υπολογισμοί των κβαντικών διορθώσεων στη μάζα του Higgs, θα περιλαμβάνουν συνεισφορές και από τις αλληλεπιδράσεις με τα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου καθώς και από τα σωματίδια της νέας θεωρίας.
Γνωρίζουμε ότι η συνεισφορά από τα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου αυξάνεται με την ενέργεια, και σύντομα γίνεται τεράστια. Επειδή δεν ξέρουμε ποια είναι τα καινούργια σωματίδια, δεν μπορούμε να υπολογίσουμε τις συνεισφορές τους. Όμως ξέρουμε ότι για να λύσουμε το πρόβλημα της ιεραρχίας, τα σωματίδια αυτά πρέπει να εξουδετερώνουν ακριβώς, τις διορθώσεις της μάζας από τα σωματίδια του καθιερωμένου μοντέλου.
Για αρκετό χρονικό διάστημα, το μόνο γνωστό παράδειγμα θεωρίας μέσα στα πλαίσια της οποίας θα μπορούσε να συμβεί αυτή η εξουδετέρωση ήταν η υπερσυμμετρία.
Η υπερσυμμετρία αντιστοιχίζει σε κάθε γνωστό σωματίδιο του καθιερωμένου προτύπου, έναν "υπερ-συνεταίρο" που να ανήκει στην αντίθετη ομάδα στατιστικής ως προς το σπιν. Ο υπέρ-συνέταιρος ενός φερμιονίου είναι ένα μποζόνιο και αντίστροφα.
Όταν κάνουμε κβαντικές διορθώσεις στη μάζα του Higgs στα πλαίσια της υπερσυμμετρίας, ανακαλύπτουμε ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα: Κάθε σωματίδιο του καθιερωμένου προτύπου και ο υπέρ-συνέταιρός του, δίνουν ίσες τεράστιες συνεισφορές αλλά αντιθέτου προσήμου, και έτσι η μία εξουδετερώνει την άλλη ακριβώς!
Ατυχώς, στα πειράματα δεν έχουν παρατηρηθεί τέτοιοι υπέρ-συνέταιροι, πράγμα που σημαίνει ότι, αν πράγματι υπάρχουν αυτοί οι υπέρ-συνέταιροι, πρέπει να είναι βαρύτεροι από τα όρια των σημερινών πειραμάτων μας, τα οποία είναι της τάξης των 10
Δεδομένης αυτής της απουσίας πειραματικών ενδείξεων για την υπερσυμμετρία, μερικοί θεωρητικοί των σωματιδίων έχουν επιστρέψει στην αναζήτηση εναλλακτικών λύσεων.
Το 2003 σε ένα μεγάλο θεωρητικό βήμα που έγινε από τον Nima Arkani-Hamed του πανεπιστημίου της California στο Berkeley, τον Andrew Cohen του πανεπιστημίου Boston και τον Howard Georgi του πανεπιστημίου Harvard, ανακαλύφθηκε μια νέα κλάση θεωριών που περιέχουν την επιθυμητή εξουδετέρωση των κβαντικών διορθώσεων.
Η εισαγωγή του μικρού σωματιδίου Higgs
Παρόμοια με την υπερσυμμετρία, αυτές οι θεωρίες του μικρού Higgs, -αποκαλούνται έτσι γιατί γεννούν ένα σωματίδιο Higgs με σχετικά μικρή μάζα – προβλέπουν επίσης νέα σωματίδια με μάζες στην περιοχή του 1 TeV. Οι θεωρίες όμως του μικρού Higgs βασίζονται σε διαφορετική αρχή συμμετρίας και προβλέπουν νέα σωματίδια με κβαντικούς αριθμούς διαφορετικούς από αυτούς των σωματιδίων της υπερσυμμετρίας.
Αντίθετα με ότι συμβαίνει στην υπερσυμμετρία, στις θεωρίες του μικρού Higgs, η εξουδετέρωση των κβαντικών διορθώσεων συμβαίνει μεταξύ πεδίων του ιδίου σπιν: φερμιόνια εξουδετερώνουν φερμιόνια, και μποζόνια εξουδετερώνουν μποζόνια. Συνεπώς, τα νέα σωματίδια στη θεωρία περιλαμβάνουν φερμιόνια ως συνεταίρους για τα κουάρκ και τα λεπτόνια, και επίσης μποζονικούς συνεταίρους για τα μποζόνια βαθμίδας.
Κανείς μπορεί να απορήσει γιατί ήταν τόσο δύσκολο να κατασκευαστούν τέτοια μοντέλα. Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός ότι δεν είναι αρκετό να δημιουργήσουμε απλά συνεταίρους για κάθε σωματίδιο του καθιερωμένου μοντέλου, μόνο και μόνο για να πετύχουμε την εξουδετέρωση των συνεισφορών τους. Χρειάζεται επιπλέον να υπάρχει κάποιος λόγος για να είναι του ιδίου μεγέθους οι διορθώσεις των σωματιδίων του καθιερωμένου προτύπου και των υπερ-συνεργατών τους, και να έχουν και αντίθετα πρόσημα. Με άλλα λόγια χρειάζεται να υπάρχει κάποια συμμετρία.
Στις θεωρίες του μικρού Higgs αυτή η συμμετρία, η αντίστοιχη της συμμετρίας μεταξύ φερμιονίων και μποζονίων που υπάρχει στις υπερσυμμετρικές θεωρίες, είναι μια συμμετρία πραγματοποιούμενη μη γραμμικά. Η σημασία τέτοιων μη γραμμικών συμμετριών για την εξουδετέρωση των συνεισφορών στη μάζα, ανακαλύφθηκε το 1961 από τον Jeffrey Goldstone του ΜΙΤ.
Οι Arkani-Hamed, όμως Cohen και Georgi είναι οι πρώτοι θεωρητικοί που μπόρεσαν επιτυχώς να ενσωματώσουν τις συμμετρίες αυτές σε μια επέκταση του καθιερωμένου προτύπου και να λύσουν έτσι το πρόβλημα της ιεραρχίας. Στη θεωρία αυτή, μια μη γραμμική συμμετρία ενοποιεί τα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου με νέα βαριά σωματίδια. Αυτή η ενοποίηση συσχετίζει τη σύζευξη των εικονικών σωματιδίων με το Higgs, κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μας διαβεβαιώνει ότι οι κβαντικές διορθώσεις αλληλοαναιρούνται.
Τα μοντέλα με το μικρό Higgs ανακαλύφθηκαν μόλις πρόσφατα και η αναζήτηση του πιο απλού και πιο κομψού μοντέλου μικρού Higgs συνεχίζεται. Επιπρόσθετα, οι θεωρητικοί των σωματιδίων αρχίζουν να ερευνούν τα πρώτα πειραματικά σημάδια.
Ενώ οι ακριβείς μάζες και οι άλλες ιδιότητες των νέων σωματιδίων στις θεωρίες του μικρού Higgs εξαρτώνται από το συγκεκριμένο πρότυπο, μπορούν να γίνουν μερικές γενικές προβλέψεις. Πρώτον, οι θεωρίες αυτές προβλέπουν ένα ή περισσότερα σωματίδια Higgs με μάζες περίπου ίσες ή λίγο πιο κάτω από μερικές εκατοντάδες GeV. Δεύτερον, προβλέπουν τουλάχιστον ένα νέο βαρύ φερμιόνιο με μάζα λιγότερη από 2 TeV -αυτό το σωματίδιο χρειάζεται για να εξουδετερώσει την πολύ μεγάλη κβαντική διόρθωση στη μάζα του Higgs που προέρχεται από το κουάρκ-κορυφή. Τρίτον, προβλέπουν επίσης νέα μποζόνια βαθμίδας στην κλίμακα μαζών των TeV, που εξαλείφουν τις διορθώσεις μάζας του Higgs από τις ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις.
Είναι αδύνατον να πούμε στηριζόμενοι μόνο στη θεωρία, ποιο μοντέλο – η μικρή Higgs, η υπερσυμμετρία, ή κάποια άλλη εντελώς διαφορετική θεωρία – θα αποδειχθεί επιτυχής μακροχρόνια. Το πείραμα θ’ αποφασίσει. Ευτυχώς, τέτοιου είδους πειράματα πρόκειται να γίνουν.
Με κάποια δόση τύχης, ενδείξεις αυτών των νέων σωματιδίων ίσως αποκαλυφθούν σύντομα στο LHC που αναμένεται τα πειράματα – αν όλα πάνε καλά – να ξεκινήσουν σε λίγες μέρες. Μια έναρξη που την περιμένουν ανυπόμονα τόσο οι θεωρητικοί, όσο και οι πειραματικοί φυσικοί.
