Πριν το Higgs…

Σήμερα είχα διάθεση να καθαρίσω κάποιες περιοχές του δαιδαλώδους μου σκληρού δίσκου, έχοντας κάνει προηγουμένως ένα περιοδικό backup των περιεχομένων του.Έτσι βρέθηκα μπροστά σε κείμενα κάπως απαρχαιωμένα ως προς το περιεχόμενο. Ήμουν έτοιμος να τα πετάξω απλά στον κάδο, όταν σκέφτηκα πως μου είχε πάρει αρκετό χρόνο να τα συγκεντρώσω, και μήπως μπορούν λοιπόν κάπου να χρησιμεύσουν.

Η αλήθεια είναι πως έχω ένα blog ! Αυτό το blog είναι κατά κάποιον τρόπο «ο κάδος απορριμμάτων» των σκέψεων μου, τις οποίες με ευχαρίστηση μοιράζομαι με οποιονδήποτε επιθυμεί να τις διαβάσει. Εδώ, το κείμενο που επέλεξα να διασώσω από τη λήθη δεν είναι ιδιαίτερα καλό, και επίσης είναι απαρχαιωμένο αφού αναφέρεται σε μία εποχή που έχει περάσει- την εποχή προ της ανακάλυψης του Higgs όταν και μπορούσαμε ακόμα να κάνουμε εικασίες για το εάν το Higgs ήταν στην πραγματικότητα ένα «fairy field», όπως θα έλεγε ένας φίλος. Ωστόσο, μας μεταφέρει όντως πίσω στην περίοδο πριν την ανακάλυψη και περιγράφει με απλό τρόπο την κατάσταση, κάτι το οποίο ίσως ωφελήσει κάποιους από εσάς.

♦♦♦

Παρά την συνεχιζόμενη αποτυχία να βρούμε κάποιο μποζόνιο Higgs, χωρίς το οποίο δεν μπορεί να κάνει η θεωρία, το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) είναι εξαιρετικά επιτυχημένο τα τελευταία τριάντα χρόνια. Είναι μάλλον κάπως ειρωνικό το γεγονός πως το Higgs, παρά το ότι είναι ο ακρογωνιαίος λίθος όλου αυτού του θεωρητικού οικοδομήματος, επηρεάζει τόσο λίγο την παρατηρούμενη φαινομενολογία των υποπυρηνικών διεργασιών. Εάν η επιρροή του ήταν μεγαλύτερη, οι φυσικοί ίσως θα είχαν τουλάχιστον μία έμμεση μαρτυρία της ύπαρξής του, αλλά η Φύση επέλεξε διαφορετικά. Ακόμα και χωρίς καμία γνώση της μάζας του Higgs -μία ποσότητα που το μοντέλο από μόνο του δεν μπορεί να προβλέψει- το ΚΠ μας εφοδιάζει με εργαλεία ώστε να είμαστε σε θέση να κάνουμε ιδιαίτερα ακριβείς προβλέψεις για τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά των ηλεκτρασθενών διεργασιών. Η διαθεσιμότητα δεδομένων από τους επιταχυντές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να εξεταστούν οι ιδιότητες των ασθενών μποζονίων (weak bosons) έχει επιτρέψει την επιβεβαίωση αυτών των προβλέψεων, και το αποτέλεσμα είναι πάντα έως τώρα μία σχεδόν τέλεια ταύτιση.

Το καλύτερο παράδειγμα αυτού του νέου κλάδου που άκμασε στα τέλη της δεκαετίας του 80, λεγόταν «τεστς ακριβείας της ηλεκτρασθενούς θεωρίας», και είναι η συλλογή των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν από τα 4 πειράματα στο σύγχροτρον LEP των εργαστηρίων του CERN στη Γενεύη, και από αυτό στο Stanford Linear Accelerator Center στη California. Φέροντας σε σύγκρουση δέσμες 45-GeV ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων στον πυρήνα των ανιχνευτών Aleph, Delphi, L3, και Opal του CERN, και του SLD στο SLAC, παρήχθησαν πολλά εκατομμύρια μποζόνια Ζ μέσω της κατ’ εικόνα τέλειας διαδικασίας παραγωγής συντονισμένης εξαΰλωσης ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου (electron-positron resonant annihilation). Τα παραγόμενα σωμάτια Z διασπώνται αμέσως σε ζεύγη φερμιονίου-αντιφερμιονίου σε διαφορετικές αναλογίες που εξαρτώνται από τις λεπτομέρειες της θεωρίας: το απλούστερο τεστ ακριβείας ήταν επομένως η απλή σύγκριση των παρατηρούμενων και των προβλεπόμενων αναλογιών στα διάφορα είδη γεγονότων.

Με εκατομμύρια διασπάσεις μποζονίων Ζ, τα πειράματα LEP και SLD μπορούσαν να εξετάσουν λεπτομερώς τις προβλέψεις του ΚΠ όχι μόνο ως προς τις σχετικές αναλογίες (relative rates) των διασπάσεων του Z σε διαφορετικές τελικές καταστάσεις (final states), αλλά επίσης και της γωνιακές κατανομές (angular distributions) των παραγόμενων σωματιδίων, τις ασυμμετρίες που προκύπτουν από τις εγγενείς ιδιότητες των σωματιδίων που συμμετέχουν στις αντιδράσεις, κτλ. Κυριολεκτικά, χιλιάδες χρονοβόρες έρευνες και αναλύσεις έχουν διατεθεί για αυτή τη προσπάθεια, έτσι ώστε το Particle Properties data book, η βίβλος για τους πειραματικούς φυσικών των στοιχειωδών σωματιδίων και μία επιτομή όλης της ανθρώπινης γνώσης περί των ιδιοτήτων των υποπυρηνικών σωματιδίων, περιέχει εκατό σελίδες από αποτελέσματα περιληπτικά, κανένα από τα οποία δεν επιδεικνύει σημαντική παρέκκλιση από τις προβλέψεις του μοντέλου. Καμία ανωμαλία εκεί: το μοντέλο είναι επιτυχημένο.

Χρησιμοποιώντας τον όγκο των δεδομένων που ελήφθησαν στα LEP και SLAC, συν τις επιπλέον πληροφορίες που προέρχονται από τα διάφορα άλλα πειράματα σωματιδιακής φυσικής ανά τον κόσμο, είναι αλήθεια πιθανόν να προσπαθήσεις να διακρίνεις την φευγαλέα επίδραση των σωματιδίων Higgs στις μελετώμενες αντιδράσεις. Όλα φαίνεται πως δείχνουν σταθερά προς την ύπαρξη αυτού του νέου ουδέτερου μποζονίου, του οποίου η μάζα δεν πρέπει να διαφέρει σημαντικά από αυτήν των W και Z. Μερικοί φυσικοί αμφιβάλουν πως ένα Higgs στα 100-200 GeV θα ανακαλυφθεί μέσα στα επόμενα ένα-δύο χρόνια από τα νέα πειράματα στον LHC του CERN. Διαφορετικά, η έκπληξη θα είναι ακόμα μεγαλύτερη.

Και στους φυσικούς θα άρεσε πάρα πολύ να ξαφνιαστούν. Οτιδήποτε το καινούριο και απροσδόκητο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν εργαλείο με το οποίο να ανοίξουμε δρόμο προς νέα ανεξερεύνητα εδάφη. Ως προς το ΚΠ, βέβαια, υπάρχει και επιπλέον μπόνους από οτιδήποτε δεν περιέχεται εκεί: οι φυσικοί γνωρίζουν πως ανεξάρτητα από την ομορφιά του και την συνέπεια του στις προβλέψεις, το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν είναι ολοκληρωμένο, και έως ένα βαθμό δεν είναι ικανοποιητικό. Σίγουρα, δεν μπορεί να είναι η τελευταία λέξη όσο αναφορά τη θεωρία της ύλης και των αλληλεπιδράσεων. Το μοντέλο δεν περιλαμβάνει την βαρύτητα, δεν παρέχει ένα άμεσο μέσο για την ενοποίηση των τεσσάρων δυνάμεων μαζί, και παρουσιάζει τουλάχιστον μία ή δύο ενοχλητικά τεχνικά προβλήματα. Αλλά αυτά τα προβλήματα είναι περίπλοκα και είναι μάλλον εκτός θέματος για εδώ.

Αντ’ αυτού, ακόμη και χωρίς να κοιτάξει κανείς τα μεγάλα προβλήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, στα οποία και δεν δίνεται καμία εξήγηση εντός αυτού του πλαισίου, για έναν πειραματικό φυσικό ή για έναν θεατή το πιο ενοχλητικό ζήτημα, που κάνει το ΚΠ μη ικανοποιητικό, έχει μάλλον λιγότερο σύνθετη φύση. Αυτό είναι η παρατήρηση πως η θεωρία περιέχει πάνω από 20 παραμέτρους των οποίων η τιμή γίνεται γνωστή μόνο μέσω πειραμάτων: δεν υπάρχει κάποιος τρόπος να τις υπολογίσουμε από τις βασικές αρχές της. Η παρουσία 20τόσων αριθμών που έχουν μια ανεξήγητη τιμή είναι ένα γεγονός ενοχλητικό για μία θεωρία τόσο όμορφη και επιτυχημένη.


Ανάμεσα στις ανεξήγητες παραμέτρους του ΚΠ που κανείς θα επιθυμούσε πολύ να εξηγήσει είναι οι μάζες των φερμιονίων. Θα ήταν τόσο ωραίο εάν μπορούσαμε να μάθουμε γιατί το μυόνιο είναι διακόσιες φορές πιο βαρύ από το ηλεκτρόνιο! Δεν γνωρίζουμε γιατί συμβαίνει αυτό. Αυτά μας κάνουν να αναρωτιόμαστε τι κρύβεται από το οπτικό μας πεδίο. Στην ερώτηση του Rabi «Ποιος παρήγγειλε το μιόνιο;» θα πρέπει να προσθέσουμε «και γιατί στην ευχή είναι τόσο βαρύ;». Παρόμοιες ερωτήσεις βεβαίως περιβάλλουν κάθε φερμιόνιο. Σημειώστε πως το μποζόνιο Higgs, με την σύζευξή του στα φερμιόνια η οποία είναι ανάλογη της μάζας του φερμιονίου, δεν «εξηγεί» με κανέναν τρόπο τις διαφορές που έχουν αυτές οι μάζες. Η εξήγηση πρέπει να είναι βαθύτερη, εάν υπάρχει, αλλά δεν την έχουμε βρει έως τώρα.

Έτσι οδηγούμαστε να πιστέψουμε πως το Καθιερωμένο Πρότυπο χρειάζεται να αντικατασταθεί από μία βαθύτερη και πιο θεμελιώδη θεωρία. Και μπορούμε μόνο να ελπίζουμε πως αυτή η θεωρία θα δίνει απαντήσεις σε όλες μας τις ερωτήσεις, παρά να απαντά σε μερικές και να προσθέτει καινούργιες και δυσκολότερα επιλύσιμες.

Αρχικό άρθρο: http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/higgs_text_trash_bin-122097 9 Οκτωβρίου 2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Γενικά, Θεωρία and tagged . Bookmark the permalink.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s