Εναλλακτικές θεωρίες με ελαφρά σωμάτια HiggsΑπό την ιστοσελίδα PhysicsWeb Φεβρουάριος 2004 |
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; 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.) 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. 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. 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. 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. 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.
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. 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 Την περασμένη χρονιά, 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 επιθημητή εξουδετέρωση των κβαντικών διορθώσεων. Βλέπε (www.arXiv.org/abs/hep-ph/0105239). Αρκετοί θεωρητικοί εργάζονται τώρα πάνω στη νέα αυτή προσέγγιση. 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. 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. 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. Με κάποια δόση τύχης, ενδείξεις αυτών των νέων σωματιδίων ίσως αποκαλυφθούν σύντομα στο Fermilab, αλλά το πιο πιθανό είναι ότι θα χρειαστεί να περιμένουμε μέχρι τη λειτουργία του LHC για να δούμε τα ίδια τα σωματίδια. Η αποπεράτωση του LHC προγραμματίζεται για το 2007 - μια ημερομηνία που την περιμένουν ανυπόμονα τόσο οι θεωρητικοί, όσο και οι πειραματικοί. |