Μια επανάσταση στα σκαριά στη χώρα των υποατομικών σωματιδίων

Μια επανάσταση στα σκαριά στη χώρα των υποατομικών σωματιδίων

Η αναβάθμιση των τεράστιων ανιχνευτών σωματιδίων του επιταχυντή Τέβατρον, τον έχει κάνει ικανό να χρησιμοποιηθεί στην αναζήτηση του μποζονίου Χιγκς και της υπερσυμμετρίας

Ενας νέος κόσμος πρόκειται σύντομα να χτιστεί από τους φυσικούς πάνω και πέρα από την υποδομή που δημιούργησε το Τυπικό Μοντέλο των υποατομικών σωματιδίων. Η φύση φαίνεται ότι δε θα πάψει να μας εκπλήσσει, καθώς «ξεφλουδίζουμε» στρώμα - στρώμα το «κρεμμύδι» της γνώσης του κόσμου. Μια από τις πιο μεγάλες σε σημασία, έκταση και βάθος θεωρίες της φυσικής, που βρίσκεται σήμερα στο απόγειό της, φαίνεται ώριμη να δώσει τη θέση της σε μια νέα θεωρία, που θα εμπεριέχει την παλιά, ανοίγοντας νέους ορίζοντες κατανόησης της φυσικής πραγματικότητας.

Σήμερα, αιώνες μετά από την έναρξη της έρευνας για τα στοιχειώδη σωματίδια που συνθέτουν όλη την πολυπλοκότητα και την ομορφιά του καθημερινού κόσμου, έχουμε μια εκπληκτικά απλή απάντηση: Χρειάζονται μόνο 6 σωματίδια (το ηλεκτρόνιο, το πάνω και το κάτω κουάρκ, το γλουόνιο, το φωτόνιο και το μποζόνιο Χιγκς). Εντεκα ακόμη σωματίδια είναι αρκετά για να περιγράψουν όλα τα εσωτερικά φαινόμενα που μελετά η Σωματιδιακή Φυσική. Δεν πρόκειται για εικασίες, αλλά για τα συμπεράσματα που έχουν ενσωματωθεί στην πιο εκλεπτυσμένη μαθηματική θεωρία της φύσης στην ιστορία της ανθρωπότητας, το Τυπικό Μοντέλο (ΤΜ) της Σωματιδιακής Φυσικής. Οτιδήποτε συμβαίνει στον κόσμο μας (με τη μεγάλη εξαίρεση των φαινομένων βαρύτητας) είναι αποτέλεσμα κάποιας αλληλεπίδρασης των σωματιδίων του ΤΜ, με βάση τους κανόνες και τις εξισώσεις της θεωρίας. Απ' όλα τα σωματίδια του ΤΜ μόνο το σωματίδιο Χιγκς δεν έχει παρατηρηθεί ακόμα απευθείας. Για την πειραματική του ανίχνευση θα χρησιμοποιηθούν επιταχυντές όπως ο Τέβατρον, αλλά και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων που κατασκευάζει το CERN.

Το ΤΜ διατυπώθηκε τη δεκαετία του 1970 και επιβεβαιώθηκε με πειράματα στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Οι τρεις δεκαετίες πειραμάτων ακριβείας που ακολούθησαν δοκίμασαν και επιβεβαίωσαν διεξοδικά όλες τις πλευρές της θεωρίας. Οι επιστήμονες που μέχρι το ΤΜ είχαν συνηθίσει να συναντούν νέα απρόσμενα σωματίδια, που απαιτούσαν την επέκταση της κάθε φορά κυρίαρχης θεωρίας από μια νέα, πριν καλά καλά πέσει η σκόνη από την κιμωλία στο μαυροπίνακα, βρέθηκαν τώρα «κολλημένοι» με την ίδια θεωρία για 30 ολόκληρα χρόνια. Οχι όμως για πολύ ακόμα.

Μια από τις πιο διαδεδομένες θεωρίες που ίσως διαδεχτεί το ΤΜ είναι το Ελάχιστο Υπερσυμμετρικό Τυπικό Μοντέλο. Σ' αυτό το μοντέλο, κάθε γνωστό σωματίδιο έχει ένα αντίστοιχο υπερσωματίδιο, που συσχετίζεται μ' αυτό με υπερσυμμετρία. Τα σωματίδια ανήκουν σε δυο μεγάλες κατηγορίες: Τα μποζόνια (τα σωματίδια μέσω των οποίων εκδηλώνονται οι δυνάμεις) και τα φερμιόνια (τα κουάρκς και τα λεπτόνια). Το υπερσωματίδιο ενός μποζονίου είναι πάντα ένα φερμιόνιο και αντίστροφα. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων θα οδηγήσει στην πειραματική ανακάλυψη της υπερσυμμετρίας των σωματιδίων.

Το Ελάχιστο Υπερσυμμετρικό Τυπικό Μοντέλο ή οποιαδήποτε άλλη θεωρία αντικαταστήσει το ΤΜ, απλώς θα το επεκτείνει, έτσι που να μπορεί να περιγράψει τα νέα σωματίδια και τις νέες δυνάμεις που θα έχουν στο μεταξύ ανακαλυφθεί. Δε θα το ανατρέψει. Οπως η θεωρία της Σχετικότητας συμπεριέλαβε τη Νευτώνεια θεωρία σαν ειδική περίπτωση στις χαμηλές ταχύτητες, ή όπως οι κλασικές εξισώσεις του Μάξουελ έγιναν ένα υποσύνολο των νέων κβαντικών εξισώσεων του Μάξουελ. Ετσι κι αλλιώς, όλη η σημερινή ηλεκτρονική τεχνολογία στηρίζεται στις κλασικές εξισώσεις του Μάξουελ.

Το ΤΜ πρόβλεψε την ύπαρξη των μποζονίων W και Z, του γλουονίου και των δύο από τα βαρύτερα κουάρκς. Ολα αυτά τα σωματίδια ανακαλύφθηκαν στη συνέχεια και διαπιστώθηκε ότι είχαν ακριβώς τις ιδιότητες που είχε προβλέψει το ΤΜ.

Αν το ΤΜ λειτουργεί τόσο καλά, γιατί πρέπει άραγε να επεκταθεί; Κατ' αρχήν είναι το θέμα της ενοποίησης των τεσσάρων δυνάμεων της φύσης. Το ΤΜ δεν μπορεί να δώσει μια κοινή ρίζα, μια εξήγηση για την ύπαρξη, τη φύση και το μέγεθος των δυνάμεων αυτών. Αντίθετα, το Ελάχιστο Υπερσυμμετρικό Τυπικό Μοντέλο φαίνεται να μπορεί. Αλλά υπάρχουν και αρκετά φαινόμενα που το ΤΜ δεν μπορεί να εξηγήσει, μερικά, μάλιστα, ούτε καν να τα στεγάσει υπό τη σκέπη του:

1. Ολες οι κοσμολογικές θεωρίες σήμερα υποθέτουν την ύπαρξη τεράστιας συγκέντρωσης ενέργειας στο σύμπαν, ακόμη και στις πιο «κενές» περιοχές του. Οι βαρυτικές επιδράσεις αυτής της λεγόμενης ενέργειας κενού είτε θα είχαν συρρικνώσει το ορατό σύμπαν εδώ και πολύ καιρό, είτε θα το είχαν διογκώσει σε πολύ μεγαλύτερο μέγεθος. Το Τυπικό Μοντέλο δεν μπορεί να μας βοηθήσει να δώσουμε απάντηση σ' αυτό το αίνιγμα, που ονομάζεται πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς.

2. Η διαστολή του ορατού σύμπαντος πιστευόταν ότι θα επιβραδύνεται εξαιτίας της αμοιβαίας βαρυτικής έλξης της ύλης. Τώρα ξέρουμε ότι η διαστολή επιταχύνεται και ότι αυτό που προκαλεί την επιτάχυνση (πολλοί το ονομάζουν «σκοτεινή ενέργεια») δεν μπορεί να περιγραφεί από τη φυσική του ΤΜ.

3. Υπάρχουν πολλά δεδομένα που δείχνουν ότι στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου της «Μεγάλης Εκρηξης» που οδήγησε στη σημερινή μορφή του ορατού σύμπαντος, το σύμπαν πέρασε από μια περίοδο εξαιρετικά απότομης διαστολής. Τα πεδία που ευθύνονται γι' αυτή δεν μπορούν να περιγραφούν από το ΤΜ.

4. Αν το σημερινό ορατό σύμπαν ξεκίνησε σαν μια μεγάλη έκρηξη ενέργειας, θα πρέπει να είχε εξελιχθεί σε ίσα μέρη ύλης και αντιύλης. Ομως τα αστέρια και τα νεφελώματα αποτελούνται εξ ολοκλήρου από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια και όχι από τα αντισωματίδιά τους. Αυτή η ασυμμετρία δεν μπορεί να εξηγηθεί από το ΤΜ.

5. Περίπου το ένα τέταρτο του ορατού σύμπαντος, σύμφωνα με υπολογισμούς, αποτελείται από αόρατη κρύα σκοτεινή ύλη που δεν μπορεί να είναι σωματίδια του ΤΜ.

6. Στο ΤΜ οι αλληλεπιδράσεις με το πεδίο Χιγκς (που σχετίζεται με το μποζόνιο Χιγκς) κάνουν τα σωματίδια να έχουν μάζα αδράνειας. Το ΤΜ δεν μπορεί να εξηγήσει τις συγκεκριμένες μορφές που μπορούν να πάρουν οι αλληλεπιδράσεις Χιγκς.

7. Οι κβαντικές διορθώσεις φαίνεται να δίνουν τεράστια μάζα στο μποζόνιο Χιγκς, πράγμα που σημαίνει ότι τεράστια μάζα θα έπρεπε να έχουν και τα υπόλοιπα υποατομικά σωματίδια. Αυτό το αποτέλεσμα δεν μπορεί να αποφευχθεί στο ΤΜ και δημιουργεί σοβαρό εννοιολογικό πρόβλημα.

8. Το ΤΜ δεν μπορεί να συμπεριλάβει τη βαρύτητα, γιατί αυτή δεν έχει την ίδια δομή με τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις (πεδία) της φύσης.

9. Οι μάζες των κουάρκς και των λεπτονίων (όπως το ηλεκτρόνιο και τα νετρίνα) δεν μπορούν να εξηγηθούν από το ΤΜ.

10. Το ΤΜ περιλαμβάνει τρεις «γενιές» σωματιδίων. Ο καθημερινός κόσμος αποτελείται αποκλειστικά από σωματίδια της πρώτης γενιάς και αυτή η γενιά φαίνεται να σχηματίζει μια συνεπή θεωρία από μόνη της. Το ΤΜ περιγράφει και τις τρεις γενιές, αλλά δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί δεν υπάρχει μόνο μία απ' αυτές.

Δεν είναι παράξενο που υπάρχουν ερωτήματα που δεν μπορεί να απαντήσει το ΤΜ. Κάθε πετυχημένη επιστημονική θεωρία έχει αυξήσει τον αριθμό των απαντημένων ερωτημάτων, αλλά έχει αφήσει και κάποια αναπάντητα. Αν και η βαθύτερη κατανόηση που επιτρέπει η νέα θεωρία οδηγεί σε νέα ερωτήματα, που δεν μπορούσαν καν να διατυπωθούν νωρίτερα, ωστόσο ο αριθμός των θεμελιωδών ερωτημάτων που απαντώνται πάντοτε αυξάνεται.

Μερικά από αυτά τα 10 μυστήρια δείχνουν και έναν άλλο λόγο, που η Σωματιδιακή Φυσική μπαίνει σε μια νέα εποχή. Εχει γίνει σαφές ότι πολλά από τα βαθύτερα προβλήματα της κοσμολογίας έχουν τη λύση τους στη Σωματιδιακή Φυσική, έτσι οι δύο κλάδοι έχουν συγκλίνει στη «σωματιδιακή κοσμολογία». Μόνο από την κοσμολογία θα μπορούσαμε να μάθουμε ότι το ορατό σύμπαν πρέπει να αποτελείται κατά το ένα τέταρτο από κρύα σκοτεινή ύλη και μόνο η Σωματιδιακή Φυσική μπορεί να ανακαλύψει τι είναι πραγματικά αυτή η ύλη. Η κατανόηση των μέγιστης και ελάχιστης κλίμακας φαινομένων πρέπει να γίνει από κοινού.