Το αίνιγμα που στοιχειώνει τη σύγχρονη φυσική
Γιατί το μποζόνιο Higgs έχει μάζα μόλις 125 GeV, όταν απλοί θεωρητικοί υπολογισμοί μπορούν να οδηγήσουν σε μια ασύλληπτα μεγαλύτερη κλίμακα;
Αυτό είναι ένα από τα βαθύτερα αινίγματα της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής και βρίσκεται στην καρδιά της λεγόμενης αρχής της φυσικότητας – naturalness.
Σε απόσπασμα βιβλίου του φυσικού Antonio Padilla, η μάζα του Higgs χρησιμοποιείται ως το χαρακτηριστικότερο παράδειγμα ενός προβλήματος που εδώ και δεκαετίες κάνει τους θεωρητικούς φυσικούς να αναρωτιούνται αν πίσω από το Καθιερωμένο Πρότυπο κρύβεται μια εντελώς νέα φυσική.
Το εντυπωσιακό είναι ότι, περισσότερο από μία δεκαετία μετά την ανακάλυψη του Higgs, αυτή η νέα φυσική εξακολουθεί να μην έχει εμφανιστεί.
Το Higgs είναι υπερβολικά ελαφρύ – και αυτό είναι το πρόβλημα
Το μποζόνιο Higgs ανακαλύφθηκε το 2012 στον Large Hadron Collider (LHC) και η μάζα του μετρήθηκε κοντά στα 125 GeV.
Το πρόβλημα είναι ότι η μάζα ενός στοιχειώδους βαθμωτού σωματιδίου όπως το Higgs είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε κβαντικές διορθώσεις.
Εάν θεωρήσουμε ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο παραμένει έγκυρο μέχρι εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, κοντά στην κλίμακα Planck, τότε οι διορθώσεις αυτές μπορούν να συνδέονται με κλίμακες της τάξης των 10¹⁹ GeV.
Η απόσταση ανάμεσα στα 125 GeV και την κλίμακα Planck είναι κολοσσιαία.
Μιλάμε για μια διαφορά περίπου 17 τάξεων μεγέθους.
Και ακριβώς εδώ αρχίζει το αίνιγμα.
Γιατί η φύση επέλεξε έναν τόσο παράξενα μικρό αριθμό;
Η ιδέα της φυσικότητας υποστηρίζει, σε πολύ γενικές γραμμές, ότι εξαιρετικά μικροί αριθμοί σε μια φυσική θεωρία δεν θα πρέπει να εμφανίζονται χωρίς κάποια βαθύτερη αιτία.
Όταν μια παράμετρος είναι μηδενική ή εντυπωσιακά μικρή, οι φυσικοί συνήθως περιμένουν να υπάρχει ένας μηχανισμός ή μια συμμετρία που να εξηγεί γιατί παραμένει έτσι.
Για παράδειγμα, η μηδενική μάζα του φωτονίου συνδέεται με τη συμμετρία βαθμίδας του ηλεκτρομαγνητισμού.
Αντίστοιχα, η μικρή μάζα του ηλεκτρονίου μπορεί να συνδεθεί με την κατά προσέγγιση chiral symmetry.
Στην περίπτωση του Higgs, όμως, δεν είναι γνωστή κάποια αντίστοιχη συμμετρία μέσα στο Καθιερωμένο Πρότυπο που να «προστατεύει» φυσικά τη μάζα του.
Το εφιαλτικό fine-tuning των 17 δεκαδικών ψηφίων
Εδώ εμφανίζεται το περίφημο hierarchy problem.
Για να παραμείνει το Higgs στην παρατηρούμενη μάζα των 125 GeV, ενώ οι κβαντικές διορθώσεις θα μπορούσαν να είναι τεράστιες, διαφορετικοί όροι της θεωρίας πρέπει να αλληλοαναιρούνται με εκπληκτική ακρίβεια.
Σε μια απλοποιημένη περιγραφή, μοιάζει σαν κάποιος να ρυθμίζει δύο τεράστιους αριθμούς έτσι ώστε η διαφορά τους να αφήνει πίσω έναν ασύλληπτα μικρότερο αριθμό.
Το λεγόμενο fine-tuning μπορεί να απαιτεί ακρίβεια πολλών δεκαδικών ψηφίων.
Για τους υποστηρικτές της φυσικότητας, αυτό αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι κάτι λείπει από τη θεωρία.
Η φυσικότητα είχε «προβλέψει» νέα σωματίδια στο παρελθόν
Υπάρχει μάλιστα ένας ιστορικός λόγος για τον οποίο οι φυσικοί πήραν τόσο σοβαρά αυτή την ιδέα.
Το 1974, οι Mary Gaillard και Benjamin Lee μελέτησαν φαινόμενα που σχετίζονταν με τα καόνια και έδειξαν ότι η παρουσία ενός νέου κουάρκ σε συγκεκριμένη περιοχή μαζών ήταν απαραίτητη για να παραμένει η θεωρία υπό έλεγχο.
Λίγο αργότερα ήρθε η περίφημη November Revolution της σωματιδιακής φυσικής.
Το charm quark αποκαλύφθηκε μέσα από την ανακάλυψη του σωματιδίου J/ψ στα SLAC και Brookhaven.
Για πολλούς θεωρητικούς, αυτό έγινε ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του ότι η απαίτηση μιας «φυσικής» θεωρίας μπορούσε πράγματι να οδηγήσει σε νέα φυσική.
Όλοι περίμεναν ότι κάτι αντίστοιχο θα συνέβαινε με το Higgs
Μετά την ανακάλυψη του Higgs, πολλοί φυσικοί περίμεναν ότι ο LHC θα εντόπιζε και τα σωματίδια ή τους μηχανισμούς που θα εξηγούσαν γιατί η μάζα του παραμένει τόσο χαμηλή.
Οι θεωρητικές υποψήφιες λύσεις ήταν πολλές.
Η supersymmetry προέβλεπε νέα σωματίδια που θα μπορούσαν να ακυρώνουν επικίνδυνες κβαντικές διορθώσεις.
Τα μοντέλα composite Higgs πρότειναν ότι το Higgs ίσως δεν είναι πραγματικά στοιχειώδες.
Άλλες θεωρίες εισήγαγαν extra dimensions ή διαφορετικούς μηχανισμούς πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Το μεγάλο πρόβλημα;
Μέχρι σήμερα, καμία από αυτές τις κλασικές λύσεις δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά.
Ο LHC έψαξε – αλλά η «σωτήρια» νέα φυσική δεν εμφανίστηκε
Αυτό είναι που κάνει το σημερινό πρόβλημα τόσο ενδιαφέρον.
Ο Large Hadron Collider έχει πραγματοποιήσει τεράστιο αριθμό συγκρούσεων σε πρωτοφανείς ενέργειες.
Το Higgs βρέθηκε.
Όμως τα νέα σωματίδια που πολλοί θεωρητικοί περίμεναν στην περιοχή των TeV δεν εμφανίστηκαν με τον τρόπο που ανέμεναν τα απλούστερα μοντέλα φυσικότητας.
Και αυτό έχει οδηγήσει σε μια βαθιά συζήτηση μέσα στη θεωρητική φυσική.
Ίσως η νέα φυσική βρίσκεται σε πολύ μεγαλύτερες ενέργειες.
Ίσως υπάρχει ένας μηχανισμός που δεν έχουμε ακόμη φανταστεί.
Ή ίσως η ίδια η απαίτηση της φυσικότητας δεν αποτελεί τόσο αξιόπιστο οδηγό όσο πιστεύαμε.
Ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της φυσικής παραμένει ανοιχτό
Ο Antonio Padilla δεν παρουσιάζει κάποια νέα πειραματική ανακάλυψη.
Χρησιμοποιεί το πρόβλημα του Higgs για να παρουσιάσει ένα από τα μεγαλύτερα εννοιολογικά αδιέξοδα της σύγχρονης φυσικής.
Για δεκαετίες, η φυσικότητα λειτουργούσε σαν πυξίδα: όταν ένας αριθμός ήταν υπερβολικά μικρός, οι φυσικοί αναζητούσαν έναν βαθύτερο μηχανισμό που θα τον εξηγούσε.
Στην περίπτωση του Higgs, όμως, η πυξίδα δείχνει προς άγνωστη κατεύθυνση.
Το σωματίδιο είναι εκεί. Η μάζα του είναι 125 GeV. Αλλά ο μηχανισμός που θα εξηγούσε γιατί είναι τόσο ελαφρύ εξακολουθεί να λείπει.
Και ίσως αυτό να είναι το πραγματικά εντυπωσιακό μήνυμα: μπορεί να ανακαλύψαμε το Higgs, αλλά δεν έχουμε ακόμη καταλάβει γιατί το Σύμπαν του επέτρεψε να είναι τόσο «αφύσικα» ελαφρύ.
www.bankingnews.gr
Αυτό είναι ένα από τα βαθύτερα αινίγματα της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής και βρίσκεται στην καρδιά της λεγόμενης αρχής της φυσικότητας – naturalness.
Σε απόσπασμα βιβλίου του φυσικού Antonio Padilla, η μάζα του Higgs χρησιμοποιείται ως το χαρακτηριστικότερο παράδειγμα ενός προβλήματος που εδώ και δεκαετίες κάνει τους θεωρητικούς φυσικούς να αναρωτιούνται αν πίσω από το Καθιερωμένο Πρότυπο κρύβεται μια εντελώς νέα φυσική.
Το εντυπωσιακό είναι ότι, περισσότερο από μία δεκαετία μετά την ανακάλυψη του Higgs, αυτή η νέα φυσική εξακολουθεί να μην έχει εμφανιστεί.
Το Higgs είναι υπερβολικά ελαφρύ – και αυτό είναι το πρόβλημα
Το μποζόνιο Higgs ανακαλύφθηκε το 2012 στον Large Hadron Collider (LHC) και η μάζα του μετρήθηκε κοντά στα 125 GeV.
Το πρόβλημα είναι ότι η μάζα ενός στοιχειώδους βαθμωτού σωματιδίου όπως το Higgs είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε κβαντικές διορθώσεις.
Εάν θεωρήσουμε ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο παραμένει έγκυρο μέχρι εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, κοντά στην κλίμακα Planck, τότε οι διορθώσεις αυτές μπορούν να συνδέονται με κλίμακες της τάξης των 10¹⁹ GeV.
Η απόσταση ανάμεσα στα 125 GeV και την κλίμακα Planck είναι κολοσσιαία.
Μιλάμε για μια διαφορά περίπου 17 τάξεων μεγέθους.
Και ακριβώς εδώ αρχίζει το αίνιγμα.
Γιατί η φύση επέλεξε έναν τόσο παράξενα μικρό αριθμό;
Η ιδέα της φυσικότητας υποστηρίζει, σε πολύ γενικές γραμμές, ότι εξαιρετικά μικροί αριθμοί σε μια φυσική θεωρία δεν θα πρέπει να εμφανίζονται χωρίς κάποια βαθύτερη αιτία.
Όταν μια παράμετρος είναι μηδενική ή εντυπωσιακά μικρή, οι φυσικοί συνήθως περιμένουν να υπάρχει ένας μηχανισμός ή μια συμμετρία που να εξηγεί γιατί παραμένει έτσι.
Για παράδειγμα, η μηδενική μάζα του φωτονίου συνδέεται με τη συμμετρία βαθμίδας του ηλεκτρομαγνητισμού.
Αντίστοιχα, η μικρή μάζα του ηλεκτρονίου μπορεί να συνδεθεί με την κατά προσέγγιση chiral symmetry.
Στην περίπτωση του Higgs, όμως, δεν είναι γνωστή κάποια αντίστοιχη συμμετρία μέσα στο Καθιερωμένο Πρότυπο που να «προστατεύει» φυσικά τη μάζα του.
Το εφιαλτικό fine-tuning των 17 δεκαδικών ψηφίων
Εδώ εμφανίζεται το περίφημο hierarchy problem.
Για να παραμείνει το Higgs στην παρατηρούμενη μάζα των 125 GeV, ενώ οι κβαντικές διορθώσεις θα μπορούσαν να είναι τεράστιες, διαφορετικοί όροι της θεωρίας πρέπει να αλληλοαναιρούνται με εκπληκτική ακρίβεια.
Σε μια απλοποιημένη περιγραφή, μοιάζει σαν κάποιος να ρυθμίζει δύο τεράστιους αριθμούς έτσι ώστε η διαφορά τους να αφήνει πίσω έναν ασύλληπτα μικρότερο αριθμό.
Το λεγόμενο fine-tuning μπορεί να απαιτεί ακρίβεια πολλών δεκαδικών ψηφίων.
Για τους υποστηρικτές της φυσικότητας, αυτό αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι κάτι λείπει από τη θεωρία.
Η φυσικότητα είχε «προβλέψει» νέα σωματίδια στο παρελθόν
Υπάρχει μάλιστα ένας ιστορικός λόγος για τον οποίο οι φυσικοί πήραν τόσο σοβαρά αυτή την ιδέα.
Το 1974, οι Mary Gaillard και Benjamin Lee μελέτησαν φαινόμενα που σχετίζονταν με τα καόνια και έδειξαν ότι η παρουσία ενός νέου κουάρκ σε συγκεκριμένη περιοχή μαζών ήταν απαραίτητη για να παραμένει η θεωρία υπό έλεγχο.
Λίγο αργότερα ήρθε η περίφημη November Revolution της σωματιδιακής φυσικής.
Το charm quark αποκαλύφθηκε μέσα από την ανακάλυψη του σωματιδίου J/ψ στα SLAC και Brookhaven.
Για πολλούς θεωρητικούς, αυτό έγινε ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του ότι η απαίτηση μιας «φυσικής» θεωρίας μπορούσε πράγματι να οδηγήσει σε νέα φυσική.
Όλοι περίμεναν ότι κάτι αντίστοιχο θα συνέβαινε με το Higgs
Μετά την ανακάλυψη του Higgs, πολλοί φυσικοί περίμεναν ότι ο LHC θα εντόπιζε και τα σωματίδια ή τους μηχανισμούς που θα εξηγούσαν γιατί η μάζα του παραμένει τόσο χαμηλή.
Οι θεωρητικές υποψήφιες λύσεις ήταν πολλές.
Η supersymmetry προέβλεπε νέα σωματίδια που θα μπορούσαν να ακυρώνουν επικίνδυνες κβαντικές διορθώσεις.
Τα μοντέλα composite Higgs πρότειναν ότι το Higgs ίσως δεν είναι πραγματικά στοιχειώδες.
Άλλες θεωρίες εισήγαγαν extra dimensions ή διαφορετικούς μηχανισμούς πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Το μεγάλο πρόβλημα;
Μέχρι σήμερα, καμία από αυτές τις κλασικές λύσεις δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά.
Ο LHC έψαξε – αλλά η «σωτήρια» νέα φυσική δεν εμφανίστηκε
Αυτό είναι που κάνει το σημερινό πρόβλημα τόσο ενδιαφέρον.
Ο Large Hadron Collider έχει πραγματοποιήσει τεράστιο αριθμό συγκρούσεων σε πρωτοφανείς ενέργειες.
Το Higgs βρέθηκε.
Όμως τα νέα σωματίδια που πολλοί θεωρητικοί περίμεναν στην περιοχή των TeV δεν εμφανίστηκαν με τον τρόπο που ανέμεναν τα απλούστερα μοντέλα φυσικότητας.
Και αυτό έχει οδηγήσει σε μια βαθιά συζήτηση μέσα στη θεωρητική φυσική.
Ίσως η νέα φυσική βρίσκεται σε πολύ μεγαλύτερες ενέργειες.
Ίσως υπάρχει ένας μηχανισμός που δεν έχουμε ακόμη φανταστεί.
Ή ίσως η ίδια η απαίτηση της φυσικότητας δεν αποτελεί τόσο αξιόπιστο οδηγό όσο πιστεύαμε.
Ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της φυσικής παραμένει ανοιχτό
Ο Antonio Padilla δεν παρουσιάζει κάποια νέα πειραματική ανακάλυψη.
Χρησιμοποιεί το πρόβλημα του Higgs για να παρουσιάσει ένα από τα μεγαλύτερα εννοιολογικά αδιέξοδα της σύγχρονης φυσικής.
Για δεκαετίες, η φυσικότητα λειτουργούσε σαν πυξίδα: όταν ένας αριθμός ήταν υπερβολικά μικρός, οι φυσικοί αναζητούσαν έναν βαθύτερο μηχανισμό που θα τον εξηγούσε.
Στην περίπτωση του Higgs, όμως, η πυξίδα δείχνει προς άγνωστη κατεύθυνση.
Το σωματίδιο είναι εκεί. Η μάζα του είναι 125 GeV. Αλλά ο μηχανισμός που θα εξηγούσε γιατί είναι τόσο ελαφρύ εξακολουθεί να λείπει.
Και ίσως αυτό να είναι το πραγματικά εντυπωσιακό μήνυμα: μπορεί να ανακαλύψαμε το Higgs, αλλά δεν έχουμε ακόμη καταλάβει γιατί το Σύμπαν του επέτρεψε να είναι τόσο «αφύσικα» ελαφρύ.
www.bankingnews.gr
Σχόλια αναγνωστών