HiggsDeci Peter Higgs nu a obţinut până la urmă premiul Nobel pentru fizică din acest an. Ar fi fost finalul de tip hollywoodian al unei poveşti care a început cu jumătate de secol în urmă cu câteva mâzgălituri în carnetul de note şi a ajuns la punctul culminant pe 4 iulie al acestui an.

 

 

 

 

Pe 4 iulie fizicienii înarmaţi cu un accelerator de particule în valoare de 6 miliarde de dolari au anunţat că au găsit particula care îi poartă numele sau ceva care seamănă cu ea, cel puţin.

Higgs nu a fost singurul care a fost un pic emoţionat. Acesta a fost punctul culminant, până la urmă. Bosonul Higgs completează marele edificiu care este “modelul standard” al materiei şi al interacţiunilor sale fundamentale. Misiune îndeplinită.

De-ar fi lucrurile atât de simple... Cum fizicienii din domeniul particulelor îşi dau întâlnire la Kyoto, Japonia, săptămâna viitoare (articolul original a fost publicat pe 12.11.2012. n.n.), pentru prima lor mare conferinţă după anunţul din iulie, ei încă se întreabă dacă acea particulă este cu adevărat piesa de rezistenţă a modelului standard. Şi între timp, gânduri şi mai subversive sunt în prim plan: dacă este cu adevărat, chiar avem nevoie de ea?

Mâzgăliturile lui Higgs aveau ca scop rezolvarea unei probleme destul de greu de înţeles. Înapoi la începutul anilor 1960, fizicienii erau preocupaţi de abilitatea lor de a descrie câmpurile şi forţele electromagnetice prin schimbul de fotoni lipsiţi de masă. Ei îşi doreau cu disperare o teorie cuantică similară pentru forţa nucleară slabă, dar s-au lovit destul de timpuriu de o problemă: calculele cereau ca particulele care transmit această forţă, care sunt cunoscute în prezent ca bosonii W și Z, să fie şi ele lipsite de masă. În realitate, ei cântăresc între 80 şi 90 gigaelectronivolţi (GeV), aproape de 100 de ori mai mult decât un proton.

 

Soluţia oferită de Higgs, cât şi de alţii, era un nou tip de câmp care umplea spaţiul, oferind vidului o energie pozitivă care la rândul ei putea impregna particulele cu cantităţi diferite de masă, corespunzând gradului de interacţiune a particulelor cu aceasta. Particula cuantică a acestui câmp era bosonul Higgs.

Pe măsură ce modelul standard a căpătat în mod gradual formă, a devenit clar cât era de important să se găsească această particulă. Modelul cerea ca la începutul Universului fierbinte, forţele electromagnetice şi nucleară slabă să fi fost una. Numai ca urmare a apariţiei câmpului Higgs la 1 miliardime de secundă după Big Bang s-a produs despărţirea perechii, printr-o tranziţie cataclismică cunoscută ca rupere spontană a simetriei. Bosonii W şi Z au crescut în dimensiuni şi s-au retras la nivel subatomic, fotonul, între timp, a pornit în cursă lipsit de masă şi forţa electromagnetică şi-a câştigat câmpul infinit din prezent. În acelaşi timp, particulele fundamentale care formează materia – lucruri cum ar fi electronii şi quarcurile, cunoscuţi în mod colectiv ca fermioni – au interacţionat cu câmpul Higgs şi şi-au dobândit şi ele propria masă. Un univers ordonat cu o ierarhie masică ordonată a apărut dintr-un haos lipsit de masă.

Este o poveste frumoasă, dar una pe care unii cercetători o găsesc un pic artificială. “Modelul standard minim al lui Higgs este asemănător unei poveşti cu zâne”, spune Guido Altarelli de la CERN, Geneva, Elveţia. “Este un model de jucărie realizat cu scopul de a face ca teoria să se potrivească cu datele, o cârjă care să permită modelului standard să meargă un pic mai departe până când ceva mai bun apare în prim plan.” Problema acestuia este că modelul standard este incomplet în chip manifest. El prezice rezultatul experimentelor care implică particulele normale cu o acurateţe de ordinul zecimalelor, dar este frustrant de mut în domeniul gravitaţiei, materiei întunecate şi a altor componente ale cosmosului de care noi ştim sau suspectăm că există. Ceea ce noi avem nevoie, spun Altarelli şi alţii, nu este nici pe departe un model standard Higgs, ci ceva diferit în mod subtil sau radical – o cheie către o teorie mai complexă.

Întrebări asupra identităţii

Totuşi, până în prezent bosonul Higgs pare frustrant de simplu şi clar. Particula născută în data de 4 iulie a fost descoperită prin cernerea "rămăşiţelor" a trilioane de coliziuni dintre protonii aflaţi în măreţii detectori ATLAS şi CMS din Large Hadron Collider de la CERN. Pentru început, el a fost reperat atunci când se descompunea în bosoni W şi Z, exact ceea ce te-ai fi aşteptat de la o particulă care le acorda acestora masă.

Chiar şi aşa, o identitate definitivă depinde de măsurătorile precise ale proprietăţilor cuantice ale particulei (pentru mai multe, vezi subcapitolul “Reflecţii asupra spinului”, de mai jos). “Sarcina pe care o avem acum este de 10 ori mai grea decât a fost cea a descoperirii”, spune Dave Newbold de la Universitatea Bristol, Marea Britanie, un membru al colaborării la proiectul CMS.

Pe lângă aceasta, o particulă Higgs standard trebuie să se descompună nu numai în bosoni responsabili cu transmiterea forţei, dar şi în fermioni creatori de materie. În această chestiune, lucrurile sunt un pic mai încurcate. Particula a fost de asemenea observată atunci când se descompunea în doi fotoni, lucru care constituie o dovadă indirectă a faptului că ea interacţionează şi cu cel mai greu sortiment de quarc, quarcul "top": potrivit teoriei, particula Higgs nu poate interacţiona direct cu fotonii pentru că nu prezintă sarcină electrică, aşa că mai întâi se divide într-o pereche de quarcuri "top" şi antiquarcuri care la rândul lor radiază fotoni. Dovezi preliminare suplimentare pentru interacţiunile fermionilor vin din Statele Unite, unde cercetătorii de la acceleratorul Tevatron, oprit la momentul de faţă, de la Fermilab din Batavia, Illinois, au observat un indiciu al acestei particule descompunându-se în quarcuri "bottom".

Dar în mod egal, detectorul CMS a măsurat şi o cantitate redusă de descompuneri în leptoni tau, un văr mai greu al electronului. Dacă aceasta s-ar întâmpla într-un mod mai substanţial, ar începe să intre în conflict cu predicţiile modelului standard: ATLAS este aşteptat să-şi prezinte primele măsurători ale descompunerilor tau săptămâna viitoare, la Kyoto. Atât ATLAS cât şi CMS au observat mai multe descompuneri în fotoni decât era de aşteptat, semnalizând probabil influenţa unor noi procese şi particule dincolo de modelul standard.

Este prea devreme să tragem o concluzie clară. Pentru că cunoaştem masa noii particule destul de bine – este aproape de 125 GeV, sau 223 miliardimi dintr-o miliardime dintr-un gram - putem să fixăm ratele la care ea ar trebui să se descompună în diverse particule cu o precizie de aproximativ 1 la sută, dacă este vorba de particula Higgs standard. Din cauza numărului limitat de descompuneri observate până în prezent, totuşi, incertitudinea măsurătorilor asupra ratelor de descompunere a noii particule este mai probabil în jurul a 20 sau chiar 30 la sută. Până la sfârşitul acestui an, ATLAS şi CMS vor avea la dispoziţie de 2 ori şi jumătate mai multe date decât aveau la momentul anunţului din iulie, dar nici acestea nu vor reduce îndeajuns de mult incertitudinea. Apoi Large Hadron Collider va fi oprit pentru aproximativ doi ani pentru a fi reamenajat, cu scopul de a permite coliziunea protonilor la energii mai mari. “Probabil că nu vom învăţa semnificativ mai multe despre noua particulă în viitorul imediat”, spune Newbold.

Ceea ce fizicienii ar dori ca să umple acest vid ar fi un accelerator de particule cu totul nou. Large Hadron Collider nu este nici pe departe ideal: el loveşte protonii unii de ceilalţi, iar protonii sunt constituiţi din quarcuri şi alte subproduse care fac ca măsurătorile să fie o treabă destul de încurcată. Cercetătorii fac lobby pentru un accelerator electron-pozitron mai curat, posibil în Japonia, pentru a putea închide dosarul Higgs, dar şi acesta este o perspectivă distantă.

Deci rămânem cu o particulă care se aseamănă cu particula Higgs standard, dar nu prea putem dovedi aceasta. Deci rămâne să ne duelăm cu un elefant în tunelul acceleratorului: dacă aceasta este particula Higgs standard, cum poate exista ea acolo?

Problema constă în predicţia teoriei cuantice, confirmată de experimentele desfăşurate în cadrul anteriorului mega-accelerator de la CERN, acceleratorul Large Electron Positron, că particulele absorb şi emit spontan particule “virtuale” prin împrumutul de energie din vid. Pentru că însuşi bosonul Higgs câştigă masă din orice atinge, aceste procese ar trebui să facă ca masa lui să crească din jurul valorii de 100 GeV la 10 la a 19-a GeV. În acest punct, supranumită şi scară Planck, forţele fundamentele devin haotice şi gravitaţia – ruda comparativă a tuturor celorlalte – devine la fel de puternică ca şi celelalte. Consecinţa este un univers cu un nivel ridicat de stres, plin de găuri negre şi spaţiu-timp deformat în mod bizar.

Căutarea conspiratorilor

O metodă prin care putem evita acest dezastru este să stabilim puterea fluctuaţiilor particulelor virtuale care cauzează problema astfel încât ele să se anuleze reciproc, forţându-le să aibă o configuraţie după modelul masei Higgs şi creând astfel un univers după asemănarea celui pe care îl vedem. Singura metodă prin care putem face asta, cu menţinerea unui simulacru de demnitate teoretică, spune Altarelli, este să invocăm o conspiraţie creată de noua simetrie adaptată a naturii. “Dar atunci când ai o conspiraţie trebuie să ai de asemenea şi nişte conspiratori.”

La acest moment, cei mai mulţi fizicieni văd aceşti conspiratori în persoana ipoteticilor superparteneri, sau “sparticule”, anticipate de teoria supersimetriei. Una dintre aceste sparticule ar trebui să fie partenerul fiecărei particule din modelul standard, fluctuaţia partenerilor ducând astfel la anularea în mod îngrijit a unuia prin celălalt. Aceste sparticule trebuie să fie foarte grele: Large Hadron Collider a intrat deja în grupul acceleratoarelor de particule anterioare care s-au ocupat cu dozarea unei particule sub o anumită masă, în prezent situată la de 10 ori cea a unei presupuse particule Higgs.

Aceasta a pus deja o presiune semnificativă asupra şi celor mai simple modele supersimetrice. Dar nu este totul pierdut, spune James Walls care face parte din grupul teoretic de la CERN. Dacă nu poţi găsi sparticule cu mase mici, te poţi juca cu teoria în anumite limite şi le poţi “telefona” să apară la nişte mase mai mari.” Ne-am aşteptat ca particula Higgs să fie găsită şi împreună cu ea să fie găsită şi o structură de susţinere, nu neapărat la aceeaşi scară energetică”, spune el.

Chiar şi aşa, limitele nu pot fi schimbate prea mult: dacă sparticulele devin prea grele, ele nu vor stabiliza masa Higgs într-o manieră “naturală” convingătoare. Sparticulele sunt de asemenea cercetate îndeaproape ca şi candidaţi în cursa pentru descoperirea materiei întunecate care este pe moment dată dispărută din Univers. Informaţii în plus vor fi prezentate la Kyoto, săptămâna viitoare şi există, de asemenea, speranţă pentru aflarea unor indicii indirecte în ceea ce priveşte supersimetria, rezultate din măsurarea anomaliilor din ratele de descompunere ale altor particule ale modelului standard. Dacă nimic nu se întâmplă acolo, toţi ochii sunt îndreptaţi spre ceea ce se va întâmpla atunci când Large Hadron Collider va fi pus din nou în funcţiune în 2015, atunci când va beneficia de o putere dublă de coliziune faţă de cea pe care o deţine în prezent. Un Large Hadron Collider modernizat ar trebui să fie capabil să invoce mai multe sparticule masive din nimic sau poate şi mai multe particule radicale cum ar fi cele asociate cu dimensiuni adiţionale ale spaţiului. Aceste particule constituie o noua încercare de a umple spaţiul dintre locul unde particula Higgs “ar trebui să fie” – la scară Planck – şi unde este cu adevărat.

Cel mai ciudat scenariu dintre toate, totuşi, este acela în care nu există nimic altceva decât deşert între energiile prevăzute de modelul standard şi cele ale scării Planck, unde teoriile câmpului cuantic şi gravitaţia lui Einstein nu mai funcţionează. Atunci cum vom putea explica vasta discrepanţă dintre masa actuală a particulei Higgs şi cea previzionată de teoria cuantică?

Clătinându-se pe marginea prăpastiei

O soluţie este doar s-o acceptăm aşa cum este: dacă lucrurile nu ar fi în felul în care sunt, masele tuturor particulelor şi puterea interacţiunilor dintre ele ar fi foarte diferite, materia aşa cum o cunoaştem nu ar exista şi noi nu am mai fi aici să ne punem astfel de întrebări. Un astfel de raţionament antropic, care foloseşte propria noastră existenţă pentru a exclude anumite proprietăţi ale universului care ar fi fost posibile, este de obicei pus în legătură cu conceptul de multivers – ideea că există nenumărate universuri în care toate celelalte fizici pot funcţiona. Pentru mulţi fizicieni, aceasta este doar o teorie pentru a justifica neputinţa. “Pare a fi doar o scuză pentru a renunţa la o explicaţie mai elaborată a lumii iar noi nu dorim să renunţăm”, spune Jon Butterworth de la Universitatea College Londra, care lucrează la experimentul ATLAS.

Dar şi o a doua trăsătură a noii particule ne dă de gândit. Nu numai că masa sa de 125 GeV este mult mai mică decât ar trebui să fie, este exact pe cât ar trebui să fie de mică încât să nu tragă universul într-o altă tranziţie catastrofică. Dacă ar fi fost mai mică cu numai câţiva GeV, puterea interacţiunile Higgs s-ar schimba în asemenea mod încât cea mai de jos stare energetică a vidului ar scădea sub zero. Universul atunci ar putea, într-un moment surprinzător, să “intre” în această stare bizară, schimbând instant întreaga configuraţie a particulelor şi a forţelor şi distrugând structuri cum ar fi atomii.

După cum putem vedea lucrurile, universul se clatină aparent pe muchia dintre stabilitate eternă şi distrugere totală. “Este o coincidenţă interesantă faptul că noi ne aflam exact pe graniţa dintre aceste două faze”, spune teoreticianul CERN Gian Giudice, care a început să calculeze implicaţiile unei particule Higgs de 125 GeV imediat după ce primele dovezi solide au apărut ca urmare a experimentelor din Large Hadron Collider din decembrie, anul trecut.

El nu ştie care este răspunsul. În orice caz, găsirea unei noi particule va schimba jocul încă o dată. “Există multe întrebări în istoria ştiinţei a căror răspunsuri s-au dovedit a fi mai degrabă dependente de mediu decât să fie fundamentale”, spune Giudice.” Cel mai mic indiciu al unei noi fizici şi calculele mele vor fi date uitării.” Deci acesta este motivul pentru care toţi ochii se vor îndrepta înspre Kyoto. Mâzgăliturile lui Higgs par a fi devenit realitate – dar pentru o intrigă mai satisfăcătoare a poveştii, trebuie să sperăm că şi alte mâzgălituri vor prezenta semne de viaţă similare cât de curând.

Reflecţii asupra spinului

Pentru ca o particulă să fie confirmată ca fiind un boson Higgs, ea trebuie să treacă unele teste destul de stricte. Primul dintre acestea este numărul mecanic cuantic de “spin”. Particulele materiale cum ar fi electronii – fermionii – au valoarea acestui număr egal cu ½. Bosonii care transmit forţele au o valoare a spinului întreagă: fotonii, de exemplu, au numărul mecanic cuantic de spin egal cu 1.

Pentru a face ca fizica pe care noi o cunoaştem să meargă, câmpul Higgs trebuie să arate la fel oriunde. Aceasta este posibil dacă particula Higgs nu are o valoare a numărului mecanic cuantic de spin. Rezultatele experimentale ale Large Hadron Collider de la CERN exclud ca particula anunţată în iulie să fie altceva decât o particulă cu numărul mecanic cuantic de spin egal cu 0 sau 2: ea se descompune într-o pereche de fotoni, ceea ce aritmetica numerelor de spin interzice pentru un fermion sau pentru un boson cu un număr de spin egal cu 1.

Chiara Mariotti de la colaborarea CMS din cadrul Large Hadron Collider crede că este “extrem de probabil” ca noua particulă să prezinte un număr de spin egal cu 0, bazat pe dovezile pe care deja le avem, dar sunt necesare şi alte măsurători mai fine pentru a fi siguri.

O particulă Higgs ar trebui de asemenea să prezinte paritate, însemnând că el se comportă în exact acelaşi mod atunci când este observat în oglindă. Descoperirea spinului şi a parităţii ar trebui să le permită fizicienilor să identifice orice defecte evidente ale caracteristicilor, cum ar fi ca noua particulă să fie doar o nouă aglomerare de particule de tipul celor pe care noi deja le cunoaştem. Acest lucru ar trebui să fie realizabil folosind datele care vor fi colectate de Large Hadron Collider până la sfârşitul acestui an – dar acesta este doar începutul procesului.

Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului particle-headache-why-the-higgs-could-spell-disaster, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Alexandru Hutupanu

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.