Το «ξύπνημα» της δύναμης Higgs

To μποζόνιο Higgs αλληλεπιδρά με τα σωματίδια που συνιστούν την γνωστή μας ύλης, τα ηλεκτρόνια,  τα πρωτόνια και νετρόνια. Τα εικονικά του κβάντα ανταλλάσσονται συνεχώς με αυτά τα σωματίδια. Με άλλα λόγια εμφανίζεται μια δύναμη – η δύναμη Higgs.

elementary_particle_interactionsTα μποζόνια Higgs μεταφέρουν την δύναμη Higgs με τον ίδιο τρόπο που τα βαρυτόνια, τα γλοιόνια, τα φωτόνια, τα μποζόνια W και Ζ μεταφέρουν αντίστοιχα την βαρυτική, την ισχυρή, την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη. Ακριβώς όπως η βαρύτητα, η δύναμη Higgs είναι πάντα ελκτική και το μέτρο της είναι ανάλογο, σε πρώτη προσέγγιση με τη μάζα του σωματιδίου.

Η δύναμη Higgs δεν ανιχνεύθηκε ποτέ μέχρι σήμερα και τούτο διότι πρόκειται για μια εξαιρετικά ασθενή δύναμη. Δεδομένου ότι ο φορέας της έχει μάζα, όπως συμβαίνει και με την ασθενή πυρηνική δύναμη, η ακτίνα δράσης της είναι πολύ μικρή – η ένταση μειώνεται εκθετικά και δράση της φτάνει έως 10-18 m, περίπου το 0,1% της διαμέτρου του πρωτονίου.

Επιπλέον, για την συνηθισμένη ύλη η ασθενής δύναμη είναι πιο σημαντική εξαιτίας της ελάχιστης σύζευξης του Higgs με ελαφρά κουάρκ και ηλεκτρόνια. Έτσι π.χ. για το πρωτόνιο η δύναμη Higgs είναι χιλιάδες φορές ασθενέστερη από την ασθενή πυρηνική δύναμη, και για το ηλεκτρόνιο εκατοντάδες χιλιάδες φορές ασθενέστερη. Τέλος, δεν υπάρχουν γνωστά σωματίδια που αλληλεπιδρούν μόνο μέσω της δύναμης Higgs και της βαρύτητας (σε κάποια μοντέλα σκοτεινής ύλης υπάρχουν σωματίδια με αυτή την ιδιότητα), οπότε στην πράξη η δύναμη Higgs είναι πάντα μια ελάχιστη διόρθωση στις γνωστές μας δυνάμεις που διαμορφώνουν την δομή των ατόμων και των πυρήνων.

Παρόλα αυτά σε μια πρόσφατη εργασία [«Probing the Atomic Higgs Force» , Delaunay et al] υποστηρίζεται ότι η κατάσταση δεν είναι και τόσο απελπιστική, και ότι η τρέχουσα πειραματική ευαισθησία είναι ικανή να αρχίσει το ψάξιμο της δύναμης Higgs.  Οι συγγραφείς προτείνουν να γίνει αυτό διαμέσου της ατομικής φασματοσκοπίας. Οι μετρήσεις συχνότητας των ατομικών μεταβάσεων έχουν φτάσει στην εκπληκτική ακρίβεια της τάξης του 10-18.

Η δύναμη Higgs δημιουργεί ένα δυναμικό τύπου Yukawa μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων που οδηγεί σε μια μετατόπιση των ενεργειακών σταθμών του ατόμου. Η μετατόπιση είναι ελάχιστη, και κυρίως είναι πάντα μικρότερη σε σχέση με την ανάλογη μετατόπιση που οφείλεται στην ασθενή δύναμη.

Αυτό είναι ένα σοβαρό πρόβλημα, γιατί οι υπολογισμοί των κυρίαρχων συνεισφορών μπορεί να μην είναι αρκετά ακριβείς για να εξαχθεί η δευτερεύουσα συνεισφορά Higgs.

Ευτυχώς όμως υπάρχουν οι τρόποι να μειωθούν οι αβεβαιότητες. Ένας τρόπος είναι να μετρηθεί η μετατόπιση των συχνοτήτων μετάβασης για διάφορα ζεύγη ισοτόπων. Η θεωρία λέει ότι οι βασικές ατομικές αλληλεπιδράσεις πρέπει να οδηγούν σε μια παγκόσμια γραμμική σχέση (την επονομαζόμενη σχέση του Κing) μεταξύ των ισοτοπικών μετατοπίσεων για διαφορετικές μεταβάσεις. Η δύναμη Higgs και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις θα οδηγήσουν σε παραβίαση της σχέσης του Κing. Παίρνοντας υπόψιν τις αβεβαιότητες που υπεισέρχονται στους υπολογισμούς των ενεργειακών ατομικών σταθμών, θα είναι πολύ δύσκολο να επιτύχει κανείς ανίχνευση της δύναμης Higgs. Μπορεί όμως να θέσει βελτιωμένους περιορισμούς και όρια στις συζεύξεις Higgs με ελαφρά φερμιόνια, σε σχέση με τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).

Σύμφωνα με τους Delaunay et al, θα μπορούσε η ένταση των αλληλεπιδράσεων Higgs-φερμιονίων να είναι πολύ ισχυρότερη από τις υπάρχουσες θεωρητικές προβλέψεις, γεγονός που θα έκανε δυνατή την ανίχνευση της δύναμης Higgs μέσω ατομικής φασματοσκοπίας.  Ή αντιθέτως οι μάζες των ελαφρών φερμιονίων να μην οφείλονται στον μηχανισμό Higgs, με αποτέλεσμα πολύ μικρότερη ένταση αλληλεπιδράσεων Higgs-φερμιονίων και αδυναμία ανίχνευσης της δύναμης Higgs.

Είτε ισχύει το πρώτο είτε το δεύτερο, το σίγουρο είναι πως οδηγούμαστε σε νέα φυσική διαμέσου μιας πρωτότυπης μεθόδου εντοπισμού της δύναμης Higgs, η οποία δεν έχει ανάγκη τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων.

… διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του Jester με τίτλο: «Higgs force awakens«

Πηγή

Advertisements