ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. Το πείραμα στο CERN και ο σκοπός του. Το «πολυπόθητο» μποζόνιο Higgs. Μηχανισμοί ανίχνευσης του μποζονίου Higgs. και τι περιμένουμε;

Transcript

1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Το πείραμα στο CERN και ο σκοπός του Το «πολυπόθητο» μποζόνιο Higgs Μηχανισμοί ανίχνευσης του μποζονίου Higgs και τι περιμένουμε;

3

4 Στη μήκους 27 χιλιομέτρων και διαμέτρου 3,8 μέτρων σήραγγα, που βρίσκεται σε βάθος έως και 175 μέτρων μέσα στο έδαφος, θα επιταχυνθούν στοιχειώδη σωματίδια σε ταχύτητα πολύ κοντά σε εκείνη του φωτός και θα συγκρουστούν μεταξύ τους με ορμές που μέχρι στιγμής ήταν αδύνατο να επιτευχθούν. Στόχος του πειράματος είναι να δημιουργηθούν καταστάσεις που θα προσομοιώνουν τα κλάσματα δευτερολέπτου μετά το "Bing Bang", οι οποίες ίσως μας αποκαλύψουν τα μυστικά της Φύσης για το πώς δημιουργήθηκε ο κόσμος μας και τα υλικά που τον αποτελούν. Τα τελευταία είκοσι χρόνια, οι επιστήμονες του κλάδου έχουν φτάσει σε ένα πάρα πολύ καλό επίπεδο ερμηνείας του μικρόκοσμου μέσω του λεγόμενου Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model), που εξηγεί με εκπληκτική επιτυχία όλα τα αποτελέσματα των έως και σήμερα σχετικών πειραμάτων.

5 Παρ όλα αυτά, στον πίνακα των στοιχειωδών σωματιδίων που προτείνει το Καθιερωμένο Πρότυπο και που έχουν ήδη ανακαλυφθεί, υπάρχει ένα κενό: αυτό που αντιστοιχεί στο επονομαζόμενο σωματίδιο higgs (από τον Άγγλο φυσικό Peter Higgs που το εισήγαγε θεωρητικά). Η ανακάλυψη αυτού του σωματιδίου είναι ο κύριος στόχος των πειραμάτων που διαδραματίζονται στο CERN. Βέβαια, πέρα από το «ξεκαθάρισμα της υπόθεσης higgs», οι φυσικοί περιμένουν πολλά περισσότερα από τους νέους ορίζοντες έρευνας που ανοίγει ο LHC. Πολλές νέες θεωρίες/αναβαθμίσεις του Καθιερωμένου Προτύπου (που απαντούν σε όρους όπως υπερσυμμετρία, θεωρία χορδών ή εισάγουν περισσότερες από τρεις χωρικές διαστάσεις) περιμένουν την επιβεβαίωση ή την απόρριψή τους

6 Το κατασκευαστικό κόστος χωρίς τους αισθητήρες, ανέρχεται σε περίπου 3 δισεκατομμύρια ευρώ, γι' αυτό άλλωστε το LHC εγκαταστάθηκε στην ίδια σήραγγα με τον προκάτοχό του LEP [Large Electron - Positron Collider]. Σε αντίθεση, όμως, με τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια του LEP, στον LHC, όπως προδίδει και το όνομά του, θα επιταχυνθούν αδρόνια. Τα τελευταία είναι τα σωματίδια από τα οποία αποτελείται ο πυρήνας ενός ατόμου: πρωτόνια και νετρόνια. Συγκεκριμένα, στο LCH θα χρησιμοποιηθούν πυρήνες υδρογόνου, που αποτελούνται από ένα μόνο πρωτόνιο, και πυρήνες από άτομα μολύβδου. Ένα πρωτόνιο είναι κατά φορές βαρύτερο από τα μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενα ηλεκτρόνια.

7 Όσο πιο βαρύ είναι ένα σωματίδιο που θα μπει στον Επιταχυντή, τόσο πιο μεγάλη θα είναι η ενέργεια της σύγκρουσης. Και επειδή η ενέργεια, σύμφωνα με τον τύπο του Αϊνστάιν E=mc2, μπορεί να μετατραπεί σε ύλη, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι σε τόσες υψηλές ενέργειες σύγκρουσης θα προκύψουν νέα βαριά σωματίδια [όπως εκείνα του Bing Bang]. Τέτοια σωματίδια δεν υπάρχουν πια, γιατί θεωρείται ότι καταστράφηκαν αμέσως μετά το "Bing Bang". Με τη χρήση τεσσάρων "προεπιταχυντών" τα πρωτόνια θα αποκτήσουν μια ενέργεια της τάξης των 0,45 TeV [το ev είναι μια συνηθισμένη μονάδα μέτρησης στη Φυσική Σωματίδιων και εκφράζει την ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο τάσης ενός Volt] και με αυτήν θα μπουν μέσα στον LHC.

8 Στη συνέχεια θα περιστραφούν φορές μέσα στον επιταχυντή για να φθάσουν στην τελική ενέργεια των 7 TeV, φθάνοντας σε μια ταχύτητα κατά 99, % της ταχύτητας του φωτός, διασχίζοντας το 27 χιλιομέτρων τούνελ φορές το δευτερόλεπτο. Για να μπορέσουν οι επιστήμονες να κρατήσουν τα σωματίδια σε τόση ενέργεια και σε ένα κύκλο, θα χρησιμοποιηθούν υπεραγώγιμοι μαγνήτες καθοδήγησης, 15 μέτρων μήκους ο έκαστος. Τα πρωτόνια θα διοχετεύονται στον επιταχυντή με τη μορφή "πακέτων" σε δύο αντίθετα κινούμενες δέσμες. Κάθε μια δέσμη θα περιέχει περί τα πακέτα πρωτονίων (με το καθένα από αυτά να περιέχει περίπου 100 δισεκατομμύρια σωματίδια). Τα πρωτόνια άλλωστε είναι τόσο μικροσκοπικά, ώστε κατά τη συνάντηση δύο πακέτων υπάρχει πιθανότητα μόνο 20 στα συνολικά 200 δισεκατομμύρια να συγκρουστούν.

9 Επειδή όμως τα πακέτα θα διασταυρώνονται με ένα ρυθμό της τάξης των 40 εκατομμυρίων ανά δευτερόλεπτο εκτιμάται ότι θα επιτυγχάνονται περίπου ένα δισεκατομμύριο συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτο. Αυτές οι συγκρούσεις θα καταγράφονται από τέσσερις τεράστιους αισθητήρες [ALICE, ATLAS, CMS και LHCb]. Η κάθε δέσμη πρωτονίων θα διανύσει περισσότερα από 10 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα, ενώ θα απελευθερωθούν τεράστιες ποσότητες ενέργειας και θα αναπτυχθούν θερμοκρασίες, οι οποίες θα είναι κατά πολύ ανώτερες και από αυτές που επικρατούν στον πυρήνα του Ηλίου. Οι επιστήμονες θα καταγράψουν τα διάφορα σωματίδια που θα προκύψουν από τις συγκρούσεις μεταξύ των πρωτονίων και δεν απαντώνται ελεύθερα στη φύση.

10

11 Το μποζόνιο Higgs μπορούμε να το φανταστούμε με ιδιότητες αόρατης διαστημικής κόλλας που υπάρχει στο Σύμπαν και τις κολλητικές του ιδιότητες τις μεταφέρει με διαφορετική ένταση, δηλαδή με διαφορετική μάζα στα διάφορα σωμάτια του Standard Model. Το επινόησε ο φυσικός Peter Higgs το Η ύλη του Σύμπαντος συγκροτείται από τα στοιχειώδη σωματίδια και οι φυσικοί έχουν διαπιστώσει ότι τα σωματίδια αυτά έχουν άλλο μεγαλύτερη και άλλο μικρότερη αδράνεια η οποία εμφανίζεται στις μετρήσεις ως μεγαλύτερη ή μικρότερη μάζα. Το ερώτημα παραμένει: Τι είναι αυτό που διαφοροποιεί τη μάζα τους; Το σωμάτιο που επινόησε ο Peter Higgs, περπατώντας στα σκοτσέζικα Highlands, από το 1964, είναι άραγε η απάντηση; Το μποζόνιο Higgs είναι υποθετικό στοιχειώδες σωματίδιο (με μάζα) το οποίο προβλέπεται από το Standard Model.

12 Και είναι το μόνο από τα προβλεπόμενα, από τη Θεωρία αυτή, σωματίδια που δεν έχει μέχρι σήμερα ανιχνευθεί. Αυτό οφείλεται και στο ότι η δημιουργία του απαιτεί ένα τεράστιο ποσό ενέργειας και ανίχνευση σε συνθήκες εργαστηρίου. Σύμφωνα με τη θεωρητική πρόβλεψη δεν έχει δικό του spin γι αυτό και κατατάσσεται στα μποζόνια. Το σωμάτιο Higgs έχει ένα ρόλο κλειδί στο Standard Model δεδομένου ότι ο ρόλος του είναι να προσφέρει ερμηνεία σε ένα από τα αναπάντητα αινίγματα, δηλαδή την προέλευση της μάζας όλων των άλλων στοιχειωδών σωματιδίων και ιδιαίτερα τη διαφορά ανάμεσα στο άμαζο φωτόνιο και στα βαριά μποζόνια W και Z που ευθύνονται για την ασθενή αλληλεπίδραση. Εάν η ύπαρξή του αποδειχθεί, θα έχει μια ιδιαίτερη σημασία στη δομή του Κόσμου.

13 Στην Ηλεκτρασθενή θεωρία είναι αυτό που δημιουργεί τις μάζες των άλλων σωματιδίων αλλά και τη διαφορετικότητα που έχει διαπιστωθεί ανάμεσα στις μάζες ηλεκτρονίου, μιονίου και ταυ όσο και μεταξύ των διάφορων κουάρκ. Και το ερώτημα παραμένει μέχρι σήμερα αναπάντητο : Το μποζόνιο Higgs ίσως μπορέσει να εξηγήσει και γιατί η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι τόσο ασθενής σε σχέση με τις άλλες τρεις. Το μποζόνιο αυτό του Higgs αναζητείται για να επιβεβαιώσει το STANDARD MODEL και είναι επικηρυγμένο με τα δισεκατομμύρια ευρώ και δολάρια που έχουν στοιχίσει οι αντίστοιχοι επιταχυντές στη Γενεύη και στο Σικάγο γιατί είναι ένα ακόμη βασικό στοιχείο στο ψηφιδωτό που φτιάχνεται για τη δομή του κόσμου με βάση το Standard Model.

14 Το μποζόνιο Higgs αν και όταν δημιουργηθεί θα διασπαστεί αμέσως σε άλλα σωματίδια. Αλλά οι ανιχνευτές θα βλέπουν ένα σύνολο σωματιδίων, που κανένα δεν αντιστοιχεί μόνο στο Higgs. Ή για να το πούμε διαφορετικά από τα σωματίδια που θα δούμε δεν εί,αστε σίγουροι από πού προέρχονται. Γι αυτό πρέπει να είμαστε σίγουροι 100% ότι τα όποια σωματίδια στον ανιχνευτή προέρχονται από την διάσπαση του Higgs κι όχι από γνωστές διασπάσεις. Και το μεγάλο πρόβλημα είναι ότι το συνολικό υπόβαθρο των διασπάσεων είναι 100 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από το σήμα του Higgs. Δυστυχώς το Higgs θα δίνει μόνο λίγες δεκάδες γεγονότων (διασπάσεις σωματιδίων) μέσα σε τρισεκατομμύρια συνολικά γεγονότα που θα μετρούν οι ανιχνευτές. Αυτό το γεγονός μέσα σε ένα ανιχνευτή θα μπορούσε να είναι σήμα για Higgs

15 Η ΣΚΕΨΗ ΤΟΥ HIGGS Θα μπορούσε βέβαια κανείς να ρωτήσει «ποια δεδομένα καθοδήγησαν, το 1964, τη σκέψη του Peter Higgs στην επινόηση του σωματιδίου;» Κατά τη δεκαετία του 1960 κατά την οικοδόμηση της Θεωρίας για την ενοποίηση της Ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την Ασθενή, οι φυσικοί υποστήριξαν ότι η ασθενής δύναμη μεταφέρεται από τρία σωματίδια μεγάλης μάζας, το W+ το W- και το Z, ενώ ήταν ήδη αποδεκτό ότι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταφέρεται με το μηδενικής μάζας φωτόνιο. Η βασική ιδέα ήταν ότι η Ασθενής δύναμη και η Ηλεκτρομαγνητική στηρίζονται «κατά βάθος» στα ίδια θεμέλια, αλλά η κοινή αυτή προέλευσή τους παραμένει κρυμμένη, λόγω της μεγάλης μάζας των W+ το W- και το Z σε σχέση με τη μηδενική του φωτονίου.

16 Η επόμενη ιδέα ήταν ότι για να μπορέσει να λειτουργήσει το μοντέλο πρέπει τα τρία σωματίδια να έχουν μάζα (ηρεμίας) μηδενική και να αποκτούν τη μεγάλη μάζα τους χάρη σε ένα μηχανισμό, ο οποίος επέτρεπε τη δημιουργία μαζών. Τρεις ακόμα γόνιμες ιδέες έκαναν την εμφάνισή τους την ίδια εκείνη εποχή Η πρώτη από τον Yoichiro Nambu ήταν ότι «στο Σύμπαν είναι δυνατόν να συμβαίνουν ΑΥΘΟΡΜΗΤΕΣ ΡΗΞΕΙΣ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ, οι συνέπειες των οποίων είναι η δημιουργία σωματιδίων με μάζα». Η δεύτερη ιδέα ήταν ότι κάθε ΡΗΞΗ Συμμετρίας συντελείται με κάποιον περιγραφόμενο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ

17 Η τρίτη από τις ιδέες ήταν ότι ο μηχανισμός αυτός λειτουργεί με κάποια άγνωστα Στοιχειώδη ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ τα οποία δεν πρέπει να έχουν spin. To 1964, εμπνεόμενος και από το έργο του Nambu, o 35χρονος τότε Βρετανός φυσικός Reter Higgs, ΠΡΟΤΕΙΝΕ ΕΝΑΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟ ο οποίος επέτρεπε τη ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΜΑΖΩΝ. Ο μηχανισμός αυτός σύμφωνα με την περιγραφή του από τον Higgs έπρεπε να λειτουργεί με ένα άγνωστο σωματίδιο, τα οποία θα χαρακτηρίζονταν αργότερα «σωματίδιο Higgs». Τρία χρόνια αργότερα ο Steven Weinberg και ο Abdus Salam, εφάρμοσαν τον μηχανισμό του Higgs ΓΙΑ ΝΑ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΟΥΝ ΤΙΣ ΜΑΖΕΣ ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΑΣΘΕΝΗ ΘΕΩΡΙΑ, αλλά 41 χρόνια αργότερα το σωμάτιο του Higgs παραμένει «ασύλληπτο».

18

19 Οι σωματιδιακοί φυσικοί θεωρούν ότι τρεις είναι οι κύριοι μηχανισμοί που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην παραγωγή και ανίχνευση ενός σωματιδίου Higgs: Πρώτον, η σύντηξη δύο γκλουονίων, δεύτερον η παραγωγή και μετέπειτα διάσπαση ενός μποζονίου Z, και τέλος η άμεση παραγωγή ενός σωματιδίου Higgs το οποίο διασπάται αμέσως σε δύο μποζόνια W. Εάν η μάζα του σωματιδίου Higgs βρίσκεται μεταξύ των τιμών 115 και 130 GeV, ο καλύτερος τρόπος ανίχνευσης του είναι μέσω της παραγωγής ενός μποζονίου Z το οποίο ακτινοβολεί ένα σωματίδιο Higgs και διασπάται μετέπειτα. Ένα διάγραμμα Feynman ενός από τους τρόπους που μπορεί να παραχθεί ένα μποζόνιο Higgs στον επιταχυντή LHC. Εδώ, δύο κουάρκ που το κάθε ένα εκπέμπει μποζόνια W ή Z συνδυάζονται για να κάνουν ένα ουδέτερο Higgs

20 Το σωματίδιο Higgs διασπάται επίσης, κατά κανόνα όπως είδαμε πιο πάνω σε ένα b και σε ένα αντι-b κουάρκ. H διαδικασία αυτή είναι όμοια με τη διαδικασία ανίχνευσης που ακολουθήθηκε και στον επιταχυντή LEP και ουσιαστικά αποτελεί τη συνέχεια της σε λίγο υψηλότερες ενέργειες. Εάν η μάζα του σωματιδίου Higgs είναι μεγαλύτερη των 130 GeV ο καλύτερος τρόπος ανίχνευσης είναι μέσω της διάσπασης του σωματιδίου Higgs σε ένα ζεύγος μποζονίων W. Η σύντηξη δύο γκλουονίων αναφέρεται κυρίως στην παραγωγή σωματιδίων Higgs αν έχουν μεγαλύτερη μάζα, καθώς και πολλαπλών σωματιδίων Higgs που προβλέπονται από νέες θεωρίες επέκτασης του καθιερωμένου μοντέλου. Η δημιουργία του σωματιδίου Higgs και η διάσπαση του σε δύο φωτόνια γ θα γίνει αν έχει μάζα με εύρος GeV. Αν η μάζα του είναι της τάξης 140 έως 700 GeV τότε θα δούμε 4 μιόνια

21 ..Τι περιμένουμε; 2010/2011: Σωματίδιο Higgs αν η μάζα του είναι περίπου 200 GeV. 2011/2012: Σωματίδιο Higgs αν η μάζα του είναι γύρω στα 120 GeV. (Το χαμηλό όριο της ενέργειας, για παράδειγμα 67 GeV είναι πιο δύσκολο να το δούμε γιατί σε αυτή την ενέργεια θα μπορούσε να διασπαστεί δίνοντας σήματα που δείχνουν ότι παράγονται φωτόνια γάμμα. Πάντως, άλλες διασπάσεις έχουν επίσης παρόμοια φωτόνια, γι αυτό και χρειαζόμαστε καλύτερες στατιστικές αναλύσεις που θα μας λένε τις διαφορές. Ένα σωματίδιο Higgs σε υψηλότερες ενέργειες θα διασπάται πιθανώς κατ αρχή σε μποζόνια W, με πολύ χαρακτηριστικούς πίδακες σωματιδίων που προέρχονται από τη σύγκρουση). 2013: Πρόσθετες διαστάσεις του χώρου αν η ενεργειακή κλίμακα είναι 9 TeV

22 2013: Συνθετότητα αν τα κουάρκ δεν είναι στην πραγματικότητα θεμελιώδη σωματίδια αλλά αποτελούνται από ακόμα πιο βασικά, αυτό θα φανεί αν η κλίμακα της ενέργειας σε αυτή την περιοχή είναι 40 TeV. 2018: Υπερσυμμετρία αν θα φανεί στην περιοχή των 3 TeV. 2020: Ένας νέος φορέας (διαδότης) Z μιας άγνωστης δύναμης αν υπάρχει ένας νέος τύπος δύναμης τότε θα έρθει στην περιοχή των 6 TeV. Αν αυτό πράγματι γίνει τότε στο νέο σωματίδιο διαδότη θα του δώσουμε το προσωρινό όνομα Z, κατ αναλογία με το Z που μεταδίδει την ασθενή δύναμη.

23 Με αλφαβητική σειρά

24 Γραμματικάκη Αγγελική Κατσαντώνης Βασίλης Μαυροπούλη Πηνελόπη Ντόβα Ελευθερία Πατρινού Ευγενία Συντονιστές - Υπεύθυνοι Καθηγητές: Μαραγκουδάκης Ε. & Φαράκου Γ. 3 ο Λύκειο Γαλατσίου Σχ.Έτος