Του Εμμανουήλ Α. Πάσχου, Καθηγητού Φυσικής στο Πανεπιστήμιο, Αν. Μέλους της Ακαδημίας Αθηνών
Την 4ην Ιουλίου 2012 στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο CERN (Γενεύη, Ελβετίας) ανακοινώθηκαν τα αποτελέσματα δύο πειραμάτων που ψάχνουν την ανακάλυψη ενός σωματιδίου με το περίεργο όνομα Higgs (Χιγκς). Τα αποτελέσματα: Δύο πειράματα τεραστίου μεγέθους το Άτλας και το CMS ανακάλυψαν ένα νέο σωματίδιο με μάζα 125 φορές μεγαλύτερη από την μάζα του πρωτονίου και το οποίο φαίνεται να έχει τις ιδιότητές του αναμενόμενου Higgs. Η ανακάλυψη είναι πολύ σημαντική διότι έρχεται να συμπληρώσει μία σειρά από ανακαλύψεις που επαληθεύουν την Ηλεκτρο-Aσθενή θεωρία και που τιμήθηκαν με πολλά βραβεία (τουλάχιστον 2 βραβεία Νόμπελ). Επί πλέον είναι η επιβράβευση 6000 φυσικών, από όλο τον κόσμο, που εργάζονται στα δύο πειράματα. Το όνομα είναι αφιερωμένο στον φυσικό Peter Higgs που προέβλεψε πριν από 50 περίπου χρόνια, ανεξάρτητα από άλλους πέντε συναδέλφους που δημοσίευσαν παρόμοιες προτάσεις, την ύπαρξη του και τον μηχανισμό που θα περιγράψω.
Η δημιουργία του Higgs απαιτεί υψηλές ενέργειες και είναι τόσο σπάνια που απαιτεί την ανάλυση τρισεκατομμυρίων δεδομένων. Με λίγα λόγια είναι μία ανακάλυψη βασικής σημασίας και ένα επιστημονικό αποτέλεσμα παγκόσμιας συνεργασίας. Θα ήταν αδύνατο να επιτευχθεί χωρίς την ηλεκτρονική επανάσταση, εννοώ την παραγωγή και λειτουργία μεγάλων ανιχνευτών (detectors) και την λειτουργία μεγάλων ηλεκτρονικών υπολογιστών (computers).
Τι είναι το Higgs και οι ιδιότητες του που το κάνουν τόσο σημαντικό; Είναι το σωματίδιο που δίνει μάζα σε κάθε υλικό. Μάζα είναι το ποσό της ύλης που είναι μέσα
σε κάθε αντικείμενο. Η μάζα είναι επίσης εκείνη που αντιστέκεται στην αλλαγή της ταχύτητος ενός σώματος όταν μία δύναμη επιδρά πάνω σ’ αυτό. Μία δεύτερη ιδιότητα της μάζας είναι ότι παράγει την βαρύτητα, δηλ. την έλξη ανάμεσα σε δύο σώματα όταν είναι κοντά ή μακριά. Για παράδειγμα η γη μας τραβά προς το έδαφος. Ο ήλιος έλκει την γη και την διατηρεί στην τροχιά της. Αλλά και μεγάλα σώματα έλκονται και ιδιαίτερα σε μεγάλες αποστάσεις.
Τα τελευταία 100 περίπου χρόνια οι φυσικοί επιστήμονες προσπάθησαν να εξηγήσουν από πού προέρχεται η μάζα. Στις προσπάθειες τους ανακάλυψαν ότι όλη η ύλη αποτελείται από πολύ μικρά και βασικά σωματίδια (στοιχειώδη σωματίδια). Αυτά είναι τα quarks, τα λεπτόνια (ηλεκτρόνια, μουόνια,…. ) με διαφορετικές μάζες. Στην περίοδο της σταδιοδρομίας μου είχα την τύχη να προσφέρω ανακαλύψεις και αποτελέσματα που επαληθεύθηκαν πειραματικά. Η επικρατούσα θεωρία προτείνει ότι όλα τα στοιχειώδη σωματίδια επιδρούν με ένα σωματίδιο που λέγεται Higgs. Όλα τα ηλεκτρόνια, quarks, πρωτόνια κ.λπ. αλληλεπιδρούν με το Higgs και αυτό δημιουργεί μια αδρανή
ιδιότητα του χώρου η οποία είναι η μάζα της αδράνειας. Να το πω διαφορετικά, κάθε τι που παράγεται κολυμπά μέσα σε μια οντότητα του σύμπαντος που είναι σταθερή και με την επίδραση της προσδιορίζει πόσο αργά ή γρήγορα κινούνται τα σώματα -- αυτό παράγει την μάζα.
Δεν είναι το Higgs που άμεσα δίνει την μάζα, άλλα κάτι που έχει απομείνει από το Higgs, όταν στο παρελθόν κατείχε την ελάχιστη στιβάδα ενέργειας. Επομένως και ο χώρος δεν είναι κενός αλλά γεμάτος από ιδεατές (virtual) καταστάσεις. Είναι αυτές οι ιδιότητες που δίνουν μάζα και βάρος σε κάθε υλικό και για αυτό ονομάστηκε σωματίδιο του θεού. Αν η εικόνα είναι σωστή τότε πρέπει τουλάχιστον να βρούμε τις διακυμάνσεις αυτού του σωματιδίου και πρέπει να παραχθεί στα πειράματα του CERN. Τα πειράματα στο εργαστήριο CERN είχαν περιορίσει πριν 6 μήνες τα όρια για την μάζα του.
Τα τελευταία αποτελέσματα από το πείραμα Άτλας παρουσιάζονται στην εικόνα (1) . Ο κάθετος άξονας παρουσιάζει τις αντιδράσεις που παρατηρούν (σε σχέση με τις αναμενόμενες) ως συνάρτηση της μάζας του Higgs (οριζόντιος άξονας). Οι λωρίδες (πράσινη και κίτρινη) δείχνουν τις περιοχές που αναμένουμε όταν δεν υπάρχει νέο σωματίδιο. Η πλήρης καμπύλη δείχνει τα αποτελέσματα του πειράματος, δηλ. τι παρατηρούν. Στην μάζα mH= 125 GeV υπάρχει ένας λόφος με αυξημένες αντιδράσεις. Από αυτό το πλεόνασμα συμπεραίνουν ότι ένα σωματίδιο παράγεται με πιθανότητα πάνω από 99,99% . Δεν ξέρουμε σίγουρα ότι είναι το Higgs επειδή δεν έχουν μετρήσει ακόμη όλες τις ιδιότητες του. Οι ενδείξεις για την ύπαρξη του και οι ιδιότητες του αναμένεται να βελτιωθούν σημαντικά αυτό τον χρόνο.
Το δεύτερο πείραμα το CMS έχει πανόμοια αποτελέσματα. Αναφέρω το Άτλας επειδή συμμετέχουν Ελληνικές ερευνητικές ομάδες από τα Πανεπιστήμια Αθηνών και Θεσσαλονίκης.
Επιστημονική Μέθοδος
Τελικά, αποφάσισα να παρουσιάσω λίγες σκέψεις για το τι εννοούμε με επιστημονική και φυσική πραγματικότητα επειδή ο ευφημισμός σωματίδιο του θεού„ έχει προκαλέσει αρκετή σύγχυση. Το τελευταίο καιρό στην Ελλάδα και αλλού εκφράζονται γνώμες και εντυπώσεις οι οποίες πολλές φορές δεν αντιπροσωπεύουν την επιστημονική μέθοδο και τις προβλέψεις της επιστήμης.
Το ανθρώπινο πνεύμα από τους αρχαίους χρόνους προσπάθησε να εξηγήσει τα φαινόμενα που συμβαίνουν γύρω μας. Περιγραφές φαινομένων διασώζονται από τους Ασσύριους, τους Αιγύπτιους, τους Κινέζους αλλά πολύ γρήγορα όλοι οι διανοούμενοι στρέφουν την προσοχή τους στους Έλληνες διότι πρώτοι οι αρχαίοι Έλληνες επέτυχαν ένα ανεπτυγμένο σύστημα έρευνας με καθορισμένη μεθοδολογία που κάλυπτε αυτό που ονομάζουμε επιστήμη. Σαν παράδειγμα αναφέρω ότι ο Πλάτων στον Μένωνα περιγράφει πως αποκτούμε νέα γνώση. Κάνουμε μια υπόθεση και με λογικά ή μαθηματικά επιχειρήματα φτάνουμε σε προβλέψεις και συμπεράσματα τα οποία συγκρίνουμε με φυσικές παρατηρήσεις. Αν τα συμπεράσματα συμφωνούν με τις παρατηρήσεις, τότε θεωρούμε τις υποθέσεις ως σωστές και τις αναβαθμίζουμε, μερικές φορές τις ανάγουμε σε αξιώματα. Όταν διαφωνούν με τις παρατηρήσεις τις απορρίπτουμε ως εσφαλμένες υποθέσεις. Παρόμοια είναι και η θέση του Αριστοτέλη που δίδασκε ότι σε κάθε επιστημονική προσπάθεια οφείλει να υπάρχει θεωρητική βάση και εμπειρικές παρατηρήσεις επιβεβαιώνουν ή αποκλείουν την θεωρία (Αριστοτέλης στο Όργανο, Θ. Μετοχίτης στην Στοιχείωσις Αστρονομική“,…..). Γ´ αυτή την λογική εξήγηση της φύσης ανέπτυξαν τα μαθηματικά με τα οποία διετύπωσαν τα αποτελέσματα τους.
Η επιστημονική μέθοδος βασισμένη σε αυτές τις γενικές αρχές εφαρμόζεται μέχρι την εποχή του Γαλιλαίου οπότε εισάγεται ένα νέο στοιχείο: Οι λογικές υποθέσεις πρέπει να συγκρίνονται πάντοτε με πειράματα.
Δηλ. πέραν από την θεωρία έχουμε και το πείραμα ως βασικόεπιστημονικό κριτήριο και μέσο ανακάλυψης.
Μια θεωρία ισχύει μόνο μέσα στα όρια και περιθώρια που την εξετάσαμε πειραματικά (εμπειρικά). Επιπλέον μπορεί η θεωρία να αντικατασταθεί από μια άλλη η οποία ισχύει μέσα σε ευρύτερα φυσικά περιθώρια.
Π.χ.
1. Η μηχανική του Νεύτωνα αντικαταστάθηκε από την θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν,
2. Η ακτινοβολία του Ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell έγινε αναπόσπαστο κεφάλαιο της Κβαντομηχανικής.
Μέσα σ αυτό το επιστημονικό περίγραμμα η ανακάλυψη του Higgs σημαίνει ότι έχουμε βρει μια μέθοδο η οποία μέσα στα όρια της επικρατούσας θεωρίας επιτρέπει να παράγουμε μάζες για όλα τα σωματίδια. Εικασίες για άλλα θέματα τα οποία δεν μπορούν επαληθευτούν πειραματικά είναι θέματα πέραν της επιστήμης, είναι θέματα της πίστης και της Μεταφυσικής.
