Ένας γίγαντας της σωματιδιακής φυσικής, ο Peter Wade Higgs, πέθανε στο σπίτι του στο Εδιμβούργο στις 8 Απριλίου 2024, σε ηλικία 94 ετών. Η άνευ προηγουμένου κληρονομιά του, που αντικατοπτρίζεται στην ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς, συνεχίζει να διαμορφώνει το μέλλον της σωματιδιακής φυσικής όπως καμία άλλη ανακάλυψη πριν από αυτό. Αυτή είναι η ιστορία της κληρονομιάς του.
Όταν ο Χιγκς γεννήθηκε το 1929, η κατανόησή μας για την ύλη ήταν εντελώς διαφορετική. Οι φυσικοί είχαν αναπτύξει ένα απλό μοντέλο ύλης με τρία θεμελιώδη ή στοιχειώδη σωματίδια (τα οποία δεν μπορούν να αναλυθούν σε μικρότερα σωματίδια).
Αυτά ήταν πρωτόνια που υπάρχουν στους πυρήνες των ατόμων, ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τα πρωτόνια και φωτόνια, πακέτα φωτός που είναι υπεύθυνα για μια δύναμη της φύσης που ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική δύναμη.
Κατά τη διάρκεια της ζωής του Χιγκς, συνέβη μια εκπληκτική επανάσταση, με αποκορύφωμα τη δημιουργία του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, του πιο επιτυχημένου πλαισίου για την κατανόηση των δομικών στοιχείων του σύμπαντος στην ιστορία.
Ο Χιγκς θα παρείχε τον πυρήνα αυτής της θεωρίας. Για να κατανοήσουμε τη σημασία του έργου του Χιγκς, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε το παζλ που έχει παρουσιάσει η φύση στους φυσικούς από την ανακάλυψη του νετρονίου το 1932.
Το νετρόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο, ουδέτερος συνεργάτης του πρωτονίου, αλλά ελαφρώς βαρύτερο. Εάν ένα νετρόνιο αποσπαστεί από τον πυρήνα ενός ατόμου, διασπάται σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο σε περίπου δέκα λεπτά.
Για να εξηγηθεί αυτή η διάσπαση απαιτούσε μια νέα δύναμη και ένα νέο σωματίδιο για να τη μεσολαβήσει (γνωστό ως φορέας δύναμης). Ο νέος φορέας δύναμης έπρεπε να είναι πολλές φορές βαρύτερος από το νετρόνιο και το πρωτόνιο, κάτι που η επικρατούσα θεωρία δεν μπορούσε να εξηγήσει.
Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, οι φορείς δύναμης έπρεπε να είναι χωρίς μάζα. Αυτό συνέβη με τον φορέα της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, το φωτόνιο. Οι φυσικοί αποκαλούν αυτό το χαρακτηριστικό της θεωρίας συμμετρία.
Στη φυσική, οι θεωρίες με περισσότερη συμμετρία έχουν λιγότερες ελεύθερες παραμέτρους – λιγότερα μέρη της θεωρίας που μπορούν να αλλάξουν. Μια πρόσθετη παράμετρος, όπως η μάζα ενός φορέα δύναμης, θα έκανε τη θεωρία ασυνεπή.
Οι φυσικοί γνώριζαν ότι ορισμένα σωματίδια είχαν μάζα, αλλά δεν μπορούσαν να το εξηγήσουν. Έπρεπε να βρουν τον σωστό τρόπο να σπάσουν ή να ξεπεράσουν τη συμμετρία σε αυτή τη θεωρία και να δώσουν στα σωματίδια μια μάζα σύμφωνη με όλα όσα είναι γνωστά για τους νόμους της φύσης. Όταν ο Χιγκς άρχισε να εργάζεται πάνω στις ιδέες του τη δεκαετία του 1960, το ζήτημα του πώς τα στοιχειώδη σωματίδια απέκτησαν μάζα ήταν ένα κεντρικό ερώτημα στη φυσική.
Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, ο Αμερικανός φυσικός Phil Anderson παρατήρησε ότι η προβληματική συμμετρία αυτής της θεωρίας μπορούσε να ξεπεραστεί σε υπεραγωγούς (ένα υλικό που άγει ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση) ή σε ένα φορτισμένο αέριο που ονομάζεται πλάσμα. Ωστόσο, για μια θεωρία που προορίζεται να εξηγήσει τη μάζα, μια βιώσιμη λύση δεν θα μπορούσε να εξαρτάται από ένα συγκεκριμένο μέσο ή υλικό.
Αργότερα, ο Χιγκς και άλλοι θεωρητικοί ανέπτυξαν ένα μοντέλο που ξεπέρασε αυτή τη δυσκολία. Οι άλλοι φυσικοί ήταν οι Gerald Guralnik, Carl Hagen, Tom Kibble, Robert Brout και François Englert. Ο Ένγκλερτ μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής με τον Χιγκς το 2013.
Κοιτάζοντας πίσω, η ιδέα ήταν απλή: ένα πεδίο φόντου διαπερνά ολόκληρο τον χώρο, δημιουργώντας το μέσο για το οποίο λειτούργησε η ιδέα του Άντερσον. Ο Χιγκς δημοσίευσε την πρώτη του εργασία για αυτό το θέμα το 1964. Το 1966 ήταν ο πρώτος που προέβλεψε ότι αυτό το «πεδίο Higgs» πρέπει επίσης να συνοδεύεται από ένα «σωματίδιο Higgs». Αν ανακαλυφθεί, θα αποδείκνυε ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο ήταν μια συνεπής θεωρία της φύσης.
Αλλά η αναζήτηση για το μποζόνιο Higgs αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη. Ο ίδιος ο Χιγκς πίστευε ότι το ερώτημα δεν θα λυνόταν στη ζωή του. Χρειάστηκαν σχεδόν 50 χρόνια και το μεγαλύτερο πείραμα που κατασκευάστηκε ποτέ, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο Cern, μέχρι που τελικά ανακαλύφθηκε το μποζόνιο Higgs. Στις 4 Ιουλίου 2012, εικόνες του Χιγκς που συγκινούνταν με δάκρυα από την ανακοίνωση κυκλοφόρησαν σε όλο τον κόσμο.
Το σύμπαν μας διαμορφώνεται θεμελιωδώς από τις μοναδικές ιδιότητες του μποζονίου Higgs. Παρόμοια με τις στερεές, υγρές και αέριες καταστάσεις της ύλης, το πεδίο Higgs αντιστοιχεί σε μια φάση του σύμπαντος που μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας την αλληλεπίδραση του μποζονίου Higgs με άλλα σωματίδια.
Στη δεκαετία από την ανακάλυψή του, πολλές από αυτές τις αλληλεπιδράσεις έχουν παρατηρηθεί στο LHC. Αυτά τα αποτελέσματα έχουν εγείρει νέα ερωτήματα. Η σταθερότητα του σύμπαντος – η ικανότητά του να παραμένει στην τρέχουσα κατάστασή του λίγο πολύ για πάντα – φαίνεται να εξαρτάται από τη μάζα και τις αλληλεπιδράσεις του μποζονίου Higgs.
Εάν οι τρέχουσες μετρήσεις αυτού του σωματιδίου είναι σωστές, το σύμπαν δεν είναι σταθερό στην τρέχουσα κατάστασή του. Αυτό σημαίνει ότι μια μετάβαση σε άλλη μορφή θα μπορούσε να συμβεί κάποια στιγμή. Οι απαντήσεις που βρίσκουμε σε αυτή την ερώτηση θα μπορούσαν να αποδείξουν ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι λάθος.
Οι φυσικοί θέλουν επίσης να απαντήσουν αν το πεδίο Higgs εξηγεί πραγματικά όλες τις μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων, όπως προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο. Για πολλά μποζόνια Higgs που παράγονται στο LHC, δεν μπορούμε να καταλάβουμε σε ποια άλλα σωματίδια διασπώνται. Αν μπορούσαμε, θα μπορούσαμε να δοκιμάσουμε πιο κερδοσκοπικές θεωρίες που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη ή άλλες θεωρίες πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Για να απαντήσουν σε αυτά τα ερωτήματα, η Ευρώπη, οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Κίνα έχουν προτείνει σχέδια για την κατασκευή νέων επιταχυντών σωματιδίων που θα επικεντρώνονται στη μελέτη του μποζονίου Higgs. Η κληρονομιά του Χιγκς θα είναι το πειραματικό πρόγραμμα σωματιδιακής φυσικής του 21ου αιώνα.
Ο Χιγκς ήταν φυσικός από μια άλλη εποχή. Θα ήταν αδιανόητο σήμερα κάποιος με το ιστορικό των δημοσιεύσεών του να επιβιώσει στην επιστήμη. Δημοσίευσε μόνο μια χούφτα δοκίμια, σχεδόν όλα γραμμένα από αυτόν μόνο. Η σημερινή ακαδημαϊκή κουλτούρα δημιουργεί σκληρό ανταγωνισμό και πίεση για συχνή δημοσίευση.
Ο Χιγκς το αναγνώρισε αυτό σε μια συνέντευξη του 2013: «Είναι δύσκολο να φανταστώ πώς, στο τρέχον κλίμα, θα μπορούσα ποτέ να βρω αρκετή γαλήνη και ηρεμία για να κάνω αυτό που έκανα το 1964… Δεν θα έπιανα ακαδημαϊκή δουλειά σήμερα… Το κάνω.” “Όχι, νομίζω ότι θα με θεωρούσαν αρκετά παραγωγικό.”
Αυτό θα πρέπει να θεωρείται ως προειδοποίηση. Οι ανακαλύψεις απαιτούν χρόνο για να διαβάσετε και να μελετήσετε εργασίες σε άλλους τομείς, όπως ο χρόνος που αφιέρωσε ο Χιγκς για να κατανοήσει το έργο του Άντερσον. Απαιτούν από τα πανεπιστήμια να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον στο οποίο θα δίνεται προτεραιότητα στον χρόνο για έρευνα, αντί να τοποθετούν τους ερευνητές σε επισφαλείς θέσεις που εξαρτώνται από τη συνεχή αναζήτηση υποτροφιών.
Θα ήταν απολύτως κατάλληλο εάν η κληρονομιά του Peter Higgs, που άλλαξε την κατανόησή μας για τη σωματιδιακή φυσική, άλλαζε επίσης την προσέγγισή μας στην έρευνα.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Η Martin Bauer δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύει, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα από την ακαδημαϊκή της απασχόληση.