ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS

Ίσως αναρωτιέστε, πώς είναι δυνατόν η ηλεκτρασθενής δύναμη να εμφανίζεται με δύο πρόσωπα (την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη) που διαφέρουν τόσο πολύ μεταξύ τους.  

Στον ηλεκτρομαγνητισμό, ο μεσολαβητής της δύναμης, το φωτόνιο, δεν έχει μάζα και έχει άπειρη εμβέλεια, ενώ στην ασθενή αλληλεπίδραση  οι μεσολαβητές της W⁺ ,W^–  και Z⁰  έχουν μάζα και πολύ μικρή εμβέλεια. Η απάντηση στο παράδοξο αυτό βρίσκεται στον τρόπο με τον οποίο “παραβιάζεται” η ηλεκτρασθενής συμμετρία. 

Αυτή η αυθόρμητη παραβίαση συμμετρίας (spontaneous symmetry breaking)  είναι ένα φαινόμενο που συναντούμε αρκετά συχνά στην φύση, όπως στην περίπτωση που έχουμε αλλαγή φάσης από μια συμμετρική κατάσταση μεγάλης θερμοκρασίας σε μια κατάσταση χαμηλής θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, ένα ποτήρι νερό παρουσιάζει την ίδια συμπεριφορά, όπως και να το περιστρέψουμε. Όταν, όμως, το νερό παγώσει, οι κρύσταλλοι του πάγου που σχηματίζονται με διάφορους προσανατολισμούς παραβιάζουν την συμμετρία περιστροφής.  

Η ασυμμετρία της κατάστασης που σχηματίζεται από την αυθόρμητη παραβίαση της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας, επιτρέπει στους νόμους της φυσικής να παραμείνουν αναλλοίωτοι κάτω από τοπικούς συμμετρικούς μετασχηματισμούς και στους μεσολαβητές της ασθενούς δύναμης να αποκτήσουν μάζα.

Ο μηχανισμός αυτός απόκτησης μάζας προτάθηκε από τον φυσικό Peter Higgs την δεκαετία του 1960, και γίνεται μέσα από την παρουσία τεσσάρων νέων πεδίων. Τα τρία από αυτά προσδίδουν στους μεσολαβητές της ασθενούς δύναμης μία επιπλέον συνιστώσα σπιν, παράλληλη με την διεύθυνση της κίνησής τους, και έτσι αποκτούν μάζα. Σε μια πιο απλοϊκή εικόνα θα λέγαμε ότι οι τρεις μεσολαβητές της ασθενούς δύναμης “τρώνε” τα τρία από τα τέσσερα πεδία.

Με τον ίδιο μηχανισμό αποκτούν την μάζα τους τα λεπτόνια και τα κουάρκ.

Το τέταρτο πεδίο, που δεν συμμετέχει σε αυτόν τον μαγικό μετασχηματισμό, δεν έχει φορτίο και μπορεί να ανιχνευτεί πειραματικά μέσω των διασπάσεών του ως ένα ανεξάρτητο σωματίδιο. 

Το σωματίδιο αυτό είναι μποζόνιο, δεν είναι μεσολαβητής κάποιας δυνάμης, έχει μεγάλη μάζα, περίπου 125 GeV/c², και δεν έχει σπιν. Ανιχνεύθηκε πειραματικά το 2012 σε αντιδράσεις πρωτονίου-πρωτονίου στον επιταχυντή LHC του CERN, γεγονός που αποτέλεσε μια επιπλέον επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Μοντέλου.

Το σωματίδιο Ηiggs H⁰ , λόγω της μεγάλης του μάζας, φαίνεται να έχει κάποια σχέση με το  top κουάρκ, που είναι το στοιχειώδες σωματίδιο με την μεγαλύτερη μάζα. Κατά την ανίχνευσή του παρατηρήσαμε ότι μετατρέπεται προσωρινά σε δυνητικά ζεύγη W ή Z⁰ μποζονίων ή σε ζεύγος top κουάρκ και top αντικουάρκ, που άμεσα διασπώνται σε άλλα σωματίδια. Το ζεύγος των Ζ⁰  σωματιδίων διασπάται σε τέσσερα φορτισμένα λεπτόνια, ενώ το ζεύγος των W⁺ και W^–  ή των top κουάρκ και top αντικουάρκ, εξαϋλώνεται σε δύο φωτόνια.

Το σωματίδιο Higgs μερικές φορές αποκαλείται και “σωματίδιο του Θεού”. Ο χαρακτηρισμός αυτός δεν είναι εύστοχος, αφού το σωματίδιο δεν σχετίζεται με την δημιουργία του κόσμου (Big Bang). 

Το μποζόνιο αυτό μπορούμε να πούμε ότι σχετίζεται με την δομή της ύλης, καθώς βοηθάει τα στοιχειώδη σωματίδια και τους μεσολαβητές των δυνάμεων να σχηματίσουν το υλικό του σύμπαντος από άτομα και μόρια.