σχολείο … και φυσική

Ιούλιος του 2012. Στο κεντρικό αμφιθέατρο του CERN, στη διάρκεια ενός σεμιναρίου, ανακοινώνεται η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs, σε σύνδεση με την Μελβούρνη της Αυστραλίας όπου ξεκινούσε τοδιεθνές συνέδριο φυσικής υψηλών ενεργειών. Χιλιάδες φυσικοί αλλά και θεατές σε όλο τον κόσμο παρακολούθησαν την ανακοίνωση από τις δύο πειραματικές ομάδες —του ATLAS και του CMS— μιας ανακάλυψης που ερχόταν να ολοκληρώσει το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο αναφέρεται σε ένα σύνολο εξισώσεων που περιγράφουν τον κόσμο στο κβαντικό επίπεδο και περιλαμβάνει ένα σύνολο στοιχειωδών σωματιδίων καθώς και τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις μέσω των οποίων τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν δημιουργώντας την ύλη που παρατηρούμε γύρω μας. Το Καθιερωμένο Πρότυπο συμπεριλαμβάνει την ασθενή και την ισχυρή πυρηνική δύναμη καθώς και τον ηλεκτρομαγνητισμό. Δυστυχώς, δεν έχουμε ακόμη βρει τον τρόπο με τον οποίο η δύναμη της βαρύτητας μπορεί να ενσωματωθεί, αλλά προς το παρόν μπορούμε να πούμε πως, στις κλίμακες των στοιχειωδών σωματιδίων που είναι προσβάσιμες στα πειράματα, μέχρι στιγμής το αποτέλεσμά της είναι αμελητέο. Παρά ταύτα, το γεγονός πως δεν έχουμε μία πειραματικά αποδεδειγμένη ενιαία περιγραφή που να περιλαμβάνει και τη βαρύτητα εξακολουθεί να αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής.

Πώς όμως φτάσαμε μέχρι την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs;

Ίσως σας εκπλήξει πως το πρώτο σωματίδιο του Καθιερωμένου Προτύπου ανακαλύφθηκε το 1895. Πρόκειται για το γνωστό μας ηλεκτρόνιο. Η ανακάλυψη αυτή σημαδεύει το τέλος μιας μεγάλης προσπάθειας για την περιγραφή και την κατανόηση της δομής της ύλης και των αλληλεπιδράσεών της. Το 1895, ο J. J. Thompson, στο εργαστήριο του στο Cambridge, παρατήρησε σε έναν σωλήνα καθοδικών ακτίνων πως η πορεία τους επηρεαζόταν με την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου και εκτρέπονταν από την ευθύγραμμη διάδοση. (Σκεφτείτε σαν αναλογία τις παλιές τηλεοράσεις καθοδικού σωλήνα και τι θα συνέβαινε αν πλησιάζατε κοντά τους κάποιο ισχυρό ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο). Η παρατήρηση αυτή τον οδήγησε να συμπεράνει πως οι καθοδικές ακτίνες ήταν κινούμενα σωματίδια με αρνητικό φορτίο. Προχώρησε μάλιστα τόσο ώστε να μετρήσει τη μάζα αυτών των σωματιδίων, η οποία προέκυπτε να είναι 1.840 φορές μικρότερη από τη μάζα του (γνωστού μέχρι τότε) ατόμου του υδρογόνου. Σκεφτείτε για λίγο πόσο συναρπαστικά μικρότερα έμοιαζαν αυτά τα σωματίδια. Με τον Thompson, ανοίγει η αυλαία της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων και ξεκινά —ακόμη και αν δεν το γνώριζαν τότε— η περιπέτεια του Καθιερωμένου Προτύπου.

Γρήγορα προέκυψε η ανάγκη να περιγράψουν τη θέση αυτών των σωματιδίων εντός του ατόμου. Το πρώτο μοντέλο ήταν το «μοντέλο του σταφιδόψωμου», σύμφωνα με το οποίο τα ηλεκτρόνια είναι τοποθετημένα με τον ίδιο τρόπο που βλέπουμε τις σταφίδες σε ένα σταφιδόψωμο. Παρά τη νοστιμιά του, το μοντέλο αυτό σύντομα διαψεύστηκε από τα πειράματα των Rutherford και των μαθητών του Geiger και Marsden.
Στόχος της ομάδας του Rutherford, που ξεκίνησε τα πειράματά της το 1911, ήταν να επιβεβαιώσει πειραματικά το ατομικό μοντέλο του σταφιδόψωμου. Για τον λόγο αυτό τοποθέτησαν στο εργαστήριό τους στο Μάντσεστερ φύλλα χρυσού και τα βομβάρδιζαν με σωματίδια άλφα, δομή ταυτόσημη με τον πυρήνα του ατόμου του ηλίου. Η βασική αρχή του πειράματος ήταν πως τα σωματίδια άλφα άφηναν ένα αποτύπωμα σε μια φθορίζουσα οθόνη: οι δύο μαθητές έμεναν κλεισμένοι σε ένα σκοτεινό δωμάτιο επί ώρες, παίρνοντας παρατηρήσεις διά γυμνού οφθαλμού. Μάλιστα, για να μπορέσουν να είναι πιο αποδοτικοί και για να καταγράφουν περισσότερα δεδομένα, λέγεται πως κατέφυγαν στη συχνή χρήση στρυχνίνης, η οποία διέγειρε το οπτικό τους νεύρο επιτρέποντας συλλογή περισσότερων δεδομένων. Αυτός είναι και ένας από τους λόγους που οδήγησαν μετέπειτα τον Geiger να κατασκευάσει έναν ανιχνευτή, τον γνωστό μέχρι σήμερα μετρητή Geiger-Muller που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση φορτισμένων σωματιδίων ραδιενέργειας.

Πίσω όμως στο πείραμά του Rutherford! Με βάση το μοντέλο του σταφιδόψωμου, θα ανέμενε κανείς πως όλα τα σωματίδια θα περνούσαν από τα φύλλα χρυσού χωρίς, ή έστω με ελάχιστη, εκτροπή από την αρχική πορεία τους. Η παρατήρηση όμως έδειχνε πως αρκετά από τα σωματίδια εκτρέπονταν κατά 180 μοίρες σε σχέση με την αρχική τους διεύθυνση. Κάτι τέτοιο δεν ήταν αναμενόμενο, καθώς αν ίσχυε το μοντέλο του σταφιδόψωμου για τα άτομα θα ήταν σαν κάποιος να πυροβολεί ένα χαρτί (το φύλλο χρυσού) και η σφαίρα (σωμάτιο άλφα) να γυρνά προς τα πίσω! Αυτή άλλωστε είναι και μια από τις πιο γνωστές ιστορίες της επιστήμης που δείχνουν τον ρόλο των εμπειρικών δεδομένων και τη δυσκολία που νιώθει κανείς να μιλήσει για αυτά όταν έρχονται σε αντίθεση με καθιερωμένες απόψεις.

Οι παρατηρήσεις των Geiger και Marsden τους έκαναν αρκετά διστακτικούς. Πώς να τολμήσουν να αναφέρουν στον καθηγητή τους πως έβλεπαν κάτι διαμετρικά αντίθετο με όσα προέβλεπε η θεωρία; Φανταστείτε το κλίμα! Φυσικά, δεν μπορούσε κάτι τέτοιο να μένει κρυφό για πάντα. Έτσι, όταν για πρώτη φορά ανέφεραν τα αποτελέσματά τους, ο Rutherford έτρεξε ενθουσιασμένος στον σκοτεινό δωμάτιο όπου λάμβανε χώρα το πείραμα για να δει και ο ίδιος τα θαυμαστά αποτελέσματα. Αφού σιγουρεύτηκε πως δεν υπήρχε κάποιο λάθος στην πειραματική διάταξη, πείστηκε για την ορθότητα των μετρήσεων καθώς και για την ανάγκη δημιουργίας ενόςνέου Προτύπου που θα μπορούσε να τις εξηγήσει. Έτσι προέκυψε το μοντέλο που γνωρίζουμε σήμερα —αν και σε πρωτόλεια μορφή—, σύμφωνα με το οποίο το άτομο αποτελείται από έναν μικρό πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω του σχηματίζοντας αυτό που σήμερα ονομάζουμε νέφος ηλεκτρονίων. Πρόκειται για τη θεμελίωση της πυρηνικής φύσης και για ένα ακόμη βήμα προς τη δημιουργία του Καθιερωμένου Προτύπου.

Η μελέτη του ατόμου του υδρογόνου οδήγησε στην ανακάλυψη και ενός θετικά φορτισμένου σωματιδίου: του πρωτονίου. Η ύπαρξη ενός πυρήνα με οποιονδήποτε αριθμό ηλεκτρονίων να περιστρέφεται γύρω του έμοιαζε αρκετή για να εξηγήσει την ύλη γύρω τους. Τα πρωτόνια έχουν μεν ίσο και αντίθετο φορτίο με αυτό των ηλεκτρονίων, αλλά πολύ μεγαλύτερη μάζα: περίπου 1.836 φορές μεγαλύτερη. Άτομα με περισσότερα του ενός ηλεκτρόνια σε τροχιά έπρεπε να διαθέτουν πυρήνα με περισσότερα από ένα πρωτόνια. Εδώ παρουσιαζόταν όμως πάλι το πρόβλημα των ενωμένων ομοειδών φορτίων: γιατί δεν απωθούνται (Coulomb) τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια που βρίσκονται τόσο κοντά στον πυρήνα; Η εξήγηση που δόθηκε τότε είχε μεν μια κομψότητα, αλλά αποδείχτηκε λανθασμένη. Προτάθηκε πως στον πυρήνα υπάρχει, μαζί με τα πρωτόνια, και ίσος αριθμός ηλεκτρονίων που τοπικά αναιρούσε την ηλεκτρική δύναμη. Η λύση σε αυτό το μυστήριο δόθηκε το 1935 από τον James Chadwick, με την ανακάλυψη ενός ουδέτερου σωματιδίου χωρίς καθόλου φορτίο: του νετρονίου. Όλα έμοιαζαν τακτοποιημένα, και η πυρηνική φυσική φάνταζε ικανή να εξηγήσει τη δομή τής τότε γνωστής ύλης.

Η εικόνα αυτή έμελλε να κλονιστεί με την ανακάλυψη του ποζιτρονίου, και πολύ περισσότερο με την παρατήρηση του μυονίου. Ο Anderson, μελετώντας κοσμικές ακτίνες —ακτινοβολίες πολύ μεγάλης ενέργειας που δημιουργούνται σε σημεία του σύμπαντος όπου λαμβάνουν χώρα βίαια γεγονότα και φτάνουν στη γήινη ατμόσφαιρα—, παρατήρησε ένα νέο σωματίδιο, όμοιο με το ηλεκτρόνιο αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Ήταν το ποζιτρόνιο, την ύπαρξη του οποίου είχε προβλέψει θεωρητικά ο Dirac από το 1928. Συνεχίζοντας τις παρατηρήσεις κοσμικών ακτίνων που φτάνουν από το διάστημα, ανακάλυψε μαζί με τον Seth Neddermeyer ένα ακόμη σωματίδιο που είχε ηλεκτρικό φορτίο όπως το ηλεκτρόνιο αλλά ήταν αρκετά βαρύτερο. Η ανακάλυψη αυτού του σωματιδίου, μια ανακάλυψη που κανείς φυσικός δεν περίμενε, έκανε τον νομπελίστα I. I. Rabi να αναφωνήσει, «Who ordered that?» («Ποιος το ζήτησε αυτό;»), δηλώνοντας την έκπληξή για την ανακάλυψη — αλλά και μια μικρή αγανάκτηση: αυτό που μέχρι τότε θεωρούνταν ικανό να περιγράψει όλη την ύλη δεν τα κατάφερε τελικώς να επιτελέσει τον σκοπό του.
Οι παρατηρήσεις κοσμικών ακτίνων και αργότερα η ανάπτυξη επιταχυντών (μηχανών που επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια σε υψηλότερες ενέργειες) μας έκαναν να διαπιστώσουμε πως υπάρχει ένα ολόκληρο μωσαϊκό σωματιδίων που κανείς δεν είχε σκεφτεί μέχρι τότε την ύπαρξή τους. Άνοιγε πλέον ο δρόμος για την παρουσίαση ενός νέου προτύπου που με ευκολία και κομψότητα θα μπορούσε να εξηγήσει τον «ζωολογικό κήπο των σωματιδίων».
Οι φυσικοί προσπάθησαν και πάλι να βρουν έναν τρόπο για να εξηγήσουν την ύπαρξη τόσο πολλών σωματιδίων. Και έτσι οδηγηθήκαμε στην ανακάλυψη στοιχειωδέστερων σωματιδίων: των κουάρκ. Δουλεύοντας ανεξάρτητα, οι M. Gellman και G. Zweig πρότειναν την ύπαρξη ενός συνόλου σωματιδίων που μπορούν να συνδυαστούν ανά ζεύγη ή ανά τριάδες δημιουργώντας νέα σωματίδια. Θα πρέπει να σημειωθεί πως αρχικά δεν θεώρησαν πως επρόκειτο για πραγματικά σωματίδια αλλά περισσότερο για μια μαθηματική τεχνική. Καθώς μάλιστα ο Gellman δεν θεώρησε πως πραγματικά υπάρχουν στην φύση, τους έδωσε και την περίεργη ονομασία τους, δανειζόμενος τη λέξη (που σημαίνει κρώξιμο) από ένα στίχο από το ποίημα του James Joyce για τον βασιλιά Μαρκ που διαβάζουμε στο κρυπτικό μυθιστόρημά του «Finegann’s wake»: Threequarks for Muster Mark.
Η ύπαρξη των κουάρκ αντιμετωπίστηκε με σκεπτικισμό ακόμη και μετά την ανακάλυψη τουσωματιδίου Ω — πρόκειται για ένα σωματίδιο προβλεπόμενο από τα μαθηματικά που περιγράφουν την ομάδα των κουάρκ και επομένως η ανακάλυψή του προκάλεσε έκπληξη καθώς ίσως σήμαινε πως η όλη ιστορία των κουάρκ ίσως να μην ήταν τελικά μόνο θεωρητική, αλλά τα σωματίδια αυτά να υπήρχαν. Η πειραματική ανακάλυψη του σωματιδίου αυτού —πάλι σε αντίθεση με την επικρατούσα θεωρία και προς έκπληξη πολλών φυσικών— έγινε από την ομάδα του Samuel Ting στο Brookheaven λίγο έξω από την Νέα Υόρκη. Η οριστική επαλήθευση της ύπαρξης των κουάρκ έγινε με την παρατήρηση του σωματιδίου J/ψ το οποίο περιείχε μέσα του ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ. Για αυτή την ανακάλυψη πήραν το Νόμπελ Φυσικής οι Burton Richter και Samuel Ting που ανακάλυψαν σε διαφορετικά εργαστήριο το σωματίδιο. Ο Ting το ονόμασε σωματίδιο J, ενώ ο Richter προτιμούσε τον όρο σωματίδιο ψ — και έτσι καθιερώθηκε να είναι το μοναδικό σωματίδιο με διπλή ονομασία!
Ταυτόχρονα με την περιγραφή των σωματιδίων, γίνεται πρόοδος και στην περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους. Η ασθενής αλληλεπίδραση, που είχε ανακαλυφθεί σε κάποιες μορφές ραδιενέργειας αρκετές δεκαετίες νωρίτερα, μπορούσε πλέον να εξηγηθεί με την ανταλλαγή κάποιων σωματιδίων-διαδοτών. Η ιδέα αυτή επιβεβαιώθηκε το 1983 με την παρατήρηση των φορέων της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, των σωματιδίων που ονομάστηκαν W και Z (μποζόνια). Η ανακάλυψη των W και Ζ έγινε στον LEP, τον προκάτοχο του σημερινού LHC, που ήταν χτισμένος στο ίδιο τούνελ και πραγματοποιούσε συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (δηλαδή αντι-ηλεκτρονίων). Η ιδέα της ύπαρξης ενός σωματιδίου που είναι ο φορέας μια δύναμης εμφανίζεται επίσης στην περιγραφή του ηλεκτρομαγνητισμού (QED), φορέας του οποίου είναι το φωτόνιο. Τέλος, η ίδια ιδέα βρίσκει εφαρμογή και στην ισχυρή αλληλεπίδραση, φορέας της οποίας είναι το γκλουόνιο (από τη λέξη κόλλα) που παρατηρήθηκε και πειραματικά το 1979 στο DESY στην Γερμανία.
Η πορεία που ξεκινούσε με την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου και συνεχίστηκε με την ανακάλυψη του μυονίου προχωρά με την ανακάλυψη των κουάρκ καθώς και των φορέων των τριών δυνάμεων (φωτόνιο / Ηλεκτρομαγνητική, γκλουόνιο / Ισχυρή Πυρηνική, και W&Z / Ασθενής Πυρηνική). Μαζί με τα νετρίνο —στα οποία θα αναφερθούμε σε επόμενο άρθρο—, τα παραπάνω σχηματίζουν σταδιακά την εικόνα του Καθιερωμένου Προτύπου. Ενός Προτύπου της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων που είχε παρουσιαστεί σε ενιαία μορφή —συναρμόζοντας την πρόοδο που είχε συντελεστεί— ήδη από την δεκαετία του ’70 από τον Γιάννη Ηλιόπουλο και περιγράφει από τη δομή της ύλης μέχρι τις ενέργειες που προσεγγίζουμε σήμερα με τους επιταχυντές σωματιδίων.
Ακρογωνιαίος λίθος του Καθιερωμένου Προτύπου είναι ένας μηχανισμός που εξηγεί γιατί η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι λιγότερο ισχυρή από την ηλεκτρομαγνητική. Ο μηχανισμός αυτός λέγεται Μηχανισμός Higgs και απαιτούσε την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs. Πρόκειται για το σωματίδιο που είχε προταθεί το 1964 από τον φυσικό Peter Higgs και το οποίο προέβλεπε την ύπαρξη ενός σωματιδίου —του σωματιδίου Higgs—, συνοδευόμενου και από το αντίστοιχο πεδίο του, που εξαπλώνεται σε όλο το Σύμπαν. Μέσω της αλληλεπίδρασης με αυτό το πεδίο, τα σωματίδια φορείς των τριών δυνάμεων του Καθιερωμένου Προτύπου αποκτούν μάζα και ο μηχανισμός Higgs εξηγεί ικανοποιητικά τις μετρήσεις μας.

Χρειάστηκαν περίπου 50 χρόνια από την αρχική πρόταση για την ύπαρξη του Higgs μέχρι την πειραματική επαλήθευση. Ωστόσο, το κεφάλαιο του Καθιερωμένου Προτύπου δεν έχει κλείσει ακόμη. Ένα σύνολο ερωτημάτων παραμένουν αναπάντητα από το ίδιο το Καθιερωμένο Πρότυπο — και μάλιστα τα πειραματικά δεδομένα που συσσωρεύονται από άλλα πειράματα αστροφυσικής εντείνουν το μυστήριο. Επιπλέον, η μελέτη του ίδιου του σωματιδίου Higgs θα μας δείξει αν πρόκειται πράγματι για το σωματίδιο που προβλέπεται εντός του Καθιερωμένου Προτύπου ή αν είναι μία πόρτα που, αν την παρατηρήσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια, μπορεί να μας ανοίξει τον δρόμο σε νέες ερευνητικές κατευθύνσεις.
Η περιπέτεια της κατανόησης του Σύμπαντος συνεχίζεται και, παρά τις όποιες επιτυχίες ή αποτυχίες, δεν πρέπει να ξεχνάμε ένα πράγμα: η επιστήμη έχει κυρίως στόχο να θέτει ερωτήματα, προσφέροντας συχνά αβεβαιότητα αντί για βεβαιότητες όπως συχνά πιστεύουν πολλοί, οδηγώντας σε ανατροπή καθιερωμένων θεωριών και αντιλήψεων — γι’ αυτό και αποτελεί συστατικό στοιχείο της πορείας μας για την ανακάλυψη του εαυτού: μια περιπέτεια βαθιά ανθρώπινη.
Στο επόμενο σημείωμα θα συζητήσουμε για την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs, τα τελευταία πειραματικά δεδομένα από τον LHC και τα σενάρια για το τι μπορεί να υπάρχει μετά το σωματίδιο Higgs…