CERN/Lucas Taylor/CMS
Ένα σωματίδιο με μικρή μάζα κινείται σχετικά ανενόχλητο στο πεδίο Χιγκς, ενώ ένα βαρύ σωματίδιο κινείται σαν να βρίσκεται μέσα σε ένα παχύρρευστο υγρό.
Επιστήμονες εντόπισαν για πρώτη φορά μέσα σε υπεραγωγούς ένα σωματίδιο που σχετίζεται με το μποζόνιο Χιγκς, το φευγαλέο σωματίδιο του οποίου η ύπαρξη επιβεβαιώθηκε πειραματικά στο CERN το 2012, έπειτα από δεκαετίες ερευνών.
To πεδίο Χιγκς, το οποίο είναι υπεύθυνο για την ύπαρξη του ομώνυμου σωματιδίου, διακατέχει όλο το Σύμπαν και είναι αυτό που δίνει τη μάζα στα υπόλοιπα σωματίδια, «εμποδίζοντας» την κίνησή τους στο χώρο: ένα σωματίδιο με μικρή μάζα κινείται σχετικά ανενόχλητο στο πεδίο Χιγκς, ενώ ένα βαρύ σωματίδιο κινείται σα να βρίσκεται μέσα σε ένα παχύρευστο υγρό.
Η αρχική ιδέα όμως για το συγκεκριμένο σωματίδιο, σχετίζεται άμεσα με τη μελέτη της συμπεριφοράς των φωτονίων μέσα στους υπεραγωγούς.
Οι υπεραγωγοί είναι σώματα που επιτρέπουν υπό συνθήκες τη διέλευση των ηλεκτρονίων από το εσωτερικό τους δίχως αντίσταση και σε αυτούς τα φωτόνια συμπεριφέρονται διαφορετικά από ότι συνήθως, αφού αν και κανονικά έχουν μηδενική μάζα εντός των υπεραγωγών που έχουν ψυχθεί σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273ο Κ) επιβραδύνονται από τις δονήσεις του υλικού και αποκτούν μάζα.
Οι δονήσεις που δίνουν τη μάζα στα φωτόνια είναι μαθηματικά ισοδύναμες με τα σωματίδια Χιγκς και είναι ακριβώς αυτές που παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά σε υπεραγωγούς σε θερμοκρασία δωματίου στο πανεπιστήμιο του Τόκιο από το Ρίο Σιμάνο και την ομάδα του.
Για να δημιουργήσουν τις κατάλληλες δονήσεις στον υπεραγωγό, οι ερευνητές τον «ταρακούνησαν» με παλμούς φωτός.
Με τον τρόπο αυτό παρήγαγαν τα πρώτα υπεραγώγιμα σωματίδια Χιγκς πριν από ένα χρόνο και έκτοτε μελετούν τις ιδιότητές τους οι οποίες όλα δείχνουν πως συμπίπτουν μαθηματικά με αυτές του μποζονίου Χιγκς.
Οι ομοιότητες στη συμπεριφορά των δύο διαφορετικών σωματιδίων μπορούν να αποβούν επίσης χρήσιμες για τη μελέτη του ίδιου του μποζονίου Χιγκς, καθώς όπως περιγράφουν οι ερευνητές στη δημοσίευσή τους στο επιστημονικό περιοδικό Science «φαινόμενα που δε μπορούν να υλοποιηθούν σε πειράματα φυσικής σωματιδίων μπορούν πλέον να παρατηρηθούν σε ένα απλό τραπέζι. Ευελπιστούμε να ανακαλύψουμε όντως νέα φυσική, παρέχοντας δεδομένα και σε άλλους κλάδους», κατέληξαν.
...................................
Το μποζόνιο Higgs είναι το δημοφιλέστερο σωματίδιο των τελευταίων χρόνων. Πρώτον διότι ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά τo 2012 στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, στη Γενεύη και δεύτερον διότι το 2013 βραβεύθηκαν με Νόμπελ οι δυο από τους θεωρητικούς φυσικούς που εισήγαγαν στη φυσική το πεδίο Higgs και το αντίστοιχο σωματίδιο.
Μπορεί να πανηγυρίζουν με τις επιτυχίες τους οι σωματιδιακοί φυσικοί, όμως η ιδέα του πεδίου Higgs είναι «κλεμμένη» από την φυσική της υπεραγωγιμότητας.
Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που σε χαμηλές θερμοκρασίες επιτρέπουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται στο εσωτερικό τους χωρίς καμία αντίσταση. Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Ολλανδό φυσικό Heike Κamerling Onnes, ο οποίος ψύχοντας υδράργυρο στους 4,2 βαθμούς Κelvin, μηδένισε την ηλεκτρική αντίστασή του.
Η θεωρητική ερμηνεία της υπεραγωγιμότητας ήρθε πολλά χρόνια μετά. Η μεταβολή φάσης που προκαλεί την υπεραγωγιμότητα οφείλεται σε μια πολύ δυσδιάκριτη έλξη μεταξύ των ηλεκτρονίων που κινούνται μέσα στο υπεραγώγιμο υλικό.
Ως γνωστόν τα ηλεκτρόνια απωθούνται μεταξύ τους. Όμως, επειδή αλληλεπιδρούν με το κρυσταλλικό πλέγμα προκύπτει μια μικρή έλξη. Όταν η θερμοκρασία μειωθεί κάτω από ένα κρίσιμο σημείο, η έλξη αυτή δημιουργεί ζεύγη ηλεκτρονίων σε μια νέα θεμελιώδη κατάσταση, κατά την οποία το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς αντίσταση.
Σύμφωνα με τη θεωρία BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer) η υπεραγώγιμη κατάσταση ερμηνεύεται με την «συμπύκνωση» των ηλεκτρονίων σε ζεύγη Cooper που έχουν κοινή ορμή και παριστάνονται από μια μοναδική σύμφωνη κυματοσυνάρτηση
Όπως τα ηλεκτρόνια στις ενεργειακές στάθμες των ατόμων μπορούν να παραμείνουν για πάντα σε «στάσιμες» καταστάσεις χωρίς να υποστούν καμία μεταβολή, έτσι και η συνεκτική κίνηση αυτών των ζευγών ηλεκτρονίων σε μια αμιγή κβαντική κατάσταση μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς καμιά ενεργειακή απώλεια.
Οι εσωτερικές διαδικασίες που προκαλούν τον απότομο μηδενισμό της αντίστασης σε έναν υπεραγωγό είναι ένα παράδειγμα «αυθόρμητου σπασίματος της συμμετρίας».
Εκτός όμως από αυτή τη «συμπύκνωνση» ζευγών ηλεκτρονίων που προκαλεί το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας συμβαίνει και κάτι ακόμα: τα φωτόνια που διαδίδονται στο εσωτερικό του υπεραγωγού συμπεριφέρονται σαν να έχουν αποκτήσει μάζα.
Η αναλλοιότητα του ηλεκτρομαγνητισμού σε μετασχηματισμούς βαθμίδας εξασφαλίζει ότι η μάζα του φωτονίου παραμένει μηδενική. Στο εσωτερικό του υπεραγώγιμου υλικού η αναλλοιότητα αυτή παραβιάζεται αυθορμήτως και όταν ένα φωτόνιο διαδίδεται στο εσωτερικό του συμπεριφέρεται σαν να έχει μάζα. Αυτό συμβαίνει διότι η αλληλεπίδραση του φωτονίου με τα ζεύγη ηλεκτρονίων του υλικού στο οποίο διαδίδεται έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ενέργειας και της ορμής του φωτονίου. Η μηδενική μάζα του φωτονίου ευθύνεται για την μεγάλη εμβέλεια της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, οπότε στο εσωτερικό του υπεραγωγού, οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις δεν έχουν πλέον άπειρη εμβέλεια. Το φαινόμενο είναι δυνατόν να παρατηρηθεί και πειραματικά. Αν τοποθετήσουμε έναν μαγνήτη κοντά σε έναν υπεραγωγό, διαπιστώνουμε ότι το μαγνητικό πεδίο δεν μπορεί να διαπεράσει το υλικό εφόσον παραμένει υπεραγώγιμο.
Η θεωρία των υπεραγωγών, εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων από τον Yoichiro Nambu.
Σε άρθρο που δημοσίευσε το 1960 περιέγραψε πως θα μπορούσαν κάποια σωματίδια, όπως πρωτόνια και νετρόνια, να αποκτούν μάζα με έναν μηχανισμό παρόμοιο με αυτόν που εμφανίζεται στη θεωρία της υπεραγωγιμότητας. Η εργασία αυτή, χωρίς να αποδεικνύει κάτι οριστικό, έθετε για πρώτη φορά τον προβληματισμό ότι μια σπασμένη συμμετρία μπορεί να είναι το κλειδί για την προέλευση της μάζας. Η ιδέα ήταν δανεισμένη από την συμπεριφορά των φωτονίων μέσα σε υπεραγώγιμο υλικό, στο οποίο επιβραδύνονται, σαν αποκτούν μάζα. Πρόκειται για ένα φαινόμενο που συνδέεται στενά με την ιδέα του Higgs.
Οι δονήσεις του πλέγματος είναι το μαθηματικό ισοδύναμο των σωματιδίων Higgs. H υπεραγώγιμη εκδοχή τους εξηγεί την εν δυνάμει μάζα του φωτός στον υπεραγωγό, όπως ακριβώς το πεδίο Higgs της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων ερμηνεύει την μάζα των μποζονίων W και Ζ στο κενό. Tο «υπεραγώγιμο φαινόμενο Higgs» είχε παρατηρηθεί παλαιότερα, αλλά μόνο σε ένα εξειδικευμένο είδος δόνησης του υπεραγώγιμου υλικού.
Οι συγγραφείς της εργασίας με τίτλο «Light-induced collective pseudospin precession resonating with Higgs mode in a superconductor»(Matsunaga et al), ανακοίνωσαν ότι παρατήρησαν το «υπεραγώγιμο μποζόνιο Higgs» σε έναν υπεραγωγό που βρίσκονταν στην κανονική του κατάσταση.
Έτσι, σύμφωνα με τους ερευνητές Matsunaga et al, θα μπορούσε κανείς να πειραματίζεται με τα υπεραγώγιμα υλικά πάνω σ’ έναν απλό εργαστηριακό πάγκο, με πολύ μικρότερο κόστος σε σχέση με τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, και να εξάγει χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με το μποζόνιο Higgs της σωματιδιακής φυσικής!
Από: newscientist.com
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου