Nima Arkani-Hamed: Είναι η καλύτερη εποχή για να είναι κανείς φυσικός. Nima Arkani-Hamed: There has never been a better time to be a physicist

Νίμα Αρκάνι-Χαμέντ. Η κατασκευή του επόμενου μεγάλου επιταχυντή είναι πλέον επιτακτική. We have conquered the easiest challenges in fundamental physics, says Nima Arkani-Hamed. The case for building the next major collider is now more compelling than ever.

Ο Nima Arkani-Hamed είναι ένας από τους κορυφαίους θεωρητικούς φυσικούς της εποχής μας. Εργάζεται στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών, στο Πρίνστον, και τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα σχετίζονται με την θεωρία των χορδών, την κοσμολογία και την φυσική των υψηλών ενεργειών. Πριν από μερικές μέρες έδωσε μια συνέντευξη στο cerncourier.com όπου είπε πολλά ενδιαφέροντα πράγματα. Στη συνέχεια θα αναφέρουμε επιγραμματικά μερικά από αυτά: 

Είναι η καλύτερη εποχή για να είναι κανείς φυσικός. Είμαστε εξαιρετικά τυχεροί που ζούμε σε μια εποχή όπου οι άνθρωποι καταφέρνουν να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά θεμελιώδη ερωτήματα, όπως τι είναι ο χώρος, τι είναι χρόνος, ποια είναι η προέλευση και η εξέλιξη του τεράστιου σύμπαντός μας.

Κάποιοι μπορεί να μην αισθάνονται τον ίδιο ενθουσιασμό και απογοητευμένοι να μονολογούν «ανακαλύψαμε μόνο το σωματίδιο Higgs και τίποτε άλλο». Όμως η άποψη πως η σωματιδιακή φυσική είναι η μελέτη των δομικών στοιχείων της ύλης κι ότι η «νέα φυσική» σημαίνει «νέα σωματίδια» ανήκει στην δεκαετία του 1960, που οδήγησε στην ανάπτυξη του Καθιερωμένου Προτύπου. Η «σωματιδιακή φυσική» είναι η μελέτη των θεμελιωδών νόμων της φύσης που διέπονται από την προς το παρόν μυστηριώδη ενοποίηση του χωροχρόνου και της κβαντομηχανικής.

Από μια βαθύτερη θεωρητική προοπτική ο ορισμός του τι είναι ένα σωματίδιο επικαλείται και την κβαντική φυσική και την σχετικότητα με ένα κρίσιμο τρόπο. Έτσι, αν μεγαλύτερη προσδοκία για εσάς είναι ένα διάγραμμα ενεργού διατομής με ένα τεράστιο καρούμπαλο (συντονισμό), που εξασφαλίζει ένα εισιτήριο για Στοκχόλμη, τότε μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs καλά θα κάνετε να πάτε σπίτι σας, αφού δεν μπορούμε να δώσουμε καμία τέτοια εγγύηση.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs, μαζί με την ανακάλυψη του επιταχυνόμενου σύμπαντος, εύκολα προσαρμόζονται στις εξισώσεις μας, αλλά οι θεωρητικές προσπάθειες υπολογισμού της ενέργειας κενού και της κλίμακας της μάζας Higgs αποτελούν τεράστιες και ίσως αλληλένδετες θεωρητικές προκλήσεις.

Είναι απόλυτα σαφές για το πως πρέπει να προχωρήσουν οι πειραματικοί φυσικοί: να μετρήσουν την κόλαση των τρελών αυτών φαινομένων. To Higgs είναι ο σπουδαιότερος πρωταγωνιστής σε αυτή την ιστορία που διατίθεται προς πειραματική μελέτη.

Ευτυχώς υπάρχουν πολλοί έξοχοι νέοι πειραματιστές που πιστεύουν πως αξίζει να μελετήσουμε το Higgs μέχρι θανάτου, ενώ επίσης θα ψάχνουμε για οτιδήποτε βρίσκεται σε όσο μεγαλύτερες ενέργειες μπορούμε να φτάσουμε, χωρίς προκαταλήψεις για το τι θα μπορούσε να βρεθεί.

Γιατί το μποζόνιο Higgs αποτελεί έναν τόσο πολύτιμο στόχο για έναν μελλοντικό επιταχυντή; Διότι είναι το πρώτο ανιχνευθέν σωματίδιο που αποτελεί τον απλούστερο δυνατό τύπο στοιχειώδους σωματιδίου. Δεν έχει σπιν, δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, διαθέτει μόνο μάζα, και αυτή η ακραία απλότητα προκαλεί αμηχανία στους θεωρητικούς. Υπάρχει μια χτυπητή διαφορά μεταξύ των σωματιδίων με μάζα και σωματιδίων χωρίς μάζα που έχουν σπιν. Για παράδειγμα, το φωτόνιο είναι ένα άμαζο σωματίδιο με σπιν 1, και επειδή κινείται με την ταχύτητα του φωτός δεν μπορούμε να το «προλάβουμε». Έτσι βλέπουμε ότι έχει δύο «πολώσεις» ή τρόπους που μπορεί να περιστραφεί. Αντίθετα, το μποζόνιο Ζ, το οποίο επίσης έχει σπιν 1, διαθέτει μάζα και αφού το «προλαβαίνετε», μπορείτε να το δείτε να περιστρέφεται σε οποιαδήποτε από τις τρεις κατευθύνσεις. Αυτή η διαπίστωση ότι «το δύο δεν ισούται με το τρία» είναι αρκετά βαθιά. Καθώς τα σωματίδια συγκρούονται με όλο και αυξανόμενες ενέργειες, μπορεί να νομίζουμε ότι οι μάζες τους είναι ασήμαντες μικροσκοπικές διαταραχές στις ενέργειές τους, αλλά αυτό είναι λάθος, διότι κάτι πρέπει να εξηγεί τους επιπλέον βαθμούς ελευθερίας.

Ολόκληρη η ιστορία του μποζονίου Higgs είναι για την ερμηνεία του ότι «δύο δεν ισούται με τρία», για να εξηγήσουμε τις πρόσθετες καταστάσεις σπιν που απαιτούνται για τα σωματίδια με μάζα W και Z, τους φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων. Κι αυτό μας δείχνει γιατί οι μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων πρέπει να είναι συνδεδεμένες με εκείνη του σωματιδίου Higgs.

Αλλά η τεράστια ειρωνεία είναι ότι δεν γνωρίζουμε πως εξηγείται η μάζα του ίδιου του Higgs. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν υπάρχει διαφορά στον αριθμό των βαθμών ελευθερίας μεταξύ σωματιδίων – με μάζα ή χωρίς μάζα – που έχουν σπιν μηδέν, και σε σχέση με αυτό, οι απλές εκτιμήσεις για τη μάζα Higgs από τις αλληλεπιδράσεις του με τα εικονικά σωματίδια του κενού είναι εντελώς λάθος. Υπάρχουν επίσης καλά θεωρητικά επιχειρήματα, επαρκώς επιβεβαιωμένα σε ανάλογα συστήματα συμπυκνωμένης ύλης και αλλού στη φυσική σωματιδίων, γιατί δεν πρέπει να βλέπουμε ένα τέτοιο θηρίο μόνο του – μη συνοδευόμενο από άλλα σωματίδια. Η φύση έχει σαφώς διαφορετικές ιδέες από τους θεωρητικούς για το τι είναι το Higgs.

Fig. 1: If the world were exactly supersymmetric, every particle known would have superpartners with the same interactions and the same mass. But fermions have boson superpartners, and vice versa. One other addition: extra Higgs particles are necessary compared with the Standard Model: 5 instead of 1.

Η υπερσυμμετρία εξακολουθεί να αποτελεί κίνητρο για έναν νέο επιταχυντή. Πολλές εκδοχές των ιδεών της υπερσυμμετρίας, των επιπλέον διαστάσεων κλπ, που ήταν δημοφιλείς στη δεκαετία του 1980 και του 1990, είτε είναι νεκρές είτε πήραν παράταση ζωής από τα δεδομένα LHC, ενώ άλλες που προτάθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 2000 είναι ακόμα ζωντανές. Το γεγονός ότι ο LHC απέκλεισε μερικές από τις πιο δημοφιλείς θεωρίες είναι ένα φανταστικό δώρο για εμάς τους θεωρητικούς. Φαίνεται ότι η κατανόηση της προέλευσης της μάζας Higgs πρέπει να περιλαμβάνει μια ακόμα μεγαλύτερη αλλαγή παραδείγματος από ό,τι πολλοί είχαν φανταστεί.

Κατά ειρωνικό τρόπο, αν ο LHC ανακάλυπτε υπερσυμμετρικά σωματίδια, τα επιχειρήματα υπέρ της κατασκευής του επόμενου κυκλικού επιταχυντή θα ήταν λίγο ασθενέστερα σε σχέση με αυτά που υπάρχουν τώρα, διότι αυτά (έμμεσα) θα υποστήριζαν την εικόνα μιας ερήμου μεταξύ της κλίμακας των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων και της κλίμακας Planck. Σε αυτήν την εικόνα του κόσμου, οι περισσότεροι επιστήμονες θα ήθελαν έναν γραμμικό επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων για να μετρήσουν λεπτομερώς τις συζεύξεις των υπερσυμμετρικών συντρόφων των γνωστών σωματιδίων. Είναι μια εικόνα που οι άνθρωποι αγάπησαν πολύ στη δεκαετία του 1990 και μια εικόνα που φαίνεται να είναι λάθος. Αλλά όταν οι θεωρητικοί δυσκολεύονται όλο και περισσότερο, τότε έρχεται η ώρα για περισσότερα και όχι λιγότερα πειράματα.

The next particle accelerator will be three times larger than the LHC, with double-strength magnets enabling researchers to smash particle beams together with a power equivalent to 10 million lightning strikes. Credit: CERN

Ποιες οριστικές απαντήσεις μπορεί να μας δώσει ένας μελλοντικός επιταχυντής υψηλότερων ενεργειών;

Πρώτα απ’ όλα, πηγαίνουμε σε υψηλές ενέργειες επειδή θέλουμε να ξεπεράσουμε τα όρια ελπίζοντας σε νέες ανακαλύψεις. Παρότι δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα παράξουμε νέα σωματίδια, σίγουρα θα ελέγξουμε τους υπάρχοντες νόμους μας στα πιο ακραία περιβάλλοντα που είχαμε ποτέ. Ωστόσο, μετρώντας τις ιδιότητες του Higgs, είναι σίγουρο πως θα απαντηθούν κάποιες σημαντικές ερωτήσεις. Όλο το δράμα που περιστρέφεται γύρω από την ύπαρξη του σωματιδίου Higgs θα πάει πολύ μακριά αν διαπιστωθεί πως έχει κάποια δομή. Αλλά από τον LHC, έχουμε μόνο μια ασαφή εικόνα για το «πόσο σημειακό σωματίδιο είναι το Higgs». Ένα εργοστάσιο παραγωγής σωματιδίων Higgs θα δώσει οριστική απάντηση στο ερώτημα μέσα από ακριβείς μετρήσεις της σύζευξης του Higgs με ένα πλήθος άλλων σωματιδίων σε ένα πολύ καθαρό πειραματικό περιβάλλον.

Μετά από αυτό, το έσχατο ερώτημα είναι αν το Higgs φαίνεται ως σημειακό ακόμα κι όταν αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Η απλούστερη δυνατή αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων είναι όταν τρία σωματίδια συναντώνται σε ένα χωροχρονικό σημείο. Αλλά δεν έχουμε δει ποτέ κανένα απλό στοιχειώδες σωματίδιο να απολαμβάνει αυτή την απλούστερη πιθανή αλληλεπίδραση. Σύμφωνα με την σχετικότητα και την κβαντική μηχανική, υπάρχει πάντα κάποιος κβαντικός αριθμός που πρέπει να αλλάξει σε αυτήν την αλληλεπίδραση. Το Higgs είναι το μόνο γνωστό στοιχειώδες σωματίδιο που μπορεί να έχει αυτή την πιο βασική διαδικασία κυρίαρχη στην αλληλεπίδραση με τον εαυτό του. Ένας επιταχυντής 100 TeV που παράγει δισεκατομμύρια σωματίδια Higgs όχι μόνο θα ανιχνεύσει την συγκεκριμένη αυτό-αλληλεπίδραση, αλλά θα μπορέσει να την μετρήσει με μεγάλη ακρίβεια.

Invisible dark matter accounts for 85 percent of all matter in the universe, affecting the motion of galaxies, bending the path of light and influencing the structure of the entire cosmos. Yet we don’t know much for certain about its nature. Most dark matter experiments are searching for a type of particles called WIMPs, or weakly interacting massive particles. Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

Ποιες είναι οι προοπτικές σχετικά με την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης; Πέρα από τις μετρήσεις των ιδιοτήτων του σωματιδίου Higgs, μια από τις σημαντικές έρευνες που θα μπορούσε να κάνει ένας επιταχυντής των 100TeV   είναι σχετικά με την σκοτεινή ύλη WIMP (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματιδία με Μάζα – Weakly Interacting Massive Particles). Υπάρχει μια αστεία αντίληψη, σχετική με την απουσία υπερσυμμετρίας στο LHC, ότι το απλό παράδειγμα της σκοτεινής ύλης WIMP αποκλείστηκε από τα πειράματα άμεσης ανίχνευσης. Λάθος! Στην πραγματικότητα, τα πολύ απλά μοντέλα της σκοτεινής ύλης WIMP είναι απόλυτα ζωντανά. Μόλις προσδιοριστούν οι ηλεκτρασθενείς κβαντικοί αριθμοί των σωματιδίων σκοτεινής ύλης, μπορείτε να υπολογίσετε αναμφίβολα τι μάζα θα πρέπει να έχει ένα ηλεκτρασθενώς φορτισμένο σωματίδιο σκοτεινής ύλης. Παίρνετε έναν αριθμό μεταξύ 1-3 TeV, υπερβολικά βαρύ για να παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες στον LHC. Επιπλέον, συμβαίνει να έχουν μικροσκοπικές ενεργές διατομές αλληλεπίδρασης για άμεση ανίχνευση. Έτσι αυτές οι πολύ απλούστερες θεωρίες της σκοτεινής ύλης WIMP είναι απρόσιτες στα πειράματα του LHC για άμεση ανίχνευση. Όμως, ένας επιταχυντής 100 TeV έχει τη δυνατότητα για να δει αυτά τα σωματίδια ή να αποκλείσει αυτή την απλούστερη εικόνα WIMP.

The proposed site for the Future Circular Collider includes an 80-100 km long circular tunnel. Credit: CERN

Ποια είναι η πολιτιστική αξία ενός υπερ-επιταχυντή 100 χιλιομέτρων; Τόσο το βάθος όσο και η ενστικτώδης χαρά των πειραμάτων στη φυσική των σωματιδίων αποκαλύπτεται στο πόσο απλό είναι να εξηγηθούν: σπάμε σωματίδια μεταξύ τους με τα μεγαλύτερα μηχανήματα που έχουν ποτέ κατασκευαστεί, για να διερευνήσουμε τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης στις πιο μικρές αποστάσεις που έχουμε ποτέ δει. Τα πειράματα αυτά ενισχύουν την αυτοπεποίθηση μας ως όντα που μπορούν να κάνουν σπουδαία πράγματα. Ο κόσμος μαστίζεται από όλα τα είδη των μακροχρόνιων προβλημάτων, μερικά από τα οποία μπορεί να φαίνονται αδύνατα να επιλυθούν. Επομένως, είναι σημαντικό να έχουμε μια ομάδα ανθρώπων που, εδώ και αιώνες, δίνουν ένα συγκεκριμένο πρότυπο για το πως να προχωρήσουν στην αντιμετώπιση και τελικά στην επίλυση φαινομενικά ανυπέρβλητων προβλημάτων. Επιπλέον, ας υποθέσουμε ότι σε 200 χρόνια από τώρα, ότι δεν θα υπάρχουν πλέον μεγάλοι επιταχυντές στον πλανήτη. Πώς θα μπορούσαν τότε οι άνθρωποι να είναι σίγουροι ότι υπάρχουν τα στοιχειώδη σωματίδια και το μποζόνιο Higgs; Επειδή το λένε κάποια σκονισμένα παλιά βιβλία; Καθώς προχωράμε στο μέλλον, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να κάνουμε τα πράγματα που κάναμε στο παρελθόν. Εξάλλου, η τελευταία φορά που η θεμελιώδης γνώση αναζητήθηκε σε παλιά βιβλία με σκονισμένα φύλλα ήταν κατά την διάρκεια του μεσαίωνα, μια εποχή με ολέθρια αποτελέσματα για τη Δύση.

Και όσον αφορά την δικαιολόγηση του κόστους του επόμενου επιταχυντή; Υπάρχει ένας αριθμός σχεδίων με τα αντίστοιχα κόστη για τα οποία μπορούμε να μιλάμε, αλλά ας μιλήσουμε για ένα εύρος 5 έως 25 δισεκατομμύρια δολάρια. Ακούγoνται πολλά, έτσι; Όμως, η παγκόσμια οικονομία αναπτύσσεται, δεν συρρικνώνεται και το κόστος των επιταχυντών ως ένα κλάσμα του ΑΕΠ έχει αλλάξει ελάχιστα τα τελευταία 40 χρόνια – ακόμη και ένας επιταχυντής 100 TeV χονδρικά κοστίζει στην ουσία το ίδιο. Εν τω μεταξύ, τα επιστημονικά ζητήματα που διακυβεύονται είναι πιο βαθιά από ό,τι εδώ και πολλές δεκαετίες, οπότε έχουμε σίγουρα ένα έντιμο επιστημονικό επιχείρημα για να πράξουμε αυτό που πρέπει.

Οι άνθρωποι λένε μερικές φορές ότι αν δεν ξοδεύαμε δισεκατομμύρια δολάρια σε επιταχυντές, τότε θα μπορούσαμε να πραγματοποιήσουμε έναν μεγάλο αριθμό άλλων φτηνών πειραμάτων. Είμαι φανατικός οπαδός των πειραμάτων μικρής κλίμακας, αλλά αυτό το επιχείρημα είναι ανόητο επειδή η χρηματοδότηση της επιστήμης δεν είναι ένα μίζερο παιχνίδι μηδενικού αθροίσματος. Έτσι, ο προβληματισμός δεν είναι του στυλ «θέλουμε να ξοδέψουμε δεκάδες δισεκατομμύρια ή για τη φυσική των επιταχυντών ή σε κάτι άλλο», αλλά μάλλον «θέλουμε να ξοδέψουμε δεκάδες δισεκατομμύρια για βασικά πειράματα φυσικής».

Ένα άλλο επιχείρημα είναι ότι πρέπει να περιμένουμε μέχρι να γίνει κάποια πρόοδος στην τεχνολογία επιταχυντών, αντί να κατασκευάζουμε άκριτα μεγαλύτερες μηχανές. Αυτό είναι αφελές. Φυσικά τα θαύματα μπορούν πάντα να συμβούν, αλλά δεν μπορούμε να σχεδιάσουμε την επιστήμη αναμένοντας τα θαύματα. Παρόμοια επιχειρήματα ακούστηκαν όταν απορρίφθηκε η κατασκευή του Superconducting Super Collider (SSC) πριν από 30 χρόνια, από εξέχοντες φυσικούς συμπυκνωμένης ύλης λέγοντας ότι η κατασκευή του SSC πρέπει να περιμένει την ανάπτυξη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας που θα μειώσουν δραματικά το κόστος. Φυσικά η ανάπτυξη τέτοιων υπεραγώγιμων υλικών δεν υλοποιήθηκε ποτέ, ενώ η σωματιδιακή φυσική εξελισσόταν με την καλύτερη διαθέσιμη τεχνολογία.

Θα ήταν καλό να υπάρξει δημόσια συζήτηση για τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μελλοντικών επιταχυντών, υπό την καθοδήγηση ανθρώπων με βαθιά κατανόηση των σχετικών τεχνικών και επιστημονικών θεμάτων. Είναι αστείο το ότι οι μη-εμπειρογνώμονες δεν διατυπώνουν καν τα καλύτερα επιχειρήματα εναντίον των επιταχυντών. Θα μπορούσα να κάνω πολύ καλύτερη τη δουλειά τους! Σας υπενθυμίζω μια εξαιρετικά έντονη συζήτηση σχετικά με τους μελλοντικούς επιταχυντές που έγινε πριν από δύο χρόνια: (Int. J. Mod. Phys., 31 1630053 και 1630054). Ο C. N. Yang, ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς του 20ού αιώνα με τεράστια επιρροή στην Κίνα, επιτέθηκε με σφοδρότητα εναντίον των επιταχυντών. Σ’ αυτή τη σοβαρή επίθεση υπήρξε η κατάλληλη αριστοτεχνική απάντηση από τον David Gross.

Όσον αφορά την τωρινή ερευνητική εργασία του, ο Nima Arkani-Hamed είπε: Περίπου μια δεκαετία πριν, μετά από λίγα χρόνια προβληματισμού για την κοσμολογία του «αιώνιου πληθωρισμού» σε σχέση με τις λύσεις στα προβλήματα της κοσμολογικής σταθεράς και της ιεραρχίας, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι αυτά τα προβλήματα δεν μπορούν να γίνουν κατανοητά χωρίς να επανακαθοριστεί τι είναι στην πραγματικότητα ο χωροχρόνος και η κβαντική μηχανική. Προσπάθησα να κατανοήσω την δυναμική της σκέδασης των σωματιδίων, όπως οι συγκρούσεις στον LHC, από ένα νέο σημείο εκκίνησης, βλέποντας τον χωροχρόνο και την κβαντική μηχανική να πηγάζουν από πιο πρωταρχικές έννοιες. Αυτό αποδείχθηκε μια συναρπαστική περιπέτεια και βλέπουμε πολλά παραδείγματα νέων εκπληκτικών μαθηματικών δομών, που αναπάντεχα φαίνεται να αποτελούν τη βάση της φυσικής σκέδασης των σωματιδίων σε μια μεγάλη ποικιλία θεωριών, ορισμένες από τις οποίες προσεγγίζουν τον πραγματικό κόσμο. Επίσης, στρέφω την προσοχή μου πίσω στον αρχικό μου στόχο, την προσπάθεια κατανόησης της κοσμολογίας, καθώς και τις πιθανές θεωρίες για την προέλευση της μάζας του Higgs και της κοσμολογικής σταθεράς, από αυτή τη νέα οπτική γωνία. Σε όλες τις προσπάθειές μου συνεχίζω να προχωρώ θέτοντας πάνω απ’ όλα, την επιθυμία μου να συνδέσω βαθιές θεωρητικές ιδέες με τα πειράματα και τον πραγματικό κόσμο.

Πηγές: https://cerncourier.com/in-it-for-the-long-haul/ - https://physicsgg.me/2019/03/11/