CERN: Η μεγάλη επιστροφή
Tο ταξίδι της μετατροπής φιλοσοφικών αναζητήσεων σε επιστημονικά ερωτήματα συνεχίζεται.
Δημήτρης Λουκάς, Αυγή, Δημοσιευμένο: 2009-11-29
Την Παρασκευή της 20ης Νοεμβρίου 2009 επανήλθε σε λειτουργία ο μεγάλος επιταχυντής του CERN ο οποίος στις 19 Σεπτεμβρίου 2008, λίγες ημέρες μετά τα εγκαίνια του, υπέστη σοβαρή βλάβη. Αυτή τη φορά η επαναλειτουργία έγινε χωρίς τυμπανοκρουσίες, όπως αρμόζει στη μετριοφροσύνη της επιστημονικής αναζήτησης. Το LHC είναι αποτέλεσμα μιας υπερ-δεκαπενταετούς γιγαντιαίας προσπάθειας που συγκεντρώνει το σύνολο σχεδόν του παγκόσμιου ερευνητικού δυναμικού του τομέα της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων. Πλήθος ιδεών μπήκαν στη βάσανο της πειραματικής δοκιμασίας, της σύγκρισης με άλλες ιδέες, του σχεδιασμού, των δοκιμών και του επανασχεδιασμού πριν καταλήξουμε στην τρέχουσα πειραματική διάταξη. Και αυτή με τη σειρά της σε λίγα χρόνια θα φτάσει στα όριά της και θα αναβαθμιστεί για να πάμε λίγο πιο πέρα στην κατανόηση της φύσης. Αλλά τι είναι το LHC και τι θα μάθουμε απ’ αυτό;
Το LHC αποτελεί την πλέον περίπλοκη πειραματική διάταξη φυσικής που επινοήθηκε μέχρι σήμερα. Περιλαμβάνει, έναν επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων (LHC), τέσσερις πειραματικές συσκευές με τις ονομασίες, ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, και ένα παγκόσμιο δίκτυο υπολογιστών σε δομή GRID.
Ο επιταχυντής επιταχύνει, με ένα σύστημα ηλεκτρικών πεδίων, δέσμες πακέτων που αποτελούνται από 100 δισεκατομμύρια πρωτόνια το καθένα και κινούνται σε δύο αντίθετες κυκλικές τροχιές ώσπου να φτάσουν πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Στη συνέχεια τα πακέτα αυτά αναγκάζονται να έλθουν σε μετωπική σύγκρουση. Με απλή αλλαγή κλίμακας μεγεθών αυτή η διαδικασία ισοδυναμεί με το να προσπαθείς να φέρεις σε μετωπική σύγκρουση δύο βελόνες που ξεκινούν η μία από τον Παρθενών και η άλλη από τη Γενεύη. Κάθε δέσμη μεταφέρει ισοδύναμη ενέργεια με αυτή ενός τραίνου 400 τόνων που κινείται με ταχύτητα 150 χιλιομέτρων την ώρα. Μετά τη σύγκρουση και με βάση τη μαγική εξίσωση του Einstein, E=mc2, η ενέργεια των συστατικών των πρωτονίων μετατρέπεται σε μια πληθώρα σωματιδίων.
Γύρω από τα σημεία σύγκρουσης υπάρχουν πολύπλοκοι ανιχνευτές με πολλά εκατομμύρια αισθητήρες που καταγράφουν την πορεία και την ενέργεια των παραγομένων σωματιδίων. Ισχυρά μαγνητικά πεδία βοηθούν στην αναγνώριση των σωματιδίων αφού αναγκάζουν τα θετικά και τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια να κινηθούν σε αντίθετες διευθύνσεις. Τα δεδομένα για την πορεία και την ενέργεια των σωματιδίων που παράγονται κατʼ έτος στα τέσσερα πειράματα του LHC απαιτούν 2 εκατομμύρια DVD.
Το GRID είναι ο δικτυακός ιστός (WEB) της νέας γενιάς. Το WEB όπως όλοι μας γνωρίζουμε από την καθημερινότητά μας καθιστά την πληροφορία διαθέσιμη με φιλικό και διαφανή τρόπο. Το GRID πάει ένα βήμα παραπέρα πάει με την έννοια ότι επιτρέπει σε μια παγκόσμια κοινότητα που μελετά το ίδιο πρόβλημα να μοιράζεται την κατανεμημένη ισχύ διάσπαρτων υπολογιστών, προκειμένου να επιλύσουν με συντεταγμένο τρόπο ένα πρόβλημα συμπεφωνημένο από κοινού. Με το GRID οι χρήστες δεν απασχολούνται με το αν χρησιμοποιούν την ισχύ του δικού τους υπολογιστή ή ενός συστήματος τοποθετημένου σε μια απόμακρη γωνιά του πλανήτη.
Η μηχανή θα προσδώσει ενέργεια στα πρωτόνια επτά φορές μεγαλύτερη από αυτή που έχουμε επιτύχει μέχρι σήμερα και θα επιτύχει μια πρωτοφανή πυκνότητα δεσμών ώστε να αυξάνει την πιθανότητα συγκρούσεων. Όσο πιο πολύ αυξάνεται η ενέργεια τόσο πιο πολύ μπορούμε να διεισδύσουμε στο εσωτερικό της ύλης, να ταξιδέψουμε σε μικρότερες διαστάσεις και να μάθουμε νέα πράγματα. Μιλάμε για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων γιατί στην πορεία του 20ού αιώνα το πρότυπο των υποατομικών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων αποδείχτηκε αποτελεσματικό στην προσπάθειά μας να απαντήσουμε σε θεμελιώδη ερωτήματα όπως, τι κρατά του πυρήνες συμπαγείς, γιατί η φύση είναι όπως τη γνωρίζουμε, ποια είναι η αιτία των ραδιενεργών διασπάσεων και ποια η πηγή ενέργειας του ήλιου, πως η φύση ξεχωρίζει ανάμεσα στην αριστερά και τη δεξιά (όχι βέβαια του κοινοβουλίου…).
Το μαθηματικό μοντέλο που έχουμε για όλες τις αλληλεπιδράσεις της φύσης, εκτός από τη βαρύτητα, μας δίνει εκπληκτική συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα μέχρι περίπου το ένα δέκατο της ενέργειας του LHC. Έτσι λοιπόν ξανοίγεται μπροστά μας ένα πεδίο φυσικής στο οποίο δεν γνωρίσουμε τι θα συναντήσουμε. Για να πάρετε μια γεύση μπείτε στο Google map και προσπαθήστε να δείτε τις γειτονιές τις Αθήνας σε διάφορες μεγεθύνσεις. Όσο αυξάνει η μεγέθυνση τόσο πιο καθαρή γίνεται η εικόνα. Έτσι λοιπόν με τον δεκαπλασιασμό της ενέργεια θα μελετήσουμε τη δομή της ύλης με μεγαλύτερη λεπτομέρεια χωρίς να γνωρίζουμε ακόμα τι θα συναντήσουμε.
Και με το σωματίδιο higgs τι γίνεται; Όλοι μας μαθαίνουμε από το Γυμνάσιο ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός έγινε μια ενιαία λέξη γιατί τα δύο φαινόμενα έχουν την ίδια πηγή. Στάσιμα ηλεκτρικά φορτία είναι πηγές του ηλεκτρισμού, ενώ κινούμενα φορτία παράγουν μαγνητικά φορτία. Και ακόμα παραπέρα, όταν αυτά επιταχύνονται έχουμε φως! Κι ενώ βλέπουμε το φως με τα ίδια μας τα μάτια, στο πέρασμα του προηγούμενου αιώνα χρειάστηκαν τα πιο καταστροφικά όπλα για να μάθουμε ότι μαζί με τον ηλεκτρομαγνητισμό, η έκλυση της ενέργειας από την ατομική βόμβα, αλλά και η παραγωγή ενέργειας από τον Ήλιο, οφείλεται σε μια άλλη αλληλεπίδραση, την ασθενή, που περιγράφεται από τις ίδιες εξισώσεις με τον ηλεκτρομαγνητισμό.
Μια νέα ενοποίηση ! και το μαθηματικό μοντέλο που αναφέραμε έχει τον τίτλο «θεωρία των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων». Οι δύο αλληλεπιδράσεις πήραν διαφορετικούς δρόμους στα πρώιμα στάδια εξέλιξης του σύμπαντος διαμέσου ενός μηχανισμού που ονομάζεται αυθόρμητη άρση συμμετρίας. Συνυφασμένο με αυτό τον μηχανισμό είναι η ύπαρξη ενός πεδίου το οποίο εφοδιάζει με μάζα τα σωματίδια. Και όπως φορέας του ηλεκτρομαγνητισμού είναι το άυλο φωτόνιο, φορέας του νέου πεδίου είναι το σωματίδιο higgs. Κι αυτό δεν το έχουμε ανακαλύψει ακόμα πειραματικά, έχουμε όμως βάσιμες ελπίδες ότι μπορούμε να το πετύχουμε με το LHC.
Το LHC θα μας επιτρέψει να διερευνήσουμε τους νόμους της φύσης σε ένα βαθύτερο επίπεδο από αυτό που τους γνωρίζουμε μέχρι σήμερα. Και να πιάσουμε το νήμα με τη φευγαλέα δύναμη της βαρύτητας που μας κρατά καθηλωμένους στη γη, και κάνει τους πλανήτες να περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Η πλέον καλοδουλεμένη επέκταση της θεωρίας των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων είναι η θεωρία της υπερσυμμετρίας.
Μια θεωρία που επεκτείνει τον χώρο των τριών χωρικών διαστάσεων και του χρόνου ενσωματώνοντας τη θεωρία της κβαντικής φυσικής. Και που μας δείχνει ότι σε ένα άλλο σημείο της εξέλιξης του σύμπαντος και η βαρύτητα ήταν αγκαλιά με όλες τις άλλες δυνάμεις. Η ίδια θεωρία θα μπορούσε να μας απαντήσει και σε μεγάλα κοσμολογικά ερωτήματα όπως το πρόβλημα της ελλείπουσας ή «κρυφής» μάζας του σύμπαντος. Άλλες εξωτικές θεωρίες που θα δοκιμαστούν είναι αυτές που μιλάν για κόσμους περισσότερων διαστάσεων και πάει λέγοντας...
Ένα είναι σίγουρο, το ταξίδι της μετατροπής φιλοσοφικών αναζητήσεων σε επιστημονικά ερωτήματα συνεχίζεται. Οι μύθοι απομακρύνονται όλο και περισσότερο από την καθημερινότητα μας και ο άνθρωπος νιώθει την απέραντη μοναξιά του στον κόσμο. Μόνη μας ελπίδα η αναζήτηση μιας παγκόσμιας αλληλεγγύης που θα μας βοηθήσει όλους να βελτιώσουμε τη ζωή μας και να παραδώσουμε στις γενιές που ακολουθούν έναν καλύτερο κόσμο.
*Φυσικός Στοιχειωδών Σωματιδίων
Το LHC αποτελεί την πλέον περίπλοκη πειραματική διάταξη φυσικής που επινοήθηκε μέχρι σήμερα. Περιλαμβάνει, έναν επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων (LHC), τέσσερις πειραματικές συσκευές με τις ονομασίες, ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, και ένα παγκόσμιο δίκτυο υπολογιστών σε δομή GRID.
Ο επιταχυντής επιταχύνει, με ένα σύστημα ηλεκτρικών πεδίων, δέσμες πακέτων που αποτελούνται από 100 δισεκατομμύρια πρωτόνια το καθένα και κινούνται σε δύο αντίθετες κυκλικές τροχιές ώσπου να φτάσουν πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Στη συνέχεια τα πακέτα αυτά αναγκάζονται να έλθουν σε μετωπική σύγκρουση. Με απλή αλλαγή κλίμακας μεγεθών αυτή η διαδικασία ισοδυναμεί με το να προσπαθείς να φέρεις σε μετωπική σύγκρουση δύο βελόνες που ξεκινούν η μία από τον Παρθενών και η άλλη από τη Γενεύη. Κάθε δέσμη μεταφέρει ισοδύναμη ενέργεια με αυτή ενός τραίνου 400 τόνων που κινείται με ταχύτητα 150 χιλιομέτρων την ώρα. Μετά τη σύγκρουση και με βάση τη μαγική εξίσωση του Einstein, E=mc2, η ενέργεια των συστατικών των πρωτονίων μετατρέπεται σε μια πληθώρα σωματιδίων.
Γύρω από τα σημεία σύγκρουσης υπάρχουν πολύπλοκοι ανιχνευτές με πολλά εκατομμύρια αισθητήρες που καταγράφουν την πορεία και την ενέργεια των παραγομένων σωματιδίων. Ισχυρά μαγνητικά πεδία βοηθούν στην αναγνώριση των σωματιδίων αφού αναγκάζουν τα θετικά και τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια να κινηθούν σε αντίθετες διευθύνσεις. Τα δεδομένα για την πορεία και την ενέργεια των σωματιδίων που παράγονται κατʼ έτος στα τέσσερα πειράματα του LHC απαιτούν 2 εκατομμύρια DVD.
Το GRID είναι ο δικτυακός ιστός (WEB) της νέας γενιάς. Το WEB όπως όλοι μας γνωρίζουμε από την καθημερινότητά μας καθιστά την πληροφορία διαθέσιμη με φιλικό και διαφανή τρόπο. Το GRID πάει ένα βήμα παραπέρα πάει με την έννοια ότι επιτρέπει σε μια παγκόσμια κοινότητα που μελετά το ίδιο πρόβλημα να μοιράζεται την κατανεμημένη ισχύ διάσπαρτων υπολογιστών, προκειμένου να επιλύσουν με συντεταγμένο τρόπο ένα πρόβλημα συμπεφωνημένο από κοινού. Με το GRID οι χρήστες δεν απασχολούνται με το αν χρησιμοποιούν την ισχύ του δικού τους υπολογιστή ή ενός συστήματος τοποθετημένου σε μια απόμακρη γωνιά του πλανήτη.
Η μηχανή θα προσδώσει ενέργεια στα πρωτόνια επτά φορές μεγαλύτερη από αυτή που έχουμε επιτύχει μέχρι σήμερα και θα επιτύχει μια πρωτοφανή πυκνότητα δεσμών ώστε να αυξάνει την πιθανότητα συγκρούσεων. Όσο πιο πολύ αυξάνεται η ενέργεια τόσο πιο πολύ μπορούμε να διεισδύσουμε στο εσωτερικό της ύλης, να ταξιδέψουμε σε μικρότερες διαστάσεις και να μάθουμε νέα πράγματα. Μιλάμε για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων γιατί στην πορεία του 20ού αιώνα το πρότυπο των υποατομικών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων αποδείχτηκε αποτελεσματικό στην προσπάθειά μας να απαντήσουμε σε θεμελιώδη ερωτήματα όπως, τι κρατά του πυρήνες συμπαγείς, γιατί η φύση είναι όπως τη γνωρίζουμε, ποια είναι η αιτία των ραδιενεργών διασπάσεων και ποια η πηγή ενέργειας του ήλιου, πως η φύση ξεχωρίζει ανάμεσα στην αριστερά και τη δεξιά (όχι βέβαια του κοινοβουλίου…).
Το μαθηματικό μοντέλο που έχουμε για όλες τις αλληλεπιδράσεις της φύσης, εκτός από τη βαρύτητα, μας δίνει εκπληκτική συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα μέχρι περίπου το ένα δέκατο της ενέργειας του LHC. Έτσι λοιπόν ξανοίγεται μπροστά μας ένα πεδίο φυσικής στο οποίο δεν γνωρίσουμε τι θα συναντήσουμε. Για να πάρετε μια γεύση μπείτε στο Google map και προσπαθήστε να δείτε τις γειτονιές τις Αθήνας σε διάφορες μεγεθύνσεις. Όσο αυξάνει η μεγέθυνση τόσο πιο καθαρή γίνεται η εικόνα. Έτσι λοιπόν με τον δεκαπλασιασμό της ενέργεια θα μελετήσουμε τη δομή της ύλης με μεγαλύτερη λεπτομέρεια χωρίς να γνωρίζουμε ακόμα τι θα συναντήσουμε.
Και με το σωματίδιο higgs τι γίνεται; Όλοι μας μαθαίνουμε από το Γυμνάσιο ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός έγινε μια ενιαία λέξη γιατί τα δύο φαινόμενα έχουν την ίδια πηγή. Στάσιμα ηλεκτρικά φορτία είναι πηγές του ηλεκτρισμού, ενώ κινούμενα φορτία παράγουν μαγνητικά φορτία. Και ακόμα παραπέρα, όταν αυτά επιταχύνονται έχουμε φως! Κι ενώ βλέπουμε το φως με τα ίδια μας τα μάτια, στο πέρασμα του προηγούμενου αιώνα χρειάστηκαν τα πιο καταστροφικά όπλα για να μάθουμε ότι μαζί με τον ηλεκτρομαγνητισμό, η έκλυση της ενέργειας από την ατομική βόμβα, αλλά και η παραγωγή ενέργειας από τον Ήλιο, οφείλεται σε μια άλλη αλληλεπίδραση, την ασθενή, που περιγράφεται από τις ίδιες εξισώσεις με τον ηλεκτρομαγνητισμό.
Μια νέα ενοποίηση ! και το μαθηματικό μοντέλο που αναφέραμε έχει τον τίτλο «θεωρία των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων». Οι δύο αλληλεπιδράσεις πήραν διαφορετικούς δρόμους στα πρώιμα στάδια εξέλιξης του σύμπαντος διαμέσου ενός μηχανισμού που ονομάζεται αυθόρμητη άρση συμμετρίας. Συνυφασμένο με αυτό τον μηχανισμό είναι η ύπαρξη ενός πεδίου το οποίο εφοδιάζει με μάζα τα σωματίδια. Και όπως φορέας του ηλεκτρομαγνητισμού είναι το άυλο φωτόνιο, φορέας του νέου πεδίου είναι το σωματίδιο higgs. Κι αυτό δεν το έχουμε ανακαλύψει ακόμα πειραματικά, έχουμε όμως βάσιμες ελπίδες ότι μπορούμε να το πετύχουμε με το LHC.
Το LHC θα μας επιτρέψει να διερευνήσουμε τους νόμους της φύσης σε ένα βαθύτερο επίπεδο από αυτό που τους γνωρίζουμε μέχρι σήμερα. Και να πιάσουμε το νήμα με τη φευγαλέα δύναμη της βαρύτητας που μας κρατά καθηλωμένους στη γη, και κάνει τους πλανήτες να περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Η πλέον καλοδουλεμένη επέκταση της θεωρίας των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων είναι η θεωρία της υπερσυμμετρίας.
Μια θεωρία που επεκτείνει τον χώρο των τριών χωρικών διαστάσεων και του χρόνου ενσωματώνοντας τη θεωρία της κβαντικής φυσικής. Και που μας δείχνει ότι σε ένα άλλο σημείο της εξέλιξης του σύμπαντος και η βαρύτητα ήταν αγκαλιά με όλες τις άλλες δυνάμεις. Η ίδια θεωρία θα μπορούσε να μας απαντήσει και σε μεγάλα κοσμολογικά ερωτήματα όπως το πρόβλημα της ελλείπουσας ή «κρυφής» μάζας του σύμπαντος. Άλλες εξωτικές θεωρίες που θα δοκιμαστούν είναι αυτές που μιλάν για κόσμους περισσότερων διαστάσεων και πάει λέγοντας...
Ένα είναι σίγουρο, το ταξίδι της μετατροπής φιλοσοφικών αναζητήσεων σε επιστημονικά ερωτήματα συνεχίζεται. Οι μύθοι απομακρύνονται όλο και περισσότερο από την καθημερινότητα μας και ο άνθρωπος νιώθει την απέραντη μοναξιά του στον κόσμο. Μόνη μας ελπίδα η αναζήτηση μιας παγκόσμιας αλληλεγγύης που θα μας βοηθήσει όλους να βελτιώσουμε τη ζωή μας και να παραδώσουμε στις γενιές που ακολουθούν έναν καλύτερο κόσμο.
*Φυσικός Στοιχειωδών Σωματιδίων
