Σάββατο, 3 Μαΐου 2014

Η περιπέτεια των σωματιδίων στο CERN, των Διονύση Σιμόπουλου και Αλέξη Δεληβοριά

Αρκετές δεκάδες μέτρα κάτω από τα γαλλοελβετικά σύνορα, στις εγκαταστάσεις του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών CERN, βρίσκεται Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC), ο ισχυρότερος σωματιδιακός επιταχυντής που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Η τεράστια αυτή «μηχανή» επιταχύνει αντίθετα κινούμενες δέσμες πρωτονίων και ιόντων μολύβδου σε ταχύτητες που πλησιάζουν αυτήν του φωτός, οι οποίες στην συνέχεια συγκρούονται μεταξύ τους, αναδημιουργώντας συνθήκες παρόμοιες μ’ αυτές που υπήρξαν σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Με την πρόσφατη ανίχνευση στον LHC του μποζονίου Higgs και κατά συνέπεια με την επιβεβαίωση του ομώνυμου μηχανισμού που προσδίδει μάζα στα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στη βασική έρευνα για την αποκρυπτογράφηση των μυστικών του Σύμπαντος και των θεμελιωδών νόμων που το διέπουν. Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs αποτελεί τον τελευταίο κρίκο μιας μακράς αλυσίδας επιστημονικών ανακαλύψεων, χάρη στις οποίες διευρύναμε εντυπωσιακά τις γνώσεις μας για τα θεμελιώδη δομικά συστατικά της ύλης και τις δυνάμεις με τις οποίες αλληλεπιδρούν και ενώνονται μεταξύ τους. Οι γνώσεις μας αυτές συνοψίζονται σε μία θεωρία, γνωστή ως το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ).
Σύμφωνα με το ΚΠ, η «συνηθισμένη» ύλη στο Σύμπαν συγκροτείται από 12 μόλις βασικά δομικά υλικά. Ήδη από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα, γνωρίζουμε ότι τα άτομα συγκροτούνται από θετικά φορτισμένους πυρήνες, που αποτελούνται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια, γύρω απ’ τους οποίους κινούνται αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Όπως, όμως, επιβεβαιώθηκε το 1968, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από συνδυασμούς δύο άλλων σωματιδίων, τα οποία οι φυσικοί ονόμασαν πάνω και κάτω κουάρκ. Από όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, το ηλεκτρόνιο μαζί με τα πάνω και κάτω κουάρκ, καθώς και ένα άλλο, ουδέτερο και με ελάχιστη μάζα σωματίδιο, το νετρίνο του ηλεκτρονίου, είναι τα μόνα σωματίδια που απαιτούνται για την δημιουργία ολόκληρης της ορατής ύλης που υπάρχει στο Σύμπαν! Τα τέσσερα αυτά στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία είναι και τα ελαφρύτερα που υπάρχουν στη φύση, αποτελούν την πρώτη γενιά των σωματιδίων της ύλης.
Υπάρχουν, όμως, και άλλα, βαρύτερα θεμελιώδη σωματίδια, που συγκροτούν την δεύτερη και την τρίτη γενιά της ύλης. Η δεύτερη γενιά αποτελείται από το μιόνιο, το νετρίνο του μιονίου και δύο ακόμα κουάρκ, τα οποία οι φυσικοί βάφτισαν γοητευτικό και παράξενο, ενώ η τρίτη γενιά αποτελείται από το σωματίδιο ταυ, το νετρίνο ταυ και τα κουάρκ κορυφή και πυθμένας. Τα φορτισμένα σωματίδια της δεύτερης και της τρίτης γενιάς διασπώνται ταχύτατα σε σωματίδια της πρώτης γενιάς και μόνο οι τεράστιες ενέργειες των κοσμικών ακτίνων και των σωματιδιακών επιταχυντών μπορούν να τα «αναδημιουργήσουν». Όλα αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια, μαζί με τα αντισωματίδιά τους, συνυπήρξαν για ένα ελάχιστο χρονικό διάστημα σχεδόν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα σωματίδια της πρώτης γενιάς ενώνονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας τις δομές του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου, από το πρωτόνιο και τα άτομα, μέχρι τις τεράστιες συγκεντρώσεις ύλης των άστρων και των γαλαξιών του Σύμπαντος. Αυτό επιτυγχάνεται διά μέσου τεσσάρων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων: της βαρυτικής, της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρής.
Η βαρυτική αλληπεπίδραση είναι η ασθενέστερη απ’ όλες και περιγράφεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Όμως, παρόλο που σε μεγάλες κλίμακες καθορίζει τον σχηματισμό και την εξέλιξη της δομής στο Σύμπαν, στο βασίλειο του μικρόκοσμου είναι αμελητέα, γι’ αυτό και το ΚΠ την «αγνοεί». Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, ακριβώς όπως και η βαρύτητα, έχει άπειρη εμβέλεια και εμφανίζεται σε όλα τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα, ενώ σε αυτήν οφείλεται το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια συγκρατούνται στους θετικά φορτισμένους πυρήνες. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελεί επίσης και την αιτία σύνδεσης των ατόμων μεταξύ τους για τον σχηματισμό των μορίων. Στο εσωτερικό του πυρήνα των ατόμων, όμως, επικρατούν δύο άλλες αλληλεπιδράσεις, που δεν είναι και τόσο γνωστές, καθώς γίνονται αισθητές μόνο σε υποατομικές κλίμακες. Η πρώτη είναι η ασθενής αλληλεπίδραση, που ευθύνεται για τις διασπάσεις των σωματιδίων της δεύτερης και τρίτης γενιάς σε αυτά της πρώτης, αλλά και για τη μετατροπή των πρωτονίων σε νετρόνια, επιτρέποντας έτσι τις πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό των άστρων. Η δεύτερη είναι η ισχυρή αλληλεπίδραση, η οποία συγκρατεί τα κουάρκ στο εσωτερικό σωματιδίων, όπως το πρωτόνιο, και εμποδίζει τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια, που απωθούνται μεταξύ τους, να «διαλύσουν» τους ατομικούς πυρήνες, στους οποίους είναι συγκεντρωμένα.
Σύμφωνα με το ΚΠ, οι αλληλεπιδράσεις αυτές οφείλονται στην ανταλλαγή «σωματιδίων-φορέων» της κάθε αλληλεπίδρασης, που ονομάζονται μποζόνια και μεταφέρουν διακριτά ποσά ενέργειας από το ένα σωματίδιο ύλης στο άλλο: τα φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική, τα μποζόνια W και Ζ για την ασθενή και τα γλουόνια για την ισχυρή. Με δεδομένη την ανακάλυψη ενός ακόμη μποζονίου, του μποζονίου Higgs, όλα τα στοιχειώδη σωματίδια που προβλέπει το ΚΠ, έχουν πλέον ανιχνευθεί. Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, ειδικότερα, αποτελεί μία από τις κορυφαίες επιστημονικές ανακαλύψεις στην ιστορία της φυσικής και χάρισε το Νόμπελ Φυσικής 2013 στους Peter Higgs και François Englert για τις πρωτοποριακές τους μελέτες, με τις οποίες κατέδειξαν τον φυσικό μηχανισμό, που προσδίδει μάζα στα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης.
Και όμως, για να φτάσουμε ως εδώ απαιτήθηκε τεράστια διανοητική προσπάθεια χιλιάδων φυσικών για τουλάχιστον μισό αιώνα. Η συνεισφορά του CERN στην προσπάθεια αυτή υπήρξε καθοριστική. Για να καθιερωθεί, όμως, το CERN ως το κορυφαίο ερευνητικό κέντρο στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων έπρεπε να περάσουν αρκετά χρόνια. Πραγματικά, η πρώτη επίσημη πρόταση για την ίδρυση ενός Ευρωπαϊκού ερευνητικού κέντρου κατατέθηκε από τον Γάλλο φυσικό και κάτοχο του Νόμπελ Φυσικής 1929, Louis de Broglie (1892-1987) τον Δεκέμβριο του 1949, σε μία επιστολή του προς το συνέδριο European Cultural Conference, που εκείνες τις μέρες διεξαγόταν στην Λωζάννη. Πέντε χρόνια αργότερα, στις 29 Σεπτεμβρίου 1954, δώδεκα ιδρυτικά κράτη-μέλη, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, υπέγραψαν την τελική σύμβαση ίδρυσης του CERN. Είναι αλήθεια ότι στα πρώτα χρόνια λειτουργίας του και έχοντας να ανταγωνιστεί τα κορυφαία ερευνητικά εργαστήρια Lawrence Berkeley και Brookhaven της Αμερικής, το CERN ερχόταν συχνά δεύτερο στις μεγάλες ανακαλύψεις. Όμως, με προσεκτικό σχεδιασμό, με την κατασκευή όλο και ισχυρότερων επιταχυντών και με τη συγκέντρωση της αφρόκρεμας των Ευρωπαίων ερευνητών, η κατάσταση αργά αλλά σταθερά αναστράφηκε.
Τον Φεβρουάριο του 1985, ειδικότερα, άρχισε η κατασκευή του επιταχυντή LEP (Large Electron-Positron Collider), τετραπλάσιου, περίπου, μήκους από αυτό του προκατόχου του SPS. Η διάνοιξη της κυκλικής σήραγγας των 27 km, στην οποία εγκαταστάθηκε ο LEP, ολοκληρώθηκε το Φεβρουάριο του 1988, ενώ έπειτα από 11 χρόνια λειτουργίας και τεράστιας συνεισφοράς στην εμπέδωση του ΚΠ, ο LEP έκλεισε στις 2 Νοεμβρίου του 2000, προκειμένου να αρχίσει στην ίδια ακριβώς σήραγγα η κατασκευή του νέου επιταχυντή LHC. Οκτώ χρόνια αργότερα, στις 10 Σεπτεμβρίου 2008, το έργο είχε ολοκληρωθεί και ο LHC ξεκινούσε το πρώτο, πειραματικό στάδιο της λειτουργίας του. Με περιφέρεια 27 km και χιλιάδες υπεραγώγιμους μαγνήτες, που κατευθύνουν και εστιάζουν τις δέσμες των συγκρουόμενων σωματιδίων, ο LHC είναι ο ισχυρότερος επιταχυντής που έχει ποτέ κατασκευαστεί. Χιλιάδες τόνοι υγρού αζώτου και ηλίου διατηρούν την θερμοκρασία λειτουργίας του στους -271,3 °C, θερμοκρασία ψυχρότερη ακόμα και απ’ αυτήν που επικρατεί στον μεσοαστρικό χώρο! Αντιθέτως, κατά τη σύγκρουση ιόντων μολύβδου παράγονται θερμοκρασίες 100.000 φορές υψηλότερες απ’ αυτές που επικρατούν στο εσωτερικό του Ήλιου, ενώ προκειμένου να αποφεύγονται οι συγκρούσεις με μόρια του αέρα, το κενό που έχει επιτευχθεί στο εσωτερικό των σωλήνων, όπου επιταχύνονται οι δέσμες των φορτισμένων σωματιδίων, είναι αντίστοιχο με το κενό που επικρατεί στο μεσοπλανητικό διάστημα.
Τα πειράματα που διεξάγονται στον LHC παράγουν 15 εκατομμύρια gigabytes δεδομένων τον χρόνο. Αρκεί μόνο να πούμε ότι εάν αποθηκεύονταν όλα τα δεδομένα που καταγράφει ο ένας μόνο από τους δύο μεγαλύτερους ανιχνευτές (ATLAS), θα γέμιζαν 100.000 CD το δευτερόλεπτο, αρκετά για να δημιουργήσουμε μια στοίβα που θα έφτανε ως τη Σελήνη σε 6 μήνες! Για την διαχείριση αυτών των δεδομένων χρησιμοποιούνται ειδικά υπολογιστικά συστήματα, που απορρίπτουν τα περισσότερα «γεγονότα», εκτός από εκείνα που θεωρούνται «ενδιαφέροντα», τα οποία αποστέλλονται στους κεντρικούς υπολογιστές του LHC για αποθήκευση και μελλοντική ανάλυση. Ακόμα και έτσι όμως, ο όγκος των δεδομένων παραμένει τόσο μεγάλος, που για την επεξεργασία του έχει σχεδιαστεί ένα τεράστιο δίκτυο υπολογιστών, το οποίο μεταφέρει τα δεδομένα σε κάθε γωνιά της Γης, σε όλους τους ερευνητικούς φορείς που συμμετέχουν στις έρευνες του CERN. Πρόκειται για το επονομαζόμενο Υπολογιστικό Πλέγμα, το οποίο αποτελείται από δεκάδες χιλιάδες υπολογιστές, που συνεργάζονται μεταξύ τους, επαυξάνοντας την συνολική υπολογιστική τους ισχύ στα επίπεδα που απαιτούνται για την διαχείριση και την επεξεργασία του όγκου των δεδομένων που προαναφέραμε.
Προτού, όμως, αναφερθούμε στα μεγάλα πειράματα που διεξάγονται στον LHC, θα περιγράψουμε με συντομία τον βασικό τρόπο λειτουργίας του, για την περίπτωση που επιταχύνονται πρωτόνια (ο τρόπος επιτάχυνσης ιόντων μολύβδου ακολουθεί τις ίδιες περίπου φυσικές αρχές). Το πρώτο βήμα, λοιπόν, δεν είναι άλλο από την παραγωγή των πρωτονίων που πρόκειται να επιταχυνθούν, τα οποία προέρχονται από μια φιάλη υδρογόνου, από τα άτομα του οποίου έχουν αφαιρεθεί τα ηλεκτρόνιά τους. Στην συνέχεια και με την βοήθεια παλαιότερων, αλλά αναβαθμισμένων επιταχυντών του CERN, όπως το Σύγχροτρο Πρωτονίων (PS) και το ΥπερΣύγχροτρο Πρωτονίων (SPS), η ενέργεια των επιταχυνόμενων πρωτονίων αυξάνεται σταδιακά, προτού αυτά εισαχθούν στον LHC, σε δύο αντίθετα κινούμενες δέσμες, όπου και επιταχύνονται στην ενέργεια-ρεκόρ των 7 GeV.
Οι δέσμες αυτές κινούνται στο εσωτερικό 2 γειτονικών σωλήνων, που βρίσκονται σε κατάσταση υπερυψηλού κενού και οι οποίοι διασταυρώνονται σε 4 σημεία. Στα σημεία αυτά οι δέσμες συγκρούονται μετωπικά, μετατρέποντας την ενέργειά τους σε νέα σωματίδια. Όσο, μάλιστα, μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των συγκρουόμενων σωματιδίων, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα των νέων σωματιδίων που παράγονται. Για την ανίχνευση και καταγραφή των δεδομένων, που παράγονται από τις εκατοντάδες εκατομμύρια συγκρούσεις σωματιδίων το δευτερόλεπτο, στα 4 σημεία διασταύρωσης των δεσμών έχουν εγκατασταθεί 4 ανιχνευτές πρωτόγνωρης ακρίβειας και ευαισθησίας. Οι πληροφορίες που καταγράφουν για τις τροχιές, την ενέργεια, την μάζα και το ηλεκτρικό φορτίο των νέων σωματιδίων βοηθούν τους φυσικούς να προσδιορίσουν την ταυτότητά τους.
Οι δύο μεγαλύτεροι ανιχνευτές CMS (Compact Muon Solenoid) και ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) έχουν χαρακτηριστεί ως πειραματικές διατάξεις «γενικού σκοπού», καθώς και οι δύο έχουν σχεδιαστεί έτσι, ώστε να διερευνούν μια ευρύτατη γκάμα φυσικών φαινομένων: από τον μηχανισμό που προσδίδει στα θεμελιώδη σωματίδια την μάζα τους μέχρι την ύπαρξη επιπλέον χωρικών διαστάσεων και την φύση της σκοτεινής ύλης. Ο τρίτος ανιχνευτής, ALICE (A Large Ion Collider Experiment), διερευνά το επονομαζόμενο πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, μέσα από την καταγραφή και την ανάλυση των σωματιδίων που παράγονται κατά τις συγκρούσεις ιόντων μολύβδου. Οι συγκρούσεις αυτές παράγουν θερμοκρασίες 100.000 φορές μεγαλύτερες απ’ αυτές που επικρατούν στο κέντρο του Ήλιου. Στις θερμοκρασίες αυτές τα πρωτόνια και τα νετρόνια «αποδεσμεύουν» τα κουάρκ και τα γλουόνια, δημιουργώντας το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, που υπήρξε για μια φευγαλέα στιγμή σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Ο ανιχνευτής LHCb (Large Hadron Collider beauty), τέλος, μελετά την ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Εάν υποθέσουμε ότι το νεογέννητο Σύμπαν περιείχε ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, η μεταξύ τους επαφή θα έπρεπε να τις είχε εξαϋλώσει σε καθαρή ενέργεια. Προφανώς, αυτό δεν συνέβη και θα πρέπει να λειτούργησε κάποιος φυσικός μηχανισμός, χάρη στον οποίο περίσσεψε ένα μικρό πλεόνασμα ύλης. Η κατανόηση αυτού του μηχανισμού συνιστά μία ακόμη μεγάλη πρόκληση για την σύγχρονη φυσική.
Όμως, παρόλο που το ΚΠ αποτελεί την καλύτερη περιγραφή του μικρόκοσμου των στοιχειωδών σωματιδίων, μια σειρά από θεμελιώδη ερωτήματα εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα, με πρώτο το γεγονός ότι η βαρυτική αλληλεπίδραση, η οποία εικάζεται ότι μεταδίδεται και αυτή με την ανταλλαγή μποζονίων, δεν περιγράφεται καθόλου από το ΚΠ. Το «Άγιο Δισκοπότηρο» της θεωρητικής φυσικής, η ενοποίηση δηλαδή και των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων σε μια ενιαία «Θεωρία των Πάντων» δεν έχει ακόμη επιτευχθεί, αφού η κβαντική θεωρία που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μικρόκοσμου και η γενική θεωρία της σχετικότητας που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μακρόκοσμου είναι δύο μαθηματικές δομές που κανένας ως τώρα δεν κατάφερε να ταιριάξει. Επιπλέον, αν και το ΚΠ ενοποιεί τις ηλεκτρομαγνητικές με τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις στην ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση, όπως ονομάζεται, η ενοποίηση αυτής της τελευταίας με την ισχυρή αλληλεπίδραση δεν έχει ακόμη επιτευχθεί, κάτι που εικάζεται ότι θα υλοποιηθεί στα πλαίσια μιας ομάδας ευρύτερων θεωριών από το Καθιερωμένο Πρότυπο, που ονομάζονται Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες.
Δεν πρέπει, ακόμη, να ξεχνάμε ότι το ΚΠ αφορά στην ορατή μόνο ύλη του Σύμπαντος, που δεν αντιπροσωπεύει παρά μόλις το 5% της συνολικής μάζας και ενέργειας που εμπεριέχει. Ένα επιπλέον 27% αντιστοιχεί σε μιας άγνωστης μορφής σκοτεινή ύλη, ενώ το υπόλοιπο 68% κυριαρχείται από μια εξίσου άγνωστη μορφή ενέργειας με βαρυτικά απωστικές ιδιότητες, που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια και προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Η διερεύνηση αυτών των δύο «σκοτεινών» μορφών ύλης και ενέργειας είναι σχεδόν βέβαιο ότι απαιτεί «νέα» φυσική, πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου. Άλλα θεμελιώδη ερωτήματα, που εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα, είναι και τα εξής: Γιατί υπάρχουν μόνο τρεις γενιές σωματιδίων; Υπάρχουν επιπλέον χωρικές διαστάσεις; Γιατί ζούμε σ’ ένα Σύμπαν που αποτελείται από ύλη; Οι θεωρητικές προσεγγίσεις για την απάντηση αυτών των ερωτημάτων έχουν ήδη αρχίσει. Η συμβολή του LHC και των μεγάλων πειραμάτων που διεξάγονται εκεί στην πειραματική επαλήθευση των προσεγγίσεων αυτών αναμένεται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον από τους ερευνητές. Δεν πρέπει, άλλωστε, να ξεχνάμε ότι η επαλήθευση ή η διάψευση των προβλέψεων που διατυπώνονται στα πλαίσια μιας νέας επιστημονικής θεωρίας προέρχεται πάντα μέσα από το επιστημονικό πείραμα και την παρατήρηση. Καθώς σε λίγους μήνες η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα θα γιορτάζει την 60ή επέτειο από την ίδρυση του CERN, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα επόμενα χρόνια θα αποδειχθούν εξίσου συναρπαστικά, σηματοδοτώντας μια νέα εποχή επιστημονικών ανακαλύψεων, οι οποίες μελλοντικά μπορεί και να μεταβάλουν εντελώς την εικόνα που έχουμε για το Σύμπαν.
Στην Φωτογραφία: LHC magnets: Η εγκατάσταση των πρώτων μαγνητών του LHC (φωτογρ. © CERN).

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου