2012-07-04 18:51:05
Tου Διονύση Π. Σιμόπουλου, Διευθυντή Ευγενιδείου Πλανηταρίου
Με την ενθουσιώδη ανακοίνωση που έγινε σήμερα στις εγκαταστάσεις της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Πυρηνικών Ερευνών (CERN) σχετικά με τον εντοπισμό του περίφημου σωματιδίου Χίγκς αναζωπυρώθηκε και πάλι το ενδιαφέρον του κοινού. Ελπίζω ότι το κείμενο που ακολουθεί θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της σημαντικής αυτής ανακάλυψης.
Ο Επιταχυντής του CERN
Όπως είναι γνωστό, για την κατανόηση της εξελικτικής πορείας του Σύμπαντος και των αρχικών στιγμών της δημιουργίας χρειάζεται να εισχωρήσουμε βαθιά στο εσωτερικό του ατόμου με την βοήθεια των επιταχυντών στα διάφορα εργαστήρια σωματιδιακής φυσικής. Σ' αυτή μας, λοιπόν, την προσπάθεια τα πειράματα που εκτελούνται στο CERN, στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής, μας βοηθάνε πολύ. Γιατί η πειραματική, αλλά και η θεωρητική έρευνα που διεξάγεται στο CERN, μας δείχνει το δρόμο για την κατεύθυνση που θα πάρει η έρευνα στη φυσική στα επόμενα χρόνια. Μια κατεύθυνση που άρχισε να διαμορφώνεται τον Δεκέμβριο του 1949.
Την περίοδο εκείνη ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Louis de Broglie (1892-1987), βραβευμένος με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1929, σε μια επιστολή του προς το European Cultural Conference στην Λωζάνη, πρότεινε την ίδρυση ενός νέου ευρωπαϊκού ερευνητικού κέντρου, προκειμένου να εμποδιστεί η «διαρροή εγκεφάλων» προς τη Βόρεια Αμερική και για να ανακτήσει ο ευρωπαϊκός χώρος έρευνας τη χαμένη του αίγλη. Πέντε χρόνια αργότερα, στις 29 Σεπτεμβρίου 1954, δώδεκα ιδρυτικά κράτη-μέλη, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, υπέγραψαν την τελική σύμβαση για την δημιουργία της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Πυρηνικών Ερευνών (Conseil Europeéne pour la Recherche Nucléaire-CERN)! Σήμερα τα κράτη - μέλη έχουν φτάσει τα 20.
Για να καθιερωθεί, όμως, το CERN ως το κορυφαίο ερευνητικό κέντρο στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων έπρεπε να περάσει αρκετός καιρός. Ιδιαίτερα τα πρώτα χρόνια λειτουργίας του και έχοντας να ανταγωνιστεί τα κορυφαία ερευνητικά κέντρα του Berkeley και του Brookhaven της Αμερικής, το CERN έρχονταν συχνά δεύτερο στις μεγάλες ανακαλύψεις. Όμως με προσεκτικό σχεδιασμό, την κατασκευή όλο και ισχυρότερων επιταχυντών και τη συγκέντρωση της αφρόκρεμας των Ευρωπαίων ερευνητών η κατάσταση, αργά αλλά σταθερά, αναστράφηκε.
Πρώτος σταθμός στη καθιέρωση του CERN ως κορυφαίου ερευνητικού κέντρου μπορεί να θεωρηθεί το έτος 1959 όταν κατασκευάστηκε το «Σύγχροτρο Πρωτονίων» (Proton Synchrotron - PS), το οποίο και κατέρριψε κάθε προηγούμενο ρεκόρ επιτάχυνσης πρωτονίων. Στα μέσα της δεκαετίας του '60 αποφασίζεται η επέκταση του CERN από την Ελβετία προς τη Γαλλία με την κατασκευή του πρώτου πρωτονικού επιταχυντή/συγκρουστή (Interactive Storage Rings-ISR), ένα έργο που ολοκληρώθηκε το 1971, οπότε και αποφασίστηκε η κατασκευή ενός νέου, ισχυρότερου κυκλικού επιταχυντή, του SPS (Super Proton Collider). Δύο χρόνια αργότερα, στις 31 Ιουλίου 1974, ο «μετροπόντικας» του CERN επέστρεψε στο σημείο από το οποίο ξεκίνησε, έχοντας διανοίξει μία κυκλική σήραγγα μήκους 7 χιλιομέτρων. Στις 17 Ιουνίου 1976 ανακοινώθηκε επιτάχυνση πρωτονίων σε ενέργειες που έφταναν τα 400 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (400 GeV), ενώ το ερευνητικό πρόγραμμα του SPS ξεκίνησε τον επόμενο χρόνο.
Το Φεβρουάριο του 1985 άρχισε η κατασκευή του γιγαντιαίου επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων LEP (Large Electron - Positron Collider), τετραπλάσιου, περίπου, μήκους από αυτό του SPS. Η διάνοιξη μιας κυκλικής σήραγγας 27 χιλιομέτρων και η εγκατάσταση του εξοπλισμού του νέου επιταχυντή αποτέλεσε μια τεράστια τεχνολογική πρόκληση κι ένα κατασκευαστικό επίτευγμα, το οποίο υπολείπονταν μόνο αυτού της διάνοιξης της σήραγγας της Μάγχης. Για την κατασκευή του διανοίχτηκαν οκτώ κατακόρυφα φρεάτια κατά μήκος μιας νοητής κυκλικής περιφέρειας 27 χιλιομέτρων και οι «μετροπόντικες» του CERN ανέλαβαν να εκσκάψουν τμηματικά οκτώ τοξοειδείς σήραγγες μήκους 3.3 χιλιομέτρων η κάθε μία, προκειμένου να ενωθούν τα φρεάτια μεταξύ τους.
Το έργο θεωρήθηκε τόσο δύσκολο που καμία εταιρεία δεν αναλάμβανε την επίβλεψή του. Έτσι, οι ίδιοι οι μηχανικοί και οι τοπογράφοι του CERN, βασιζόμενοι στην προηγούμενη εμπειρία τους από την κατασκευή του SPS, ανέλαβαν την πρόκληση. Η εκσκαφή της σήραγγας ολοκληρώθηκε με επιτυχία το Φλεβάρη του 1988 με μία παρέκκλιση μόνον ενός εκατοστού του μέτρου από τη τιμή που είχε υπολογιστεί στα σχέδια! Έπειτα από 11 χρόνια αδιάκοπης λειτουργίας αλλά και τεράστιας συνεισφοράς στην εμπέδωση του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model) στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, ο LEP έκλεισε προσωρινά στις 2 Νοεμβρίου του 2000 για να αρχίσει η κατασκευή του νέου Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων-LHC (Large Hadron Collider), ο οποίος άρχισε να λειτουργεί το 2008.
Με την επαναλειτουργία του CERN η Ευρώπη ανέλαβε πλέον τα σκήπτρα παγκοσμίως στον τομέα της Φυσικής αφού οι ΗΠΑ αποφάσισαν το 1993 να μην προχωρήσουν στην δημιουργία ενός κυκλικού «Υπέρ-Επιταχυντή» στο Τέξας ο οποίος θα είχε περιφέρεια 86 χιλιομέτρων. Στον τερατώδη εκείνο επιταχυντή τα πρωτόνια θα συγκρούονταν με ενέργεια 40 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (40 TeV), ενώ ο μεγαλύτερος επιταχυντής που διαθέτουν οι Ηνωμένες Πολιτείες σήμερα είναι ο Τέβατρον στο «Φέρμιλαμπ» του Ιλλινόις, ο οποίος έχει φτάσει πλέον στα όρια της προσφοράς του κι σχεδιάζεται ήδη η σταδιακή εγκατάλειψή του. Στον Τέβατρον η σύγκρουση πρωτονίων και αντιπρωτονίων (αντιύλη) παράγει ενέργεια ενός τρισεκατομμυρίου ηλεκτρονιοβόλτ (1TeV), 14 φορές δηλαδή μικρότερη της ενέργειας που μπορεί να πετύχει ο LHC.
Η «μαγεία» των τεράστιων αυτών πειραματικών συμπλεγμάτων βασίζεται στην περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν για την ισοδυναμία ενέργειας και μάζας (Ε=mc2), ενώ όσο πιο μεγάλη είναι η ενέργεια που επιτυγχάνεται στις συσκευές αυτές τόσο πιο κοντά φτάνουμε στις θερμοκρασίες που επικρατούσαν τις πρώτες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος και στα διάφορα φαινόμενα που εξελίχτηκαν την εποχή εκείνη. Σ' εκείνες τις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της δημιουργίας μάς πηγαίνουν τα διάφορα πειράματα που γίνονται σήμερα στο CERN.
Το Πείραμα του Ατλαντα
Σε βάθος 100 περίπου μέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, στα σύνορα Ελβετίας-Γαλλίας, διάφορες πειραματικές διατάξεις στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων (LHC) του CERN στην Γενεύη της Ελβετίας μπορούμε να δούμε το Σύμπαν να ξαναγεννιέται! Στον επιταχυντή αυτό δύο αντίθετα κινούμενες ροές πρωτονίων (αδρόνια) με ταχύτητα που φτάνει σχεδόν την ταχύτητα του φωτός συγκρούονται μεταξύ τους με αποτέλεσμα την δημιουργία τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας.
Ο τεράστιος κυκλικός επιταχυντής LHC με μήκος 27 χιλιομέτρων, αποτελείται από χιλιάδες χιλιόμετρα καλωδιώσεων, χιλιάδες ηλεκτρομαγνήτες και ερευνητικές συσκευές με δεκάδες δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Επί πλέον 128 τόνοι υγρού ηλίου κρατούν την θερμοκρασία των υπεραγώγιμων μαγνητών στους 1,8 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, θερμοκρασία δηλαδή 271 βαθμών Κελσίου κάτω από το μηδέν. Στον LHC οι ροές των σωματιδίων επιταχύνονται σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός, εκτελούν δηλαδή περίπου 11.200 βόλτες γύρω από τον κυκλικό επιταχυντή κάθε δευτερόλεπτο!
Για να επιτευχθούν οι τεράστιες αυτές ταχύτητες το κενό στους σωλήνες ροής είναι παρόμοιο με αυτό που επικρατεί σε υψόμετρο 1.000 χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της Γης, για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις των πρωτονίων με μόρια αέρα, ενώ η πίεση που επικρατεί είναι 760 φορές μικρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση που επικρατεί στην επιφάνεια της θάλασσας. Όταν φτάσουν την επιθυμητή ταχύτητα οι ροές των πρωτονίων κατευθύνονται προς έναν από τους ανιχνευτές του LHC για να συγκρουστούν με αντίθετα κινούμενες ροές σωματιδίων στα έγκατά του παράγοντας στιγμιαία τεράστια ποσά ενέργειας που φτάνουν τα 14 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (TeV), η θερμοκρασία δηλαδή που δημιουργείται στιγμιαία φτάνει τα περίπου 162.000 τρισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.
Αλλά και οι διαστάσεις ενός από τους επί μέρους ανιχνευτές, που ονομάζεται «Ατλας», είναι κι αυτές ιδιαίτερα εντυπωσιακές αφού ο ανιχνευτής αυτός έχει μήκος 43 μέτρων, διάμετρο 22 μέτρων και βάρος 7.000 τόνων, όταν σε σύγκριση το βάρος του Πύργου του Αϊφελ είναι 7.300 τόνοι. Ο υπόγειος χώρος στον οποίο βρίσκεται ο Ατλας έχει μήκος 84 μέτρων, πλάτος 35 μέτρων και ύψος 30 μέτρων, ενώ στη διάρκεια της ενεργού του ζωής θα απασχολήσει 2.000 επιστήμονες και μηχανικούς από 165 ερευνητικά κέντρα σε 35 χώρες. Ο σχεδιασμός του πειραματικού αυτού γίγαντα άρχισε το 1992, η συναρμολόγηση των διαφόρων τμημάτων του άρχισε το 2003, ενώ η λειτουργία του ξεκίνησε το 2008.
Στη διάρκεια των πειραμάτων που εκτελούνται στα πειραματικά αυτά συμπλέγματα σαν τον Ατλαντα, δύο δέσμες πρωτονίων συγκρούονται με τόση δύναμη ώστε ως αποτέλεσμα έχουμε την παραγωγή σωματιδίων με μάζα δέκα φορές μεγαλύτερη από οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο που είναι γνωστό μέχρι τώρα. Αυτού του είδους τα πειράματα υπόσχονται να μας πάνε πίσω στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου, όχι μία αλλά 30 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο και επί χρόνια!
Οι Ανιχνευτές στους Επιταχυντές είναι έτσι διαμορφωμένοι ώστε τα διάφορα μέρη τους μπορούν να εντοπίσουν τα είδη των σωματιδίων που δημιουργούνται κατά την σύγκρουση, την ενέργεια και την διεύθυνσή τους, από τα οποία μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα για την δομή της ύλης. Στον ανιχνευτή του «Ατλαντα», για παράδειγμα, διακρίνουμε τρία κύρια μέρη: τον εσωτερικό ανιχνευτή που μετράει την ορμή των σωματιδίων, το θερμιδόμετρο που απορροφά την ενέργεια των σωματιδίων όταν αυτά συγκρούονται πάνω του κι έτσι μετράει τις ενέργειές τους, και το φασματόμετρο μιονίων που μετράει την ορμή τους.
Στο επιστημονικό αυτό μεγαθήριο, που κόστισε 6 δισεκατομμύρια ευρώ, παράγονται κάθε χρόνο πληροφορίες που καλύπτουν τρία εκατομμύρια DVD. Στην περίπτωση του «Ατλαντα» έχουμε ένα δισεκατομμύριο συγκρούσεις το δευτερόλεπτο και υπολογίζεται ότι μία στα δέκα εκατομμύρια συγκρούσεις μπορεί να υποδηλώνει κάποιο νέο φαινόμενο. Κι αν όλα πάνε όπως έχουν σχεδιαστεί τότε θα έχουμε κατορθώσει να αποτυπώσουμε στις ειδικές συσκευές και την μνήμη των ηλεκτρονικών υπολογιστών τα χνάρια των συνθηκών που επικρατούσαν στις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της δημιουργίας πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.
Η κατασκευή των νέων εγκαταστάσεων στο CERN είχε εξ αρχής ως στόχο να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα ένα βασικό τμήμα της εξελικτικής πορείας του Σύμπαντος και για να μάθουμε επί τέλους από τι αποτελείται ο κόσμος μας. Ελπίζουμε επίσης ότι θα μας βοηθήσει να ανακαλύψουμε για πρώτη φορά τα συστατικά της μυστηριώδους ύλης που ονομάζουμε «σκοτεινή ύλη», ενώ συγχρόνως οι ενέργειες που θα επιτευχθούν τελικά ίσως μπορέσουν να μας εξηγήσουν και το τι θα μπορούσε να είναι η απωθητική δύναμη που ονομάζουμε «σκοτεινή ενέργεια». Οι περισσότεροι όμως ερευνητές υπολογίζουν ότι στα πειράματα αυτά θα μπορέσουμε να εντοπίσουμε πολύ σύντομα το Μποζόνιο Χιγκς το οποίο ο Λέον Λέντερμαν (Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1988) έχει βαφτίσει «το σωματίδιο του Θεού».
Το Μποζόνιο Χιγκς
Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σύγχρονης Πυρηνικής Φυσικής μπορεί να εξηγήσει και να προβλέψει αναρίθμητα φαινόμενα που παρατηρούνται στο μικρόκοσμο, ενώ μεταξύ των άλλων, μεγάλη επιτυχία του θεωρείται και η ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς αλληλεπίδρασης σε μια ηλεκτρασθενή θεωρία. Τα ερωτήματα όμως παραμένουν: από πού πηγάζει, για παράδειγμα, ο μηχανισμός που απαιτείται για να δώσει μάζα στα σωματίδια; Από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια; Γιατί υπάρχουν μόνο τρεις γενεές σωματιδίων; Εάν η ύλη και η αντιύλη δημιουργούνται πάντα σε ίσες ποσότητες, πού πήγε η αντιύλη που θα πρέπει να δημιουργήθηκε αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη; Οι θεωρητικές προσεγγίσεις για την απάντηση τέτοιων ερωτημάτων έχουν ήδη αρχίσει. Η συμβολή του LHC, του νέου επιταχυντή του CERN, στην πειραματική επαλήθευση των προσεγγίσεων αυτών αναμένεται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον από τους ερευνητές στα χρόνια που έρχονται.
Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των ειδικών επιστημόνων πολλοί είναι αυτοί που πιστεύουν ότι τα πειράματα στον LHC θα μας αποκαλύψουν τα μυστικά του Σύμπαντος. Σε πρώτη πάντως φάση, ελπίζουμε ότι τα πειράματα αυτά θα εντοπίσουν την ύπαρξη ενός σωματιδίου που είχε θεωρητικά προταθεί ότι υπάρχει το 1964 από τον Σκωτσέζο φυσικό Πήτερ Χιγκς (1929 - ). Σύμφωνα με το θεωρητικό μοντέλο της ύλης και του Σύμπαντος στο «Καθιερωμένο Πρότυπο» μας λείπει να ανακαλύψουμε το σημαντικό αυτό σωματίδιο που είναι φορέας ενός νέου είδους πεδίου που ονομάζεται «πεδίο Χιγκς» και το οποίο είναι διάχυτο στο Σύμπαν. Για να είναι όμως πλήρως αποδεκτό το μοντέλο αυτό απαιτείται η ύπαρξη του πεδίου Χιγκς και φυσικά του μποζονίου Χιγκς που είναι και ο φορέας του.
Καθώς τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια στον LHC συγκρούονται μεταξύ τους με ταχύτητα πάνω από το 99,99% της ταχύτητας του φωτός μέρος της ενέργειας που δημιουργείται από την σύγκρουση μετατρέπεται σε ύλη σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν (E=mc2). Μ αυτόν τον τρόπο μπορούν να δημιουργηθούν σωματίδια με μεγαλύτερη μάζα απ' εκείνα που συμμετέχουν στη σύγκρουση. Στην περίπτωση του σωματιδίου Χίγκς, για παράδειγμα, η μάζα του αναμένεται να είναι από 120 έως 210 φορές την μάζα που έχει το πρωτόνιο. Η ενέργεια όμως που επιτυγχάνεται στον LHC είναι αρκετά μεγάλη όχι μόνο για τον εντοπισμό του Χιγκς αλλά και για τον εντοπισμό των σωματιδίων της «σκοτεινής ύλης», πολλαπλών διαστάσεων ακόμη και μίνι μαύρων τρυπών με μέγεθος μικρότερο κι από ένα πρωτόνιο.
Το σωματίδιο Χιγκς είναι βασικό συστατικό των θεωρητικών μας εκτιμήσεων ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής δύναμη είναι διαφορετικές εκφάνσεις μιας ενοποιημένης «ηλεκτρασθενούς» δύναμης. Μας υποδεικνύει τον τρόπο με τον οποίο τα χωρίς μάζα φωτόνια, τα σωματίδια του ηλεκτρομαγνητισμού, συγγενεύουν με τα W και Ζ, τα βαρέα σωματίδια (μποζόνια) της ασθενούς δύναμης. Η επιβεβαίωση της θεωρίας στο CERN πριν από 20 χρόνια αναπτέρωσε τις ελπίδες των επιστημόνων ότι θα μπορούσαν κάποια στιγμή να ενοποιήσουν όλες τις δυνάμεις της φύσης σε μία και μοναδική. Έχει επίσης προταθεί ότι κάποιο πεδίο σαν αυτό του Χιγκς θα μπορούσε να ήταν η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του πρώιμου Σύμπαντος στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό, του τρισεκατομμυριοστού του πρώτου τρισεκατομμυριοστού του πρώτου δευτερολέπτου, και ίσως να κρύβει επίσης και το μυστικό της επονομαζόμενης «σκοτεινής ενέργειας» που κάνει το Σύμπαν να διαστέλλεται επιταχυνόμενο τα τελευταία επτά δισεκατομμύρια χρόνια.
Επίσης, χωρίς το πεδίο Χιγκς τίποτα στο Σύμπαν δεν θα είχε μάζα αφού η ύπαρξη του πεδίου αυτού δίνει σε όλα τα άλλα σωματίδια την μάζα τους. Το πεδίο αυτό μπορεί να παρομοιαστεί με μια παχύρρευστη «θάλασσα» μέσα στην οποία «κολυμπάνε» όλα τα σωματίδια. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα σωματίδια «κολυμπάνε» μέσα στο πεδίο αυτό παίρνουν και την δεδομένη μάζα του είδους τους. Υπάρχουν φυσικά και μερικά σωματίδια που δεν αντιδρούν καθόλου με το πεδίο, όπως είναι τα φωτόνια και τα γλοιόνια, οπότε τα σωματίδια αυτά δεν έχουν μάζα. Παρ' όλα αυτά το πεδίο Χιγκς δεν θεωρείται ότι είναι μια ακόμη δύναμη, αφού ούτε επιταχύνει τα σωματίδια ούτε μεταφέρει κάποιου είδους ενέργεια. Εντούτοις το πεδίο αυτό προσδιορίζει επακριβώς την μάζα που περιλαμβάνουν τα υπόλοιπα σωματίδια που «κολυμπάνε» μέσα του.
Αλλά και το μποζόνιο Χιγκς παίρνει κι αυτό την μάζα του από το πεδίο του οποίου είναι και φορέας. Μπορεί δηλαδή να παρομοιαστεί με ένα πυκνότερο σημείο στο πεδίο Χιγκς, όπως όταν βρίσκουμε μια υγροποιημένη σταγόνα νερού σε ένα περιβάλλον ατμού από νερό. Έτσι, όπως και όλα τα άλλα σωματίδια, το μποζόνιο Χιγκς μπορεί να δημιουργηθεί στις συγκρούσεις που επιτυγχάνονται στη διάρκεια πειραμάτων που εκτελούνται στους επιταχυντές, αφού μπορεί και αντιδρά με όλα τα σωματίδια αν και προτιμάει τα «βαρύτερα» απ' αυτά όπως είναι για παράδειγμα ο τελευταίος τύπος κουάρκ που ανακαλύφτηκε το 1995 στο Fermilab των ΗΠΑ.
Η Νέα Θεώρηση του Σύμπαντος
Μερικά από τα σωματίδια που δημιουργούνται στις συγκρούσεις του LHC δεν «επιζούν» παρά ελάχιστα γιατί σε ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου διασπώνται σε ελαφρότερα σωματίδια και ορισμένα εξ αυτών διασπώνται ακόμη πιο πολύ. Οι διαδικασίες αυτές των διασπάσεων δημιουργούν χαρακτηριστικές «υπογραφές» που αποκαλύπτουν τα είδη των σωματιδίων τα οποία εμφανίζονται. Οι υπογραφές αυτές όμως θα πρέπει να είναι ολοκληρωμένες, να περιλαμβάνουν δηλαδή όλα τα επί μέρους σωματίδια που δημιουργήθηκαν από μία σύγκρουση και να μετρήσουν όλες τις ιδιότητές τους.
Αυτό απαιτεί από τους ανιχνευτές να περιλάβουν διάφορα στρώματα που θα μπορέσουν να συλλάβουν όλα τα παράγωγα των συγκρούσεων. Σε μια άλλη πειραματική διάταξη, για παράδειγμα, τον «Ανιχνευτή Μιονίων» που απασχολεί 2.500 ερευνητές και μηχανικούς, το εσώτερο στρώμα περιλαμβάνει 75 εκατομμύρια αισθητήρες. Ένα μεσαίο στρώμα, που είναι σχεδιασμένο να μετράει τις ενέργειες των φωτονίων και των ηλεκτρονίων περιλαμβάνει 80.000 κρυστάλλους, ενώ το επόμενο στρώμα είναι σχεδιασμένο να καταγράφει τα αδρόνια και τα μιόνια.
Όλη αυτή, λοιπόν, η «περιπέτεια ιδεών» που ξεκίνησε με τα πειράματα που έκανε ο Έρνεστ Ράδερφορντ το 1909 και τα οποία μας οδήγησαν στην διαπίστωση ότι η μεγαλύτερη ποσότητα της μάζας ενός ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα του, μας έχει αναγκάσει να οδηγηθούμε στις σύγχρονες υποθέσεις μιας «νέας φυσικής» όπου όλα τα επονομαζόμενα θεμελιώδη σωματίδια ίσως να είναι απλές χορδές ενέργειας και ότι ίσως το Σύμπαν να περιλαμβάνει περισσότερες διαστάσεις από αυτές που γνωρίζουμε, και ότι ίσως να υπάρχουν και άλλων ειδών σωματίδια που δεν έχουμε μέχρι τώρα ανακαλύψει. Αυτά κι άλλα πολλά «παράξενα» στοιχεία ελπίζεται να ανακαλυφτούν σύντομα με την λειτουργία του νέου «Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων» (LHC) στο CERN και των Ανιχνευτών του.
Το ταξίδι αυτό στο παρελθόν γίνεται με την αναπαραγωγή στον επιταχυντή του CERN της τεράστιας ενέργειας που επικρατούσε στις πρώτες στιγμές μετά τη γέννηση του Σύμπαντος με μια Μεγάλη Έκρηξη. Θα πρέπει όμως να διευκρινίσουμε ότι όταν μιλάμε σήμερα για τις απαρχές του Σύμπαντος με μία «Μεγάλη Έκρηξη» δεν κάνουμε απλές εικασίες που δεν βασίζονται πουθενά, αλλά αντίθετα μιλάμε για ένα πλήρες, μαθηματικά θεμελιωμένο μοντέλο που δημιουργήθηκε με τη βοήθεια των δύο μεγάλων θεωριών του 20ου αιώνα, της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντικής Μηχανικής και συμπληρώθηκε τα τελευταία χρόνια με τις θεωρίες του Πληθωρισμού και των Υπερχορδών. Το μοντέλο μάλιστα αυτό επεξηγεί ικανοποιητικά πολλές από τις παρατηρήσεις και τα πειράματα που έχουν γίνει μέχρι τώρα.
Φυσικά όταν μιλάμε για την "Μεγάλη Έκρηξη" μην φανταστείτε κάτι σαν την έκρηξη ενός δυνατού βαρελότου! Η Μεγάλη Έκρηξη των κοσμολόγων δεν έχει καμιά σχέση με τις εκρήξεις που γνωρίζει ο καθένας από μας, είτε είναι βαρελότα είτε βόμβες υδρογόνου. Ο όρος μάλιστα «Μεγάλη Έκρηξη» είναι μάλλον παραπλανητικός και καθιερώθηκε από τον καθηγητή Φρεντ Χόυλ που ήταν και είναι ο κύριος πολέμιος της όλης αυτής θεωρίας για τη γέννηση του σύμπαντος. Με τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη» οι σύγχρονοι επιστήμονες εννοούν μια εκθετική και απότομη διαστολή του Σύμπαντος από ένα απειροελάχιστο σημείο «ανυπαρξίας». Η γέννηση δηλαδή και η μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος είναι κατά κάποιον τρόπο το «ξεδίπλωμα» του χρόνου και του χώρου από μια κατάσταση υπερβολικής πυκνότητας και θερμότητας σε μια παγωμένη και τεράστια σε μέγεθος σημερινή ύπαρξη, σε έναν χώρο ο οποίος δημιουργείται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται. Σ' ένα Σύμπαν όπου σήμερα όλοι οι μακρινοί γαλαξίες φαίνονται να απομακρύνονται συνεχώς ο ένας από τον άλλο.
Μ' αυτό φυσικά δεν υποστηρίζουμε ότι οι γαλαξίες είναι αυτοί που κινούνται, αλλά ότι ο μεταξύ τους χώρος είναι αυτός που μεγαλώνει («ξεχειλώνει»). Και ενώ τίποτα το υλικό δεν μπορεί να τρέξει με μεγαλύτερη ταχύτητα από την ταχύτητα του φωτός, αυτό δεν ευσταθεί για τον χώρο ο οποίος μπορεί να διαστέλλεται πολύ ταχύτερα και από την ταχύτητα ακόμη του φωτός. Μ' αυτήν λοιπόν την έννοια η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν παρά μια «έκρηξη» αυτού τούτου του χώρου, μια τεραστίων δηλαδή διαστάσεων διαστολή του («ξεχείλωμα») που συμπαρασύρει μαζί του και τους γαλαξίες, ενώ η «έκρηξη» έγινε συγχρόνως σ' όλα τα σημεία του με αποτέλεσμα να μην υπάρχει σήμερα κάποιο συγκεκριμένο κέντρο στο Σύμπαν αφού το κέντρο βρίσκεται «παντού».
Nαυτεμπορική
InfoGnomon
Με την ενθουσιώδη ανακοίνωση που έγινε σήμερα στις εγκαταστάσεις της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Πυρηνικών Ερευνών (CERN) σχετικά με τον εντοπισμό του περίφημου σωματιδίου Χίγκς αναζωπυρώθηκε και πάλι το ενδιαφέρον του κοινού. Ελπίζω ότι το κείμενο που ακολουθεί θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της σημαντικής αυτής ανακάλυψης.
Ο Επιταχυντής του CERN
Όπως είναι γνωστό, για την κατανόηση της εξελικτικής πορείας του Σύμπαντος και των αρχικών στιγμών της δημιουργίας χρειάζεται να εισχωρήσουμε βαθιά στο εσωτερικό του ατόμου με την βοήθεια των επιταχυντών στα διάφορα εργαστήρια σωματιδιακής φυσικής. Σ' αυτή μας, λοιπόν, την προσπάθεια τα πειράματα που εκτελούνται στο CERN, στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής, μας βοηθάνε πολύ. Γιατί η πειραματική, αλλά και η θεωρητική έρευνα που διεξάγεται στο CERN, μας δείχνει το δρόμο για την κατεύθυνση που θα πάρει η έρευνα στη φυσική στα επόμενα χρόνια. Μια κατεύθυνση που άρχισε να διαμορφώνεται τον Δεκέμβριο του 1949.
Την περίοδο εκείνη ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Louis de Broglie (1892-1987), βραβευμένος με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1929, σε μια επιστολή του προς το European Cultural Conference στην Λωζάνη, πρότεινε την ίδρυση ενός νέου ευρωπαϊκού ερευνητικού κέντρου, προκειμένου να εμποδιστεί η «διαρροή εγκεφάλων» προς τη Βόρεια Αμερική και για να ανακτήσει ο ευρωπαϊκός χώρος έρευνας τη χαμένη του αίγλη. Πέντε χρόνια αργότερα, στις 29 Σεπτεμβρίου 1954, δώδεκα ιδρυτικά κράτη-μέλη, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, υπέγραψαν την τελική σύμβαση για την δημιουργία της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Πυρηνικών Ερευνών (Conseil Europeéne pour la Recherche Nucléaire-CERN)! Σήμερα τα κράτη - μέλη έχουν φτάσει τα 20.
Για να καθιερωθεί, όμως, το CERN ως το κορυφαίο ερευνητικό κέντρο στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων έπρεπε να περάσει αρκετός καιρός. Ιδιαίτερα τα πρώτα χρόνια λειτουργίας του και έχοντας να ανταγωνιστεί τα κορυφαία ερευνητικά κέντρα του Berkeley και του Brookhaven της Αμερικής, το CERN έρχονταν συχνά δεύτερο στις μεγάλες ανακαλύψεις. Όμως με προσεκτικό σχεδιασμό, την κατασκευή όλο και ισχυρότερων επιταχυντών και τη συγκέντρωση της αφρόκρεμας των Ευρωπαίων ερευνητών η κατάσταση, αργά αλλά σταθερά, αναστράφηκε.
Πρώτος σταθμός στη καθιέρωση του CERN ως κορυφαίου ερευνητικού κέντρου μπορεί να θεωρηθεί το έτος 1959 όταν κατασκευάστηκε το «Σύγχροτρο Πρωτονίων» (Proton Synchrotron - PS), το οποίο και κατέρριψε κάθε προηγούμενο ρεκόρ επιτάχυνσης πρωτονίων. Στα μέσα της δεκαετίας του '60 αποφασίζεται η επέκταση του CERN από την Ελβετία προς τη Γαλλία με την κατασκευή του πρώτου πρωτονικού επιταχυντή/συγκρουστή (Interactive Storage Rings-ISR), ένα έργο που ολοκληρώθηκε το 1971, οπότε και αποφασίστηκε η κατασκευή ενός νέου, ισχυρότερου κυκλικού επιταχυντή, του SPS (Super Proton Collider). Δύο χρόνια αργότερα, στις 31 Ιουλίου 1974, ο «μετροπόντικας» του CERN επέστρεψε στο σημείο από το οποίο ξεκίνησε, έχοντας διανοίξει μία κυκλική σήραγγα μήκους 7 χιλιομέτρων. Στις 17 Ιουνίου 1976 ανακοινώθηκε επιτάχυνση πρωτονίων σε ενέργειες που έφταναν τα 400 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (400 GeV), ενώ το ερευνητικό πρόγραμμα του SPS ξεκίνησε τον επόμενο χρόνο.
Το Φεβρουάριο του 1985 άρχισε η κατασκευή του γιγαντιαίου επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων LEP (Large Electron - Positron Collider), τετραπλάσιου, περίπου, μήκους από αυτό του SPS. Η διάνοιξη μιας κυκλικής σήραγγας 27 χιλιομέτρων και η εγκατάσταση του εξοπλισμού του νέου επιταχυντή αποτέλεσε μια τεράστια τεχνολογική πρόκληση κι ένα κατασκευαστικό επίτευγμα, το οποίο υπολείπονταν μόνο αυτού της διάνοιξης της σήραγγας της Μάγχης. Για την κατασκευή του διανοίχτηκαν οκτώ κατακόρυφα φρεάτια κατά μήκος μιας νοητής κυκλικής περιφέρειας 27 χιλιομέτρων και οι «μετροπόντικες» του CERN ανέλαβαν να εκσκάψουν τμηματικά οκτώ τοξοειδείς σήραγγες μήκους 3.3 χιλιομέτρων η κάθε μία, προκειμένου να ενωθούν τα φρεάτια μεταξύ τους.
Το έργο θεωρήθηκε τόσο δύσκολο που καμία εταιρεία δεν αναλάμβανε την επίβλεψή του. Έτσι, οι ίδιοι οι μηχανικοί και οι τοπογράφοι του CERN, βασιζόμενοι στην προηγούμενη εμπειρία τους από την κατασκευή του SPS, ανέλαβαν την πρόκληση. Η εκσκαφή της σήραγγας ολοκληρώθηκε με επιτυχία το Φλεβάρη του 1988 με μία παρέκκλιση μόνον ενός εκατοστού του μέτρου από τη τιμή που είχε υπολογιστεί στα σχέδια! Έπειτα από 11 χρόνια αδιάκοπης λειτουργίας αλλά και τεράστιας συνεισφοράς στην εμπέδωση του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model) στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, ο LEP έκλεισε προσωρινά στις 2 Νοεμβρίου του 2000 για να αρχίσει η κατασκευή του νέου Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων-LHC (Large Hadron Collider), ο οποίος άρχισε να λειτουργεί το 2008.
Με την επαναλειτουργία του CERN η Ευρώπη ανέλαβε πλέον τα σκήπτρα παγκοσμίως στον τομέα της Φυσικής αφού οι ΗΠΑ αποφάσισαν το 1993 να μην προχωρήσουν στην δημιουργία ενός κυκλικού «Υπέρ-Επιταχυντή» στο Τέξας ο οποίος θα είχε περιφέρεια 86 χιλιομέτρων. Στον τερατώδη εκείνο επιταχυντή τα πρωτόνια θα συγκρούονταν με ενέργεια 40 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (40 TeV), ενώ ο μεγαλύτερος επιταχυντής που διαθέτουν οι Ηνωμένες Πολιτείες σήμερα είναι ο Τέβατρον στο «Φέρμιλαμπ» του Ιλλινόις, ο οποίος έχει φτάσει πλέον στα όρια της προσφοράς του κι σχεδιάζεται ήδη η σταδιακή εγκατάλειψή του. Στον Τέβατρον η σύγκρουση πρωτονίων και αντιπρωτονίων (αντιύλη) παράγει ενέργεια ενός τρισεκατομμυρίου ηλεκτρονιοβόλτ (1TeV), 14 φορές δηλαδή μικρότερη της ενέργειας που μπορεί να πετύχει ο LHC.
Η «μαγεία» των τεράστιων αυτών πειραματικών συμπλεγμάτων βασίζεται στην περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν για την ισοδυναμία ενέργειας και μάζας (Ε=mc2), ενώ όσο πιο μεγάλη είναι η ενέργεια που επιτυγχάνεται στις συσκευές αυτές τόσο πιο κοντά φτάνουμε στις θερμοκρασίες που επικρατούσαν τις πρώτες στιγμές της γέννησης του Σύμπαντος και στα διάφορα φαινόμενα που εξελίχτηκαν την εποχή εκείνη. Σ' εκείνες τις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της δημιουργίας μάς πηγαίνουν τα διάφορα πειράματα που γίνονται σήμερα στο CERN.
Το Πείραμα του Ατλαντα
Σε βάθος 100 περίπου μέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, στα σύνορα Ελβετίας-Γαλλίας, διάφορες πειραματικές διατάξεις στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων (LHC) του CERN στην Γενεύη της Ελβετίας μπορούμε να δούμε το Σύμπαν να ξαναγεννιέται! Στον επιταχυντή αυτό δύο αντίθετα κινούμενες ροές πρωτονίων (αδρόνια) με ταχύτητα που φτάνει σχεδόν την ταχύτητα του φωτός συγκρούονται μεταξύ τους με αποτέλεσμα την δημιουργία τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας.
Ο τεράστιος κυκλικός επιταχυντής LHC με μήκος 27 χιλιομέτρων, αποτελείται από χιλιάδες χιλιόμετρα καλωδιώσεων, χιλιάδες ηλεκτρομαγνήτες και ερευνητικές συσκευές με δεκάδες δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Επί πλέον 128 τόνοι υγρού ηλίου κρατούν την θερμοκρασία των υπεραγώγιμων μαγνητών στους 1,8 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, θερμοκρασία δηλαδή 271 βαθμών Κελσίου κάτω από το μηδέν. Στον LHC οι ροές των σωματιδίων επιταχύνονται σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός, εκτελούν δηλαδή περίπου 11.200 βόλτες γύρω από τον κυκλικό επιταχυντή κάθε δευτερόλεπτο!
Για να επιτευχθούν οι τεράστιες αυτές ταχύτητες το κενό στους σωλήνες ροής είναι παρόμοιο με αυτό που επικρατεί σε υψόμετρο 1.000 χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της Γης, για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις των πρωτονίων με μόρια αέρα, ενώ η πίεση που επικρατεί είναι 760 φορές μικρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση που επικρατεί στην επιφάνεια της θάλασσας. Όταν φτάσουν την επιθυμητή ταχύτητα οι ροές των πρωτονίων κατευθύνονται προς έναν από τους ανιχνευτές του LHC για να συγκρουστούν με αντίθετα κινούμενες ροές σωματιδίων στα έγκατά του παράγοντας στιγμιαία τεράστια ποσά ενέργειας που φτάνουν τα 14 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (TeV), η θερμοκρασία δηλαδή που δημιουργείται στιγμιαία φτάνει τα περίπου 162.000 τρισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.
Αλλά και οι διαστάσεις ενός από τους επί μέρους ανιχνευτές, που ονομάζεται «Ατλας», είναι κι αυτές ιδιαίτερα εντυπωσιακές αφού ο ανιχνευτής αυτός έχει μήκος 43 μέτρων, διάμετρο 22 μέτρων και βάρος 7.000 τόνων, όταν σε σύγκριση το βάρος του Πύργου του Αϊφελ είναι 7.300 τόνοι. Ο υπόγειος χώρος στον οποίο βρίσκεται ο Ατλας έχει μήκος 84 μέτρων, πλάτος 35 μέτρων και ύψος 30 μέτρων, ενώ στη διάρκεια της ενεργού του ζωής θα απασχολήσει 2.000 επιστήμονες και μηχανικούς από 165 ερευνητικά κέντρα σε 35 χώρες. Ο σχεδιασμός του πειραματικού αυτού γίγαντα άρχισε το 1992, η συναρμολόγηση των διαφόρων τμημάτων του άρχισε το 2003, ενώ η λειτουργία του ξεκίνησε το 2008.
Στη διάρκεια των πειραμάτων που εκτελούνται στα πειραματικά αυτά συμπλέγματα σαν τον Ατλαντα, δύο δέσμες πρωτονίων συγκρούονται με τόση δύναμη ώστε ως αποτέλεσμα έχουμε την παραγωγή σωματιδίων με μάζα δέκα φορές μεγαλύτερη από οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο που είναι γνωστό μέχρι τώρα. Αυτού του είδους τα πειράματα υπόσχονται να μας πάνε πίσω στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου, όχι μία αλλά 30 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο και επί χρόνια!
Οι Ανιχνευτές στους Επιταχυντές είναι έτσι διαμορφωμένοι ώστε τα διάφορα μέρη τους μπορούν να εντοπίσουν τα είδη των σωματιδίων που δημιουργούνται κατά την σύγκρουση, την ενέργεια και την διεύθυνσή τους, από τα οποία μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα για την δομή της ύλης. Στον ανιχνευτή του «Ατλαντα», για παράδειγμα, διακρίνουμε τρία κύρια μέρη: τον εσωτερικό ανιχνευτή που μετράει την ορμή των σωματιδίων, το θερμιδόμετρο που απορροφά την ενέργεια των σωματιδίων όταν αυτά συγκρούονται πάνω του κι έτσι μετράει τις ενέργειές τους, και το φασματόμετρο μιονίων που μετράει την ορμή τους.
Στο επιστημονικό αυτό μεγαθήριο, που κόστισε 6 δισεκατομμύρια ευρώ, παράγονται κάθε χρόνο πληροφορίες που καλύπτουν τρία εκατομμύρια DVD. Στην περίπτωση του «Ατλαντα» έχουμε ένα δισεκατομμύριο συγκρούσεις το δευτερόλεπτο και υπολογίζεται ότι μία στα δέκα εκατομμύρια συγκρούσεις μπορεί να υποδηλώνει κάποιο νέο φαινόμενο. Κι αν όλα πάνε όπως έχουν σχεδιαστεί τότε θα έχουμε κατορθώσει να αποτυπώσουμε στις ειδικές συσκευές και την μνήμη των ηλεκτρονικών υπολογιστών τα χνάρια των συνθηκών που επικρατούσαν στις πρώτες απειροελάχιστες στιγμές της δημιουργίας πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.
Η κατασκευή των νέων εγκαταστάσεων στο CERN είχε εξ αρχής ως στόχο να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα ένα βασικό τμήμα της εξελικτικής πορείας του Σύμπαντος και για να μάθουμε επί τέλους από τι αποτελείται ο κόσμος μας. Ελπίζουμε επίσης ότι θα μας βοηθήσει να ανακαλύψουμε για πρώτη φορά τα συστατικά της μυστηριώδους ύλης που ονομάζουμε «σκοτεινή ύλη», ενώ συγχρόνως οι ενέργειες που θα επιτευχθούν τελικά ίσως μπορέσουν να μας εξηγήσουν και το τι θα μπορούσε να είναι η απωθητική δύναμη που ονομάζουμε «σκοτεινή ενέργεια». Οι περισσότεροι όμως ερευνητές υπολογίζουν ότι στα πειράματα αυτά θα μπορέσουμε να εντοπίσουμε πολύ σύντομα το Μποζόνιο Χιγκς το οποίο ο Λέον Λέντερμαν (Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1988) έχει βαφτίσει «το σωματίδιο του Θεού».
Το Μποζόνιο Χιγκς
Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σύγχρονης Πυρηνικής Φυσικής μπορεί να εξηγήσει και να προβλέψει αναρίθμητα φαινόμενα που παρατηρούνται στο μικρόκοσμο, ενώ μεταξύ των άλλων, μεγάλη επιτυχία του θεωρείται και η ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς αλληλεπίδρασης σε μια ηλεκτρασθενή θεωρία. Τα ερωτήματα όμως παραμένουν: από πού πηγάζει, για παράδειγμα, ο μηχανισμός που απαιτείται για να δώσει μάζα στα σωματίδια; Από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια; Γιατί υπάρχουν μόνο τρεις γενεές σωματιδίων; Εάν η ύλη και η αντιύλη δημιουργούνται πάντα σε ίσες ποσότητες, πού πήγε η αντιύλη που θα πρέπει να δημιουργήθηκε αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη; Οι θεωρητικές προσεγγίσεις για την απάντηση τέτοιων ερωτημάτων έχουν ήδη αρχίσει. Η συμβολή του LHC, του νέου επιταχυντή του CERN, στην πειραματική επαλήθευση των προσεγγίσεων αυτών αναμένεται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον από τους ερευνητές στα χρόνια που έρχονται.
Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των ειδικών επιστημόνων πολλοί είναι αυτοί που πιστεύουν ότι τα πειράματα στον LHC θα μας αποκαλύψουν τα μυστικά του Σύμπαντος. Σε πρώτη πάντως φάση, ελπίζουμε ότι τα πειράματα αυτά θα εντοπίσουν την ύπαρξη ενός σωματιδίου που είχε θεωρητικά προταθεί ότι υπάρχει το 1964 από τον Σκωτσέζο φυσικό Πήτερ Χιγκς (1929 - ). Σύμφωνα με το θεωρητικό μοντέλο της ύλης και του Σύμπαντος στο «Καθιερωμένο Πρότυπο» μας λείπει να ανακαλύψουμε το σημαντικό αυτό σωματίδιο που είναι φορέας ενός νέου είδους πεδίου που ονομάζεται «πεδίο Χιγκς» και το οποίο είναι διάχυτο στο Σύμπαν. Για να είναι όμως πλήρως αποδεκτό το μοντέλο αυτό απαιτείται η ύπαρξη του πεδίου Χιγκς και φυσικά του μποζονίου Χιγκς που είναι και ο φορέας του.
Καθώς τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια στον LHC συγκρούονται μεταξύ τους με ταχύτητα πάνω από το 99,99% της ταχύτητας του φωτός μέρος της ενέργειας που δημιουργείται από την σύγκρουση μετατρέπεται σε ύλη σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν (E=mc2). Μ αυτόν τον τρόπο μπορούν να δημιουργηθούν σωματίδια με μεγαλύτερη μάζα απ' εκείνα που συμμετέχουν στη σύγκρουση. Στην περίπτωση του σωματιδίου Χίγκς, για παράδειγμα, η μάζα του αναμένεται να είναι από 120 έως 210 φορές την μάζα που έχει το πρωτόνιο. Η ενέργεια όμως που επιτυγχάνεται στον LHC είναι αρκετά μεγάλη όχι μόνο για τον εντοπισμό του Χιγκς αλλά και για τον εντοπισμό των σωματιδίων της «σκοτεινής ύλης», πολλαπλών διαστάσεων ακόμη και μίνι μαύρων τρυπών με μέγεθος μικρότερο κι από ένα πρωτόνιο.
Το σωματίδιο Χιγκς είναι βασικό συστατικό των θεωρητικών μας εκτιμήσεων ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής δύναμη είναι διαφορετικές εκφάνσεις μιας ενοποιημένης «ηλεκτρασθενούς» δύναμης. Μας υποδεικνύει τον τρόπο με τον οποίο τα χωρίς μάζα φωτόνια, τα σωματίδια του ηλεκτρομαγνητισμού, συγγενεύουν με τα W και Ζ, τα βαρέα σωματίδια (μποζόνια) της ασθενούς δύναμης. Η επιβεβαίωση της θεωρίας στο CERN πριν από 20 χρόνια αναπτέρωσε τις ελπίδες των επιστημόνων ότι θα μπορούσαν κάποια στιγμή να ενοποιήσουν όλες τις δυνάμεις της φύσης σε μία και μοναδική. Έχει επίσης προταθεί ότι κάποιο πεδίο σαν αυτό του Χιγκς θα μπορούσε να ήταν η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του πρώιμου Σύμπαντος στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό, του τρισεκατομμυριοστού του πρώτου τρισεκατομμυριοστού του πρώτου δευτερολέπτου, και ίσως να κρύβει επίσης και το μυστικό της επονομαζόμενης «σκοτεινής ενέργειας» που κάνει το Σύμπαν να διαστέλλεται επιταχυνόμενο τα τελευταία επτά δισεκατομμύρια χρόνια.
Επίσης, χωρίς το πεδίο Χιγκς τίποτα στο Σύμπαν δεν θα είχε μάζα αφού η ύπαρξη του πεδίου αυτού δίνει σε όλα τα άλλα σωματίδια την μάζα τους. Το πεδίο αυτό μπορεί να παρομοιαστεί με μια παχύρρευστη «θάλασσα» μέσα στην οποία «κολυμπάνε» όλα τα σωματίδια. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα σωματίδια «κολυμπάνε» μέσα στο πεδίο αυτό παίρνουν και την δεδομένη μάζα του είδους τους. Υπάρχουν φυσικά και μερικά σωματίδια που δεν αντιδρούν καθόλου με το πεδίο, όπως είναι τα φωτόνια και τα γλοιόνια, οπότε τα σωματίδια αυτά δεν έχουν μάζα. Παρ' όλα αυτά το πεδίο Χιγκς δεν θεωρείται ότι είναι μια ακόμη δύναμη, αφού ούτε επιταχύνει τα σωματίδια ούτε μεταφέρει κάποιου είδους ενέργεια. Εντούτοις το πεδίο αυτό προσδιορίζει επακριβώς την μάζα που περιλαμβάνουν τα υπόλοιπα σωματίδια που «κολυμπάνε» μέσα του.
Αλλά και το μποζόνιο Χιγκς παίρνει κι αυτό την μάζα του από το πεδίο του οποίου είναι και φορέας. Μπορεί δηλαδή να παρομοιαστεί με ένα πυκνότερο σημείο στο πεδίο Χιγκς, όπως όταν βρίσκουμε μια υγροποιημένη σταγόνα νερού σε ένα περιβάλλον ατμού από νερό. Έτσι, όπως και όλα τα άλλα σωματίδια, το μποζόνιο Χιγκς μπορεί να δημιουργηθεί στις συγκρούσεις που επιτυγχάνονται στη διάρκεια πειραμάτων που εκτελούνται στους επιταχυντές, αφού μπορεί και αντιδρά με όλα τα σωματίδια αν και προτιμάει τα «βαρύτερα» απ' αυτά όπως είναι για παράδειγμα ο τελευταίος τύπος κουάρκ που ανακαλύφτηκε το 1995 στο Fermilab των ΗΠΑ.
Η Νέα Θεώρηση του Σύμπαντος
Μερικά από τα σωματίδια που δημιουργούνται στις συγκρούσεις του LHC δεν «επιζούν» παρά ελάχιστα γιατί σε ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου διασπώνται σε ελαφρότερα σωματίδια και ορισμένα εξ αυτών διασπώνται ακόμη πιο πολύ. Οι διαδικασίες αυτές των διασπάσεων δημιουργούν χαρακτηριστικές «υπογραφές» που αποκαλύπτουν τα είδη των σωματιδίων τα οποία εμφανίζονται. Οι υπογραφές αυτές όμως θα πρέπει να είναι ολοκληρωμένες, να περιλαμβάνουν δηλαδή όλα τα επί μέρους σωματίδια που δημιουργήθηκαν από μία σύγκρουση και να μετρήσουν όλες τις ιδιότητές τους.
Αυτό απαιτεί από τους ανιχνευτές να περιλάβουν διάφορα στρώματα που θα μπορέσουν να συλλάβουν όλα τα παράγωγα των συγκρούσεων. Σε μια άλλη πειραματική διάταξη, για παράδειγμα, τον «Ανιχνευτή Μιονίων» που απασχολεί 2.500 ερευνητές και μηχανικούς, το εσώτερο στρώμα περιλαμβάνει 75 εκατομμύρια αισθητήρες. Ένα μεσαίο στρώμα, που είναι σχεδιασμένο να μετράει τις ενέργειες των φωτονίων και των ηλεκτρονίων περιλαμβάνει 80.000 κρυστάλλους, ενώ το επόμενο στρώμα είναι σχεδιασμένο να καταγράφει τα αδρόνια και τα μιόνια.
Όλη αυτή, λοιπόν, η «περιπέτεια ιδεών» που ξεκίνησε με τα πειράματα που έκανε ο Έρνεστ Ράδερφορντ το 1909 και τα οποία μας οδήγησαν στην διαπίστωση ότι η μεγαλύτερη ποσότητα της μάζας ενός ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα του, μας έχει αναγκάσει να οδηγηθούμε στις σύγχρονες υποθέσεις μιας «νέας φυσικής» όπου όλα τα επονομαζόμενα θεμελιώδη σωματίδια ίσως να είναι απλές χορδές ενέργειας και ότι ίσως το Σύμπαν να περιλαμβάνει περισσότερες διαστάσεις από αυτές που γνωρίζουμε, και ότι ίσως να υπάρχουν και άλλων ειδών σωματίδια που δεν έχουμε μέχρι τώρα ανακαλύψει. Αυτά κι άλλα πολλά «παράξενα» στοιχεία ελπίζεται να ανακαλυφτούν σύντομα με την λειτουργία του νέου «Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων» (LHC) στο CERN και των Ανιχνευτών του.
Το ταξίδι αυτό στο παρελθόν γίνεται με την αναπαραγωγή στον επιταχυντή του CERN της τεράστιας ενέργειας που επικρατούσε στις πρώτες στιγμές μετά τη γέννηση του Σύμπαντος με μια Μεγάλη Έκρηξη. Θα πρέπει όμως να διευκρινίσουμε ότι όταν μιλάμε σήμερα για τις απαρχές του Σύμπαντος με μία «Μεγάλη Έκρηξη» δεν κάνουμε απλές εικασίες που δεν βασίζονται πουθενά, αλλά αντίθετα μιλάμε για ένα πλήρες, μαθηματικά θεμελιωμένο μοντέλο που δημιουργήθηκε με τη βοήθεια των δύο μεγάλων θεωριών του 20ου αιώνα, της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντικής Μηχανικής και συμπληρώθηκε τα τελευταία χρόνια με τις θεωρίες του Πληθωρισμού και των Υπερχορδών. Το μοντέλο μάλιστα αυτό επεξηγεί ικανοποιητικά πολλές από τις παρατηρήσεις και τα πειράματα που έχουν γίνει μέχρι τώρα.
Φυσικά όταν μιλάμε για την "Μεγάλη Έκρηξη" μην φανταστείτε κάτι σαν την έκρηξη ενός δυνατού βαρελότου! Η Μεγάλη Έκρηξη των κοσμολόγων δεν έχει καμιά σχέση με τις εκρήξεις που γνωρίζει ο καθένας από μας, είτε είναι βαρελότα είτε βόμβες υδρογόνου. Ο όρος μάλιστα «Μεγάλη Έκρηξη» είναι μάλλον παραπλανητικός και καθιερώθηκε από τον καθηγητή Φρεντ Χόυλ που ήταν και είναι ο κύριος πολέμιος της όλης αυτής θεωρίας για τη γέννηση του σύμπαντος. Με τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη» οι σύγχρονοι επιστήμονες εννοούν μια εκθετική και απότομη διαστολή του Σύμπαντος από ένα απειροελάχιστο σημείο «ανυπαρξίας». Η γέννηση δηλαδή και η μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος είναι κατά κάποιον τρόπο το «ξεδίπλωμα» του χρόνου και του χώρου από μια κατάσταση υπερβολικής πυκνότητας και θερμότητας σε μια παγωμένη και τεράστια σε μέγεθος σημερινή ύπαρξη, σε έναν χώρο ο οποίος δημιουργείται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται. Σ' ένα Σύμπαν όπου σήμερα όλοι οι μακρινοί γαλαξίες φαίνονται να απομακρύνονται συνεχώς ο ένας από τον άλλο.
Μ' αυτό φυσικά δεν υποστηρίζουμε ότι οι γαλαξίες είναι αυτοί που κινούνται, αλλά ότι ο μεταξύ τους χώρος είναι αυτός που μεγαλώνει («ξεχειλώνει»). Και ενώ τίποτα το υλικό δεν μπορεί να τρέξει με μεγαλύτερη ταχύτητα από την ταχύτητα του φωτός, αυτό δεν ευσταθεί για τον χώρο ο οποίος μπορεί να διαστέλλεται πολύ ταχύτερα και από την ταχύτητα ακόμη του φωτός. Μ' αυτήν λοιπόν την έννοια η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν παρά μια «έκρηξη» αυτού τούτου του χώρου, μια τεραστίων δηλαδή διαστάσεων διαστολή του («ξεχείλωμα») που συμπαρασύρει μαζί του και τους γαλαξίες, ενώ η «έκρηξη» έγινε συγχρόνως σ' όλα τα σημεία του με αποτέλεσμα να μην υπάρχει σήμερα κάποιο συγκεκριμένο κέντρο στο Σύμπαν αφού το κέντρο βρίσκεται «παντού».
Nαυτεμπορική
InfoGnomon
ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ
ΜΟΙΡΑΣΤΕΙΤΕ
ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ
ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΟ ΑΡΘΡΟ
Συνελήφθη 44χρονη για οφειλές 2,3 εκατ. ευρώ
ΣΧΟΛΙΑΣΤΕ
