Ποιος επιταχυντής θα διαδεχθεί τον LHC στην εξιχνίαση των μυστηρίων του σύμπαντος;

Φωτογραφία από τον Διεθνή Γραμμικό Επιταχυντή στην Ιαπωνία.

Με διάμετρο 27 χιλιομέτρων και ικανότητα επιτάχυνσης των δεσμών πρωτονίων σε ταχύτητα 99,999999% της ταχύτητας του φωτός, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN στα δυτικά της Γενεύης αποτελεί ένα τεχνολογικό επίτευγμα που μπόρεσε να γίνει πραγματικότητα με τη συνεργασία 10.000 επιστημόνων και μηχανικών. Ήδη επίσης έχει καταφέρει να γράψει ιστορία στη φυσική, αποδεικνύοντας πειραματικά την ύπαρξη του «σωματιδίου του θεού», το οποίο προσδίδει μάζα στα «συστατικά» της ύλης.
Ωστόσο, όσο εντυπωσιακή κι αν είναι η ενέργεια των συγκρούσεων στο εσωτερικό του, οι επιστήμονες γνωρίζουν πως δεν είναι αρκετή για να δώσει απαντήσεις σε όλα τα ερωτήματα της φυσικής. Έτσι, παρόλο που έχει τουλάχιστον άλλα 15 χρόνια λειτουργίας, ερευνητικές ομάδες σε όλο τον πλανήτη καταστρώνουν 3 διαφορετικά σχέδια για την πειραματική διάταξη που θα τον διαδεχθεί.
Σύμφωνα με κάθε ομάδα, ο «διάδοχος» που προτείνει είναι απαραίτητος για να μελετηθεί με ακόμη μεγαλύτερη λεπτομέρεια το «σωματίδιο του θεού», αλλά και για να συνεχίσει η πειραματικά η αναζήτηση για τη «σκοτεινή» ύλη, δηλαδή για το άγνωστης έως σήμερα φύσης υλικό που «κατακλύζει» το σύμπαν, αντιστοιχώντας στο 27% της ενέργειας-ύλης του.
Όσον αφορά το «σωματίδιο του θεού», δηλαδή το μποζόνιο Χιγκς, η πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξής του δεν λύνει όλες τις απορίες των επιστημόνων. Για παράδειγμα, για ποιον λόγο έχει μόλις 130πλάσια μάζα από το πρωτόνιο, όπως απέδειξε LHC, και δεν είναι βαρύτερο; Επίσης, μήπως υπάρχουν τουλάχιστον τέσσερις ακόμη βαρύτερες «παραλλαγές» του, όπως προβλέπουν ορισμένες θεωρίες;
Τέτοιες απορίες δεν είναι σε θέση να απαντήσει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, καθώς στο εσωτερικό του το μποζόνιο Χιγκς δεν παράγεται σε ικανοποιητικά μεγάλη ποσότητα. Για να γίνει αυτό, χρειάζεται ένας νέος επιταχυντής, που θα είναι «εργοστάσιο παραγωγής μποζονίων Χιγκς».
Στην περίπτωση της «σκοτεινής» ύλης, πολλοί φυσικοί θεωρούν πως το «συστατικό» της είναι ένα νέο σωματίδιο, ή οικογένεια σωματιδίων, που δεν έχουν ανιχνευθεί έως σήμερα. Ωστόσο, αν και αρκετοί ήλπιζαν πως θα ανακαλύπτονταν στον LHC, κάτι τέτοιο δεν έχει συμβεί μέχρι σήμερα. Έτσι, για τον εντοπισμό τους, υποστηρίζουν πως θα χρειασθεί μία ισχυρότερη πειραματική διάταξη, στην οποία να επιτυγχάνονται ακόμη ισχυρότερες συγκρούσεις δεσμών από σωματίδια.
Οι παραπάνω λόγους είναι μερικοί από τους πιο βασικούς που επικαλούνται οι υπεύθυνοι των σχεδίων για τους 3 μελλοντικούς επιταχυντές, οι οποίοι προτείνονται ως «διάδοχοι» του LHC. Οποιοσδήποτε από τους 3 υλοποιηθεί, θα αποτελεί το μεγαλύτερο πείραμα φυσικής που έγινε ποτέ.

Διεθνής Γραμμικός Επιταχυντής (ILC), Ιαπωνία

Όπως δείχνει και το όνομά του ο Διεθνής Γραμμικός Επιταχυντής θα διαθέτει μία σήραγγα 31 χιλιομέτρων, στο κέντρο της οποίας θα συγκρούονται δέσμες ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, που θα έχουν ξεκινήσει από τα δύο άκρα της σήραγγας. Η ισχύς του αναμένεται να είναι 500 GeV (gigaelectronvolt), δηλαδή υποπολλαπλάσια από τα 13 TeV (teraelectronvolt) του LHC.
Ο λόγος είναι πως στον LHC συγκρούονται πρωτόνια, τα οποία αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, τα κουάρκ. Αντίθετα, τα ηλεκτρόνια και το ποζιτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια.
Τα σχέδια του επιταχυντή έχουν ολοκληρωθεί, με συνέπεια να είναι έτοιμη η έναρξη κατασκευής του. Ωστόσο, αυτό που πρέπει να γίνει πρώτα είναι επιμερισθεί το ποσό από τα 10 δισ. δολάρια, που είναι το κόστος κατασκευής του, ανάμεσα στην Ιαπωνία, τις ΗΠΑ και τις ευρωπαϊκές χώρες που έχουν δηλώσει πως θα πάρουν μέρος στο πρότζεκτ.

Κυκλικός Επιταχυντής Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (CEPC), Κίνα

Η κινεζική πρόταση είναι ο Κυκλικός Επιταχυντής Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (CEPC), ο οποίος σχεδιάζεται να εγκατασταθεί στην επαρχεία Χεμπέι της χώρας. Η σήραγγα του θα έχει κυκλικό σχήμα, με τουλάχιστον διπλάσιο μέγεθος από το «τούνελ» του LHC – τα σενάρια που μελετώνται μιλούν για περιφέρεια 54, 70 ή ακόμη και 88 χιλιομέτρων.
Σε πρώτη φάση, ο CEPC προορίζεται για «εργοστάσιο παραγωγής μποζονίων Χιγκς», προκαλώντας συγκρούσεις ηλεκτρονίων και πρωτονίων σε ενέργειας 250 GeV (gigaelectronvolt). Στόχος είναι σε επόμενη φάση η διάταξη να αναβαθμισθεί, φθάνοντας σε ενέργειας 70-100 TeV (teraelectronvolt), ώστε να «εξερευνηθούν» άγνωστες έως σήμερα περιοχές της φυσικής.
Τα σχέδια της διάταξης αναμένεται να ολοκληρωθούν το 2020, ενώ η κατασκευή της μπορεί να ξεκινήσει το 2021 και η λειτουργία της το 2028 – αν η κυβέρνηση της χώρας δώσει το «πράσινο φως» στη χρηματοδότησή της. Το κόστος της πρώτης φάσης αναμένεται να αγγίξει τα 6 δισ. δολάρια και της αναβάθμισης, που προγραμματίζει για τις αρχές της δεκαετίας του 2040, τα 20 δισεκατομμύρια.

Μελλοντικός Κυκλικός Επιταχυντής, Γαλλοελβετικά σύνορα

Την ίδια στιγμή, ούτε το CERN αναπαύεται στις δάφνες του, αφού κι αυτό καταστρώνει σχέδια για τον διάδοχο του LHC. Μάλιστα, τα σχέδια του ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών είναι τα πλέον μεγαλεπήβολα, καθώς ο προτεινόμενος Μελλοντικός Κυκλικός Επιταχυντής (FCC) θα έχει περιφέρεια 90-100 χιλιόμετρα, πετυχαίνοντας ενέργειες 100 TeV (teraelectronvolt).
Σε πρώτη φάση, στο εσωτερικό του θα συγκρούονται δέσμες ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, δίνοντας στην πορεία τη θέση τους σε δέσμες ηλεκτρονίων- πρωτονίων και τελικά πρωτονίων-πρωτονίων. Οι επιστήμονες του CERN θα έχουν έτοιμη την πρώτη έκθεση για τον (FCC) το 2018, ενώ η κατασκευή του θα μπορούσε να ξεκινήσει στα μέσα της δεκαετίας του 2030.

Πηγή: Ναυτεμπορική