Οι μεγάλες μηχανές της Φυσικής

Στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας βρίσκεται το CERN,το μεγαλύτερο κέντρο για τη Φυσική στοιχειωδών σωματιδίων στον κόσμο,όπου έχει κατασκευαστεί ένα σύμπλεγμα επιταχυντών. Ποια όμως είναι η χρήση των επιταχυντών; Πέρα από το CERN υπήρχαν στο παρελθόν και άλλες τέτοιου είδους εγκαταστάσεις; Τι προσδοκούν πλέον να ανακαλύψουν οι επιστήμονες στο CERN μετά την πειραματική ανακάλυψη του μποζονίου Higgs;Ας προσπαθήσουμε με απλά λόγια να απαντήσουμε στα παραπάνω ερωτήματα.

Οι επιστήμονες προσπαθούν να αποκαλύψουν τα μυστικά των δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων ή και να ανακαλύψουν νέα σωματίδια, επιταχύνοντάς τα σε πολύ υψηλές ενέργειες και αναγκάζοντάς τα να συγκρούονται είτε μεταξύ τους είτε με έναν στόχο.Υπάρχουν δύο είδη επιταχυντών οι γραμμικοί και οι κυκλικοί.Οι γραμμικοί επιταχυντές επιταχύνουν τα φορτισμένα σωματίδια(ηλεκτρόνια,πρωτόνια ή βαριά ιόντα) σε ευθεία γραμμή. Στη δέσμη των σωματιδίων παρέχεται ενέργεια σε όλο το μήκος του επιταχυντή. Μάλιστα,όσο μεγαλύτερο μήκος έχει η μηχανή τόσο υψηλότερη είναι η τελική ενέργεια. Ενώ στους κυκλικούς επιταχυντές τα σωματίδια αναγκάζονται να κινούνται σε μια κυκλική τροχιά παίρνοντας όλο και περισσότερη ενέργεια σε κάθε περιστροφή.
Οι πρώτοι επιταχυντές κατασκευάστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1920 και δεν ήταν τίποτε άλλο παρά «ξεχαρβαλωμένες» συσκευές κατασκευασμένες από ανταλλακτικά οι οποίες βέβαια με το πέρασμα του χρόνου εξελίχθηκαν στις μεγαλύτερες και πολυπλοκότερες μηχανές του πλανήτη. Τα πρώτα μοντέλα παρήγαγαν δέσμες σωματιδίων πολύ υψηλών ταχυτήτων που χρησιμοποιούνταν για τη διάσπαση των ατομικών πυρήνων (1). Με τον καιρό οι μηχανές αυτές απέκτησαν ικανή ισχύ ώστε να δημιουργούνται τελείως νέα σωματίδια εξαιτίας της εκλυόμενης ενέργειας από τις συγκρούσεις.Οι απαρχές της ανόδου αυτού του είδους μηχανών εντοπίζονται στον Νομπελίστα φυσικό και χημικό Έρνεστ Ράδερφορντ καθώς και σε άλλους φυσικούς που εκτελούσαν παρόμοια πειράματα τη δεκαετία του 1900. Oι πρώτοι επιταχυντές κατασκευάστηκαν από τους φυσικούς Έρνεστ Γουόλτον,Τζον Κόκροφτ και Έρνεστ Λόρενς(η κατασκευή του Λόρενς έγινε γνωστή ως κύκλοτρο).
Κατά την πρώτη μεταπολεμική περίοδο τα δύο σημαντικότερα κέντρα ερευνών με επιταχυντές βρίσκονταν στις ΗΠΑ.Το ένα ήταν το Εθνικό Εργαστήριο του Μπρουκχέιβεν (BNL),που εξυπηρετούσε τα πανεπιστήμια των βορειονατολικών ΗΠΑ και ήταν εξοπλισμένο με με μια σειρά επιταχυντών ισχυρότερος εκ των οποίων ήταν το Κόσμοτρον.Το δεύτερο ήταν το Εργαστήριο Ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας(αργότερα γνωστό ως Εργαστήριο Ακτινοβολίας Lawrence) στη Δυτική ακτή των ΗΠΑ. Eκεί είχε κατασκευαστεί ένα ακόμη πιο ισχυρό σύγχροτρον πρωτονίων (είδος κυκλικού επιταχυντή) από το Κόσμοτρον, το Μπέβατρον (2).Το Κόσμοτρον και το Μπέβατρον οδήγησαν σε πολύ σημαντικές ανακαλύψεις όπως η παραγωγή ζεύγους παραδόξων σωματιδίων το 1953 και το αντιπρωτόνιο το 1955. Σύγχροτρον πρωτονίων κατασκεύαστηκε και στο κέντρο του Σερπούχοβ στη Ρωσία. Όταν πρωτολειτούργησε το 1971 υπήρξε (για μια σύντομη μόνο περίοδο) ο μεγαλύτερος επιταχυντής του κόσμου (3).
Το 1954 ιδρύθηκε το CERN,το ευρωπαϊκό πειραματικό κέντρο ερευνών Σωματιδιακής Φυσικής. Ο πρώτος επιταχυντής που λειτούργησε στο CERN ήταν το συγχρο-κύκλοτρο,που κατασκευάστηκε το 1957.Eκεί κατασκευάστηκε και άρχισε την λειτουργία του το 2008 ο 27km Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής(LHC), ο μεγαλύτερος και πιο ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων του κόσμου αυτή τη στιγμή.
Στο μεταξύ και στις ΗΠΑ οι προσπάθειες για την κατασκευή ισχυρότερων επιταχυντών συνεχίζονταν χωρίς διακοπή.
Στο Μένλο Παρκ κατασκευάστηκε ο μήκους τριών χιλιομέτρων γραμμικός επιταχυντής του Στάνφορντ, ενώ μια άλλη εγκατάσταση (Εργαστήριο Εθνικού Επιταχυντή)κατασκευάστηκε σε μια μεγάλη πεδινή έκταση κοντά στο Σικάγο (1). To 1983 οι αμερικανοί Φυσικοί πρότειναν την κατασκευή ενός επιστημονικού προγράμματος,πρωτοφανούς σε μέγεθος και κόστος,του Υπεραγώγιμου Υπερεπιταχυντή (SSC) (4).
O Υπερεπιταχυντής προκάλεσε πολλές αντιδράσεις στους υπέρμαχους της λιτότητας μέσα στο Κογκρέσο αλλά και σε επιστήμονες που ήθελαν τα χρήματα που θα δεσμεύονταν για την κατασκευή του Υπερεπιταχυντή να κατευθυνθούν στους δικούς τους τομείς έρευνας. Το καλοκαίρι του 1993 το πρόγραμμα ματαιώθηκε αφού είχαν ήδη δαπανηθεί 2 δισεκατομμύρια δολάρια.
Τελικά,στα τέλη του 1997 οι ΗΠΑ συμφώνησαν με το CERN να συμμετέχουν στην κατασκευή και χρήση του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή.
Το 1987 στην κούρσα κατασκευής όλο και πιο ισχυρών επιταχυντών μπήκαν και οι Ιάπωνες με τον TRISTAΝ2, έναν επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που κατασκευάστηκε κοντά στο Τόκιο.
To 2012 οι επιστήμονες του CERN που εργάζονταν στον LHC πραγματοποίησαν μια κορυφαία επιστημονική ανακάλυψη. Εντόπισαν το σωματίδιο Higgs (το σωματίδιο που εξηγεί πώς η ύλη απέκτησε τη μάζα της).

Mετά όμως τη συγκεκριμένη ανακάλυψη τι άλλο πλέον περιμένουμε από το CERN;

Σύμφωνα με τον φυσικό και υπεύθυνο επικοινωνίας στη διεύθυνση Επιταχυντών και Τεχνολογίας του CERN, Πάνο Χαρίτο,η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στη φυσική υψηλών ενεργειών. Αναφέρει πως οι φυσικοί ψάχνουν στα προιόντα της διάσπασης για την παραγωγή σωματιδίων σκοτεινής ύλης η οποία δεν αλληλεπιδρά όπως η συνηθισμένη ύλη και διαφεύγει από τον ανιχνευτή χωρίς να αφήνει κανένα ίχνος.
Αναζητούν επίσης πιθανά υπερσυμμετρικά σωματίδια στην προσπάθεια να ελεγχθεί κατά πόσο είναι σωστή η θεωρία της υπερσυμμετρίας(σύμφωνα με τη θεωρία της υπερσυμμετρίας κάθε είδος σωματιδίου-π.χ ηλεκτρόνιο-συνδέεται με ένα «υπερσυμμετρικό» αντίστοιχό του σωματίδιο,που έχει τις ίδιες ιδιότητες με αυτό,εκτός από τη μάζα και το σπιν4).
Μελετούν επίσης την ίδια τη μάζα του σωματιδίου Higgs π.χ γιατί είναι τόσο πιο ελαφρύ σε σχέση με το εύρος μαζών που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο (η καλύτερη θεωρία που έχουν αυτή τη στιγμή οι φυσικοί για να περιγράψουν τα βασικά συστατικά του Σύμπαντος) και πώς μπορεί να εξηγηθεί αυτό. Ενδιαφέρον έχει επιπλέον η μελέτη του πως το Higgs αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου (ή με άλλα σωματίδια της ύλης που γνωρίζουμε). Οι μετρήσεις ακριβείας γνωστών διαδικασιών του Καθιερωμενου Προτύπου επιτρέπουν στους φυσικούς να ελέγξουν τη θεωρία και η μέτρηση οποιασδήποτε απόκλισης μπορεί να αποτελέσει ένδειξη για ύπαρξη νέας φυσικής.Άξιο αναφοράς είναι πως το CERN,δεδομένης της πολυπλοκότητας και της δυσκολίας στον σχεδιασμό ενός μεγάλου κυκλικού επιταχυντή και των τεχνολογιών που χρειάζεται να αναπτυχθούν, ξεκίνησε ήδη τις προσπάθειες σχεδιασμού ενός μελλοντικού επιταχυντή με περιφέρεια 100km ικανού να φτάσει ενέργειες 8 φορές μεγαλύτερες από την ενέργεια του LHC.
Οι επιταχυντές συγκαταλέγονται στα σπουδαιότερα μνημεία επιστήμης του 20ου αιώνα.Πολλές σπουδαίες ανακαλύψεις ο οφείλονται σε αυτούς και πιθανότατα πολλές συναρπαστικές εξελίξεις θα προκύψουν και στο μέλλον!

Πηγή: http://www.huffingtonpost.gr/ του Σταύρου Καρατζίκου

1.Ian Sample,Ηiggs το σωματίδιο του Θεού,Εκδόσεις Τραυλός

2.Helge Kragh,Οι γενιές των κβάντων,Εκδόσεις Κάτοπτρο

3.Steven Weinberg,Όνειρα για μια τελική θεωρία,Εκδόσεις Κάτοπτρο

4.Δημήτρης Νανόπουλος,Στον τρίτο βράχο από τον Ήλιο,Εκδόσεις Πατάκη