Τα 65α γενέθλια του CERN

του Αλέξη Δεληβοριά

Στις 29 Σεπτεμβρίου, το CERN, το σπουδαιότερο ερευνητικό κέντρο του κόσμου στη σωματιδιακή φυσική, γιόρτασε τα 65α του γενέθλια. Η σχετικά πρόσφατη ανίχνευση του μποζονίου Higgs είναι η τελευταία μόνο από τις μεγάλες επιστημονικές ανακαλύψεις που έγιναν στο CERN[1], χάρη στις οποίες διευρύναμε εντυπωσιακά τις γνώσεις μας για τα θεμελιώδη δομικά συστατικά της ύλης και για τον τρόπο που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Οι γνώσεις μας αυτές συνοψίζονται σε μία θεωρία, γνωστή ως το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) [2].

Και όμως, για να φτάσουμε ως εδώ απαιτήθηκε τεράστια διανοητική προσπάθεια χιλιάδων φυσικών για τουλάχιστον μισόν 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. 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. Πέντε χρόνια αργότερα, στις 29 Σεπτεμβρίου 1954, δώδεκα ιδρυτικά κράτη-μέλη, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, επικύρωσαν 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 αναστράφηκε.

Τον Φεβρουάριο του 1985, ειδικότερα, άρχισε η κατασκευή του επιταχυντή LEP, τετραπλάσιου, περίπου, μήκους από αυτό του προκατόχου του. 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 ενός νέου και ισχυρότερου επιταχυντή. Οκτώ χρόνια αργότερα, το έργο είχε ολοκληρωθεί και ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC ξεκινούσε το πρώτο στάδιο της λειτουργίας του. Πρόκειται για τον μεγαλύτερο, ισχυρότερο και πιο πολύπλοκο επιταχυντή σωματιδίων που έχει κατασκευαστεί ποτέ.
Η τεράστια αυτή «μηχανή» επιταχύνει αντίθετα κινούμενες δέσμες πρωτονίων ή/και ιόντων μολύβδου σε ταχύτητες που πλησιάζουν αυτήν του φωτός, προσδίδοντάς τους τεράστιες ενέργειες. Οι δέσμες των σωματιδίων κινούνται στο εσωτερικό 2 γειτονικών σωλήνων, οι οποίοι διασταυρώνονται σε 4 σημεία. Χιλιάδες πανίσχυροι μαγνήτες, τοποθετημένοι περιμετρικά του κεντρικού δακτυλίου, καθοδηγούν τις δέσμες αυτές στις κυκλικές τους τροχιές και εντέλει τις κατευθύνουν σε αυτά τα 4 σημεία όπου συγκρούονται μετωπικά, μετατρέποντας την ενέργειά τους σε νέα σωματίδια.
Για την ανίχνευση και καταγραφή των δεδομένων που παράγονται από τις εκατοντάδες εκατ. συγκρούσεις σωματιδίων το δευτερόλεπτο, στα 4 σημεία όπου οι δέσμες διασταυρώνονται 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. Κάθε χρόνο, τα πειράματα που διεξάγονται στον LHC παράγουν έναν ασύλληπτο όγκο δεδομένων. Αρκεί μόνο να πούμε ότι, εάν αποθηκεύονταν όλα τα δεδομένα που καταγράφει ο ένας μόνο από τους δύο μεγαλύτερους ανιχνευτές, θα γέμιζαν 100.000 CD το δευτερόλεπτο, αρκετά για να δημιουργήσουμε μία στοίβα που θα έφτανε ως τη Σελήνη σε 6 μήνες!

Οι δύο μεγαλύτεροι ανιχνευτές CMS και ATLAS 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 ανιχνευτής ALICE διερευνά το επονομαζόμενο πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, μία κατάσταση ύλης που θεωρείται ότι υπήρξε για μία φευγαλέα στιγμή σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, μέσα από την ανάλυση των σωματιδίων που σχηματίζονται κατά τις συγκρούσεις ιόντων μολύβδου. Ο ανιχνευτής LHCb, τέλος, μελετά την ασυμμετρία ύλης και αντιύλης (τα σωματιδια της αντιύλης είναι «κατοπτρικά» σωματίδια της ύλης με την ίδια ακριβώς μάζα, αλλά αντίθετο φορτίο).
Σύμφωνα με το ΚΠ, τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συγκροτούν τους ατομικούς πυρήνες αποτελούνται από συνδυασμούς δύο άλλων, θεμελιωδών σωματιδίων, τα οποία ονομάζονται άνω (up) και κάτω (down) κουάρκ. Από όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, το ηλεκτρόνιο και τα άνω/κάτω κουάρκ είναι τα μόνα σωματίδια που απαιτούνται, ώστε να δημιουργηθεί το σύνολο της ορατής ύλης που εμπεριέχει το Σύμπαν! Τα τρία αυτά στοιχειώδη σωματίδια, μαζί με ένα άλλο, ουδέτερο και με ελάχιστη μάζα σωματίδιο, το νετρίνο του ηλεκτρονίου, είναι τα ελαφρύτερα που υπάρχουν στη φύση και αποτελούν την πρώτη γενεά των σωματιδίων της ύλης.
Ανακαλύψαμε, ωστόσο, και άλλες μορφές ύλης, οι οποίες αποτελούνται από βαρύτερα θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία συγκροτούν τη δεύτερη και την τρίτη γενεά της ύλης. Έτσι, η δεύτερη γενεά αποτελείται από το μιόνιο, το νετρίνο του μιονίου και τα κουάρκ γοητευτικό (charm) και παράξενο (strange), ενώ η τρίτη γενεά αποτελείται από το σωματίδιο ταυ, το νετρίνο ταυ και τα κουάρκ κορυφή (top) και πυθμένας (bottom). Τα σωματίδια της δεύτερης και της τρίτης γενεάς «ζουν» για κλάσματα του δευτερολέπτου, αφού διασπώνται ταχύτατα σε σωματίδια της πρώτης γενεάς, ενώ μόνο οι τεράστιες ενέργειες που επιτυγχάνονται σε γιγάντιους επιταχυντές, όπως αυτοί του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών CERN, μπορούν να τα επαναφέρουν φευγαλέα στην ζωή.
Tα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, της αντιύλης, καθώς και τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θεωρείται ότι σχηματίστηκαν κατά τις πρώτες απειροστές στιγμές της εξέλιξης του Σύμπαντος, σε συνθήκες ακραία υψηλών πυκνοτήτων και θερμοκρασιών, αποτελούσαν δηλαδή μία υπέρθερμη «σούπα» σωματιδίων και ακτινοβολίας, απ’ την οποία προέρχονται όλα όσα βλέπουμε (και δεν βλέπουμε!) στο Σύμπαν.
Όλες οι δομές του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου, από τα πρωτόνια μέχρι τα γαλαξιακά σμήνη και υπερσμήνη, σχηματίζονται από σωματίδια της πρώτης γενεάς, τα οποία ενώνονται με την βοήθεια τεσσάρων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων: της βαρυτικής, της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρής. Η βαρύτητα, η ασθενέστερη απ’ όλες τις αλληλεπιδράσεις, ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων με μάζα και περιγράφεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ). Αν και σε μεγάλες κλίμακες η βαρύτητα είναι αυτή που καθορίζει τον σχηματισμό και την εξέλιξη της δομής στο Σύμπαν, στο βασίλειο του μικρόκοσμου είναι αμελητέα. Πραγματικά, η βαρυτική έλξη μεταξύ δύο πρωτονίων είναι περίπου 1035 φορές ασθενέστερη από την ηλεκτρομαγνητική τους αλληλεπίδραση, η οποία, όπως και η βαρύτητα εξάλλου, έχει άπειρη εμβέλεια.
Η αλληλεπίδραση αυτή εμφανίζεται σε όλα τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα, σ’ αυτήν οφείλεται το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια συγκρατούνται στους ατομικούς πυρήνες, ενώ αποτελεί και την αιτία σύνδεσης των ατόμων μεταξύ τους για τον σχηματισμό των μορίων. Οι άλλες δύο θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, αντιθέτως, έχουν περιορισμένη εμβέλεια, καθώς γίνονται αισθητές μόνο σε υποατομικές κλίμακες. Η ασθενής αλληλεπίδραση, ειδικότερα, ευθύνεται για τις διασπάσεις των σωματιδίων της δεύτερης και τρίτης γενεάς σ’ αυτά της πρώτης, αλλά και για τη μετατροπή των πρωτονίων σε νετρόνια, χωρίς την οποία τα άστρα όπως ο Ήλιος δεν θα μπορούσαν να συντήξουν το υδρογόνο του πυρήνα τους σε ήλιο. Η ισχυρή αλληλεπίδραση, τέλος, συγκρατεί τα κουάρκ στο εσωτερικό σωματιδίων, όπως είναι το πρωτόνιο και, ακριβώς επειδή είναι ισχυρότερη της ηλεκτρομαγνητικής, 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 την πρόσφατη (2012) ανίχνευση στον LHC του μποζονίου Higgs και κατά συνέπεια με την επιβεβαίωση του ομώνυμου μηχανισμού που προσδίδει μάζα στα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, το ΚΠ βρίσκεται μέχρι στιγμής σε εξαιρετική συμφωνία με όλα τα πειραματικά αποτελέσματα.
Εκτός αυτού, το ΚΠ ενοποιεί την ηλεκτρομαγνητική με την ασθενή αλληλεπίδραση έτσι, ώστε όλα τα φαινόμενα που σχετίζονται μ’ αυτές αποτελούν διαφορετικές εκφάνσεις μίας μόνο αλληλεπίδρασης, που ονομάζεται ηλεκτρασθενής. Σε χαμηλές ενέργειες, η ηλεκτρασθενής συμμετρία, που σχετίζει τις δύο αυτές αλληλεπιδράσεις, είναι, όπως λένε οι φυσικοί, «σπασμένη» ή «κρυμμένη», γεγονός που εξηγεί τον λόγο για τον οποίο, τόσο η επιμέρους ισχύς τους, όσο και η εμβέλειά τους είναι εντελώς διαφορετικές. Στις τεράστιες, όμως, ενέργειες του αρχέγονου Σύμπαντος ή στις υψηλές ενέργειες των επιταχυντών του CERN, η συμμετρία που τις ενοποιεί «αποκαθίσταται» και οι δύο αλληλεπιδράσεις «γίνονται» μία.
Ωστόσο, παρόλο που το ΚΠ είναι η καλύτερη περιγραφή που διαθέτουμε για τον μικρόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων, μία σειρά από θεμελιώδη ερωτήματα εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα. Για παράδειγμα, γιατί υπάρχουν μόνο 3 γενεές σωματιδίων; Υπάρχουν επιπλέον χωρικές διαστάσεις; Γιατί ζούμε σε ένα Σύμπαν που αποτελείται από ύλη και όχι αντιύλη; Πώς μπορεί να επιτευχθεί η ενοποίηση της ηλεκτρασθενούς με την ισχυρή αλληλεπίδραση; Αναμφίβολα, όμως, το κορυφαίο αναπάντητο ερώτημα, που γι’ αυτόν ακριβώς τον λόγο λέγεται συχνά ότι είναι το «Άγιο Δισκοπότηρο» της θεωρητικής φυσικής, είναι η ενοποίηση και των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων σε μία ενιαία θεωρία. Αυτό το εξαιρετικά δύσκολο εγχείρημα δεν έχει ακόμη επιτευχθεί διότι η κβαντική θεωρία, που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μικρόκοσμου, και η ΓΘΣ, που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μακρόκοσμου, είναι δύο μαθηματικές δομές που κανένας ως τώρα δεν κατόρθωσε να ταιριάξει.
Δεν πρέπει, ακόμη, να ξεχνάμε ότι το ΚΠ αφορά κυρίως στην βαρυονική ύλη του Σύμπαντος, η οποία δεν αντιπροσωπεύει παρά μόλις το 5% της συνολικής μάζας και ενέργειας που εμπεριέχει. Η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται ότι είναι τουλάχιστον πενταπλάσια, ενώ το υπόλοιπο 68% της «υλοενέργειας» του Σύμπαντος κυριαρχείται από μία εξίσου άγνωστη μορφή ενέργειας με βαρυτικά απωστικές ιδιότητες, που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του: την σκοτεινή ενέργεια. Η βαθύτερη κατανόηση αυτών των δύο «σκοτεινών» μορφών ύλης και ενέργειας είναι σχεδόν βέβαιο ότι απαιτεί «νέα» φυσική, πέραν του ΚΠ. Καθώς η προσπάθεια για την απάντηση αυτών των ερωτημάτων συνεχίζεται, η έρευνα που διεξάγεται στο CERN θα ανοίξει τον δρόμο σε νέα, ανεξερεύνητα ακόμη, «μονοπάτια», πέρα από τα Καθιερωμένα Πρότυπα, που περιγράφουν τον μικρόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων και τον μακρόκοσμο του Σύμπαντος.

[1] Περισσότερες πληροφορίες για το CERN, εδώ. Στην εικόνα διακρίνεται τμήμα του γιγάντιου επιταχυντή LHC (φωτογρ. ©2009-2018 CERN).

[2] Περισσότερες πληροφορίες για το ΚΠ μπορούν να αντληθούν και στην ιστοσελίδα Η Περιπέτεια των Σωματιδίων.

Πηγή:https://www.eef.edu.gr/el/arthra/ta-65a-genethlia-tou-cern/?fbclid=IwAR0PCgU0R3xpPFh-U2TIjFLcqP9tn2QepYSmU_5jJEpkNJOX86eF3ADoE9k