του Νίκου Τράκα*
Τα πρωτόνια θα περιστρέφονται 11 000 φορές το δευτερόλεπτο σε μια περιφέρεια 27 χιλιομέτρων
-
-
η θερμοκρασία θα είναι -271 βαθμοί
-
τα όργανα παρατήρησης έχουν μέγεθος 10όροφου κτιρίου
-
η πληροφορία που θα συσσωρεύεται κάθε χρόνο απαιτεί 15 000 000 CD για να αποθηκευτεί
ΠΟΥ ΚΑΙ ΓΙΑΤΙ ΣΥΜΒΑΙΝΟΥΝ ΟΛΑ ΑΥΤΑ; ΠΟΙΟΙ ΕΙΝΑΙ ΥΠΕΥΘΥΝΟΙ;
Ας ξεκινήσουμε με την «ταυτότητα» αυτών των γεγονότων:
ΟΝΟΜΑ: ATLAS-CMS
ΕΠΩΝΥΜΟ: LHC
ΟΝΟΜΑ ΠΑΤΕΡΑ: CERN (Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων)
ΟΝΟΜΑ ΜΗΤΕΡΑΣ: 3 900 επιστήμονες από όλη την υφήλιο
ΤΟΠΟΣ ΓΕΝΝΗΣΗΣ: Γενεύη Ελβετίας
ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΑ ΓΕΝΝΗΣΗΣ: 2008
Στα σύνορα μεταξύ Ελβετίας και Γαλλίας, κοντά στη Γενεύη, βρίσκεται από το 1954 το περίφημο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων CERN. Σκοπός του είναι η έρευνα των έσχατων δομικών λίθων της ύλης. Σχετικά πρόσφατα έχει γίνει αποδεκτό ότι αυτή η έρευνα του μικρόκοσμου (του κόσμου του ατόμου, του πυρήνα, των πρωτονίων και νετρονίων, των κουάρκ) συνδέεται άμεσα με την έρευνα του μακρόκοσμου: του Σύμπαντος και της δημιουργίας του.
Στα 53 χρόνια της ζωής του το CERN (χειροπιαστό παράδειγμα συνεργασίας επιστημόνων πέρα και πάνω από εθνικότητες, ιδεολογίες και θρησκείες) έχει να επιδείξει σημαντικότατη προσφορά (και πολλές «πρωτιές») στην προώθηση της κατανόησης της ύλης, τόσο σε πειραματικό επίπεδο όσο και στη θεωρητική θεμελίωση της δομής της.
Ο καλύτερος τρόπος ανακάλυψης της έσχατης δομής της ύλης είναι η συστηματική παρακολούθηση συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων που κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες. Τέτοια σωματίδια είναι τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, βασικά συστατικά του ατόμου. Από τα θραύσματα τέτοιων συγκρούσεων οι επιστήμονες προσπαθούν να ερμηνεύσουν τους φυσικούς κανόνες που διέπουν την ύλη.
Για την επίτευξη των μεγάλων ταχυτήτων των σωματιδίων που συγκρούονται χρησιμοποιούνται οι επιταχυντές. Το CERN έχει κατασκευάσει τον μεγαλύτερο επιταχυντή του κόσμου με σκοπό να προκαλέσει συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων. Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών (Large Hadron Collider, LHC) είναι ένας δακτύλιος περιφέρειας 27 χιλιομέτρων, τοποθετημένος σε ένα υπόγειο τούνελ, 100 μέτρα κάτω από το έδαφος. Δέσμες πρωτονίων κινούνται, σε αντίθετες κατευθύνσεις, στο εσωτερικό ενός σωλήνα, με τελικό σκοπό τη σύγκρουση μεταξύ τους. Η διατήρησή των πρωτονίων σε κυκλική τροχιά καθώς και οι υψηλές ταχύτητές τους (99,9999% της ταχύτητας του φωτός) επιτυγχάνονται με ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους που απαιτούν να βρίσκονται τα όργανα σε θερμοκρασία -271οC , δηλαδή πολύ κοντά σ’ αυτήν που οι φυσικοί αποκαλούν απόλυτο μηδέν (-273oC). Αυτό επιτυγχάνεται με τη συνεχή κυκλοφορία, στην περιφέρεια των 27 χιλιομέτρων, υγρού ηλίου. Πράγματι, λοιπόν, με τέτοια ταχύτητα κάθε πρωτόνιο περιστρέφεται 11 000 φορές το δευτερόλεπτο στον δακτύλιο του επιταχυντή. Οι δύο δέσμες δεν έχουν συνεχή ροή πρωτονίων. Αποτελούνται δεσμίδες που η κάθε μια περιέχει 300 τρισεκατομμύρια (3 x 1014) πρωτόνια, ενώ θα κυκλοφορούν 2808 δεσμίδες (προς κάθε μια από τις δύο κατευθύνσεις) στην περιφέρεια του επιταχυντή. Αυτό σημαίνει ότι θα πραγματοποιούνται 40 εκατομμύρια διασταυρώσεις των αντίθετα κινούμενων δεσμίδων ανά δευτερόλεπτο. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργούνται 25 περίπου συγκρούσεις πρωτονίων ανά δευτερόλεπτο.
Για την καταγραφή των συγκρούσεων οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τους ανιχνευτές που περιβάλλουν το σημείο σύγκρουσης. Για την ακρίβεια, στον LHC, τα πρωτόνια θα συγκρούονται σε τέσσερα σημεία της περιφέρειάς του. Εκεί ακριβώς στήνονται και οι τέσσερις ανιχνευτές: ATLAS, CMS, ALICE και LHCb.
Στην πρώτη φάση του πειράματος θα ενεργοποιηθούν μόνο οι ανιχνευτές ATLAS και CMS. Και οι δύο έχουν σχήμα κυλίνδρου με μήκος περίπου 35 μ. και διάμετρο βάσης περίπου 20 μ. Αποτελούνται από πάρα πολλά εξειδικευμένα ηλεκτρονικά συστήματα που σκοπό έχουν να καταγράψουν τη διέλευση σωματιδίων που προέρχονται από τη σύγκρουση των πρωτονίων. Η μεγάλη συχνότητα των συγκρούσεων οδηγεί σε μια τεράστια ποσότητα πληροφορίας η οποία, ανά έτος, απαιτεί για αποθήκευση μια στοίβα δίσκων CD ύψους 20 χιλιομέτρων. Η επεξεργασία αυτών των δεδομένων είναι αδύνατον να πραγματοποιηθεί από ένα μεμονωμένο υπολογιστικό κέντρο, όσο μεγάλο και αν είναι. Ακριβώς, η επεξεργασία θα γίνεται από ένα σύνολο 100 000 πολύ γρήγορων PC που είναι διεσπαρμένα σε όλο τον κόσμο και αποτελούν το Πρόγραμμα Υπολογιστικού Δικτύου (Computing Grid Project) του LHC.
Σε τι αποσκοπούν αυτά τα πειράματα; Τα τελευταία είκοσι χρόνια, οι επιστήμονες του κλάδου έχουν φτάσει σε ένα πάρα πολύ καλό επίπεδο ερμηνείας του μικρόκοσμου μέσω του λεγόμενου Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model), που εξηγεί με εκπληκτική επιτυχία όλα τα αποτελέσματα των έως και σήμερα σχετικών πειραμάτων. Παρ’ όλα αυτά, στον πίνακα των στοιχειωδών σωματιδίων που προτείνει το Καθιερωμένο Πρότυπο και που έχουν ήδη ανακαλυφθεί, υπάρχει ένα κενό: αυτό που αντιστοιχεί στο επονομαζόμενο σωματίδιο higgs (από τον Άγγλο φυσικό Peter Higgs που το εισήγαγε θεωρητικά). Η ανακάλυψη αυτού του σωματιδίου είναι ο κύριος στόχος των πειραμάτων που ξεκινούν σε λίγους μήνες στο CERN. Βέβαια, πέρα από το «ξεκαθάρισμα της υπόθεσης higgs», οι φυσικοί περιμένουν πολλά περισσότερα από τους νέους ορίζοντες έρευνας που ανοίγει ο LHC. Πολλές νέες θεωρίες/αναβαθμίσεις του Καθιερωμένου Προτύπου (που απαντούν σε όρουε όπως υπερσυμμετρία, θεωρία χορδών ή εισάγουν περισσότερες από τρεις χωρικές διαστάσεις) περιμένουν την επιβεβαίωση ή την απόρριψή τους.
Περισσότερες πληροφορίες μπορείτε να βρείτε στην ιστοσελίδα της Ελληνικής Ομάδας Εκλαΐκευσης (http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS), στις εκλαϊκευτικές ιστοσελίδες των δύο πειραμάτων ATLAS (http://atlas.ch/) και CMS (http://cms.cern.ch/) καθώς και στη κεντρική σελίδα του CERN (http://www.cern.ch) και.
*Ο Νίκος Τράκας είναι, αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ καιΣυντονιστής της Ελληνικής Ομάδας Εκλαΐκευσης
