Tα πειράματα στο CERN και το σωματίδιο Higgs : Θεωρίες της Φυσικής και Βιβλική Κοσμολογία σε θέση αντίθεση και σύνθεση - Τακαρίδης Γεώργιος (3)

 Συνέχεια από:  Παρασκευή, 3 Ιουλίου 2020

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ 

1. ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ Η ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ HIGGS

1.1.  Σύντομη παρουσίαση του CERN

Το CERN είναι αυτή τη στιγμή το μεγαλύτερο κέντρο πυρηνικών ερευνών στον κόσμο. Το όνομά του παράγεται από τη σύνθεση των αρχικών γραμμάτων του ερευνητικού κέντρου Conseil Europeéne pour la Recherche Nucléaire και βρίσκεται στη Γενεύη κοντά στα γαλλοελβετικά σύνορα7. Η ίδρυσή του οφείλεται σε πρόταση του σπουδαίου θεωρητικού φυσικού και νομπελίστα Louis de Broglie (1892 – 1987). Στα 1949 και μετά από τη μαζική μετανάστευση επιστημόνων προς τη βόρεια Αμερική που επέφερε ο Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος, ο de Broglie πρότεινε την ίδρυση του κέντρου με σκοπό να ανακτήσει ο ευρωπαϊκός χώρος την αίγλη του στην επιστημονική έρευνα. Λίγα μόλις χρόνια αργότερα, στα 1954, υπογράφηκε η σύμβαση για τη δημιουργία του κέντρου και από το 1959, όταν τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος μεγάλος επιταχυντής με το όνομα «Σύγχροτρο Πρωτονίων» (Proton Synchrotron)9, που πέτυχε ρεκόρ επιτάχυνσης πρωτονίων, το CERN άρχισε να καθιερώνεται ως ένα από τα κορυφαία ερευνητικά κέντρα του κόσμου μαζί με τα αντίστοιχα του Berkeley και του Brookheaven της Αμερικής.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1960 αποφασίστηκε η επέκταση του CERN προς την πλευρά της Γαλλίας με την κατασκευή του πρώτου πρωτονικού επιταχυντή, που θα ήταν παράλληλα και συγκρουστής, δηλαδή θα έδινε τη δυνατότητα στα επιταχυνόμενα πρωτόνια να συγκρούονται με μεγάλες ταχύτητες πάνω σε ακίνητους στόχους, ώστε να μελετώνται τα παράγωγα της σύγκρουσης10. Στα 1971 ο επιταχυντής – συγκρουστής με το όνομα ISR (Interactive Storage Rings) μπήκε σε λειτουργία, ενώ διαπιστώθηκε πως το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που αποκτούσαν τα σωματίδια χανότανε πάνω στον ακίνητο στόχο. Αποφασίστηκε έτσι η κατασκευή επιταχυντή – συγκρουστή, όπου δύο δέσμες πρωτονίων μετά την επιτάχυνσή τους θα συγκρούονταν μεταξύ τους, ώστε να καθίσταται δυνατή η εκμετάλλευση όλης της παραγόμενης ενέργειας. Η κατασκευή του πρώτου κυκλικού επιταχυντή, του SPS (Super Proton Collider) πραγματοποιήθηκε σταδιακά μέχρι το 1976 μέσα σε μία υπόγεια σήραγγα μήκους 7 χιλιομέτρων. Σε λιγότερο από μία δεκαετία, στα 1985, άρχισε η κατασκευή του γιγάντιου επιταχυντή LEP (μεγάλου συγκρουστή ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων, Large Electron Positron Collider)11. Οι τεχνικές δυσκολίες διάνοιξης νέας υπόγειας σήραγγας και οι διαστάσεις της – 27 χιλιόμετρα μήκος, σε βάθος από 35 μέχρι και 135 μέτρα κάτω από το έδαφος– ήταν τόσο μεγάλες, ώστε καμία εταιρεία δεν αναλάμβανε το έργο. Οι μηχανικοί του CERN, εκμεταλλευόμενοι την προηγούμενη εμπειρία από την κατασκευή του SPS, προχώρησαν και από το 1989 μέχρι το 2000 ο LEP συνεισέφερε τα μέγιστα στην έρευνα της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων. Το Νοέμβριο του 2000 έπαψε η λειτουργία του LEP, εφόσον είχε φτάσει πλέον στα όρια των κατασκευαστικών του προδιαγραφών12, ενώ παράλληλα αποφασίστηκε η δημιουργία του LHC (μεγάλου συγκρουστή αδρονίων, Large Hadron Collider), που επρόκειτο να αντικαταστήσει τον LEP μέσα στην ίδια σήραγγα των 27 χιλιομέτρων. Ο LHC τέθηκε σε λειτουργία το 2008 και σταδιακά ρυθμίζεται και συντηρείται, ώστε να φτάσει κάποια στιγμή στο μέγιστο της απόδοσής του.

Σήμερα, και ίσως για πολλά χρόνια ακόμα ο LHC αποτελεί τον ισχυρότερο επιταχυντή – συγκρουστή σωματιδίων. Η ενέργεια που δίνει σήμερα στις συγκρουόμενες δέσμες είναι περίπου 8TeV13, ενώ αυτή που θα δώσει στα σωματίδια, όταν θα φτάσει στο ζενίθ της απόδοσής του, θα είναι 14TeV. Ο προηγούμενος σε ισχύ επιταχυντής, ο Tevatron, στο εργαστήριο Fermilab στο Ιλλινόις των Ηνωμένων Πολιτειών, έφτασε στα 2TeV και τερμάτισε τη λειτουργία του στις 30 Σεπτεμβρίου του 2011. Το τεράστιο κόστος του LHC –περίπου 6 δισεκατομμύρια ευρώ–, αλλά και το γεγονός ότι για την υλοποίηση τέτοιων κατασκευών αγγίζονται τα όρια των τεχνολογικών δυνατοτήτων της ανθρωπότητας, δείχνουν πως, τουλάχιστον προς το παρόν, είναι απαγορευτικός ένας σχεδιασμός για πιο εξελιγμένο επιταχυντή στο κοντινό μέλλον.

Ο λόγος που δημιουργήθηκαν και εξελίχθηκαν οι επιταχυντές σε όλο τον κόσμο είναι ο πειραματικός έλεγχος των διαφόρων θεωριών για τη δομή και την προέλευση της ύλης, όπως επίσης και ο έλεγχος της επικρατέστερης μέχρι τώρα θεωρίας για την γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος, που είναι αυτή της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang)14. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη τα πάντα ήταν ενεργειακής υπόστασης. Τίποτε δεν είχε ακόμη μάζα – υλική υπόσταση, η οποία εμφανίστηκε αργότερα, καθώς το Σύμπαν διαστέλλονταν, ψύχονταν και παράλληλα μειώνονταν η πυκνότητα της ενέργειας. Έτσι δημιουργήθηκαν τα πρώτα στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία με τη σειρά τους αλληλεπιδρώντας έδωσαν σταδιακά τους σχηματισμούς εκείνους που δομούν τη γνωστή μας σήμερα ύλη. Οι επιταχυντές δίνουν τεράστια ποσά ενέργειας σε διαφόρων ειδών σωματίδια, τα οποία, ενώ έχουν αποκτήσει ταχύτητες που πλησιάζουν ασυμπτωτικά την ταχύτητα του φωτός, στη συνέχεια υποχρεώνονται σε σύγκρουση. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται πολύ υψηλές πυκνότητες ενέργειας, τέτοιες που δε μπορούν να παρατηρηθούν σε φαινόμενα της καθημερινότητας. Από τη γνωστή σχέση ισοδυναμίας μάζας – ενέργειας E=mc2 της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein κατανοείται ότι η ενέργεια με τη μάζα είναι μεγέθη στενά αλληλοσχετιζόμενα και ότι η μία μπορεί να μετατραπεί στην άλλη και αντίστροφα. Στους επιταχυντές, μετά την επιτάχυνση και τη σφοδρή σύγκρουση των σωματιδίων, μέρος της μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια. Όσο πιο μεγάλες είναι οι πυκνότητες ενέργειας που επιτυγχάνονται, τόσο περισσότερο πλησιάζουμε στις συνθήκες που επικρατούσαν πολύ κοντά στη χρονική στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης. Η πολύ μεγάλη και πυκνή ποσότητα ενέργειας που παράγεται στα σημεία σύγκρουσης, μετατρέπεται και πάλι σε ένα μεγάλο πλήθος στοιχειωδών σωματιδίων. Τα σωματίδια αυτά, που είναι εξαιρετικά βραχύβια, καταγράφονται από γιγάντιους ανιχνευτές και στη συνέχεια ακολουθεί η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων για την ταυτοποίησή τους και την πιστοποίηση των ιδιοτήτων τους. Με τον τρόπο αυτό επιχειρείται η ανασύνθεση της εικόνας της πορείας και της εξέλιξης του Σύμπαντος στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη δημιουργία του. Μέσα σ’ αυτήν την ανασύνθεση κρύβεται και η επιθυμία κατανόησης του τρόπου με τον οποίο δημιουργήθηκε η μάζα από την ενέργεια15. Στην κατεύθυνση αυτή βρίσκεται και η έρευνα για τον εντοπισμό του σωματιδίου Higgs. Το σωματίδιο αυτό βασίζεται στον ομώνυμο μηχανισμό, ο οποίος δίνει θεωρητικά μία αρκετά πειστική απάντηση για τη «δημιουργία»16 της μάζας. Καταλαβαίνουμε λοιπόν γιατί γίνεται όλη αυτή η προσπάθεια για την κατασκευή ολοένα και ισχυρότερων επιταχυντών. Αφενός ικανοποιείται η σφοδρή επιθυμία του ανθρώπου μέσω της προσπάθειας των επιστημόνων να διερευνήσει και να οδηγηθεί στους λόγους των όντων και αφετέρου κρύβεται για κάποιους η περιέργεια και για κάποιους η αγωνία της προέλευσής τους. Άραγε λοιπόν πίσω από όλα αυτά κρύβεται ο Λόγος ή τα πάντα είναι απλώς προϊόντα των λόγων της Φύσης;

Σημειώσεις

7. http://public.web.cern.ch/public/en/About/Name-en.html

8. http://public.web.cern.ch/public/en/About/History54-en.html

9. http://public.web.cern.ch/public/en/About/History59-en.html

10. http://public.web.cern.ch/public/en/About/History71-en.html

11. http://public.web.cern.ch/public/en/About/History89-en.html
12. http://public.web.cern.ch/public/en/About/History00-en.html
13. http://www.atlas.ch/news/2012/HiggsStatementATLAS-Greek.pdf
14. http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/WhyLHC-en.html
15. http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/WhyLHC-en.html
16. Τα εισαγωγικά μπαίνουν στην λέξη δημιουργία, διότι –όπως θα εξηγηθεί παρακάτω αναλυτικά– στην πραγματικότητα δεν πρόκειται για δημιουργία αλλά για εμφάνιση της μάζας που προϋπήρχε και δεν είχε εκδηλωθεί λόγω των συνθηκών που επικρατούσαν στο πρώιμο Σύμπαν.