Tα πειράματα στο CERN και το σωματίδιο Higgs : Θεωρίες της Φυσικής και Βιβλική Κοσμολογία σε θέση αντίθεση και σύνθεση - Τακαρίδης Γεώργιος (6)

Συνέχεια από: Πέμπτη, 9 Ιουλίου 2020

III. Η κατάσταση από την έναρξη του LHC μέχρι σήμερα

Ο LHC, όπως προαναφέρθηκε, είναι ο πιο σύγχρονος και ο ισχυρότερος επιταχυντής που κατασκευάστηκε ποτέ. Οι δυνατότητές του αγγίζουν τα όρια της επιστημονικής γνώσης και των ανθρωπίνων δυνατοτήτων. Η θερμοκρασία που επικρατεί στο εσωτερικό του είναι 271,3°C κάτω από το μηδέν (1,9 Κ), και είναι χαμηλότερη αυτής που επικρατεί μέσα στο αχανές Σύμπαν (περίπου 2,7 Κ). Η ταχύτητα που προσδίδει στα επιταχυνόμενα πρωτόνια φτάνει στο 99,9999991% της ταχύτητας του φωτός. Για να αποφευχθεί η σύγκρουση των επιταχυνόμενων δεσμών με τα μόρια του αερίου στο εσωτερικό του επιταχυντή, δημιουργείται εξαιρετικά υψηλό κενό. Η εσωτερική πίεση τού LHC είναι 10^(-13)atm, δηλαδή περίπου δέκα φορές μικρότερη από την πίεση που επικρατεί στη Σελήνη. Κατά τη σύγκρουση των επιταχυνόμενων δεσμών οι θερμοκρασίες που παράγονται είναι πάνω από 100.000 φορές υψηλότερες από αυτές που επικρατούν στην καρδιά του Ήλιου, εστιασμένες σε ένα μικροσκοπικό χώρο31.

Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του LCH, που τον κάνει να υπερτερεί έναντι οποιουδήποτε προηγουμένου του, είναι η πολύ μεγαλύτερη ένταση της δέσμης επιταχυνομένων σωματιδίων που μπορεί να δημιουργήσει. Ο Tevatron παρήγαγε περίπου 10 εκατομμύρια συγκρούσεις σωματιδίων κάθε δευτερόλεπτο32, ενώ ο LHC παράγει περίπου 600 εκατομμύρια συγκρούσεις το δευτερόλεπτο33. Αυτό σημαίνει πως αυξάνει σημαντικά ο αριθμός των γεγονότων που παράγονται σε κάθε περιοχή ενέργειας, με αποτέλεσμα τα συμπεράσματά μας να είναι πολύ μεγαλύτερης στατιστικής βεβαιότητας. Επιπλέον οι ενέργειες που μπορεί να δώσει ο LHC στα επιταχυνόμενα σωματίδια είναι μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτές που μπορούσε ο Tevatron και είναι τόσο μεγάλες, ώστε υπάρχει το ενδεχόμενο, μετά από τις συγκρούσεις και καθώς η ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα, να παραχθούν νέα άγνωστα σωματίδια πολύ μεγάλων μαζών που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ στη Φύση αλλά ούτε και σε κάποιον από τους επιταχυντές που λειτούργησαν μέχρι σήμερα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι θα σημάνει την έναρξη νέας γνώσης στη Φυσική. Μέχρι τώρα ανακαλύφθηκαν πολλά άγνωστα σωματίδια, που προβλέπονταν όμως από το Καθιερωμένο Πρότυπο με εξαίρεση το σωματίδιο Higgs. Επομένως ανακάλυψη νέου σωματιδίου διαφορετικού του Higgs θα σημάνει πράγματι την έναρξη νέας Φυσικής. Υπάρχουν βέβαια κάποια θεωρητικά μοντέλα τα οποία περιμένουν και αυτά με τη σειρά τους την επιβεβαίωση ή την απόρριψή τους, όπως με πολλή υπομονή και σε βάθος χρόνου έγινε με το Καθιερωμένο Πρότυπο, αλλά οπωσδήποτε θα πρόκειται για μία νέα έναρξη στην πορεία της αναζήτησης και σε βαθύτερο πλέον επίπεδο. Οι συγκρούσεις καταγράφονται σε τέσσερις διαφορετικούς γιγάντιους ανιχνευτές, τους ALICE, ATLAS, LHCb και CMS, που βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία του LHC (βλέπε εικόνα 1).

ΕΙΚΟΝΑ 1

Σχηματική αναπαράσταση της περιοχής που βρίσκονται οι εγκαταστάσεις του CERN. Στο βάθος φαίνονται τα λευκά όρη, η λίμνη της Γενεύης, η Γενεύη και τα Γαλλοελβετικά σύνορα. Ο κύκλος παριστάνει την υπόγεια σήραγγα μήκους 27 km όπου βρίσκεται ο LHC σε μέσο βάθος 100m περίπου. Επίσης διακρίνονται οι τέσσερις τεράστιοι ανιχνευτές ALICE, ATLAS, LHCb και CMS, όπου πραγματοποιούνται οι συγκρούσεις των δεσμών σωματιδίων και καταγράφονται τα αποτελέσματα34.

Ο LHC ξεκίνησε την λειτουργία του τον Σεπτέμβριο του 2008 (35) και, μετά από μία βλάβη που υπέστη, μπήκε σε κανονική λειτουργία τον Οκτώβριο του 2009. Η λειτουργία του ξεκίνησε από χαμηλές σχετικά τιμές ενέργειας και σταδιακά αυξανόταν η ισχύς του, ώστε να γίνονται σωστές ρυθμίσεις, με σκοπό να αποφευχθούν τα οποιαδήποτε λάθη απροσεξίας που θα μπορούσαν να αποβούν μοιραία για την ορθή λειτουργία του. Από τότε πολλές από τις μετρήσεις του επιβεβαίωσαν για πολλοστή φορά μαζί με τον Tevatron την ισχύ και την εγκυρότητα των πειραμάτων που προηγήθηκαν τις προηγούμενες δεκαετίες. Επιπλέον νέα επιτεύγματα κατέστησαν εφικτά, όπως η δημιουργία θερμοκρασίας 5 τρισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου36 –θερμοκρασία υπερπολλαπλάσια αυτής που επικρατεί στο εσωτερικό του ήλιου– μία θερμοκρασία κατά 40% μεγαλύτερη από την αμέσως προηγούμενή της (στον RHIC, στις ΗΠΑ), που επιτρέπει την ακόμη μεγαλύτερη προσέγγιση των συνθηκών του Big Bang. Στην θερμοκρασία αυτή πιστεύεται ότι παράγεται πλάσμα κουάρκς – γκλουονίων, όπου παύουν να ισχύουν οι δυνάμεις που συγκρατούν τα κουάρκς μέσα στους πυρήνες των ατόμων και η ύλη μετατρέπεται σε μία «αρχέγονη σούπα» όμοια με αυτήν που επικρατούσε στα πρώτα μικροκλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη δημιουργία του Σύμπαντος. Ακόμη στο πείραμα ALPHA στον antiproton decelerator (AD) επιτεύχθηκε η δημιουργία και ο εγκλωβισμός μερικών εκατοντάδων ατόμων «αντι–υδρογόνου» για δεκαπέντε ολόκληρα λεπτά, σημειώνοντας σημαντική επιτυχία, καθώς η προηγούμενη προσπάθειά τους είχε επιτρέψει τον εγκλωβισμό ατόμου αντιύλης μόλις για μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου37.

Παράλληλα εντείνονταν οι προσπάθειες για τον εντοπισμό του σωματιδίου Higgs. Τα πειράματα που στήθηκαν για τον εντοπισμό του σωματιδίου είναι τα ATLAS και CMS (38). Τον Δεκέμβριο του 2011 δόθηκαν οι πρώτες ενδείξεις για τον εντοπισμό ενός νέου σωματιδίου στην περιοχή ενεργειών που αναμένονταν το Higgs με στατιστική βεβαιότητα 2 σίγμα, ενώ η απαιτούμενη βεβαιότητα για να αναγνωριστεί επίσημα μία νέα ανακάλυψη είναι 5 σίγμα, που σημαίνει πως η πιθανότητα λάθους είναι μία στο εκατομμύριο. Τον Μάρτιο του 2012 φυσικοί του Tevatron ανακοίνωσαν ενδείξεις όμοιες μ’ αυτές του LHC εργαζόμενοι ανεξάρτητα πάνω στα δικά τους δεδομένα. Από τον Απρίλιο του 2012 εντάθηκαν ακόμη περισσότερο οι προσπάθειες στο CERN ενώ οι ενέργειες της σύγκρουσης έφταναν στα 8TeV έναντι των 7TeV που έφταναν το 2011 (39), ώστε να καταστεί βέβαιη η ύπαρξη του σωματιδίου με μεγαλύτερη στατιστική βεβαιότητα. Στις 2 Ιουλίου του 2012 ο εκπρόσωπος του πειράματος CDF στον Tevatron ανακοίνωσε την ύπαρξη του νέου σωματιδίου με στατιστική βεβαιότητα 2,9 σίγμα, με τη διευκρίνιση ότι η όποια περαιτέρω βεβαιότητα θα προκύψει από τον LHC. Δύο μέρες αργότερα, στις 4 Ιουλίου, στο Διεθνές Συνέδριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών που έγινε στη Μελβούρνη, ανακοινώθηκε η ανακάλυψη νέου σωματιδίου με την απαιτούμενη στατιστική βεβαιότητα των 5 σίγμα. Ο εκπρόσωπος του πειράματος CMS Joe Incandela δήλωσε: «Τα αποτελέσματα είναι προκαταρκτικά, αλλά το σήμα των 5 σίγμα που βλέπουμε περίπου στα 125 GeV είναι δραματικό. Αυτό είναι πράγματι ένα νέο σωματίδιο. Γνωρίζουμε ότι πρέπει να είναι ένα μποζόνιο και είναι το βαρύτερο μποζόνιο που έχει βρεθεί ποτέ. Οι επιπτώσεις είναι πολύ σημαντικές και για το λόγο αυτό ακριβώς πρέπει να είμαστε εξαιρετικά επιμελείς σε όλες τις μελέτες μας και τους διασταυρωτικούς ελέγχους»40. Την ίδια ημέρα η επικεφαλής του πειράματος ATLAS41 Dr. Fabiola Gianotti δήλωσε: «Εντοπίσαμε στα δεδομένα μας σαφείς ενδείξεις για ένα νέο σωματίδιο με μάζα γύρω στα 125 GeV. Η εξαιρετική απόδοση του επιταχυντή LHC και του πειράματος ATLAS καθώς και οι μεγάλες προσπάθειες πολλών επιστημόνων μάς οδήγησαν σε αυτό το συναρπαστικό αποτέλεσμα. Χρειάζεται λίγος χρόνος ακόμα για την οριστικοποίηση αυτών των αποτελεσμάτων. Περισσότερα δεδομένα όμως και εξειδικευμένες μελέτες θα χρειασθούν για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του νέου σωματιδίου»42. Στις 17 Σεπτεμβρίου δημοσιεύτηκαν επίσημα πλέον οι εργασίες εντοπισμού του νέου σωματιδίου στο Physics Letters43, στο ίδιο περιοδικό που 48 χρόνια πριν δημοσιεύτηκε η εργασία του Peter Higgs.

Δε χωράει πλέον αμφιβολία ότι η ανακάλυψη του νέου σωματιδίου είναι γεγονός. Τα επόμενα στάδια για την κοινότητα των φυσικών υψηλών ενεργειών είναι να βρουν τις ιδιότητες αυτού του σωματιδίου και να συγκρίνουν τα ευρήματα με τις προβλεπόμενες ιδιότητες του μποζονίου Higgs. Ήδη κάποιες από αυτές τις ιδιότητες ταυτίζονται με τις προβλέψεις, δηλαδή το νέο σωματίδιο εμφανίστηκε στα προβλεπόμενα κανάλια διάσπασης και με μάζα που προέβλεψαν άλλες έμμεσες μετρήσεις. Στο προσεχές διάστημα που ίσως διαρκέσει μήνες ή και χρόνια θα μετρηθούν καλύτερα αυτές οι ιδιότητες, καθιστώντας έτσι σαφέστερη την εικόνα του κατά πόσον αυτό το σωματίδιο που εντοπίστηκε είναι όντως το μποζόνιο Higgs, ή το πρώτο μιας μεγάλης οικογένειας τέτοιων σωματιδίων, ή τέλος κάτι τελείως διαφορετικό.

Σημειώσεις

31. http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/Facts-en.html

32. Fermilab: http://www.fnal.gov/pub/tevatron/milestones/interactive-timeline.html

33. http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/Facts-en.html

34. http://www.atlas.ch/photos/detector-site-surface.html

35. Την Παρασκευή 19 Σεπτεμβρίου 2008 παρουσιάστηκε πρόβλημα στο τμήμα 34 του επιταχυντή. Μία εσφαλμένη ηλεκτρική επαφή οδήγησε σε μεγάλη διαρροή Ηλίου μέσα στο τούνελ. Η επανεκκίνηση πραγματοποιήθηκε τον Οκτώβριο του 2009. Γ.Ι. Γούναρης, Τι ελπίζουμε να δούμε στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC), στη διεύθυνση: http://users.auth.gr/~gounaris/omilies/LHC-May2009.pdf ή και http://public.web.cern.ch/public/en/About/History08-en.html

36. Η ανακοίνωση αυτή έγινε στο συνέδριο “Quark Matter 2012” στην Ουάσιγκτον, βλέπε http://qm2012.bnl.gov/

37. http://press.web.cern.ch/press-releases/2010/11/antimatter-atoms-produced-and-trapped-cern

38. http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/WhyLHC-en.html

39. http://www.atlas.ch/news/2012/HiggsStatementATLAS-Greek.pdf

40. http://press-archived.web.cern.ch/press-archived/PressReleases/Releases2012/PR17.12E.html

41. Το πείραμα ATLAS πραγματοποιείται ανεξάρτητα από το CMS και χρησιμοποιούνται διαφορετικές τεχνικές, ώστε να μπορεί να γίνει διασταύρωση των αποτελεσμάτων.

42. http://www.atlas.ch/news/2012/HiggsStatementATLAS-Greek.pdf

43. Physics Letters B, Volume 716, Issue 1, Pages 1–81 (17 September 2012)

1. Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the  ATLAS detector at the LHC, Pages 1–29.

2. Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Pages 30–61.

3. Search for the Standard Model Higgs boson...,  Pages 62–81.