Αναπάντητα ερωτήματα ζητούν απαντήσεις με το πείραμα ATLAS στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων

Άρθρο, Μάιος 2003

Το Καθιερωμένο Μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η θεωρία που προέκυψε από τις εργασίες εδώ και 30 χρόνια, τόσο θεωρητικών όσο και πειραματικών. Η θεωρία αυτή μας βοήθησε να κατανοήσουμε τους βασικούς δομικούς λίθους που αποτελούν την ύλη καθώς και όλες τις δυνάμεις που δρουν ανάμεσά τους.

Μέχρι τώρα η έρευνα που έχει γίνει στο CERN με τη βοήθεια του Large Electron Positron collider (LEP), όπου δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων συγκρούονται με μεγάλη ταχύτητα, έχει δείξει την πολύ καλή συμφωνία του Καθιερωμένου Μοντέλου με τις πειραματικές μετρήσεις υψηλής ακρίβειας.

Παρόλα αυτά, υπάρχουν πολλά αναπάντητα ερωτήματα, που αφορούν τη δημιουργία της μάζας των κουάρκ (συστατικό των αδρονίων και μεσονίων) και των λεπτονίων.

Επίσης, ξέρουμε ότι υπάρχουν τρία στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία δημιουργείται όλη η γνωστή μας συνηθισμένη ύλη. Αυτά είναι τα κουάρκ up και down και το γνωστό μας ηλεκτρόνιο. Αυτά είναι οι βασικοί δομικοί λίθοι της ύλης που βλέπουμε.

Αλλά αυτά τα σωματίδια, που τα ονομάζουμε οικογένεια Ι των σωματιδίων, δεν είναι τα μόνα που εμφανίζονται στα πειράματα με συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Βρέθηκαν δύο αντίγραφα των βασικών δομικών λίθων με μεγαλύτερη μάζα (οι οικογένειες σωματιδίων ΙΙ και ΙΙΙ). Τα αντίγραφα αυτά δεν συμμετέχουν στη δημιουργία της γνωστής σε μας ύλης γιατί είναι ασταθή και διασπώνται. 

Και στο ερώτημα: Γιατί η φύση διάλεξε 3 οικογένειες (αντί 2 ή περισσότερες), το Καθιερωμένο Μοντέλο ή Πρότυπο δεν μπορεί να μας δώσει απάντηση. Μερικοί φυσικοί εικάζουν ότι η απάντηση θα βρεθεί αν υποθέσουμε ότι τα κουάρκ και τα λεπτόνια έχουν και αυτά εσωτερική δομή, δηλαδή δεν είναι στοιχειώδη αλλά και αυτά με τη σειρά τους αποτελούνται από άλλα σωματίδια που δεν έχουν ακόμα ανακαλυφθεί. Οι ενέργειες που θα αναπτύξει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων είναι οι μόνες ικανές να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν τέτοιες θεωρίες.

Αλλά υπάρχει κι ένα άλλο μεγάλο πρόβλημα. Γιατί ενώ το φωτόνιο δεν έχει μάζα οι φορείς των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων (μποζόνια W και Z) έχουν και μάλιστα με μεγάλη διαφορά;.

Επειδή υπάρχει αυτή η μεγάλη διαφορά μάζας, στις σχετικά χαμηλές κινητικές ενέργειες που μπορούμε να επιταχύνουμε τα σωματίδια στους επίγειους επιταχυντές, οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις παρουσιάζονται αρκετά διαφορετικές.

Αλλά, στις πάρα πολύ υψηλές ενέργειες, πρέπει να έχουν όλο και πιο παραπλήσια συμπεριφορά. Αυτή η αλλαγή συμπεριφοράς καθώς μεταβαίνει κανείς από τις χαμηλές στις υψηλές ενέργειες ονομάζεται σπάσιμο τών συμμετριών (SymmeΙry breaking) και πιστεύουμε ότι συνδέεται με την αιτία που αναγκάζει τα θεμελιώδη σωματίδια να έχουν μάζα.

Η πιο διαδεδομένη λύση τού προβλήματος αυτού απαιτεί την ύπαρξη ενός τουλάχιστον ακόμη μποζονίου, τού λεγόμενου μποζονίου Higgs, στο οποίο οφείλεται αυτό το σπάσιμο τής ηλεκτροασθενούς συμμετρίας.

Αυτό το σωματίδιο υποτίθεται ότι αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια με τέτοιο τρόπο ώστε οι μάζες να δημιουργούνται με τον κατάλληλο τρόπο.

Ο μηχανισμός Higgs εμπλέκει εκτός του πρόσθετου σωματιδίου, και ένα πρόσθετο τύπο δύναμης, που μεσολαβεί μέσω αλλαγών αυτού του μποζονίου. Το καθιερωμένο μοντέλο, μαζί με τον μηχανισμό Ηiggs, ερμηνεύει ικανοποιητικά τη μεγάλη μάζα τών μποζονίων W και Ζ.

Το μποζόνιο Ηiggs δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη, πιστεύουμε όμως ότι η μάζα του είναι μικρότερη από 1 TeV (1012 eV).

Αν δεχτούμε αυτή τη θεωρία σωστή, πρέπει να αναζητήσουμε πειραματικά την ύπαρξη του μποζονίου Higgs. Κι αν πράγματι υπάρχει τότε θα είναι ανιχνεύσιμο με το Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).

Μάλιστα, πιστεύεται, όχι μόνο οι φορείς των δυνάμεων, όπως τα σωματίδια W και Ζ, αλληλεπιδρούν με το σωματίδιο Higgs, αλλά και οι βασικοί λίθοι της ύλης, τα κουάρκ και τα λεπτόνια, αποκτούν τη μάζα τους μέσω της αλληλεπίδρασης με το σωματίδιο Higgs. Ακόμα και στη περίπτωση που το πεδίο Higgs δεν είναι η τελική απάντηση στο πρόβλημα της δημιουργίας της μάζας, το πείραμα ATLAS θα μας οδηγήσει στη σωστή απάντηση.

Το μποζόνιο Higgs είναι ασταθές και διασπάται αμέσως σε δυο ζεύγη σωματιδίων - αντισωματιδίων: Ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου και το ζεύγος μιονίου-αντιμιονίου. Ο ανιχνευτής ATLAS θα αναγνωρίζει και θα μετρά αυτά τα θυγατρικά σωματίδια, και από αυτές τις μετρήσεις θα εξαχθούν συμπεράσματα για τις ιδιότητες, αν φυσικά βρεθεί ποτέ, του μητρικού σωματιδίου Higgs.

Νέες θεωρίες

Μέχρι σήμερα έχουν προταθεί νέες θεωρίες, πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, με σκοπό την κατανόηση των αναπάντητων ακόμα ερωτημάτων.

Μια από τις υποψήφιες θεωρίες είναι η Υπερσυμμετρία (Supersymmetry). Βασική συνέπεια της υπερσυμμετρίας είναι η εμφάνιση υπερσυμμετρικών σωματιδίων για κάθε υπάρχον σωματίδιο, με διαφορετικές αλλά παρεμφερείς ιδιότητες. Δηλαδή, για κάθε κουάρκ θα υπάρχει ένα άλλο σωματίδιο, το υπερσυμμετρικό κουάρκ (s-quark), ίσου φορτίου αλλά διαφορετικής μάζας, και για κάθε λεπτόνιο το αντίστοιχο υπερσυμμετρικό λεπτόνιο (s-lepton). Οι φορείς των δυνάμεων, όπως τα φωτόνια και τα W και Ζ, θα έχουν επίσης "αδελφά" σωματίδια, το δε μποζόνιο Higgs θα συμπληρωθεί από τουλάχιστον άλλα τέσσερα σωματίδια.

Γνωστά σωματίδια που φτιάχνουν την ύλη, και οι πιθανοί τους υπερσυνεργάτες (superpartners)

Τα παραπάνω είναι απλά προβλέψεις της θεωρίας και δεν έχουν ακόμα επιβεβαιωθεί, πιθανόν γιατί οι μάζες τους είναι τόσο μεγάλες που οι σημερινοί επιταχυντές δεν μπορούν να τα παράγουν. Το σημαντικό σημείο της θεωρίας είναι ότι οι ενέργειες αυτές θα μπορούν να προσεγγιστούν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Ο ανιχνευτής ATLAS είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να είναι ικανός να ανακαλύψει τα νέα σωματίδια και τα φαινόμενα που αναμένονται από τις επεκτάσεις του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως είναι το Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο.

Το πείραμα ATLAS

Το πείραμα ATLAS στον επιταχυντή LHC, με περιφέρεια 26.7 km, θα ξεκινήσει να ερευνά αυτά τα ζητήματα από το 2005, μ' ένα ανιχνευτή μεγέθους ενός πενταόροφου κτιρίου και ικανότητας να μετρά ίχνη σωματιδίων με ακρίβεια  0.01 του χιλιοστού. Το πλέον εσωτερικό τμήμα του ανιχνευτή θα περιέχει περίπου 10.000.000.000 τρανζίστορ.

Ο ανιχνευτής ATLAS σχεδιάστηκε, κατασκευάζεται και θα χρησιμοποιηθεί από μια πολυεθνική ομάδα επιστημόνων. 1700 φυσικοί από 150 πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα, προέρχονται από 17 χώρες μέλη του CERN και από άλλες 19 χώρες μη μέλη. Τα δεδομένα που θα συγκεντρωθούν από το ATLAS θα αποτελέσουν το βασικό κορμό ενός μεγάλου αριθμού επιμέρους ερευνητικών θεμάτων και τα μέλη της ομάδας του ATLAS θα έχουν πρόσβαση σ’ αυτά, δουλεύοντας σε μικρές ομάδες, στα ιδρύματα της πατρίδας τους.

Ο ATLAS είναι ένας ανιχνευτής που σκοπό έχει να εκμεταλλευτεί όλο το δυναμικό της φυσικής που βρίσκεται πίσω από το Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Θα προσδιορίσει τις ενέργειες, τις διευθύνσεις καθώς και την ταυτότητα των σωματιδίων που θα παραχθούν από τις συγκρούσεις των δύο δεσμών πρωτονίων. Αναμένονται γύρω στο 1.000.000.000 συγκρούσεις το δευτερόλεπτο και ο ρυθμός μεταφοράς των δεδομένων θα είναι ισοδύναμος με 20 τηλεφωνικές συνδιαλέξεις όλων των κατοίκων της Γης συγχρόνως. Oι υπολογιστές του ATLAS θα επεξεργάζονται τις πληροφορίες των αποτελεσμάτων αρκετά γρήγορα ώστε να επιλέξουν μία από τις 10.000.000 συγκρούσεις που θα μπορεί να υποδηλώνει νέα φαινόμενα, και τελικά θα καταγράψουν μόνο τις επιλεγμένες αυτές συγκρούσεις σε σκληρούς δίσκους ή ταινίες.

Ο ανιχνευτής αποτελείται από τρία κύρια μέρη: 

• Ο εσωτερικός ανιχνευτής, που μετρά την ορμή του κάθε φορτισμένου σωματιδίου. 

• Το καλορίμετρο, που μετρά τις ενέργειες των σωματιδίων. 

• Το φασματόμετρο μιονίων, που αναγνωρίζει μιόνια και μετρά τις ορμές τους.