Φυσικοί σχεδιάζουν να καθορίσουν τη φύση της ύλης

Άρθρο, Μάιος 2007

Το μεγαλύτερο επιστημονικό πείραμα σε παγκόσμιο επίπεδο, ένα πείραμα φυσικής με σκοπό να καθοριστεί η φύση της ύλης, θα παραγάγει ένα τεράστιο σωρό στοιχείων. Και επειδή οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο δεν μπορούν να κινηθούν προς το βουνό, ένας στρατός ερευνητών επιστημόνων στους υπολογιστές προετοιμάζεται να κινήσει το βουνό προς τους φυσικούς.

Ο Thomas Hacker του πανεπιστημίου Purdue λέει ότι στο πείραμα της φυσικής σωματιδίων που θα πραγματοποιηθεί CERN θα συμμετάσχουν επιστήμονες από όλο τον κόσμο. "Οι ερευνητές πρέπει συνήθως να είναι στην ίδια θέση μαζί με τα όργανα για να έχουν πρόσβαση στα στοιχεία", αναφέρει ο Hacker. "Σε αυτήν την περίπτωση, για να φέρουμε τα στοιχεία στους ερευνητές, χτίζουμε ένα τεράστιο επιστημονικό όργανο που θα εκτείνεται σε όλη την υδρόγειο για να μεταφέρει τα στοιχεία στους ερευνητές."

Η απαρχή του σύμπαντος για δεύτερη φορά

Σε πανεπιστήμια των ΗΠΑ καθώς και σε άλλα ιδρύματα σε όλο τον κόσμο, ομάδες ερευνητών επιστημόνων στους υπολογιστές μαζί με τους φυσικούς προετοιμάζονται για το μεγαλύτερο πείραμα φυσικής που έγινε ποτέ.

"Εξετάζουμε τη δυνατότητα που έχει η υποδομή χρησιμοποιώντας στοιχεία προσομοίωσης. Στο Purdue, ο καθένας μας δοκιμάζει τα συστήματα για να σιγουρευτεί ότι η υπολογιστική υποδομή είναι έτοιμη όταν θα έρθουν on-line τα στοιχεία του ανιχνευτή προς το τέλος του έτους αυτού."

Ο επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων θα δώσει στα πρωτόνια την ευκαιρία να πιάσει μια αναλαμπή του Big Bang, ή τουλάχιστον τα υποατομικά σωματίδια που θεωρούνται πως φάνηκαν στο Big Bang 13.7 δισεκατομμύρια έτη πριν και που οδήγησε στο σχηματισμό του σύμπαντος. 

Ο επιταχυντής αυτός βρίσκεται στη Γενεύη δεκάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης, ενώ το μήκος του αγωγού στο οποίο θα συγκρούονται δέσμες σωματιδίων είναι περίπου 27 χιλιόμετρα. Στο πείραμα αυτό οι επιστήμονες ελπίζουν να ζήσουν την απαρχή του Σύμπαντος για δεύτερη φορά ή μάλλον για 30 εκατομμύρια φορές μέσα σε ένα δευτερόλεπτο.
 
Εφόσον όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο, το καλοκαίρι του 2007, αυτό το πείραμα - που ονομάζεται ATLAS - θα γίνει το μεγαλύτερο πείραμα της Φυσικής που έγινε ποτέ στον κόσμο. Τα σωματίδια θα κινούνται από το ένα άκρο του υπόγειου αγωγού στο άλλο, με ταχύτητες που θα πλησιάζουν σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Όλα δε τα γεγονότα που περιμένουμε θα συμβούν τη στιγμή της σύγκρουσης, όπου θα εκλύεται τόσο μεγάλη ενέργεια, που θα φθάσει τα 14 TeV και θα θυμίζει την κατάσταση που επικρατούσε λίγα κλάσματα του δευτερολέπτου πριν από την έναρξη δημιουργίας του Σύμπαντος.

Τη στιγμή εκείνη οι ανιχνευτές στο CΕRΝ αναμένεται να εντοπίσουν μια σειρά από άγνωστα στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία ποτέ κανείς δεν έχει δει. Είναι σωματίδια που θα ζήσουν για ασύλληπτα μικρό χρονικό διάστημα (10^-18 δευτερόλεπτα) και τα οποία ενδεχομένως να αποκαλύψουν τι συνέβη εκείνη την καθοριστική στιγμή πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Η ενέργεια από τη σύγκρουση των σωματιδίων - που θα είναι απίστευτα μεγάλη - θα μετασχηματιστεί αυτομάτως σε ύλη. Θα γίνει δηλαδή σωματίδια, τα οποία θα προσπαθήσουν να παγιδέψουν οι ανιχνευτές του CΕRΝ.

"Βρισκόμαστε στο τέλος του παιχνιδιού", λέει ο Lyn Evans που ήταν από την πρώτη στιγμή επικεφαλής του προγράμματος για τη δημιουργία του Μεγάλου Επιταχυντή.

Η ημέρα που θα τεθεί σε λειτουργία θα είναι η μεγάλη στιγμή της αλήθειας για το CΕRΝ, αλλά και για εκατοντάδες επιστήμονες της Φυσικής που έχουν στηρίξει τις καριέρες και την αξιοπιστία τους στο γεγονός ότι μπορούμε να σηκώσουμε την κοσμική κουρτίνα και να δούμε τι συνέβη στην απαρχή του Σύμπαντος.

Το σωματίδιο του Θεού

Ο επιταχυντής του CERN θα αρχίσει να στέλνει στοιχεία το Νοέμβριο του 2007, και από τα τρισεκατομμύρια συγκρούσεων μεταξύ των πρωτονίων θα παραγάγει 15 petabytes στοιχείων ετησίως (1 petabytes είναι 2⁵⁰  ή 1.125.899.906.842.624 bytes ή 10¹⁵ bytes)..

Για σύγκριση, 15 petabytes είναι το ισοδύναμο όλων των πληροφοριών που βρίσκονται σε όλες οι πανεπιστημιακές βιβλιοθήκη στις Ηνωμένες Πολιτείες επί επτά φορές. Θα ήταν ισοδύναμο με 1.000 βιβλιοθήκες του Κογκρέσου. Και δεν υπάρχει εκεί μέσα καμία λειτουργία αναζήτησης.

Μόλις διανεμηθούν αυτά τα στοιχεία στους φυσικούς στα πανεπιστήμια, θα χρειαστεί τεράστια υπολογιστική ισχύς και μεγάλους χώρους αποθήκευση των στοιχείων προκειμένου να τα αναλύσουν.

Το πείραμα έχει ένα όνομα που μόνο ένας επιστήμονας θα μπορούσε να αγαπήσει: CMS του CERN. Το CMS είναι η σύντμηση του Συμπαγές Πηνίο Μιονίων, έναν τύπο ηλεκτρομαγνήτη.

Το CMS είναι ένας ηλεκτρονικός ανιχνευτής που ψάχνει για σωματίδια που ποτέ στο παρελθόν δεν έχουμε δει, ειδικά ένα σωματίδιο σωματίδιο γνωστό ως μποζόνιο Higgs, που είναι ο χαμένος κρίκος της θεωρίας της φυσικής σωματιδίων (τα μποζόνια είναι υποατομικά σωματίδια με ιδιαίτερες ιδιότητες, όπως ότι έχουν ακέραιο σπιν  αντί για ημιακέραιο που έχουν τα φερμιόνια (πχ το ηλεκτρόνιο) και ότι είναι φορείς των αλληλεπιδράσεων πχ τα μποζόνια W και Z). Εάν το ανακαλύψουμε, θα ήταν ένας εξ ολοκλήρου νέος τύπος ύλης.

Ονομάστηκε το "σωματίδιο του Θεού" σχεδόν μια δεκαετία πριν από τον νομπελίστα φυσικό Leon Lederman, Το μποζόνιο  Higgs μπορεί να εξηγήσει γιατί μερικά σωματίδια δεν έχουν καθόλου μάζα όπως τα φωτόνια, ενώ άλλα έχουν. Η ανακάλυψη του Higgs είναι μία από τις κορυφαίες επιδιώξεις στη σύγχρονη φυσική, και η ανακάλυψή του θα επικύρωνε το καθιερωμένο μοντέλο, μια θεωρία της φυσικής σωματιδίων που ισχύει από τη δεκαετία του '70.

Το σωματίδιο Higgs είναι κρίσιμο για μια θεωρία που λέει ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι χωριστές εκδηλώσεις μιας ενιαίας δύναμης,  της ηλεκτρασθενούς. Δείχνει πώς τα άμαζα φωτόνια θα μπορούσαν να είναι τα χαμένα από καιρό αδέλφια των βαρέων μποζονίων W και Z, τα οποία κέρδισαν τις μεγάλες μάζες τους από αλληλεπιδράσεις ενός κοκτέιλ σωματιδίων, μόλις το σύμπαν άρχισε να ψύχεται.

Η επιβεβαίωση αυτής της θεωρίας που έδωσε το Νόμπελ σε φυσικούς στο CERN αναπτερώνει τις ελπίδες μεταξύ των φυσικών ότι θα μπορούσαν τελικά να ενώσουν τις υπόλοιπες δυνάμεις της φύσης.

Επιπλέον, άλλα πεδία σαν το Higgs έχουν προταθεί ως την πηγή μιας τεράστιας διαστολής, γνωστής ως πληθωρισμός, στις πρώτες πρώτες στιγμές του Κόσμου, και, ενδεχομένως, ως το μυστικό της ύπαρξης της σκοτεινής ενέργειας που φαίνεται τώρα ότι προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του Κόσμου. Έτσι είναι σημαντικό να είναι γνωστό εάν η θεωρία δουλεύει σωστά και, εάν όχι, να ανακαλυφθεί ποιά είναι η αιτία που τροφοδοτεί τον κόσμο με μάζα.

Αλλά κανένας δεν έχει δει ποτέ το μποζόνιο Higgs. Θα πρέπει να είναι δυνατή η παραγωγή  του στους επιταχυντές, αλλά η φύση έχει δώσει μπερδεμένες ενδείξεις σε ποιό εύρος ενέργειας θα πρέπει να το ψάξει κανείς. Οι μετρήσεις άλλων εξωτικών σωματιδίων προτείνουν ότι η μάζα του Higgs πρέπει να είναι περίπου 90 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (90 GeV). Όμως άλλα αποτελέσματα, από τον επιταχυντή Lep προτού να διακόψει το 2000, δείχνουν ότι το Higgs πρέπει να ζυγίζει περισσότερα από 114 GeV. Για σύγκριση, ένα ηλεκτρόνιο είναι 0.5 MeV, και ένα πρωτόνιο είναι περίπου 2.000 φορές βαρύτερο. Άρα το Higgs είναι τεράστιο και γι αυτό είναι δύσκολο να ανακαλυφθεί. 

Το πείραμα ATLAS

Ο επιταχυντής παρέχει δέσμες πρωτονίων που συγκρούονται σε 4 σημεία της περιφέρειας των 27 χλμ., όπου υπάρχουν 4 αντίστοιχα συγκροτήματα πειραμάτων για να ανιχνεύουν τα προϊόντα των συγκρούσεων. Ένα από τα τέσσερα είναι και το πείραμα Άτλας

Ο Norbert Neumeister, κύριος ερευνητής στο πρόγραμμα CMS στο Purdue, λέει ότι το πείραμα CMS, μαζί με ένα άλλο παρόμοιο πείραμα που θα γίνει πάλι στο CERN, το πείραμα  ATLAS, μπορεί να φέρει νέες ιδέες για το καθιερωμένο μοντέλο και τα υποατομικά σωματίδιο.

"Πιστεύουμε ότι το πρωτοφανές εύρος της ενέργειας καθώς και η ευαισθησία αυτού του νέου επιταχυντή, σε συνδυασμό με τις ειδικές ικανότητες του πειράματος CMS, θα οδηγήσει σε μια σημαντική κατανόηση της φύσης", τονίζει. "Ο καθένας μας ελπίζει να βρει το σωματίδιο Higgs, αλλά ο τελικός στόχος είναι να ανακαλυφθεί κάτι νέο και απολύτως απροσδόκητο."

Ο φυσικός John Ellis στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής, λέει πως "αν δεν δούμε τίποτα νέο σωματίδιο, τότε αυτό θα σημαίνει κατά κάποιο τρόπο ότι εμείς οι θεωρητικοί φυσικοί λέγαμε ανοησίες τα τελευταία 35 χρόνια".

Τα πειράματα θα πραγματοποιηθούν στο Μεγάλο Αδρονικό Συγκρουστή του CERN, γνωστό ως LHC. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, επτά πανεπιστήμια θα λάβουν στοιχείο από το πείραμα CMS και το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi έξω από το Σικάγο. Τα στοιχεία αυτά θα υποβληθούν αρχικά σε επεξεργασία και θα αναλυθούν έπειτα από τους πανεπιστημιακούς φυσικούς. (Το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven θα συμμετάσχει στο πρόγραμμα ATLAS του CERN.

Για την κατασκευή του ανιχνευτή ATLAS δούλεψαν χιλιάδες άνθρωποι επί 13 χρόνια και το κόστος του ανήλθε περίπου στα 8 δισεκατομμύρια δολάρια. Εκτός από τα τεράστια ποσά ενέργειας που θα παραχθούν, για την επιτυχία του πειράματος θα χρειαστούν και 128 τόνοι υγρού ηλίου για να ψυχθούν οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που θα κρατούν στην πορεία τους τα ταχύτατα σωματίδια.

Το πείραμα ATLAS στον επιταχυντή LHC έχει έναν 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.

Σχεδιάστηκε και θα χρησιμοποιηθεί από μια πολυεθνική ομάδα επιστημόνων. 1700 φυσικοί από 150 πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα που 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.

Η ελληνική συμμετοχή στο πείραμα

Δώδεκα νέοι επιστήμονες από ΕΜΠ, Πανεπιστήμιο Αθήνας, Α.Π.Θ. και ΤΕΙ Αθήνας και Πειραιά, βρίσκονται επί έναν χρόνο στη Γενεύη, έδρα του CERN, μετέχοντας στο πρόγραμμα για την έναρξη και τον έλεγχο λειτουργίας του Επιταχυντή.

Η ελληνική συμμετοχή στον Μεγάλο Επιταχυντή εστιάζεται σε δύο κομβικά σημεία του πολύπλοκου προγράμματος. Οι έλληνες ερευνητές έχουν αναλάβει την εγκατάσταση όλων των ηλεκτρονικών μονάδων ελέγχου του Κρυογενικού συστήματος.

Για να δουλέψει ο επιταχυντής πρέπει να φτάσει σε θερμοκρασία πιο μικρή και από αυτή που έχει το διάστημα, δηλαδή στους -2720 C. Η ψύξη αυτή προέρχεται από ένα παράλληλο σύστημα, το Κρυογενικό, το οποίο έχει καθοριστικό ρόλο για το περιβάλλον του Επιταχυντή.

Εδώ βρίσκεται το σημείο παρέμβασης της ελληνικής ομάδας, όπου μετέχει στην εγκατάσταση και λειτουργία των ηλεκτρονικών μονάδων που ελέγχουν το Κρυογενικό σύστημα. 

Επίσης, έλληνες επιστήμονες από το ΕΜΠ, το Πανεπιστήμιο Αθηνών και το Α.Π.Θ. έχουν κατασκευάσει το 30% του φασματόμετρου Μιονίων. Η συσκευή αυτή ανιχνεύει τα ειδικά σωματίδια μιόνια τα οποία ενδεχομένως οδηγήσουν τους επιστήμονες σε ένα από τους τελικούς σκοπούς του προγράμματος: την πειραματική ανίχνευση των σωματιδίων Higgs.

Η ελληνική ομάδα με τους επιβλέποντες ερευνητές του CERN και τον επιστημονικό υπεύθυνο του έργου αποτελείται από τους: Α. Δραγωνέα, Ξ. Φάμπρη, Α. Κουμπάρο, Θ. Καλκάνη, δρ Εμμανουήλ Τσεσμελή, Ε. Γουσίου, Α. Πατσουλή, Κ. Αναστασόπουλο, Γ. Θεοδωρόπουλο, ο καθηγητής ΕΜΠ Ευάγγελο Γαζή, δρ Ρ. Αβραμίδου, Φ. Καραγιάννη, Χ. Βώττη, Η. Πολυχρονιάδη.

Πηγές: Έθνος, Πανεπιστήμιο Purdue και New York Times, 18 Μαΐου 2007