Θεωρίες φυσικής Σωματιδιακή φυσική

Η γέννηση μιας μηχανής στο CERN

Written by Δ.Μ.

Το CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής υψηλών ενεργειών στη Γενεύη, αυτή την εποχή διανύει μια ενδιαφέρουσα περίοδο. Ξεκίνησε η διαδικασία για την επικαιροποίηση της ευρωπαϊκής στρατηγικής στον τομέα των υψηλών ενεργειών, μια διαδικασία που θα ολοκληρωθεί το 2020. (Ο τομέας υψηλών ενεργειών είναι τομέας της Φυσικής που ασχολείται με την κατανόηση του μικρόκοσμου και ως εκ τούτου της φύσης, με κύρια εργαλεία μεγάλους ερευνητικούς επιταχυντές. Επιταχυντές είναι επιστημονικές μηχανές που χρησιμοποιούν ένα τέχνασμα –τη μετατροπή ενέργειας σε μάζα– για να εξαναγκάσουν τη φύση να κάνει τη δουλειά της, ενώ είμαστε έτοιμοι να την παρατηρήσουμε.)

Share

Το CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής υψηλών ενεργειών στη Γενεύη, αυτή την εποχή διανύει μια ενδιαφέρουσα περίοδο. Ξεκίνησε η διαδικασία για την επικαιροποίηση της ευρωπαϊκής στρατηγικής στον τομέα των υψηλών ενεργειών, μια διαδικασία που θα ολοκληρωθεί το 2020. (Ο τομέας υψηλών ενεργειών είναι τομέας της Φυσικής που ασχολείται με την κατανόηση του μικρόκοσμου και ως εκ τούτου της φύσης, με κύρια εργαλεία μεγάλους ερευνητικούς επιταχυντές. Επιταχυντές είναι επιστημονικές μηχανές που χρησιμοποιούν ένα τέχνασμα –τη μετατροπή ενέργειας σε μάζα– για να εξαναγκάσουν τη φύση να κάνει τη δουλειά της, ενώ είμαστε έτοιμοι να την παρατηρήσουμε.)

cern-cms

Η διαδικασία της επικαιροποίησης γίνεται κάθε πέντε χρόνια και καθορίζει τη μεσοπρόθεσμη στρατηγική της Ευρώπης στον τομέα του big science (επιστήμη μεγάλων υποδομών) στη σωματιδιακή φυσική. Το μέλλον του CERN, που σήμερα είναι ο αδιαφιλονίκητος ηγέτης στον τομέα, διακυβεύεται σε σημαντικό βαθμό από αυτή τη διαδικασία – αν θα παραμείνει δηλαδή στην κορυφή ή αν σιγά σιγά άλλα εργαστήρια, ίσως από την Ασία, θα πάρουν το στέμμα. Ενας από τους μελλοντικούς επιταχυντές για τους οποίους θα κληθεί η επιτροπή Ευρωπαϊκής Στρατηγικής να εκφέρει γνώμη είναι μια μηχανή με ξεχωριστή θέση στην καρδιά μου, μια και ήμουν εκεί από τα πρώτα της βήματα.

Οι ημέρες πριν από τη 13η Δεκεμβρίου του 2011 ήταν κάθε άλλο παρά βαρετές στην ιστορία του CERN: μόλις είχαμε μάθει πως στις 13 του μηνός θα γινόταν μια απρογραμμάτιστη ομιλία στο κύριο αμφιθέατρο όπου θα ανακοινωνόταν η πολύ ισχυρή ένδειξη ότι το σωματίδιο Higgs, που είχε ξεφύγει ανίχνευσης για 48 ολόκληρα χρόνια, είχε επιτέλους απομονωθεί. Η τελευταία φορά που κάτι παρόμοιο συνέβη, η ανακάλυψη ενός σωματιδίου που με αξιώσεις μπορούσε να διεκδικήσει το βραβείο Νομπέλ, ήταν το 1983. Το ενδιαφέρον όμως δεν ήταν σε αυτή την εξέλιξη, λίγο πολύ αναμενόμενη, αλλά στη μάζα αυτού του καινούργιου σωματιδίου: είχε την ιδιαίτερα χαμηλή τιμή των 125GeV (γίγα-ηλεκτρονιοβόλτ, μονάδα μέτρησης μάζας). Οι μονάδες δεν έχουν ιδιαίτερη σημασία, σημασία έχει πως από όλο το εύρος των αναμενόμενων μαζών γι’ αυτό το σωματίδιο η φύση είχε διαλέξει μια ιδιαίτερα χαμηλή τιμή.

Μία από εκείνες τις ημέρες ήπια καφέ στην καφετέρια του CERN με δύο ανθρώπους που θα άλλαζαν την καριέρα μου σε μεγάλο βαθμό, και ίσως την ιστορία της επιστήμης: με τον καθηγητή του πανεπιστημίου της Γενεύης Αλεν Μπλοντέλ, επιστήμονα που γνώριζα από προηγούμενα πειράματα που είχαμε συμμετάσχει μαζί τη δεκαετία του ’90, και τον Φρανκ Ζίμερμαν, έναν εξαίρετο επιστήμονα επιταχυντών με τον οποίο θα γνωριζόμασταν πολύ στενά τα επόμενα χρόνια. Συζητήσαμε, λοιπόν, με τους συναδέλφους πως η μάζα του σωματιδίου Higgs είναι τόσο χαμηλή, που η επικρατούσα άποψη της περιόδου εκείνης, ότι ένα μελλοντικό εργοστάσιο παραγωγής σωματιδίων Higgs θα έπρεπε αναγκαστικά να είναι ένας γραμμικός επιταχυντής ηλεκτρονίων, δεν ήταν σωστή. (Σε γενικές γραμμές, ένας γραμμικός επιταχυντής υπερτερεί ενός κυκλικού στις υψηλές ενέργειες, ενώ για χαμηλές ενέργειες –κοντά στη μάζα που μετρήθηκε για το σωματίδιο Higgs– ένας κυκλικός επιταχυντής είναι πιο αποτελεσματικός.) Τους προέτρεψα, λοιπόν, να δημοσιεύσουμε μια μελέτη με αυτή ακριβώς τη ρηξικέλευθη ιδέα όσο το δυνατόν πιο γρήγορα, και υποσχέθηκα να βοηθήσω στην ανάλυση και προώθηση της ιδέας. Η μελέτη αυτή κυκλοφόρησε άτυπα στις 12 Δεκεμβρίου, πάνω στην ώρα για τη μεγάλη ανακοίνωση στις 13 του μηνός, και για πρώτη φορά δημοσιεύθηκε τον Μάιο του 2012 σε ένα συνέδριο στις Ηνωμένες Πολιτείες. Την υπογράφουμε τέσσερις συνάδελφοι.

Το επόμενο βήμα ήταν η στρατολόγηση συνεργατών που θα πίστευαν και θα βοηθούσαν στο εγχείρημα. Πλησίασα τον Τζον Ελις, πεπειραμένο θεωρητικό φυσικό με εξαιρετικό κύρος στον τομέα μας (και παρεμπιπτόντως αυτόν που πρότεινε, μαζί με τον Ελληνα Δημήτρη Νανόπουλο, τον βέλτιστο τρόπο δημιουργίας και ως εκ τούτου ανίχνευσης του σωματιδίου). Ηταν ενθουσιώδης και εντάχθηκε στην ομάδα αμέσως.

Οι επάνω όροφοι

Η στρατολόγηση συνεχίστηκε και πολύ σύντομα μας κάλεσαν στον πέμπτο όροφο του κεντρικού κτιρίου του CERN, στο γραφείο του διευθυντού ερευνών. Η ιδέα μας είχε ήδη προκαλέσει πονοκεφάλους στους επάνω ορόφους: Εδινε μεν τη δυνατότητα ενός λαμπρού μέλλοντος για το CERN, αλλά οι λεπτές γεωπολιτικές ισορροπίες (ναι, ακόμα και στον τομέα της επιστήμης) δημιουργούσαν προβλήματα. Ο διευθυντής ερευνών, ο Ιταλός Σέρτζιο Μπερτολούτσι, ήταν πολύ ευγενικός, αλλά μας ανέφερε πέντε τεχνικούς λόγους γιατί η πρότασή μας δεν θα μπορούσε ποτέ να υλοποιηθεί. Η ομορφιά της επιστημονικής μεθόδου είναι πως μπορείς πολύ γρήγορα να αποδείξεις ποιος έχει δίκιο σε κάποιο τεχνικό ζήτημα, και το εγχείρημά μας βγήκε από τη διαδικασία πιο δυνατό από ποτέ, αφού αποδείξαμε πως, τουλάχιστον στο χαρτί, ένας τέτοιος επιταχυντής, αν και πολύ φιλόδοξος, όντως θα λειτουργούσε.

Η πρώτη σοβαρή κρίση ήρθε λίγους μήνες μετά την πρώτη δημοσίευση της ιδέας. Ο Ρώσος επιστήμονας Βάλερι Τελνόφ δημοσίευσε τους υπολογισμούς του πως, σύμφωνα με τις παραμέτρους που είχαμε επιλέξει, η ζωή της δέσμης μας, του μέσου χρόνου δηλαδή που τα ηλεκτρόνια θα παρέμεναν στον επιταχυντή, θα ήταν μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η ζωή της δέσμης, ακόμα και σε έναν μοντέρνο επιταχυντή σαν και αυτόν που σχεδιάζαμε, πρέπει να είναι εύλογη (αρκετά λεπτά της ώρας) για μια εύρυθμη λειτουργία. Ενα δίμηνο σκληρής δουλειάς τελικά ήταν αρκετό για να βρούμε μια νησίδα στον ωκεανό των παραμέτρων που θα απέφευγε το πρόβλημα.

cern2Το ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής υψηλών ενεργειών στη Γενεύη, το περίφημο CERN, σήμερα είναι ο αδιαφιλονίκητος ηγέτης στον τομέα του big science (επιστήμη μεγάλων υποδομών) στη σωματιδιακή φυσική.

Η μηχανή που προτείναμε (προτιμήσαμε τα ηλεκτρόνια, λόγω χαμηλότερου κόστους και υψηλότερης απόδοσης σε σχέση με πρωτόνια για τη φυσική που μας ενδιέφερε, τη μελέτη των ιδιοτήτων του τελευταίως ανακαλυφθέντος σωματιδίου Higgs – εξάλλου, μηχανή ηλεκτρονίων μπορεί αργότερα να αναβαθμιστεί σε μηχανή πρωτονίων, όπως ήδη κάναμε στο CERN τη δεκαετία του 1990-2000) ερχόταν σε τρία μεγέθη: 27 χιλιόμετρα (όσο είναι το υπάρχον τούνελ του LHC στο CERN), 50 χιλιόμετρα και 80 χιλιόμετρα.

Η ιδέα του μεγαλύτερου

Στη Διεύθυνση άρεσε περισσότερο η ιδέα του μεγαλύτερου επιταχυντή (ο μικρός θα αντιμετώπιζε προβλήματα συμβίωσης για τον τωρινό επιταχυντή, μία και μόνο μηχανή μπορεί να εγκατασταθεί στο υπάρχον τούνελ ανά πάσα στιγμή). Η γεωλογική εξέταση έδειξε πως ένας επιταχυντής 80 χιλιομέτρων δεν χωράει στην περιοχή γύρω από τη Γενεύη (υπάρχουν περιορισμοί λόγω γειτονικών βουνών), ενώ ένας επιταχυντής 100 χιλιομέτρων δεν έχει πρόβλημα. Ετσι καταλήξαμε στον μαγικό αριθμό 100 για το μέγεθος του επιταχυντή.

Οι εξελίξεις ήταν ραγδαίες. Στα επόμενα πέντε χρόνια δούλεψα σχεδόν αποκλειστικά στο θέμα. Από τρεις γίναμε τόσοι που δεν μπορούσαμε πλέον να αγνοηθούμε. Εδωσα την πρώτη ομιλία παγκοσμίως, νομίζω, για το θέμα σε ένα συνέδριο Φυσικής στην Ελλάδα, στα Ιωάννινα, τον Απρίλιο του 2012. (Αν ρωτάτε για την απήχηση της ομιλίας: Οι συνάδελφοι ήταν πλήρως απασχολημένοι με τον υπάρχοντα επιταχυντή και δεν κατάφερα να εξασφαλίσω ελληνικές συμμετοχές στο εγχείρημα – ήταν εξάλλου πολύ νωρίς). Το εγχείρημά μας έγινε πλέον επίσημη μελέτη του Οργανισμού και ζητήθηκε από την ομάδα (που πλέον έχει μεγαλώσει στα 300 άτομα) να συντάξει μια εννοιολογική έκθεση σχεδιασμού (conceptual design report) μέσα στο 2019 για την επιτροπή Ευρωπαϊκής Στρατηγικής. Η έκθεση δημοσιεύθηκε στις 15 Ιανουαρίου 2019, την εβδομάδα που μας πέρασε.

H επόμενη ημέρα μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs

Λίγους μήνες μετά την άτυπη δημοσίευση της ιδέας, σε ένα συνέδριο στο Fermilab στην Αμερική το 2012, ανακαλύψαμε πως οι Κινέζοι συνάδελφοί μας άρχισαν επίσης να δουλεύουν στον σχεδιασμό μιας παρόμοιας μηχανής, 50-70 χιλιομέτρων.

Τα ταξίδια στην Κίνα από τη μεριά μου αυξήθηκαν (ο τομέας μας στην Κίνα έχει πολλά νέα παιδιά έτοιμα να συνεισφέρουν, δεν έχει όμως τη γενιά των πενηντάρηδων για να τους κατευθύνουν).

Μερικά χρόνια αργότερα μάθαμε πως τα 100 χιλιόμετρα ήταν επίσης το προτεινόμενο μέγεθος του κινεζικού εγχειρήματος: Πλέον, οι δύο κατασκευές από απόσταση μοιάζουν πανομοιότυπες.

Το τοπίο στον κόσμο της φυσικής υψηλών ενεργειών σε σχέση με την επόμενη ημέρα είναι ομιχλώδες. Ναι, με την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs, του τελευταίου σωματιδίου που πρέσβευε η θεωρία αλλά δεν είχε ανιχνευθεί, κλείνει ένα κεφάλαιο στην κατανόηση της φύσης. Εχουμε πλέον μια θεωρία που δουλεύει εξαιρετικά καλά, είναι αυτοσυνεπής και ισχύει για όλες τις καταστάσεις. Παρ’ όλα αυτά, είναι πιο πολύπλοκη από ό,τι θα θέλαμε και μας λείπει η εκ βαθέων κατανόηση. Επιγραμματικά θα μπορούσα να πω πως ξέρουμε πλέον με ποιο τρόπο δουλεύει η φύση, αλλά δεν ξέρουμε γιατί δουλεύει όπως δουλεύει. Και το γιατί είναι μια πολύ πιο ενδιαφέρουσα ερώτηση από το πώς. Αρα, έχουμε ακόμα πολλή δουλειά μπροστά μας. Ποιο είναι λοιπόν το βέλτιστο επόμενο βήμα; Η θεωρία δεν μας δίνει μια ξεκάθαρη κατεύθυνση.

Η γεωπολιτική της επόμενης μηχανής, επίσης, είναι φοβερά ενδιαφέρουσα. δεν είναι μόνο τεχνικά κριτήρια που παίζουν ρόλο. Αυτό είναι κάτι που μας βρίσκει απροετοίμαστους, αφού ως επιστήμονες έχουμε συνηθίσει τον πολύ απλό τρόπο της ανάδειξης του βέλτιστου μέσα από την επιστημονική μέθοδο.

Πολλές οι παράμετροι

Οι μηχανές που είχαν σχεδιαστεί με μεγάλη λεπτομέρεια τα τελευταία 20 χρόνια (οι γραμμικοί επιταχυντές ILC και CLIC) έχουν λόγο ύπαρξης μόνο σε περίπτωση που ένα βαρύ σωματίδιο θα είχε ανακαλυφθεί, κάτι που δεν συνέβη μέχρι σήμερα. Παρ’ όλα αυτά, οι συνάδελφοι που έχουν σχεδιάσει τους γραμμικούς επιταχυντές δεν θα ήθελαν να δουν της ιδέα τους να χάνεται στη λήθη της ιστορίας της επιστήμης. Επίσης, το κόστος και η δέσμευση σε χρόνο και ανθρώπινη προσπάθεια των υποδομών είναι υψηλό – οι καινούργιοι επιταχυντές που σχεδιάζονται έχουν κόστος όσο η γέφυρα Ρίου – Αντιρρίου και χρονικό ορίζοντα μισό αιώνα.

Στη Μόσχα το 2015, σε ένα συνέδριο Φυσικής στο πανεπιστήμιο Λομονόσοφ, είχα την ευκαιρία να γνωρίσω έναν από τους αρχηγούς του ILC, τον Μπάρι Μπάρις.

Η γνωριμία μας δεν ξεκίνησε με τον καλύτερο τρόπο: αυτός υπέρμαχος του γραμμικού επιταχυντή, εγώ να διαμαρτύρομαι για το ότι δεν παρουσίαζε το εγχείρημά μας σωστά. Η κρουαζιέρα το βράδυ στον ποταμό Μόσχοβα μας έδωσε την ευκαιρία να γνωριστούμε: έβλεπα πως έχω μπροστά μου έναν εξαίρετο επιστήμονα, παθιασμένο γι’ αυτό που κάνει. Κρατήσαμε επαφή και μόλις πήρε το Νομπέλ τo 2017 του έγραψα για να τον συγχαρώ θερμά. Μου απάντησε με εξαιρετική μετριοφροσύνη.

Πού θα κατασκευαστεί η επόμενη μηχανή; Οι προβλέψεις είναι δύσκολες. Εμείς, όμως, προσπαθήσαμε, από εκείνη την ημέρα του 2011 στην καφετέρια του CERN, να δώσουμε στο CERN και στην Ευρώπη ακόμη μία δυνατότητα με εξαιρετική προοπτική.

Μιχάλης Κορατζίνος ερευνητής στο CERN. Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share