Σωματιδιακή φυσική

Η Κίνα και η Ευρώπη θέλουν να κατασκευάσουν πιο ισχυρούς υπερ-επιταχυντές. Αξίζει;

Written by Δ.Μ.

Το 2012, οι φυσικοί των σωματιδίων ανίχνευσαν για πρώτη φορά το αναμενόμενο από καιρό μποζόνιο Higgs. Αυτό το σωματίδιο ήταν το τελευταίο κομμάτι του παζλ που έλειπε από το Καθιερωμένο Μοντέλο – το πιο διεξοδικά δοκιμασμένο σύνολο φυσικών νόμων που διέπουν το σύμπαν μας. Η ανακάλυψη του Higgs κατέστη δυνατή από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, που χρησιμοποιεί ένα δακτύλιο 27 υπεραγωγικών μαγνητών για να επιταχύνει και στη συνέχεια να συνθλίψει μαζί τα σωματίδια κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

Share

Το 2012, οι φυσικοί των σωματιδίων ανίχνευσαν για πρώτη φορά το αναμενόμενο από καιρό μποζόνιο Higgs. Αυτό το σωματίδιο ήταν το τελευταίο κομμάτι του παζλ που έλειπε από το Καθιερωμένο Μοντέλο – το πιο διεξοδικά δοκιμασμένο σύνολο φυσικών νόμων που διέπουν το σύμπαν μας. Η ανακάλυψη του Higgs κατέστη δυνατή από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, που χρησιμοποιεί ένα δακτύλιο 27 υπεραγωγικών μαγνητών για να επιταχύνει και στη συνέχεια να συνθλίψει μαζί τα σωματίδια  κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

 

collision-animation

Η προσομοίωση συμβάντων σύγκρουσης σωματιδίων σε 13.000 GeV στο CMS, ένας ανιχνευτής γενικού σκοπού στο LHC

Αλλά το Τυπικό Μοντέλο δεν είναι το φυσικό και τελικό σύνολο της φυσικής. Δεν είναι αρκετό να παράσχει εξηγήσεις για μυστήρια όπως η ύπαρξη σκοτεινής ύλης ή σκοτεινής ενέργειας ή γιατί η βαρύτητα είναι τόσο διαφορετική από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις.

Όπως και τα άγνωστα εδάφη που οι μεσαιωνικοί χάρτες γέμιζαν με φανταστικά θηρία, έτσι και τα σύνορα της φυσικής έχουν γεμίσει με πληθώρα υποθέσεων για το τι μπορεί να κρύβεται στο σκοτάδι. Και στην επιστήμη, ο μόνος τρόπος για να επιβεβαιώσουμε ή να διαψεύσουμε αυτές τις υποθέσεις είναι να συλλέξουμε περισσότερα δεδομένα – δεδομένα από καλύτερα τηλεσκόπια και μικροσκόπια και ίσως ένα ολοκαίνουργιο, ακόμα μεγαλύτερο υπερεπιταχυντή.

Το 2012, το Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ανακοίνωσε ένα σχέδιο για την κατασκευή του επόμενου μεγάλου υπερεπιταχυντή. Ο προγραμματισμένος Κυκλικός Επιταχυντής Ηλεκτρονίων Ποζιτρονίων, θα είναι μήκους 100 km περίπου, σχεδόν τέσσερις φορές μεγαλύτερος από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων ή LHC. Στη συνέχεια, το 2013, ο χειριστής του LHC, το γνωστό CERN, ανακοίνωσε επίσης το σχέδιό του για έναν νέο επιταχυντή, που ονομάζεται απλώς ο uture Circular Collider.

Ωστόσο, ο προϋπολογισμός του έργου φτάνει σε έξοδα πολλών δισ. , και τώρα επιστήμονες και μηχανικοί συζητούν εάν η προσπάθεια αυτή θα αξίζει την επένδυση.

Τα υπέρ

Αν και η ανίχνευση του μποζονίου Higgs σημάδεψε την ολοκλήρωση του Καθιερωμένου Μοντέλου με κάποιους τρόπους, υπάρχει ακόμη αρκετή δουλειά που πρέπει να γίνει για να συμπληρωθεί το παζλ.

Print

Βασικά σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου

«Εξακολουθούμε να μην καταλαβαίνουμε τη μάζα του μποζονίου Higgs. Δεν καταλαβαίνουμε το λεγόμενο πρόβλημα των 3 οικογενειών σωματιδίων», δήλωσε η γενική διευθύντρια του CERN Fabiola Gianotti. «Έτσι, η μελέτη του μποζονίου Higgs με την υψηλότερη δυνατή ακρίβεια είναι απαραίτητη και ένας μελλοντικός επιταχυντής θα το καταφέρει».

Καθώς τα σωματίδια συντρίβονται το ένα με το άλλο κοντά στην ταχύτητα του φωτός μέσα σε έναν υπερτρο-επιταχυντή, κάποια από τη συνδυασμένη κινητική τους ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα, δημιουργώντας νέα σωματίδια όπως το Higgs. Ωστόσο, ο LHC μπορεί να παράγει μόνο ένα μποζόνιο Higgs για κάθε δισεκατομμύριο συγκρούσεις, οπότε ακόμη και με την ικανότητα του να παράγει εκατοντάδες εκατομμύρια συγκρούσεις κάθε δευτερόλεπτο, χρειάστηκε αρκετό χρόνο για να παράγει αρκετά δεδομένα ώστε το σήμα Higgs να ανέβει πάνω από το θόρυβο του περιβάλλοντος. Ένας ισχυρότερος συγκρουστής μπορεί να αυξήσει το ρυθμό παραγωγής και να επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν καλύτερα το μποζόνιο Higgs.

Η ενέργεια που απαιτείται για τη δημιουργία σωματιδίων όπως το μποζόνιο Higgs είναι μερικά GeV. Ο LHC μπορεί να προκαλέσει συγκρούσεις με ενέργεια 13.000 GeV – περισσότερο από εκατό φορές τα 125 GeV της μάζας του μποζονίου Higgs. Μπορεί να παράγει μόνο ένα μποζόνιο Higgs για κάθε 10 δισεκατομμύρια συγκρούσεις, λόγω της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται σε όλα τα ελαφρύτερα σωματίδια.

Μπορεί όμως να υπάρχουν ακόμα βαρύτερα σωματίδια που είναι πέρα ​​από την τεχνική ικανότητα του LHC να παράγει ή ο LHC θα μπορούσε να τα παράγει σε τόσο χαμηλό ρυθμό ώστε να μην είναι στατιστικά δυνατό να τα ανιχνεύσουμε. Με άλλα λόγια, αν θέλουμε να βρούμε περισσότερες «βαριές βελόνες στα άχυρα», θα χρειαστούμε περισσότερη ενέργεια.

«Είμαστε σε μια κατάσταση όπου το πρότυπο μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει διάφορα φαινόμενα», δήλωσε η Fabiola Gianotti. «Υπάρχουν πολλές άλλες θεωρίες, αλλά δεν έχουμε ιδέα ποιά είναι η σωστή. Έτσι, κάνοντας ένα βήμα προς τα εμπρός από την άποψη της ενεργειακής κλίμακας … μπορεί να μας βοηθήσει να ανακατευθύνουμε τις σκέψεις μας «.

Τα κατά

Μια από τις κορυφαίες θεωρίες πέρα ​​από το καθιερωμένο ή πρότυπο μοντέλο είναι γνωστή ως υπερσυμμετρία. Φαινομενικά αφηρημένη με την πρώτη ματιά, η βασική έννοια της υπερσυμμετρίας είναι στην πραγματικότητα μάλλον απλή. Η υπερσυμμετρία προβλέπει ότι για κάθε ένα από τα 17 θεμελιώδη σωματίδια του Τυποποιημένου Μοντέλου, υπάρχει ένα υποθετικό σωματίδιο εταίρος – γι αυτό υπάρχει η λέξη «συμμετρία» – και κάθε ένα από αυτά τα υποθετικά σωματίδια θα ήταν βαρύτερο από τον αντίστοιχο, ήδη ανακαλυφθέντα, συνεργάτη σωματίδιο τους – η λέξη  «υπέρ »

Η θεωρία αυτή αρχικά εισήχθη στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 1970, και τότε η υπερσυμμετρία έμοιαζε ελπιδοφόρα λόγω της μαθηματικής της κομψότητας και της ικανότητάς της να εξηγεί γιατί η βαρύτητα φαίνεται να είναι πολύ ασθενέστερη από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις και να επιλύει άλλα μυστήρια όπως η σκοτεινή ύλη.

Ωστόσο, ενώ η υπερσυμμετρία φαίνεται σαν μια θεωρία που θα μπορούσε να βοηθήσει στην ενοποίηση όλων των θεμελιωδών δυνάμεων στο σύμπαν, οι επιστήμονες σωματιδίων δεν έχουν ακόμη δει οποιαδήποτε άμεση απόδειξη που να την υποστηρίζει μετά από δεκαετίες πειραμάτων. Οι γενιές των σωματιδίων έχουν δουλευτεί στη θεωρία και πολλοί πίστευαν ότι θα έβλεπαν τελικά τα ίχνη των υπερσυμμετρικών σωματιδίων όταν ο LHC είχε ξεκινήσει για πρώτη φορά.

«Η συντριπτική πλειοψηφία των φυσικών πριν από την έναρξη του LHC, ίσως το 90% από εμάς, ήταν βέβαιοι ότι αυτή η νέα φυσική θα εμφανιστεί», δήλωσε ο Nigel Lockyer, ο οποίος διευθύνει το Εργαστήριο Fermi κοντά στο Σικάγο. «Είχα έναν φίλο που είπε ότι θα το βρουν σε τρεις εβδομάδες.»

Ωστόσο, οι αρχικές αισιόδοξες προσδοκίες διακόπηκαν.

«Αυτή είναι μια όμορφη εποχή, ξέρετε, γιατί η καλύτερη στιγμή να είσαι πειραματιστής είναι όταν οι θεωρητικοί έχουν εξαντλήσει τις ιδέες τους. Επειδή οτιδήποτε ανακαλύπτουμε είναι καινούργιο «, δήλωσε ο David Newbold, ο οποίος διευθύνει το πρόγραμμα φυσικής σωματιδίων στο εργαστήριο Rutherford Appleton στο Ηνωμένο Βασίλειο και προσπαθεί επί του παρόντος να αναβαθμίσει έναν από τους κύριους ανιχνευτές στο LHC. 

Αυτή τη στιγμή, κανείς δεν μπορεί να πει σίγουρα πόση περισσότερη ισχύ θα χρειαστεί για να βρούμε τα επόμενα νέα σωματίδια – αν υπάρχουν. Είναι τελείως πιθανό ότι ο επόμενος υπερ-επιταχυντής να μην μπορεί να τους δει καθόλου.

Τα άσχημα

Οι προτάσεις τόσο της Ευρώπης όσο και της Κίνας για ένα νέο υπερεπιταχυντή, έχουν προκαλέσει κριτική από εκείνους που αμφιβάλλουν ότι τα έργα θα αποδείξουν την αξία τους. Οι υποστηρικτές τους, εν τω μεταξύ, υποστηρίζουν ότι η αβεβαιότητα μιας ανταμοιβής είναι εγγενής στη διερεύνηση του άγνωστου. Η προσπάθεια ανταμείβεται ανεξάρτητα από το αν παράγει συναρπαστικά νέα σωματίδια, αφού θα μπορέσουμε ακόμα να βελτιώσουμε την κατανόηση του σύμπαντος αποκλείοντας τις θεωρίες που δεν ταιριάζουν στα νέα δεδομένα.

«Για να μπορέσουμε να αποκλείσουμε τα θεωρητικά σενάρια και να ανακατευθύνουμε τις σκέψεις μας είναι εξίσου σημαντικό με τη δημιουργία νέων ανακαλύψεων», δήλωσε η Fabiola Gianotti. «Για παράδειγμα, κοιτάξτε τους δορυφόρους WMAP και Planck – δεν ανακάλυψαν τίποτα, αλλά έκαναν πολύ ακριβείς μετρήσεις του σύμπαντος μας, μια επανάσταση στην κατανόηση του κόσμου. Πρέπει να προσέξουμε να μην πιστεύουμε ότι η επιτυχία στην επιστήμη είναι μόνο ανακαλύψεις. »

Ενώ οι φυσικοί γνωρίζουν ότι δεν μπορούν να γνωρίσουν νέα αποτελέσματα χωρίς να κατασκευάσουν νέα όργανα και να κάνουν πείραμα, τα οικονομικά μιας τέτοιας εξερεύνησης είναι πιο ανοικτά για συζήτηση. Τι είδους τιμή είμαστε πρόθυμοι να πληρώσουμε για μια καλύτερη κατανόηση του σύμπαντος μας;

Ο Chen-Ning Yang, ένας φυσικός σωματιδίων που κέρδισε το βραβείο Νόμπελ, έφερε τη συζήτηση στην προσοχή του κοινού στην Κίνα το 2016. Αυτός επέκρινε την αναζήτηση για σημάδια υπερσυμμετρίας μέσω ενός νέου υπερεπιταχυντή με σκοπό «να μαντέψει μια εικασία ». Εξέφρασε επίσης την ανησυχία του ότι το έργο αυτό θα έχει αρνητικές επιπτώσεις στη χρηματοδότηση άλλων ερευνητικών πεδίων, ειδικά εκείνων που« χρειάζονται πιεστικές λύσεις, όπως στο περιβάλλον, την εκπαίδευση και την υγεία ».

Ο Yang επεσήμανε την ακύρωση του Superconducting Super Collider των ΗΠΑ ως μια «οδυνηρή εμπειρία» επειδή έγινε μια αβυσσαλέα σπατάλη χρηματοδότησης. Ενώ προβλεπόταν αρχικά με προυπολογισμό 4,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων το 1987, το εκτιμώμενο κόστος έφθασε γρήγορα στα 12 δισεκατομμύρια δολάρια, πριν ακυρωθεί το 1993, αφού είχαν ήδη δαπανηθεί 2 δισεκατομμύρια δολάρια. Εκ των υστέρων, αυτό το όργανο θα μπορούσε να βοηθήσει την επιστημονική κοινότητα να ανακαλύψει το μποζόνιο Higgs χρόνια νωρίτερα.

Ο Tian Yu Cao, φιλόσοφος της επιστήμης και της πολιτικής από το πανεπιστήμιο της Βοστώνης, είναι απαισιόδοξος για το μέλλον του κυκλικού επιταχυντή ηλεκτρονίων ποζιτρονίων ή CEPC της Κίνας. Επισήμανε το τελευταίο πενταετές σχέδιο της Κίνας που   δημοσιεύτηκε το 2016, το οποίο δεν ανέφερε το CEPC μεταξύ των 10 εμβληματικών έργων που ανακοινώθηκαν στην έκθεση.

«Είναι σίγουρα διστακτικοί», είπε ο Cao. «Δυστυχώς, επειδή υπάρχουν αντιρρήσεις από ανθρώπους από όλους τους κλάδους της φυσικής. Πώς μπορούν να λάβουν τόσα χρήματα για αυτό το έργο όταν υπάρχουν τόσα άλλα έργα που χρειάζονται χρηματοδότηση; »

Το ευρωπαϊκό αντίστοιχο του CEPC, το FCC, έχει επίσης συγκεντρώσει κάποιες αντιτιθέμενες φωνές. Η θεωρητική φυσικός Sabine Hossenfelder δημοσίευσε μια έκθεσή της στους New York Times φέτος, στην οποία  έγραψε : «Πιστεύω ακόμα ότι η σύγκρουση των σωματιδίων μεταξύ τους είναι ο πιο ελπιδοφόρος δρόμος για να κατανοήσουμε την στοιχειώδη ύλη και πώς συγκρατείται μαζί . Αλλά τα 10 δισεκατομμύρια δολάρια είναι μια μεγάλη τιμή. Και δεν είμαι σίγουρη ότι αξίζει τον κόπο. »

Και τα δύο έργα βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης, αλλά με χρονοδιάγραμμα κατασκευής που προγραμματίζεται να ξεκινήσει την επόμενη δεκαετία, τα έργα πιθανότατα θα προσελκύσουν περισσότερο έλεγχο καθώς οι υποστηρικτές τους επιχειρούν να εξασφαλίσουν χρηματοδότηση.

«Πιθανόν να θέλουμε τουλάχιστον 20 χρόνια από τώρα και ίσως περισσότερο», δήλωσε ο David Newbold.

Οι ομάδες του  FCC  και του  CEPC  δημοσίευσαν πέρυσι τις εννοιολογικές εκθέσεις σχεδιασμού τους, εκατοντάδες σελίδες και συγγραφείς από περισσότερους από χίλιους επιστήμονες και μηχανικούς. Με την πρώτη ματιά, και τα δύο προγράμματα στοχεύουν στην επίτευξη παρόμοιων επιστημονικών στόχων, οπότε η επιτυχία του ενός μπορεί να προλαμβάνει το άλλο. Προς το παρόν, τα δύο έργα βρίσκονται στην αρχή μιας μακράς μάχης στο άγνωστο.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share