Σωματιδιακή φυσική

Ο κόσμος δεν χρειάζεται πια ένα νέο γιγάντιο επιταχυντή σωματιδίων στο CERN

Written by Δ.Μ.

Αυτή δεν είναι η κατάλληλη στιγμή για έναν μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων, γιατί αφενός θα κοστίσει πολλά δισεκατομμύρια δολάρια, ενώ οι πιθανές ανακαλύψεις του θα είναι ασαφείς – και τα χρήματα θα μπορούσαν να δαπανηθούν καλύτερα για την έρευνα απειλών όπως η κλιματική αλλαγή και οι αναδυόμενοι ιοί ή να επικεντρωθούμε στην ανάπτυξη ωφέλιμων νέων τεχνολογιών. Είναι καιρός να ακολουθήσει η κοινωνία μια πιο διαφωτισμένη προσέγγιση για τη χρηματοδότηση μεγάλων επιστημονικών έργων από το να συνεχίζει να δίνει χρήματα σε εκείνα στα οποία έχουν δώσει προηγουμένως χρήματα. Έχουμε μεγαλύτερα προβλήματα από τη μέτρηση του επόμενου ψηφίου στη μάζα του μποζονίου Higgs.

Share

Αυτή δεν είναι η κατάλληλη στιγμή για έναν μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων, γιατί αφενός θα κοστίσει πολλά δισεκατομμύρια δολάρια, ενώ οι πιθανές ανακαλύψεις του θα είναι ασαφείς – και τα χρήματα θα μπορούσαν να δαπανηθούν καλύτερα για την έρευνα απειλών όπως η κλιματική αλλαγή και οι αναδυόμενοι ιοί ή να επικεντρωθούμε στην ανάπτυξη ωφέλιμων νέων τεχνολογιών.  Είναι καιρός να ακολουθήσει η κοινωνία μια πιο διαφωτισμένη προσέγγιση για τη χρηματοδότηση μεγάλων επιστημονικών έργων από το να συνεχίζει να δίνει χρήματα σε εκείνα στα οποία έχουν δώσει προηγουμένως χρήματα. Έχουμε μεγαλύτερα προβλήματα από τη μέτρηση του επόμενου ψηφίου στη μάζα του μποζονίου Higgs.

CMS_detector_LHCΟ ανιχνευτής CMS, ένας από τους τέσσερις κύριους ανιχνευτές σωματιδίων στο LHC

Αλλά το CERN έχει άλλα σχέδια – μεγάλα σχέδια. Η μεγαλύτερη εγκατάσταση του κόσμου που τρέχει επί του παρόντος το μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων, ανακοίνωσε ότι στοχεύει στην κατασκευή μιας ακόμη μεγαλύτερης μηχανής, όπως αποκαλύφθηκε πρόσφατα. Με αυτό, το CERN αποφάσισε να προχωρήσει με το πρώτο βήμα ενός σχεδίου για το Future Circular Collider (FCC), που φιλοξενείται σε μια δακτυλιοειδή κυκλική σήραγγα 100 χιλιομέτρων. Αυτό το μηχάνημα θα μπορούσε τελικά να φθάσει σε ενέργειες σύγκρουσης 100  Tera-eV, περίπου έξι φορές την ενέργεια σύγκρουσης του τρέχοντος Μεγάλου Συγκρουστή Αδρονίων (LHC). Φτάνοντας σε άνευ προηγουμένου υψηλές ενέργειες, ο νέος συγκρουστής θα επέτρεπε την ακόμη πιο βαθιά ματιά στη δομή της ύλης και θα προσφέρει έτσι τη δυνατότητα εύρεσης νέων σωματιδίων.

Το αν το πλήρες όραμα θα γίνει είναι ακόμα ασαφές. Ωστόσο, το CERN ανακοίνωσε ότι είναι «υψηλής προτεραιότητας» για τον οργανισμό να κάνει το πρώτο βήμα στο δρόμο για τον μελλοντικό επιταχυντή FCC: την εύρεση κατάλληλης τοποθεσίας για τη σήραγγα και την κατασκευή ενός γιγάντιου μηχανήματος για σύγκρουση ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων σε ενέργειες παρόμοιες με εκείνες του LHC (το οποίο ωστόσο χρησιμοποιεί πρωτόνια σε πρωτόνια). Η απόφαση για το αν το CERN θα προχωρήσει τότε στις συγκρούσεις υψηλής ενέργειας μεταξύ των πρωτονίων θα ληφθεί μόνο μετά από αρκετά χρόνια μελέτης και συζήτησης.

Αυτό το πρώτο βήμα ονομάστηκε επίσης «εργοστάσιο Higgs», επειδή έχει σχεδιαστεί ειδικά για να παράγει μεγάλες ποσότητες μποζονών Higgs. Το μποζόνιο Higgs , που ανακαλύφθηκε στο CERN το 2012, ήταν το τελικό σωματίδιο που έλειπε στο πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Με τη νέα μηχανή, οι φυσικοί σωματιδίων θέλουν να μετρήσουν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια τις ιδιότητές του και τις ιδιότητες ορισμένων σωματιδίων που έχουν ανακαλυφθεί προηγουμένως. (Η Ιαπωνία σκέφτεται να κατασκευάσει ένα γραμμικό επιταχυντή – συγκρουστή με παρόμοιο σκοπό με το εργοστάσιο Higgs του CERN, αλλά η επιτροπή που εργάστηκε για την ιδέα δεν έλαβε καμία οριστική απόφαση στην περσινή έκθεσή τους. Η Κίνα εξετάζει και αυτή έναν κυκλικό επιταχυντή με παρόμοιο πεδίο εφαρμογής και μέγεθος με το πλήρες σχέδιο FCC του CERN , αλλά δεν αναμένεται απόφαση μέχρι το επόμενο έτος.)

Αλλά το σχέδιο του CERN, εάν εκτελεστεί πλήρως, θα κόστιζε δεκάδες δισεκατομμύρια δολάρια. Οι ακριβείς αριθμοί δεν είναι διαθέσιμοι, επειδή οι εκτιμήσεις προϋπολογισμού που προβάλλονται από το CERN συνήθως δεν περιλαμβάνουν το κόστος λειτουργίας. Συγκρίνοντας με τα τρέχοντα έξοδα για τον LHC αυτά τα κόστη για το νέο επιταχυντή θα ανέρχονταν πιθανώς σε τουλάχιστον 1 δισεκατομμύριο $ ετησίως. Για μια εγκατάσταση που μπορεί να λειτουργεί για 20 ή περισσότερα χρόνια, αυτό είναι συγκρίσιμο με το κόστος κατασκευής.

Αυτοί είναι εντυπωσιακοί αριθμοί, χωρίς αμφιβολία. Πράγματι, τα συγκρουόμενα σωματίδια είναι επί του παρόντος είναι τα πιο ακριβά πειράματα φυσικής που υπάρχουν. Η τιμή τους είναι υψηλότερη από αυτήν του ακόμη και του επόμενου πιο ακριβού τύπου πειραμάτων, τηλεσκοπίων σε δορυφορικές αποστολές.

Ο κύριος λόγος για τον οποίο το κόστος είναι τόσο υψηλό είναι ότι, από τη δεκαετία του 1990, υπήρξαν μόνο αυξητικές βελτιώσεις στην τεχνολογία των επιταχυντών. Κατά συνέπεια, ο μόνος τρόπος για την επίτευξη υψηλότερων ενεργειών σήμερα είναι η κατασκευή μεγαλύτερων μηχανών. Είναι το καθαρό φυσικό μέγεθος – οι μεγάλες σήραγγες, οι πολλοί μαγνήτες που πρέπει να το γεμίσουν και όλοι οι άνθρωποι που χρειάστηκε να το κάνουν αυτό – αυτό καθιστά τους επιταχυντές σωματιδίων τόσο ακριβούς.

Αλλά ενώ το κόστος αυτών των συγκρούσεων έχει διογκωθεί, η σχετικότητά τους έχει μειωθεί. Όταν οι φυσικοί άρχισαν να κατασκευάζουν συγκρουστές τη δεκαετία του 1940, δεν είχαν πλήρη απογραφή των στοιχειωδών σωματιδίων και το γνώριζαν. Νέες μετρήσεις έφεραν νέα αινίγματα και δημιούργησαν μεγαλύτερες συγκρούσεις μέχρι, το 2012, οπότε τότε η ​​εικόνα ήταν πλήρης. Το πρότυπο μοντέλο εξακολουθεί να έχει κάποια χαλαρά άκρα, αλλά για πειραματικούς ελέγχους θα απαιτούνται ενέργειες τουλάχιστον δέκα δισεκατομμύρια φορές υψηλότερες από αυτές που θα μπορούσε ακόμη και να δοκιμάσει η FCC. Η επιστημονική παρακαταθήκη για ένα επόμενο μεγαλύτερο συγκρουστή  είναι επομένως λεπτή.

Φυσικά, είναι πιθανό ένας επόμενος μεγαλύτερος επιταχυντής να κάνει μια σημαντική ανακάλυψη. Μερικοί φυσικοί ελπίζουν, για παράδειγμα, να προσφέρουν ενδείξεις για τη φύση της σκοτεινής ύλης ή της σκοτεινής ενέργειας.

Ναι, μπορεί κανείς να ελπίζει. Αλλά δεν υπάρχει κανένας λόγος για τον οποίο τα σωματίδια που απαρτίζουν τη σκοτεινή ύλη ή τη σκοτεινή ενέργεια πρέπει να εμφανίζονται στο εύρος ενέργειας της νέας συσκευής. Και αυτό υποτίθεται ότι είναι αρχικά σωματίδια, για τα οποία δεν υπάρχουν στοιχεία. Ακόμα κι αν είναι σωματίδια, επιπρόσθετα πολύ ενεργητικές συγκρούσεις μπορεί να μην είναι ο καλύτερος τρόπος για να τα αναζητήσετε. Τα ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζες (WIMPs) , για παράδειγμα, δεν είναι κάτι που αναζητά κανείς με μεγάλους επιταχυντές.

Και υπάρχουν εντελώς διαφορετικοί τύποι πειραμάτων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ανακαλύψεις με πολύ μικρότερο κόστος, όπως μετρήσεις υψηλής ακρίβειας σε χαμηλές ενέργειες ή αύξηση της μάζας αντικειμένων σε κβαντικές καταστάσεις. Η μετάβαση σε υψηλότερες ενέργειες δεν είναι ο μόνος τρόπος για να σημειωθεί πρόοδος στα θεμέλια της φυσικής. Είναι απλώς το πιο ακριβό πείραμα.

Σε αυτήν την περίπτωση, οι φυσικοί σωματιδίων θα πρέπει να επικεντρωθούν στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που θα μπορούσαν να φέρουν τους επιταχυντές σε εύλογο εύρος τιμών και να καθυστερήσουν να σκάβουν για περισσότερες σήραγγες. Η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία τώρα στον ορίζοντα είναι ένας νέος τύπος επιταχυντή  “wake field” που θα μπορούσε να μειώσει δραματικά την απόσταση που απαιτείται για την επιτάχυνση των σωματιδίων, και ως εκ τούτου να συρρικνωθεί το μέγεθος των συγκρούσεων. Μια άλλη τεχνολογία που αλλάζει το παιχνίδι θα ήταν οι υπεραγωγοί θερμοκρασίας δωματίου που θα μπορούσαν να κάνουν τους ισχυρούς μαγνήτες στους οποίους βασίζονται οι επιταχυντές πιο αποδοτικοί και οικονομικοί.

Η εξέταση αυτών των νέων τεχνολογιών περιλαμβάνεται επίσης στις προτεραιότητες του CERN. Αλλά όπως αποκαλύπτει η ενημέρωση στρατηγικής, οι φυσικοί σωματιδίων δεν έχουν ξυπνήσει με τη νέα τους πραγματικότητα. Η κατασκευή μεγαλύτερων επιταχυντών σωματιδίων έχει τελειώσει. Σήμερα έχει ελάχιστη επιστημονική απόδοση στις επενδύσεις και ταυτόχρονα σχεδόν καμία κοινωνική σημασία. Μεγάλα επιστημονικά έργα τείνουν γενικά να ωφελήσουν την εκπαίδευση και τις υποδομές, αλλά αυτό δεν αφορά ειδικά τα σωματίδια. Και αν αυτές οι παρενέργειες είναι αυτές που πραγματικά μας ενδιαφέρουν, τότε πρέπει τουλάχιστον να βάλουμε τα χρήματά μας στην επιστημονική έρευνα με κοινωνική σημασία.

Γιατί, για παράδειγμα, δεν έχουμε ακόμη ένα διεθνές κέντρο για τις κλιματικές προβλέψεις , το οποίο, σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις, θα κοστίσει «μόνο» 1 δισεκατομμύριο δολάρια σε 10 χρόνια; Αυτό το ποσό είναι τίποτα σε σύγκριση με το τι απορροφά η φυσική των σωματιδίων, αλλά είναι πολύ πιο σημαντικό. Ή γιατί, ίσως αναρωτηθήκατε πρόσφατα, δεν διαθέτουμε κέντρο επιδημίας;

Είναι επειδή η υπερβολική χρηματοδότηση της επιστήμης χορηγείται με βάση την αδράνεια. Τον τελευταίο αιώνα, η φυσική των σωματιδίων έχει εξελιχθεί με μια μεγάλη επιρροή και καλά συνδεδεμένη κοινότητα. Θα συνεχίσουν να χτίζουν μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων όσο μπορούν, απλώς και μόνο επειδή αυτό κάνουν οι φυσικοί σωματιδίων, είτε αυτό έχει νόημα είτε όχι.

Είναι καιρός να ακολουθήσει η κοινωνία μια πιο διαφωτισμένη προσέγγιση για τη χρηματοδότηση μεγάλων επιστημονικών έργων από το να συνεχίζει να δίνει χρήματα σε εκείνα στα οποία έχουν δώσει προηγουμένως χρήματα. Έχουμε μεγαλύτερα προβλήματα από τη μέτρηση του επόμενου ψηφίου στη μάζα του μποζονίου Higgs.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share