Φυσικοί ένα βήμα πιο κοντά για να κατανοήσουν την αρχή του σύμπαντος

Πηγή: Πανεπιστήμιο Liverpool, 22 Φεβρουαρίου 2006

Ο μεγαλύτερος ανιχνευτής σωματιδίων σε παγκόσμιο επίπεδο πλησιάζει στην ολοκλήρωση του μετά και από την κατασκευή του τελευταίου τμήματος του στο πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ.

Αυτό το τμήμα θα βρίσκεται στην καρδιά του ATLAS -- ένας γιγαντιαίος ανιχνευτής σωματιδίων στο μέγεθος ενός κτηρίου πέντε ορόφων, ο οποίος θα γίνει μέρος του μεγαλύτερου ανιχνευτή σωματιδίων σε παγκόσμιο επίπεδο  --  τον Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων (LHC), που θα βρίσκεται στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN), το ευρωπαϊκό κέντρο για την έρευνα της φυσικής των σωματιδίων.

Το LHC κατασκευάζεται σε βάθος 100 μέτρων σε μια μακριά κυκλική σήραγγα 25 χιλιομέτρων, κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα. Μέσα στη σήραγγα δύο δέσμες ακτίνων από σωματίδια αφού θα επιταχυνθούν σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες θα συντριβούν η μία με την άλλη, σαράντα εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, δημιουργώντας ένα στιγμιότυπο των συνθηκών που υπήρχαν δισεκατομμυριοστά του ενός δευτερολέπτου μετά από τη "Μεγάλη Έκρηξη". Ο ATLAS, το αποκορύφωμα της συνεργασίας πάνω από 150 ευρωπαϊκών οργάνων εδώ και 15 χρόνια, στοχεύει να βρει το μόριο Higgs που κρατά το κλειδί για την κατανόηση της προέλευσης της μάζας.

Ο Δρ Neil Jackson, από το πανεπιστημιακό τμήμα φυσικής, εξηγεί: "Χρησιμοποιώντας το LHC στοχεύουμε να ανακαλύψουμε το μόριο Higgs και ελπίζουμε να βρούμε τις αποδείξεις για την ύπαρξη των υπερ-συμμετρικών σωματιδίων, που πιστεύουμε ότι θα μπορούσαν να προσφέρουν μια εξήγηση για την σκοτεινή ύλη στον κόσμο. Αυτή τη στιγμή η κανονική ύλη που μπορούμε να δούμε στον κόσμο αποτελεί μόνο το 5% της μάζας του σύμπαντος. Η προέλευση της ελλείπουσας μάζας είναι άγνωστη, αλλά τα υπερ-συμμετρικά σωματίδια μπορούν να αποτελέσουν μερικά υποψήφια σωματίδια για την μάζα που λείπει. Εάν ανακαλύψουμε αυτά τα σωματίδια τότε θα είμαστε στο δρόμο για την εξήγηση του τρόπου που το σύμπαν λειτουργεί και γιατί το κάνει με αυτό τον τρόπο.

"Στο Λίβερπουλ συναρμολογήσαμε και δοκιμάσαμε 988 τμήματα (modules) του ανιχνευτή. Τα modules θα ανιχνεύσουν τις  αντιδράσεις που θα παράγονται όταν στον επιταχυντή συγκρουστούν δισεκατομμύρια πρωτονίων στο κέντρο του ATLAS.  Τα σωματίδια που παράγονται σε αυτές τις συγκρούσεις καταγράφονται καθώς περνούν μέσω αυτών των τμημάτων. Οι συγκρούσεις θα είναι αρκετά ισχυρές, ώστε να αναδημιουργήσουν τα σωματίδια και τις αντιδράσεις που βρέθηκαν σε κλάσματα του ενός δευτερολέπτου μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είναι η κυρίαρχη επιστημονική θεωρία για την προέλευση του Κόσμου. Αυτή προτείνει ότι ο Κόσμος μας δημιουργήθηκε κάποτε πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου από μια κοσμική έκρηξη που εκσφενδόνισε την ύλη σε όλες τις κατευθύνσεις.

Οι συνθήκες που θα αναπαραχθούν στον συγκρουστή LHC αντιστοιχούν σε αυτές που υπήρχαν περίπου στο 1/10.000.000.000 του ενός δευτερολέπτου μετά από το "Big Bang", όταν η θερμοκρασία ήταν 1.000.000.000.000.000 βαθμοί. Οι μεγάλοι ανιχνευτές θα καταχωρήσουν ηλεκτρονικά την μετακίνηση και την θέση των φορτισμένων σωματιδίων, επιτρέποντας στους φυσικούς να αναλύσουν τις αντιδράσεις που τα δημιούργησαν.

Από το Λίβερπουλ το τμήμα του επιταχυντή που κατασκευάστηκε εκεί θα φύγει προς την Ελβετία αυτόν το μήνα. Ο Δρ Jackson πρόσθεσε: "Πρέπει να είμαστε εξαιρετικά προσεκτικοί να μην καταστραφεί αυτό που έχουμε κατασκευάσει, στο ταξίδι του στην Ελβετία. Γι αυτό κάναμε ένα δοκιμαστικό ταξίδι ενός δοκιμαστικού φορτίου που αντιπροσώπευε το τμήμα που κατασκευάστηκε στο Λίβερπουλ. Δοκιμάστηκαν τα πάντα, από την κλίση των δρόμων έως τις στάσεις έκτακτης ανάγκης κλπ. Τα αποτελέσματα της δοκιμής ήταν πολύ ενθαρρυντικά."

Οι προηγμένες συσκευές, που απαιτούνται για την ολοκλήρωση του, κατασκευάστηκαν με τη συνεργασία φυσικών, μηχανικών και τεχνικών από τα πανεπιστήμια των εργαστηρίων του Λίβερπουλ, της Γλασκώβης, του Λάνκαστερ, του Μάντσεστερ, του Σέφιλντ καθώς επίσης και Daresbury και Rutherford.

Το πείραμα ATLAS

Το πείραμα ATLAS στον επιταχυντή LHC, με περιφέρεια 26.7 km, θα ξεκινήσει να ερευνά αυτά τα ζητήματα από το 2007, 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.