Τα συντρίμμια από το νέο συγκρουστή των σωματιδίων θα αποκαλύψουν τα μυστικά της ύλης

Από τη σελίδα popularmechanics.com, 18 Νοεμβρίου 2002

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ευρώπη και την Ιαπωνία, οι κορυφαίοι φυσικοί του κόσμου εργάζονται σκληρά σχεδιάζοντας μια μηχανή (συγκρουστή σωματιδίων), που θα απαντήσει στη βαθύτερη ερώτηση της σύγχρονης επιστήμης: Γιατί είναι τόσο δύσκολο να σπρώξεις ένα αυτοκίνητο;

Η προφανής αλλά ελλιπής απάντηση είναι ότι υπαίτια είναι η αδράνεια, που αντιδράει στην κίνηση των αντικειμένων όταν είναι σε ηρεμία και αντιτίθεται στην μεταβολή της κίνησης όταν κινούνται.

Η πλήρης απάντηση πρέπει να κάνει με το πώς τα αντικείμενα αποκτούν τη μάζα τους. Και το θέμα της μάζας, στη συνέχεια, οδηγεί σε ένα άπιαστο υποατομικό σωματίδιο, που λέγεται μποζόνιο Higgs, που θεωρείται ότι δίνει μάζα στα σωματίδια. Ονομάζεται έτσι προς τιμήν του Βρετανού φυσικού Peter Higgs, ο οποίος πρότεινε την ύπαρξή του προς το τέλος της δεκαετίας του '60.

Έτσι οι φυσικοί άρχισαν το κυνήγι του σωματιδίου Higgs . Όπως οι ντετέκτιβ που αρχίζουν να ψάχνουν στον τόπο του εγκλήματος, έτσι και οι φυσικοί ψάχνουν για τις ενδείξεις στα συντρίμμια, που δημιουργούνται κάθε φορά που συγκρούονται τα υποατομικά σωματίδια. Δύο έτη πριν, οι φυσικοί θεώρησαν ότι είχαν βρει το Higgs, σε μια σειρά κρίσιμων πειραμάτων, σε ένα από τους πιο ισχυρούς συγκρουστές των ατόμων. Οι φυσικοί είναι πεπεισμένοι ότι το σωματίδιο Higgs υπάρχει. Και, σκοπεύουν να το βρουν με την οικοδόμηση ενός ισχυρότερου συγκρουστή των ατόμων.

Ευθύς και στενός

Οι επιταχυντές σωματιδίων έρχονται σε δύο βασικά σχέδια. Είναι οι γραμμικοί επιταχυντές ή linacs, που επιταχύνουν τα υποατομικά σωματίδια σε μια ευθεία διαδρομή. Τα σύγχροτρα τα επιταχύνουν γύρω από μια κυκλική διαδρομή. Και οι δύο μηχανές εκτιμώνται σύμφωνα με την ενέργεια των ακτίνων τους, και  χρησιμοποιείται γι' αυτό μια μονάδα που είναι γνωστή ως ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Έως ότου αποσύρθηκε από την υπηρεσία το 2000, ο μεγαλύτερος επιταχυντής σε παγκόσμια κλίμακα, ο Μεγάλος Συγκρουστής Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (LEP), ήταν της τάξεως των 100 δισεκατομμυρίων- eV,  και χρησιμοποιήθηκε από το Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN), την ευρωπαϊκή ερευνητική κοινοπραξία, κοντά στη Γενεύη. Οι φυσικοί θέλουν τον επόμενο συγκρουστή τους να έχει μια ισχύ 250 δισεκατομμυρίων eV.

Η ιδέα για αυτήν την νέα μηχανή έχει συζητηθεί μέσα στην κοινότητα των φυσικών υψηλής ενέργειας επί μια δεκαετία. Αυτό που ήταν γνωστό από την αρχή είναι ότι ο επόμενος θρυμματιστής των ατόμων πρέπει να είναι ένας γραμμικός συγκρουστής - επιταχυντής.

"Πρέπει να φτιάξετε Γραμμικές Μηχανές εάν θέλετε να μελετήσετε τις συγκρούσεις των ηλεκτρονίων," είπε ο Πανεπιστημιακός φυσικός Gerald Dugan του Πανεπιστημίου Cornell, σε μια πρόσφατη συνεδρίαση της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής (aps) στο Αλμπικέρκη. Η αιτία πρέπει να κάνει με την ακτινοβολία συγχρότρου, η οποία παράγεται όταν επιταχύνεται ένα φορτισμένο σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, σε ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός σε ένα κυκλικό επιταχυντή. Για τους φυσικούς που επιδιώκουν να παραγάγουν τις πιο ισχυρές συγκρούσεις, αυτή η κυκλική κίνηση είναι κυριολεκτικά μια αντίσταση στο σύστημα.

Όταν τα σωματίδια συγκρούονται

Το τρέχον σχέδιο που υπάρχει για τον Επόμενο Γραμμικό Συγκρουστή (NLC), θα ακολουθήσει το γενικό σχεδιάγραμμα που εμφανίζεται αριστερά. Τα ηλεκτρόνια θα δημιουργηθούν από τη μία πλευρά της μηχανής που είναι σχεδόν 20 μίλια σε μήκος. Τα ποζιτρόνια, η αντιύλη που είναι αντίστοιχα των ηλεκτρονίων, θα παραχθούν στο αντίθετο άκρο. Ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο υψηλής- συχνότητας θα ωθήσει τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια, ώστε να συγκρουστούν με τεράστιες ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

΄Όταν συγκρουστεί η ύλη και η αντιύλη μέσα σε αυτή τη μηχανή, θα φθάσει η ελευθερούμενη ενέργεια σε πάρα πολύ υψηλά επίπεδα, ώστε να αναζητηθούν τα σωματίδια Higgs.

Μια δεύτερη προσέγγιση στην επιτάχυνση των σωματιδίων αναπτύσσεται από το Γερμανικό Σύγχροτρο Ηλεκτρονίων (DESY) στο Αμβούργο της Γερμανίας. Το σχέδιο των γερμανικών φυσικών προβλέπει ένα συγκρουστή μήκους 20 μιλίων με λέιζερ ακτίνων X, χρησιμοποιώντας υπεραγωγικές κοιλότητες. Γνωστή ως Tesla, το σχέδιο DESY προσφέρει διάφορα τεχνικά πλεονεκτήματα πέρα από το παραδοσιακότερο σχέδιο που προτείνεται από την Αμερικανική ομάδα NLC. Παραδείγματος χάριν, ακτίνες των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων μπορούν να εστιαστούν σε μικρότερο εύρος στο σύστημα Tesla. Και είναι πιο αποδοτικό ενεργειακά. Η μισή ενέργεια μέσα στο παραδοσιακό σχέδιο πηγαίνει στη θέρμανση του χαλκού, καθιστώντας έτσι τον υπεραγωγό Tesla ελκυστικότερο. Αλλά στην αρνητική πλευρά του Tesla χρεώνεται την απουσία της εγγραφής του ίχνους. Το NLC χτίζεται πάνω στην τεχνολογία που καθιερώθηκε μέσα από δεκαετίες χρήσης του Γραμμικού Επιταχυντή στο Στάνφορντ (SLAC).

Προσέχοντας τη Συντριβή

Οι φυσικοί θα καταγράψουν τι συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια συγκρουστούν με τη χρησιμοποίηση μιας ειδικής φωτογραφικής μηχανής, που την αναφέρουν ως ο ανιχνευτής. Όπως και με τον συγκρουστή, οι λεπτομέρειες του μικροσκοπικού ανιχνευτή καθορίζονται ακόμα. Βασικά, είναι μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή. Αποτελείται από συσκευές  CCD. Ο ανιχνευτής περιβάλλει το στενό σωλήνα μέσα στον οποίο θα συμβούν οι συγκρούσεις ηλεκτρονίων. Σε ένα κλάσμα του ενός δευτερολέπτου μετά από κάθε σύγκρουση ηλεκτρονίων, ο CCD θα αναφέρει σε έναν υπολογιστή ό,τι έχει παρατηρήσει. Όλες αυτές οι πληροφορίες θα καταγραφούν σε μια ογκώδη βάση δεδομένων. Αργότερα, ομάδες εκατό ή περισσότερων φυσικών θα ψάξουν λεπτομερώς τη βάση δεδομένων. Εργαζόμενοι με τουλάχιστον 300 εκατομμύρια pixels,  εικονοκύτταρα πληροφοριών, οι φυσικοί θα παρακολουθήσουν κάθε σωματίδιο, από το ίχνος που αφήνει πίσω.

Πού θα χτιστεί;

Αυτήν την περίοδο, η περισσότερη εργασία πάνω στο NLC γίνεται με κέντρο το SLAC στην Καλιφόρνια. Επειδή το NLC θα είναι μια πολυεθνική προσπάθεια, η Αμερική που συμβάλλει περισσότερο στα έξοδα του, θα μπορεί  να επιλέξει που θα χτιστεί. Η αμερικανική ομάδα προσανατολίζεται στην κοιλάδα Napa. Αυτή η περιοχή έχει αρκετό κενό χώρο για να κτιστεί μια μακριά σήραγγα των 20  μιλίων. Και, βρίσκεται κοντά σε σημαντικά ερευνητικά εργαστήρια υψηλής ενέργειας,  στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore. Οπουδήποτε και αν κτισθεί στην Καλιφόρνια, Γερμανία ή Ιαπωνία, η οποία άρχισε πρόσφατα βαριά την έρευνα πάνω στην σωματιδιακή φυσική, δεν θα επηρεάσει σοβαρά τους επιστήμονες. Μόλις η συσκευή αρχίσει το έργο της -- ίσως από το 2010 -- οι περισσότερες επαφές, που θα έχουν οι φυσικοί με την ογκώδη μηχανή θα είναι μέσω του Διαδικτύου.

Οι περισσότεροι φυσικοί προβλέπουν ότι ο νέος συγκρουστής θα παράσχει την οριστική απόδειξη της ύπαρξης του μποζονίου Higgs. Αναμένουν ότι θα καταλάβουν πώς είναι φτιαγμένος ο κόσμος. Ακόμα μεγαλύτερες εκπλήξεις θα μπορούσαν να εμφανιστούν εάν αποτύχουν να δείξουν ότι υπάρχει το σωματίδιο Higgs. Μερικές από τις πιο θεμελιώδεις θεωρίες για τη δομή του κόσμου θα μπορούσαν να διακινδυνεύσουν, προβλέπει ο Chris Quigg, ένας σωματιδιακός φυσικός του τμήματος Ενέργειας του Fermilab, κοντά στο Σικάγο. "Τα μποζόνια Higgs ή πρέπει να υπάρχουν σε ένα επίπεδο κάτω από 1 τρισεκατομμύριο eV ή ο κόσμος αρχίζει και γίνεται ενδιαφέρο", λέει.