Το μεγαλύτερο πείραμα Φυσικής του κόσμου έτοιμο για επανεκκίνηση

Του Jamie Condliffe

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) είναι το πιο τολμηρό πείραμα φυσικής στην ανθρώπινη ιστορία. Τώρα οι επιστήμονες ετοιμάζονται να επανεκκινήσουν το γιγαντιαίο επιταχυντή σωματιδίων για μια νέα σειρά πειραμάτων. Την τελευταία φορά, πέτυχαν σχεδόν το αδύνατο και βρήκαν το μποζόνιο Higgs. Αυτή τη φορά, θα μπορούσαν να βρουν κάτι ακόμα πιο συναρπαστικό.

Το 2008, μόλις εννέα ημέρες από την έναρξη των πειραμάτων, υπήρξε μία σημαντική βλάβη στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Μια ελαττωματική ηλεκτρική σύνδεση ανάμεσα σε δύο μαγνήτες σταμάτησε την υπεραγωγιμότητα και στη συνέχεια έλιωσε και προκάλεσε σοβαρή βλάβη στην εγκατάσταση. Το ατύχημα καθυστέρησε τη χρήση του LHC για έξι ολόκληρους μήνες, λόγω των επισκευών και δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν, αλλά αυτό σήμαινε επίσης ότι οι εγκαταστάσεις χρησιμοποιήθηκαν για τρία χρόνια, σε πολύ μικρότερο εύρος από ό, τι τις είχαν οραματιστεί.

Παρόλα αυτά ο επιταχυντής ανταποκρίθηκε. Στις 4 Ιουλίου του 2012, επιστήμονες από δύο πειράματα στον LHC – CMS και ATLAS – ανακοίνωσαν ότι είχαν ανακαλύψει ένα νέο μποζόνιο. Ήταν το μποζόνιο Higgs, το αόρατο σωματίδιο που δίνει μάζα στα πάντα και, με τη σειρά του, κρατάει το σύμπαν ενωμένο. Το εύρημα ήταν αναμφισβήτητα το μεγαλύτερο επιστημονικό πόρισμα της δεκαετίας, ίσως ακόμη περισσότερο.

Αλλά όλο αυτό το διάστημα ο επιταχυντής έτρεχε κάτω του μετρίου. Ο LHC έκλεισε για συντήρηση το 2013, όμως κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων ετών, οι μηχανικοί έχουν εντείνει τις προσπάθειές τους. Έχουν αναβαθμίσει τις διασυνδέσεις των υπεραγωγών ανάμεσα σε μια σειρά από μαγνήτες στον επιταχυντή, προσθέτοντας επιπλέον διακλαδώσεις και πιο ισχυρούς μαγνήτες. Οι διακλαδώσεις παρέχουν μια διαδρομή μέσω της οποίας το ρεύμα μπορεί να διαφύγει, αν υψηλής ισχύος ατυχήματα – όπως εκείνο που προκάλεσε τη διακοπή το 2008 – συμβούν και πάλι, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να λειτουργούν ασφαλέστερα σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας.

Με ακριβώς 27.000 διακλαδώσεις γύρω από την 16,7 μιλίων περιφέρεια του επιταχυντή που προστέθηκαν εκ των υστέρων, ο LHC είναι επιχειρησιακά έτοιμος. Και πιο ισχυρός από ποτέ.

Απόλυτη Δύναμη

Όταν ο LHC έκλεισε το 2013, τα πειράματα υψηλότερης ενέργειας είχαν πραγματοποιηθεί στα 8 τεραηλεκτρονιοβόλτ (TeV-μονάδα ενέργειας). Σύντομα, οι επιστήμονες του LHC θα είναι σε θέση να μεταφέρουν τον επιταχυντή στην άνευ προηγουμένου ενέργεια των 13TeV. Για τους περισσότερους από εμάς αυτή είναι μία αρκετά ακατανόητη μονάδα ενέργειας, όμως οι επιστήμονες του LHC έχουν ετοιμάσει μια κατανοητή αναλογία για να βοηθήσουν εκείνους που δεν έχουν πτυχία στην φυσική των σωματιδίων. Ο πρόσφατα ανακαινισμένος LHC μπορεί να δημιουργήσει δέσμες σωματιδίων που μεταφέρουν ενέργεια για να λιώσει ένα τόνο χαλκού κατά την πρόσκρουση. Αυτό είναι … εντυπωσιακό.

“Η υψηλότερη ενέργεια σημαίνει περισσότερες πιθανότητες να οδηγηθούμε σε νέες ανακαλύψεις” εξηγεί ο Alan Barr, καθηγητής της Σωματιδιακής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ο οποίος εργάζεται για το πείραμα ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. “Η υψηλότερη ενέργεια του LHC μπορεί να μας δώσει την απαραίτητη ευαισθησία για να βρούμε νέα, αλλά ακόμα άγνωστα σωματίδια.” Η φημισμένη εξίσωση του Αϊνστάιν, E=mc² , διευκρινίζει ότι η ενέργεια και η μάζα είναι σε μεγάλο βαθμό ισοδύναμες, έτσι, στην πράξη, επιπλέον ενέργεια επιτρέπει στους επιστήμονες να βρουν βαρύτερα σωματίδια από ό, τι πριν. “Η κινητική ενέργεια των συγκρουόμενων σωματιδίων μετατρέπεται σε μάζα των βαρύτερων σωματιδίων, τα οποία διασπώνται αμέσως ξανά στα σωματίδια με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι,” εξηγεί ο James Hirschauer από το Fermi National Accelerator Laboratory (στο Σικάγο) ο οποίος εργάζεται για τα πειράματα στον LHC. “Ελπίζουμε ότι θα παράγει βαρύτερα σωματίδια που είναι μέχρι στιγμής άγνωστα – όπως ακριβώς παρήγαγε το 2012 και ανακαλύψαμε το μποζόνιο Higgs. Το ενεργειακό άλμα είναι επιθυμητό, επειδή, εάν υπάρχει ένα νέο βαρύ σωματίδιο, το ποσοστό της παραγωγής τού εν λόγω σωματιδίου θα είναι υψηλότερο σε συγκρούσεις υψηλότερης ενέργειας”. Σε ένα email ο Hirschauer μου έδωσε ένα πολύ καλό παράδειγμα τού γιατί η αύξηση του ρυθμού παραγωγής των σωματιδίων είναι τόσο σημαντική:

“Γνωρίζουμε τώρα ότι μποζόνια Higgs είχαν παραχθεί στο Fermilab Tevatron (με ενέργεια σύγκρουσης 1.96TeV). Αλλά υπήρχαν σχετικά λίγα μποζόνια Higgs, και ήταν κρυμμένα από τον τεράστιο “θόρυβο υποβάθρου” των μη-Higgs συγκρούσεων στον επιταχυντή Tevatron, έτσι δεν μπορούσαμε να διαχωρίσουμε το σήμα Higgs από το υπόβαθρο στις αναλύσεις των στοιχείων του Tevatron. Ωστόσο, με την υψηλότερη ενέργεια των 8TeV LHC, σε κάθε σύγκρουση ήταν περίπου 30 φορές πιο πιθανό να παράγουν ένα μποζόνιο Higgs από ό, τι στα 2TeV Tevatron. Έτσι, σε ένα δεδομένο αριθμό συγκρούσεων, θα παράγονται περίπου 30 φορές περισσότερα μποζόνια Higgs στον LHC από ό, τι στον επιταχυντή Tevatron. Στην περίπτωση που αναρωτιέστε: Οι άνθρωποι ρωτούν συχνά, με την αύξηση της ενέργειας σύγκρουσης δεν αυξάνεται επίσης και η τιμή του υποβάθρου που παράγεται; Πράγματι, υπάρχει μία αύξηση του θορύβου του υποβάθρου, αλλά όχι τόσο πολύ όσο αυξάνεται η παραγωγή υψηλής μάζας σωματιδίων, έτσι συνεχίζουμε να έχουμε κέρδος με τη μετατόπιση προς τις συγκρούσεις υψηλότερης ενέργειας”.

Δυστυχώς, δεν είναι δυνατόν να σηκώσεις απλώς ένα διακόπτη στον LHC και να χτυπήσεις αμέσως τα 13TeV. Ο 6 δις δολαρίων επιταχυντής απαιτεί μια προοδευτική προθέρμανση πριν φτάσει στη μέγιστη ισχύ. Την περασμένη εβδομάδα, οι ερευνητές του CERN έστειλαν τα πρώτα δοκιμαστικά σωματίδια δια μέσου του επιταχυντή. Σιγά-σιγά, τις επόμενες εβδομάδες, θα στείλουν όλο και περισσότερα, ελέγχοντας κάθε φορά την ευθυγράμμιση των δεσμών και την ικανότητα του επιταχυντή να τις χειριστεί. Ο Γενικός Διευθυντής του CERN, Ρολφ-Ντίτερ Χόιερ, δήλωσε ότι ο LHC θα φορτωθεί με τις πρώτες σωστές δέσμες πρωτονίων μέσα στις επόμενες δύο εβδομάδες. Ο επιταχυντής θα πρέπει σταδιακά να μεταβεί σε υψηλότερες ενέργειες, με τις επακόλουθες συγκρούσεις – που θα είναι το πιο δραστικές που δημιουργήθηκαν ποτέ από τον άνθρωπο – που τοποθετούνται χρονικά κοντά στο τέλος του Μαΐου.

Σκοτεινά μυστικά

Για τα αποτελέσματα, τα οποία αρχικά μπορεί να μην είναι εμφανή, αξίζει να περιμένουμε. Όταν αρχίσουν οι νέες συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, θα δούμε αρχικά μια από τα ίδια. Μετά από όλα, καταφέραμε να δούμε το μποζόνιο στα 8 TeV, έτσι, όπως μας λέει ο Hirschauer, σε πρώτη φάση, θα δούμε ακριβώς ακόμα περισσότερα από αυτά σε αυτές τις υψηλότερες ενέργειες. Αυτό δεν θα λέγαμε ότι θα ήταν πολύ συναρπαστικό, αλλά θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε το σχετικά νέο σωματίδιο με μεγαλύτερη ακρίβεια, επιτρέποντας πιο ακριβείς μετρήσεις των ιδιοτήτων του.

Αλλά κατά πάσα πιθανότητα θα υπάρξουν περισσότερα. “Ένα πράγμα που πιστεύουμε ότι μπορεί να ανακαλύψουμε είναι τα υπερσυμμετρικά σωματίδια,” εξηγεί ο Hirschauer. Τα Υπερσυμμετρικά σωματίδια είναι οι θεωρητικοί υπερ-σύντροφοι του καθενός από τα σωματίδια που εξηγούνται από το Καθιερωμένο Μοντέλο – τα πιο στοιχειώδη σωματίδια που γνωρίζουμε, όπως τα κουάρκ, τα λεπτόνια και τα μποζόνια. Ενώ το Καθιερωμένο Μοντέλο κάνει μια θαυμάσια δουλειά εξηγώντας τη φυσική των σωματιδίων, οι επιστήμονες παραδέχονται ότι η θεωρία είναι ελλιπής.

Εκ πρώτης όψεως, το Καθιερωμένο Μοντέλο προβλέπει ότι όλα τα σωματίδια πρέπει να έχουν μηδενική μάζα, αλλά τούτο έρχεται σε αντίθεση με την άμεση ανθρώπινη παρατήρηση του κόσμου γύρω μας. Ενώ το μποζόνιο Higgs κατά κάποιο τρόπο έρχεται να μας εξηγήσει, γιατί τα άλλα σωματίδια έχουν μάζα, παραμένει ένα μυστήριο γιατί το ίδιο δεν έχει επίσης καμία μάζα. Ένα πρόσθετο σύνολο υπερσυμμετρικών σωματιδίων, που συμπεριφέρονται με παρόμοιες ιδιότητες, αλλά έχουν διαφορετικές μάζες, οι φυσικοί προτείνουν, θα μπορούσε να ακυρώσει τις συνεισφορές στη μάζα του Higgs από τους υπερ-συντρόφους τους στο Καθιερωμένο Μοντέλο – κάνοντας πιθανή την ύπαρξη των άμαζων μποζονίων Higgs. Με τη σειρά του αυτό θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή τη μαθηματική σύνδεση των τριών δυνάμεων του Καθιερωμένου Μοντέλου -τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις – και να δημιουργήσει μία ενιαία και ενοποιημένη θεωρία για το σύμπαν. Μια θεωρία των Πάντων.
“Για ορισμένα υπερσυμμετρικά σωματίδια, ο ρυθμός παραγωγής τους αυξάνεται κατά ένα συντελεστή περίπου 30 όταν αυξάνουμε την ενέργεια της σύγκρουσης από 8TeV σε 13TeV”, εξηγεί ο Hirschauer. “Την ίδια στιγμή, ο ρυθμός παραγωγής του κύριου “υπόβαθρου” σε αυτό υπερσυμμετρικό “σήμα” αυξάνει μόνο κατά ένα συντελεστή περίπου 4. Επομένως, ο λόγος σήματος προς υπόβαθρο θα αυξηθεί κατά ένα συντελεστή περίπου 7,5. Αυτό είναι ένα τεράστιο και πολύ συναρπαστικό κέρδος!” Με άλλα λόγια, ο LHC είναι σήμερα η καλύτερη ευκαιρία που έχουμε για τη δημιουργία μιας ενοποιημένης θεωρίας.

Αυτά τα υπερσυμμετρικά σωματίδια,δεν θα μπορούσαν απλώς να μας βοηθήσουν να αναπτύξουμε μία ισχυρή εξίσωση. Θα μπορούσε επίσης να εξηγήσουν μια από τις πιο αινιγματικές θεωρίες της φυσικής: τη Σκοτεινή Ύλη. “Το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος αποτελείται από Σκοτεινή Ύλη,” εξηγεί ο Barr. “Αυτό είναι το μέσο που τραβάει βαρυτικά την ύλη γύρω από αυτό, αλλά δεν αλληλεπιδρά με το φως, γι αυτό είναι αόρατο. Είναι όμως πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί.” Η σκοτεινή ύλη αντιπροσωπεύει θεωρητικά μέχρι και το 80% της μάζας του σύμπαντος – αλλά ποτέ μέχρι τώρα δεν έχουμε παρατηρήσει ένα σωματίδιο με τις ιδιότητες που πιστεύουμε ότι θα πρέπει να παρουσιάζει. Ίσως λοιπόν να ήταν αναμενόμενο οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο να αισιοδοξούν ότι τα νέα πειράματα στον LHC θα μπορούσαν κάτι να αποκαλύψουν. ” Θα ήταν πραγματικά πρωτοποριακό, αν θα μπορούσαμε να βρούμε, στα συντρίμμια από τις συγκρούσεις στον LHC, ενδείξεις για το σωματίδιο (ή σωματίδια) που είναι υπεύθυνο ή υπεύθυνα για αυτή τη σκοτεινή ύλη”, λέει ενθουσιασμένος ο Barr. “Γνωρίζουμε ότι δεν είναι κατασκευασμένα από οποιοδήποτε σωματίδιο που έχουμε ήδη βρει, έτσι το incognita terra (άγνωστη χώρα) που θα πρέπει να διερευνηθεί από τον LHC είναι πραγματικά πολύ συναρπαστικό.”

Ίσως το πιο προκλητικό, αν κάποια σχολή φυσικής σκέψης το πιστεύει, θα ήταν ενδεχομένως να χτυπήσουμε τζάκποτ και να βρούμε και τα δύο ταυτόχρονα. “Με βάση τις θεωρίες μας και την έμμεση απόδειξη, αυτά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να είναι τα ίδια τα υπερσυμμετρικά σωματίδια,” εξηγεί ο Hirschauer. “Προσωπικά, εργάζομαι σκληρά για να ανακαλύψω τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης με την παραδοχή ότι είναι τα ίδια τα υπερσυμμετρικά σωματίδια.”
Όλα αυτά είναι, φυσικά, μακριά από τη βεβαιότητα. Η φύση των πειραμάτων είναι ότι, όσο καλές κι αν φαίνονται οι θεωρίες σας, η πραγματικότητα μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι κάτι εντελώς απροσδόκητο. Αυτό, όμως, θα μπορούσε να καταλήξει να είναι το πιο συναρπαστικό αποτέλεσμα που θα μπορούσαμε να ελπίζουμε. “Στις περισσότερο υπεραισιόδοξες μέρες μου, φαντάζομαι ότι θα ανακαλύψουμε κάτι, οτιδήποτε, που διαφωνεί με την τρέχουσα κατανόησή μας για το σύμπαν”, εξηγεί ο Hirschauer. “Η διαφωνία θα μας δείξει πώς θα πρέπει να βελτιώσουμε τις θεωρίες μας για να εξηγήσουμε σωστά τους νόμους της φύσης. Υπόσχομαι ότι δεν θα απογοητευτούμε αν αντίθετα ανακαλύψουμε κάτι εντελώς απρόβλεπτο!”