Παρασκευή, 5 Σεπτεμβρίου 2008

CERN - Το μεγαλύτερο πείραμα στον κόσμο αρχίζει στις 10 Σεπτεμβρίου

Είναι πια γεγονός.
Μετά από μια τουλάχιστον δεκαετία προετοιμασιών και την επένδυση 6 δισ. ευρώ, στις 10 Σεπτεμβρίου, θα αρχίσει την πρώτη φάση της λειτουργίας του το μεγαλύτερο μηχάνημα στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider - LHC) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Έρευνας Στοιχειωδών Σωματιδίων (CERN) κοντά στη Γενεύη, μια υπόγεια κατασκευή σε κυκλικό τούνελ βάθους 50 - 175 μέτρων, μήκους 27 χιλιομέτρων και διαμέτρου 3,8 μέτρων κάτω και από τις δύο πλευρές των γαλλο-ελβετικών συνόρων.
Είκοσι χώρες μέλη (μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα από το 1954 ως ιδρυτικό μέλος) συμμετέχουν στην όλη προσπάθεια, που μπορεί να χαρακτηρισθεί ιστορική και θα μεταδοθεί τηλεοπτικά από το CERN (webcast.cern.ch), ενώ η εικόνα θα διανεμηθεί και μέσα από το δίκτυο της Eurovision.
Το πρώτο τεστ συγχρονισμού των επιμέρους τμημάτων του Επιταχυντή έγινε στις 9 Αυγούστου 2008 και ακολούθησαν και άλλα τις επόμενες εβδομάδες.
Η πρώτη ακτίνα σωματιδίων που θα κυκλοφορήσει στον επιταχυντή στις 10 Σεπτεμβρίου, θα έχει αρχική ενέργεια 450 GeV ή 0,45 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (TeV). Στο εσωτερικό του επιταχυντή, όπου η θερμοκρασία έχει πλέον πέσει μόλις στους 1,9 βαθμούς Κελσίου πάνω από το απόλυτο μηδέν (-271 βαθμοί), δηλαδή χαμηλότερα και τη θερμοκρασία στο εξώτερο διάστημα, θα αρχίσουν να εκπέμπονται οι πρώτες ακτίνες σωματιδίων, να κυκλοφορούν και να συγκρούονται τα πρώτα πρωτόνια, με ενέργεια επτά φορές μεγαλύτερη από οποιοδήποτε άλλη φορά στο παρελθόν.
Μέσα στο 2008 οι ακτίνες που θα κυκλοφορούν εντός του LHC, θα έχουν σταθεροποιηθεί, οπότε πλέον η ισχύς των σωματιδίων προβλέπεται να έχει αυξηθεί μέχρι τα 5 TeV. Όταν θα αρχίσει η ολοκληρωμένη φάση λειτουργίας του, πιθανότατα το 2010, η ενέργεια σύγκρουσης των σωματιδίων θα ξεπεράσει κατά 30 περίπου φορές οποιαδήποτε άλλη στο παρελθόν. Σύμφωνα με ανάλυση του Economist, πρόκειται για το μεγαλύτερο -και πολυαναμενόμενο από την επιστημονική κοινότητα- βήμα στη σωματιδιακή φυσική εδώ και ένα τέταρτο του αιώνα. Η τελευταία μεγάλη ανακάλυψη στη φυσική των υποατομικών σωματιδίων ήταν η εύρεση των λεγόμενων μποσονίων W και Ζ το 1983.
Καλώς εχόντων των πραγμάτων, εκτός και οι κυρίαρχες θεωρίες αποδειχτούν τελικά λανθασμένες, η επόμενη μεγάλη στιγμή θα είναι η ανακάλυψη του μποσονίου του Χιγκς, μιας -προς το παρόν- θεωρητικής κατασκευής που απαιτείται για να προσδίδει μάζα στα άλλα σωματίδια από τα οποία αποτελείται η ύλη. Λογικά, χάρη στον LHC, η ανακάλυψή του θα γίνει γρήγορα - αν όχι, τότε οι φυσικοί θα βρεθούν σε μεγάλη αμηχανία...
Στην πραγματικότητα οι φυσικοί δεν επένδυσαν τόσα χρήματα στο "τέρας" της Γενεύης, για να βρουν απλώς ένα σωματίδιο που, ούτως ή άλλως, προβλέπουν οι εξισώσεις τους. Αυτό που ελπίζουν, είναι να εισέλθουν σε μια άγνωστη επικράτεια της ύλης.
Μέχρι στιγμής το κυρίαρχο θεωρητικό μοντέλο (το λεγόμενο "Βασικό Μοντέλο") περιλαμβάνει 16 ανακαλυφθέντα υποατομικά σωματίδια με γνωστά ονόματα (ηλεκτρόνια, φωτόνια) ή πιο εξωτικά (μουόνια, γκλουόνια κ.α.) κι ένα 17ο στοιχείο του οποίου εκκρεμεί η επιβεβαίωση (το μποσόνιο Χιγκς).
Σε αναζήτηση των σωματιδίων της βαρύτητας και της υπερσυμμετρίας Τα γκλουόνια παρέχουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη, τα μποσόνια W και Ζ την ασθενή πυρηνική δύναμη, ενώ τα φωτόνια την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Δυστυχώς στο κυρίαρχο μοντέλο δεν υπάρχει θέση για τη βαρύτητα, γιατί δεν έχει βρεθεί ακόμα το ανάλογο σωματίδιο.
Ένα από τα σημαντικότερα πράγματα που ο LHC θα ψάξει, μετά το μποσόνιο του Χιγκς, θα είναι μήπως καταφέρει να βρει το συνεχώς διαφεύγον "βαρυτόνιο" ή "γκραβιτόνιο" (graviton), το οποίο - εκτός και οι φυσικοί έχουν πέσει τελείως έξω - υποτίθεται ότι μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας με τον ίδιο τρόπο που τα υπόλοιπα υποατομικά σωματίδια είναι φορείς των υπόλοιπων δυνάμεων (πυρηνικής, ηλεκτρομαγνητικής).
Αν όντως βρεθεί το βαρυτόνιο, θα είναι μια ιστορική στιγμή στην επιστήμη, γιατί επιτέλους θα γεφυρωθεί το χρόνιο και οδυνηρό χάσμα στη φυσική ανάμεσα στις δύο κυρίαρχες θεωρίες της: την κβαντομηχανική (που περιγράφει τον κόσμο των ηλεκτρονίων, κβάντων κλπ. και η οποία οδήγησε στο "Βασικό Μοντέλο") και τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν (που ουσιαστικά είναι η θεωρία της βαρύτητας σε σχέση με τη μεταβολή του χωρόχρονου).
Μια άλλη σημαντική συνεισφορά του LHC, που θα φώτιζε περαιτέρω την επικράτεια του αγνώστου, θα ήταν η τυχόν ανακάλυψη των σωματιδίων που αποκαλούνται νετραλίνα (neutralinos), κάτι που θα επιβεβαίωνε την ισχύ της -υποθετικής προς το παρόν- θεωρίας της υπερσυμμετρίας.
Σύμφωνα με αυτήν, όλα τα σωματίδια του "Βασικού Μοντέλου" έχουν ένα -μη ανακαλυφθέντα ακόμα- "σύντροφο", που βοηθά ώστε να εξισορροπεί τις ιδιότητές τους με μαθηματικά αρμονικό τρόπο. Αν και η υπερσυμμετρία διπλασιάζει τα σωματίδια (κάνοντας έτσι το σύμπαν πιο πολύπλοκο), αρέσει σε πολλούς φυσικούς, γιατί θεωρούν ότι τελικά απλουστεύει τα πράγματα με τις μαθηματικές συμμετρίες που εισάγει.
Μερικά από τα προτεινόμενα υπερσυμμετρικά σωματίδια προβλέπεται να είναι βαριά και με βραχύβια ζωή. Όμως άλλα νετραλίνα πιστεύεται ότι "ζουν" απεριόριστα.
Ένα νετραλίνο -που δεν είναι ακριβώς ένα "κατοπτρικό" σωματίδιο σε σχέση με ένα σωματίδιο του "Βασικού Μοντέλου", αλλά ένα μίγμα από αρκετά συμμετρικά σωματίδια- έχει μια κρίσιμη ιδιότητα: είναι σκοτεινό.
Αν ληφθεί υπόψη ότι η ορατή ύλη (που βλέπουμε με τα διάφορα τηλεσκόπια) υπολογίζεται ότι είναι μόλις το 4% του σύμπαντος και ότι το 22% αποτελείται από "σκοτεινή ύλη" (που ανιχνεύεται λόγω των βαρυτικών επιδράσεών της, αλλά είναι αόρατη) και το υπόλοιπο 74% (δηλαδή τα τρία τέταρτα!) από την ακόμα πιο μυστηριώδη και επίσης αόρατη "σκοτεινή ενέργεια" (που τεκμαίρεται από την παρατηρούμενη συνεχή διεύρυνση του σύμπαντος, η οποία υπερ-αντισταθμίζει την αντίθετη δύναμη της βαρύτητας), τότε γίνεται αντιληπτή η σημασία της τυχόν ανακάλυψης ενός "σκοτεινού" σωματιδίου.
Πολλοί φυσικοί υποπτεύονται ότι πολλή -αν όχι όλη- η σκοτεινή ύλη αποτελείται από νετραλίνα. Θα ήταν ευκολότερο να βεβαιωθούν γι΄ αυτό, αν πρώτα επιβεβαίωναν ότι όντως υπάρχουν τα υπερσυμμετρικά σωματίδια κι αν επιπλέον ήξεραν κάτι περισσότερο για τις πραγματικές ιδιότητές τους, αντί να περιορίζονται, όπως τώρα, σε μαθηματικές υποθέσεις. Αν ο LHC βοηθήσει επ΄ αυτού, η συνεισφορά του θα είναι καθοριστική για την κατανόηση του σύμπαντος.
Σύμφωνα με την κυρίαρχη θεωρία -που χρειάζεται επιβεβαίωση- οι γαλαξίες που βλέπουμε με τα τηλεσκόπια (τα άστρα και τα αέρια), δεν είναι παρά το κέντρο μιας ευρύτερης δομής, καθώς περιβάλλονται από μια μεγάλη ζώνη αόρατης σκοτεινής ύλης που τους συγκρατεί για να μη διαλυθούν, καθώς περιστρέφονται. Από μια άποψη, η σκοτεινή ύλη είναι ένα είδος "σκαλωσιάς" πάνω στην οποία "τακτοποιείται" η ορατή ύλη.
Σκοτεινή ενέργεια, χορδές και μαύρες τρύπες
Τα πράγματα όμως είναι πιο ακατανόητα σε σχέση με τη σκοτεινή ενέργεια. Σύμφωνα με την κυρίαρχη θεωρία, η ενέργεια αυτή πρέπει να υπάρχει γιατί οι μετρήσεις που συγκρίνουν την αναμενόμενη φωτεινότητα των αρχαίων σούπερ-νόβα (υπερκαινοφανών υπέρλαμπρων αστέρων) με αυτήν που πραγματικά συλλαμβάνουν τα τηλεσκόπια, υποδεικνύουν ότι κάτι σπρώχνει τα πάντα στο σύμπαν να απομακρυνθούν με ταχύτητα μεγαλύτερη από την εκτιμώμενη ταχύτητα επέκτασης του διαστήματος μετά τη "Μεγάλη Έκρηξη" (το "Μπιγκ-Μπανγκ" που έδωσε την εναρκτήρια ώθηση στο σύμπαν). Αυτό το "κάτι" πρέπει να είναι μια μορφή ενέργειας και οι υπολογισμοί δείχνουν ότι κάθε άλλο παρά αμελητέο είναι, αφού συνιστά το 74% του σύμπαντος.
Κανείς όμως δεν ξέρει από τι αποτελείται αυτή η ενέργεια, αν και ελπίζεται ότι η ανακάλυψη του μποσονίου του Χιγκς ίσως ρίξει κάποιο φως στη φύση της. Ένα άλλο μυστήριο, το οποίο ο LHC μπορεί να λύσει, είναι η αληθινή φύση της λεγόμενης "θεωρίας του παντός", που η Φυσική προσδοκά κάποτε να αναπτύξει. Μέχρι πρόσφατα υπήρχε συναίνεση των φυσικών ότι θα επρόκειτο για μια μορφή της "θεωρίας των χορδών", η οποία, μεταξύ άλλων, υποστηρίζει ότι το σύμπαν έχει, ούτε λίγο ούτε πολύ, 11 διαστάσεις. Στη θεωρία αυτή τα σωματίδια γίνονται αντιληπτά ως δονούμενες πολυδιάστατες "χορδές". Ο τρόπος δόνησής τους καθορίζει και τη φύση κάθε σωματιδίου.
Εσχάτως όμως η θεωρία των χορδών έχει βρει έναν ανταγωνιστή στο πρόσωπο της θεωρίας της "κβαντικής βαρύτητας βρόχων" (loop quantum gravity), η οποία υποστηρίζει ότι τα σωματίδια δεν είναι ξεχωριστά από το χώρο και το χρόνο, αλλά μάλλον ο χώρος και ο χρόνος αποτελούνται από "λωρίδες" σε σχήμα θηλιάς (βρόχου), οι οποίες, όταν διαπλέκονται με ορισμένους τρόπους, γίνονται αντιληπτές ως σωματίδια.
Τέλος, ο LHC της Γενεύης δεν αποκλείεται να κάνει το θαύμα του και να δημιουργήσει μικρές "μαύρες τρύπες", οι οποίες πάντως δεν πρόκειται να καταπιούν τη Γη - όπως καθησύχασαν οι επιστήμονες τους ανησυχούντες! Απλώς δεν θα διαρκέσουν τόσο πολύ, ώστε να καταφέρουν κάτι τέτοιο. Αυτό που αναμένεται να συμβεί, είναι να διαλυθούν γρήγορα στη λεγόμενη "ακτινοβολία Χόκινγκ", μια θεωρία του διάσημου φυσικού, που αν όντως επιβεβαιωθεί από τα πειράματα του LHC, θα του δώσει πιθανότατα το επόμενο βραβείο Νόμπελ Φυσικής.