Δέκα χρόνια μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς
Άποψη ευθύγραμμου τμήματος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), του CERN
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider ή LHC) του CERN (Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Πυρηνικής Έρευνας) στα σύνορα Γαλλίας – Ελβετίας είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο. Αποτελείται από έναν υπόγειο δακτύλιο υπεραγώγιμων μαγνητών μήκους 27 χιλιομέτρων, με κενό αέρος στο εσωτερικό του και αρκετά εξαρτήματα κατά μήκος της διαδρομής για την επιτάχυνση των σωματιδίων, άρα την αύξηση της κινητικής τους ενέργειας. Η οδήγηση των σωματιδίων έτσι ώστε να μη συγκρούονται με τα τοιχώματα, να ακολουθούν τις καμπύλες του επιταχυντή και να παραμένουν μια στενή δέσμη, γίνεται με τη βοήθεια των ισχυρών μαγνητικών πεδίων των υπεραγώγιμων μαγνητών.
Οι ηλεκτρομαγνήτες αυτοί έχουν πηνία από υλικό που γίνεται υπεραγώγιμο (επιτρέπει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς αντίσταση) όταν ψύχεται στην εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία των -271,3 βαθμών Κελσίου, δηλαδή τη θερμοκρασία που έχει το υγροποιημένο αέριο ήλιο, το οποίο ψύχει τους ηλεκτρομαγνήτες. Χρησιμοποιούνται 1.232 διπολικοί μαγνήτες μήκους 15 μέτρων για την καμπύλωση της ακτίνας και 392 τετραπολικοί μαγνήτες μήκους 5-7 μέτρων για τον εστιασμό των σωματιδίων. Το κενό στο εσωτερικό του δακτυλίου είναι πολύ πιο κενό από ύλη συγκριτικά με το κενό του Διαστήματος! Για τη λειτουργία του LHC απαιτούνται 800 γιγαβατώρες Ενέργειας κάθε χρόνο, όσο η μισή ετήσια κατανάλωση της πόλης της Γενεύης!
Καθιερωμένο Πρότυπο
Τμήμα ανιχνευτών του LHC
Μέσα στον επιταχυντή κυκλοφορούν αντίθετα δύο δέσμες σωματιδίων (συγκεκριμένα πρωτονίων), ώστε όταν τελικά αποκτήσουν την επιθυμητή ενέργεια και κατευθυνθούν κατάλληλα για να συγκρουστούν, κάποια από τα σωματίδια να «σπάσουν» στιγμιαία σε πιο στοιχειώδη σωματίδια, αποκαλύπτοντας τη βαθύτερη δομή της ύλης.
Τις τελευταίες δεκαετίες οι φυσικοί έχουν σχηματοποιήσει τις γνώσεις μας για τα υποατομικά σωματίδια, σε ένα μοντέλο, που ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο. Κάθε σωματίδιο είναι ένα κύμα κάποιου πεδίου. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, η ιδιότητα των σωματιδίων που ονομάζουμε μάζα προκύπτει από την αλληλεπίδρασή τους με ένα πεδίο, που εκτείνεται παντού, το πεδίο Χιγκς. Το μποζόνιο Χιγκς είναι ένα κύμα σε αυτό το πεδίο και η ύπαρξή του αποδεικνύει την ύπαρξη του πεδίου Χιγκς (πήρε το όνομά του από τον φυσικό Πίτερ Χιγκς, έναν από αυτούς που το πρότειναν το 1964). Τα μποζόνια είναι τα σωματίδια των αλληλεπιδράσεων στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων. Το πεδίο Χιγκς παρέμενε απλώς μια θεωρία, τουλάχιστον έως το 2012, όταν το σωματίδιο Χιγκς ανακαλύφθηκε τελικά στο αποτύπωμα συγκρούσεων πρωτονίων υψηλής ενέργειας, στα πειράματα ATLAS και CMS του LHC.
Ενας από τους βασικούς στόχους κατασκευής αυτού του επιταχυντή, ήταν ακριβώς η ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς και η ενέργεια των 13 TeV (τεραηλεκτρονιοβόλτ, δηλαδή τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ) στην οποία λειτούργησε ο LHC ήταν η περιοχή ενεργειών, που εκτιμούσαν οι επιστήμονες ότι μπορεί να οδηγήσει στον φευγαλέο μεν σχηματισμό του ζητούμενου σωματιδίου, επαρκή δε για την επιβεβαίωση της ύπαρξής του και τη μελέτη των ιδιοτήτων του. Διαπιστώθηκε ότι το Χιγκς έχει μάζα 125 GeV (γιγαηλεκτρονιοβόλτ ή δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ), δηλαδή 125 φορές τη μάζα του πρωτονίου και διάρκεια ζωής μόλις ένα δισεκατομμυριοστό του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου! Αν δεν εντοπιζόταν το σωματίδιο Χιγκς, τότε αφού εξαλειφόταν το ενδεχόμενο αυτό να οφειλόταν σε πειραματικό ή υπολογιστικό λάθος, θα έπρεπε αναγκαστικά να διορθωθεί το Καθιερωμένο Πρότυπο, τουλάχιστον ως προς την εκτιμώμενη μάζα του Χιγκς, καθώς το μοντέλο αυτό αποτελεί μια πολύ συνεκτική κατασκευή. Για πολλούς φυσικούς η μη ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς θα είχε μεγαλύτερο ενδιαφέρον από την ανακάλυψή του!
Αναπάντητα ερωτήματα
Ομως, το μοντέλο των υποατομικών σωματιδίων δεν είναι μια τελειωμένη υπόθεση ούτε περιγράφει όλη τη φυσική πραγματικότητα του μικρόκοσμου του ατόμου. Δεν λέει τίποτα για τη βαρύτητα ούτε εξηγεί τη μάζα των νετρίνων. Δεν εξηγεί γιατί το πεδίο Χιγκς δίνει τα συγκεκριμένα μεγέθη μάζας στα σωματίδια και όχι κάποια διαφορετικά νούμερα. Παραμένουν πολλά αναπάντητα ερωτήματα στην προσπάθεια βαθύτερης κατανόησης της ύλης και κάθε ερώτημα που απαντιέται γεννάει συνήθως τουλάχιστον ένα νέο ερώτημα. Για παράδειγμα, υπάρχει μόνο ένα σωματίδιο Χιγκς, ή ολόκληρη ομάδα τέτοιων σωματιδίων με διαφορετικά χαρακτηριστικά μεγέθη; Πώς εξηγείται ότι στο σύμπαν κυριαρχεί η ύλη με τη μορφή των κανονικών σωματιδίων και όχι των αντισωματιδίων (υποατομικά σωματίδια της αντιύλης); Γιατί η μάζα του σωματιδίου Χιγκς είναι τόσο μικρή; Αλληλεπιδρούν τα μποζόνια Χιγκς μεταξύ τους;
Δέκα χρόνια μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς και αφού μεσολάβησαν 3,5 χρόνια διακοπής της λειτουργίας του LHC για αναβάθμιση των εξαρτημάτων που τον απαρτίζουν και προσθήκη νέων, που θα τον κάνουν πιο ισχυρό και διεισδυτικό στην ύλη, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων τέθηκε και πάλι σε λειτουργία. Στα 20 χρόνια ζωής που του απομένουν σύμφωνα με τον προγραμματισμό του CERN, τα αναβαθμισμένα πειράματα του LHC θα προσπαθήσουν να μπουν σε ανεξερεύνητες περιοχές, σε πολλαπλά μέτωπα. Αυξημένη «φωτεινότητα» των ακτίνων σημαίνει περισσότερες συγκρούσεις σωματιδίων ανά τετραγωνικό εκατοστό και δευτερόλεπτο. Η νέα πηγή πρωτονίων συμβάλλει στη δημιουργία πυκνότερων ακτίνων. Υπάρχουν πολλές πιθανότητες για εκπλήξεις, ακόμη και από την πραγματοποίηση απλώς ακριβέστερων μετρήσεων, που ίσως δείξουν αποκλίσεις συγκριτικά με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου, ως προς τον σχηματισμό και τη διάσπαση του μποζονίου Χιγκς σε δύο φωτόνια ή σε άλλα υποατομικά σωματίδια. Θα γίνει προσπάθεια να παραχθούν δύο μποζόνια Χιγκς από την ίδια πρόσκρουση πρωτονίων, ώστε να μελετηθεί τυχόν αλληλεπίδραση μεταξύ τους.
Λιγότερες από μία συγκρούσεις στο δισεκατομμύριο μέσα στον LHC παράγουν μποζόνια Χιγκς, όμως ίσως υπάρχουν και άλλα άγνωστα σήμερα σωματίδια, που θα ανιχνευτούν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Χάρη στην ανάπτυξη των νευρωνικών δικτύων, τώρα μπορούν να αναλυθούν αυτόματα μέχρι και 40 εκατομμύρια συγκρούσεις το δευτερόλεπτο, ώστε να εντοπιστούν εκείνες που φαίνονται πιο ενδιαφέρουσες για πιο επισταμένη μελέτη από ανθρώπους. Ο LHC αρχίζει ένα νέο κεφάλαιο στη ζωή του, με πιο ισχυρές ακτίνες σωματιδίων, αναβαθμισμένες δυνατότητες των ανιχνευτών του και πιο ανεπτυγμένες τεχνικές για την πραγματοποίηση ανακαλύψεων. Τόσο οι πειραματικοί όσο και οι θεωρητικοί φυσικοί θα προσπαθήσουν να αξιοποιήσουν στο μέγιστο αυτές τις δυνατότητες.
Επιμέλεια: Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ – Πηγές: «Scientific American», http://home.cern
Τμήμα ανιχνευτών του LHC
Ένας βελτιωμένος «ενισχυτής» και μια νέα πηγή ακτίνας πρωτονίων που ονομάζεται Linac4 έδωσαν στον αναβαθμισμένο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, πιο πυκνές και πιο φωτεινές ακτίνες, που θα προσφέρουν πολύ περισσότερες συγκρούσεις υποατομικών σωματιδίων σε βάθος χρόνου. Οι βελτιώσεις στην ανάλυση των πειραμάτων ATLAS, CMS και LHCb του LHC θα βοηθήσουν αυτούς τους τρεις ανιχνευτές να βελτιώσουν τη διαχείριση της παραγόμενης πλημμυρίδας δεδομένων από τις συγκρούσεις. Βελτιωμένοι μαγνήτες θα επιτρέψουν στις συγκρούσεις πρωτονίων να πραγματοποιούνται σε υψηλότερες ενέργειες (13,6 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, αντί των 13 TeV των παλαιότερων πειραμάτων). Και ένας μικρός νέος ανιχνευτής, που ονομάζεται FASER, θα αναζητήσει εξαιρετικά μικρής μάζας σωματίδια που τυχόν διαρρέουν από τον ATLAS.
(Αναδημοσίευση από τον Ριζοσπάστη του Σαββατοκύριακου 30-31 Ιουλίου 2022).
