To CERN για… αρχάριους

του Δημήτρη Γεωργιακώδη (*)

To CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών) είναι το μεγαλύτερο πειραματικό κέντρο ερευνών σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο. Βρίσκεται δυτικά της Γενεύης, στα σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας.  Το CERN δημιουργήθηκε στη Γενεύη της Ελβετίας το 1954 από 12 ευρωπαϊκές χώρες μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα και ήταν ένας από τους πρώτους οργανισμούς που θα προωθούσαν την διευρωπαϊκή ένωση και συνεργασία.

Σήμερα απαρτίζεται από 20 κράτη-μέλη καθώς και από άλλα συνεργαζόμενα ή υποψήφια για ένταξη κράτη. Το κάθε κράτος συνεισφέρει ένα ποσό για την λειτουργία του Οργανισμού και έχει το δικαίωμα να στέλνει επιστήμονες, οι οποίοι χρησιμοποιούν τις εγκαταστάσεις για την έρευνά τους. Σήμερα στο CERN απασχολούνται περίπου 2400 άτομα, ενώ 10000 ερευνητές από 608 ερευνητικά Ιδρύματα και Πανεπιστήμια που εκπροσωπούν 113 χώρες επισκέπτονται και χρησιμοποιούν τις εγκαταστάσεις του.


Η θέση που βρίσκεται το CERN. Διακρίνεται το περίγραμμα, μήκους 27 χιλιομέτρων του LHC που βρίσκεται σε μέγιστο βάθος 100 μέτρων.

Ποιοί είναι οι ερευνητικοί στόχοι του CERN;
 
Το CERN δραστηριοποιείται στον τομέα της θεμελιώδους Φυσικής, που ασχολείται με τους δομικούς λίθους του κόσμου που μας περιβάλλει (στοιχειώδη σωμάτια, δυνάμεις αλληλεπίδρασης κλπ). Στον τομέα της έρευνας, προσπαθεί να βρει απαντήσεις σε ερωτήματα που αφορούν την αρχή και την εξέλιξη του Σύμπαντος. Στον τομέα της Τεχνολογίας βρίσκεται στην πρωτοπορία διότι τα πολύπλοκα πειράματα και οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται απαιτούν συνεχή βελτίωση. Δεν είναι τυχαίο ότι στο CERN δημιουργήθηκε και αναπτύχθηκε το WWW (World Wide Web, 1989) διότι ο μεγάλος όγκος πειραματικών δεδομένων καθώς και η επεξεργασία τους απαιτούσαν αποκέντρωση και δημιουργία πολλών κέντρων στα οποία θα μεταφέρονταν τα δεδομένα για επεξεργασία. Η συμβολή του CERN στην εκπαίδευση νέων επιστημόνων είναι πολύ σημαντική καθώς οι μισοί περίπου από τους ερευνητές στοιχειωδών σωματιδίων συνεργάζονται με αυτό, δημιουργώντας ένα επιστημονικό περιβάλλον ιδανικό για εκκόλαψη νέων επιστημόνων.

Τι είναι ο LHC ;

Είναι ένας μεγάλος (Large) επιταχυντής περιμέτρου 27 χιλιομέτρων, ο οποίος αφού επιταχύνει αδρόνια (Hadron), δηλαδή πρωτόνια ή άλλα ιόντα σε ταχύτητες που πλησιάζουν τη ταχύτητα του φωτός (περίπου 300000 km το δευτερόλεπτο), τα αναγκάζει να συγκρουστούν (Collider) σε 4 σημεία της κυκλικής τους διαδρομής. Μελετώντας το αποτέλεσμα της σύγκρουσης με την βοήθεια γιγαντιαίων ανιχνευτών (ATLAS, ALICE, LHCb και CMS), οι επιστήμονες μπορούν να ανιχνεύσουν υποατομικά σωμάτια και να μελετήσουν τις ιδιότητές τους. Το πείραμα το οποίο αυτή την περίοδο απασχολεί την επιστημονική κοινότητα άρχισε να σχεδιάζεται το 1980 και εγκρίθηκε το 1994. Η κατασκευή άρχισε το 1998 και ολοκληρώθηκε δέκα χρόνια αργότερα. Το κόστος του ανήλθε σε 3 δισεκατομμύρια ευρώ. Το Σεπτέμβριο του 2008 έγινε η πρώτη δοκιμή, αλλά εξαιτίας προβλημάτων που εμφανίστηκαν 3 μέρες αργότερα, ο επιταχυντής σταμάτησε τη λειτουργία του μέχρι το Νοέμβριο του 2009, οπότε ξεκίνησαν τα πρώτα επιτυχημένα πειράματα.


Ο ανιχνευτής ATLAS υπό κατασκευή. Ας σημειωθεί το μέγεθός του σε σχέση με τον τεχνικό που βρίσκεται στη βάση του.

Τι ψάχνουμε;

Το έργο του CERN είναι η καθαρή επιστήμη, η διερεύνηση των πλέον θεμελιωδών ερωτημάτων για τη Φύση: Τι είναι η ύλη; Από πού προέρχεται; Πως συγκρατείται για να σχηματίσει άστρα, πλανήτες και ανθρώπινα όντα;

Όπως είναι γνωστό, το κάθε υλικό αποτελείται από άτομα. Το κάθε άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα γύρω από τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια. Ο κάθε πυρήνας με τη σειρά του αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Αντίστοιχα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από τα κουάρκς. Βλέπουμε, λοιπόν, ότι όσο «μπαίνουμε πιο βαθιά» μέσα στα σώματα έχουμε διάφορα στοιχειώδη σωματίδια που η αλληλεπίδραση τους δημιουργεί άλλα σωματίδια.

Η επιστήμη δουλεύει με βάση την παρακάτω μέθοδο. Παρατηρείς ένα φαινόμενο, προτείνεις μοντέλα που να το ερμηνεύουν τα οποία επιβεβαιώνεις με πειράματα και έπειτα, με βάση αυτά, κάνεις προβλέψεις για νέα φαινόμενα, τα οποία προσπαθείς να ανακαλύψεις και να μελετήσεις. Έτσι και στη Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων έχουμε τις παρατηρήσεις μας (πρωτόνια, νετρόνια, κουάρκς κ.λπ.) τις οποίες προσεγγίζουμε με μια θεωρία που ονομάζεται «Καθιερωμένο Πρότυπο» (Standard Model).

Η θεωρία αυτή αναπτύχθηκε στα τέλη του 20ού αιώνα, ενώ απέκτησε την ολοκληρωμένη, σημερινή μορφή της στα τέλη της δεκαετίας του 1970 με την ανακάλυψη των κουάρκς. Έχει εφαρμογές και σε άλλους τομείς της επιστήμης, όπως η αστροφυσική, η κοσμολογία και η πυρηνική φυσική. Η συγκεκριμένη θεωρία κατάφερε να ερμηνεύσει μια σειρά από πειραματικά δεδομένα και φαινόμενα. Ταυτόχρονα, προβλέπει την ύπαρξη διαφόρων σωματιδίων ανάμεσα στα οποία και το μποζόνιο του Higgs, το οποίο θεωρείται και θεμελιακό σωματίδιο για τη θεωρία του «Καθιερωμένου Προτύπου».

Τα πειράματα που γίνονται στο CERN αποσκοπούν στη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων, των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς τους, των αλληλεπιδράσεων τους, όπως επίσης και στην ανακάλυψη νέων στοιχειωδών σωματιδίων. 

Τι είναι το "σωμάτιο Higgs" (και όχι το "Σωματίδιο του Θεού" όπως λανθασμένα αναφέρεται);

Στην περιγραφή της δομής της φύσης διακρίνουμε τα σωματίδια που συγκροτούν την ύλη (κουάρκ και λεπτόνια) και τα σωματίδια που είναι υπεύθυνα για την μετάδοση των δυνάμεων / αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων και καλούνται φορείς των δυνάμεων. Σημειώνουμε ότι οι δυνάμεις αυτές ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων τόσο της πρώτης ομάδας όσο και της δεύτερης. Η κύρια, επομένως, προσπάθεια είναι η περιγραφή των παραπάνω αλληλεπιδράσεων (ισχυρής, ασθενούς, ηλεκτρομαγνητικής και βαρυτικής) με μία ενιαία θεωρία η δομή της οποίας απαιτεί ο φορέας της αλληλεπίδρασης να μην έχει μάζα.

Γνωρίζουμε ότι η ασθενής αλληλεπίδραση, που είναι υπεύθυνη για τη ραδιενέργεια, έχει μικρή ακτίνα δράσης. Επομένως, οι φορείς της θα πρέπει να έχουν μάζα αλλιώς θα έτρεχαν με την ταχύτητα του φωτός και θα είχαν μεγάλη ακτίνα δράσης. Η δυσκολία, λοιπόν, περιγραφής της ασθενούς αλληλεπίδρασης με βάση την κοινά αποδεκτή θεωρία είναι εύλογη.

Η ιδέα του Άγγλου φυσικού Higgs (αλλά και των Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Kibble και Nambu) είναι ακριβώς το ξεπέρασμα της δυσκολίας αυτής και η εμφάνιση μάζας για τα σωματίδια-φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Ποια λοιπόν ήταν η ιδέα αυτή; Κατ' αρχάς απαιτήθηκε η εισαγωγή στη θεωρία ενός νέου σωματιδίου με "παράξενες", αλλά πλήρως συμβατές με τους αυστηρούς κανόνες της θεωρίας, ιδιότητες. Το νέο σωματίδιο (το σωματίδιο higgs) διαφέρει τόσο από τα σωματίδια ύλης (κουάρκ και λεπτόνια) όσο και από τα σωματίδια-φορείς των δυνάμεων, αλληλεπιδρά δε μαζί τους. Αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης αυτής είναι να αποκτήσουν τα σωμάτια μάζα. Όσο ισχυρότερη είναι η αλληλεπίδραση με το higgs, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα που αποκτούν τα σωμάτια. Αν ένα σωμάτιο δεν αλληλεπιδρά με το higgs, όπως το φωτόνιο, τότε αυτό δεν έχει μάζα. Το higgs λοιπόν είναι, σύμφωνα με τη θεωρία, το σωμάτιο χάρις στο οποίο τα υπόλοιπα αποκτούν μάζα. 

Αλλά, γιατί έως τώρα δεν έχουμε παρατηρήσει το σωματίδιο higgs; Για να παραγάγουμε ένα σωματίδιο στα πειράματα πρέπει να έχουμε διαθέσιμη ενέργεια κατ' ελάχιστο ίση με το γινόμενο της μάζας του σωματιδίου επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Επομένως, αν το higgs έχει, όπως εικάζεται, μεγάλη μάζα, τα έως σήμερα πειράματα δεν είχαν την ικανότητα να το παράγουν. Πράγματι, οι θεωρητικές προβλέψεις για τη μάζα του higgs είναι τέτοιες ώστε να θεωρούμε ότι στα νέα πειράματα που ξεκίνησαν το 2009 στο CERN έχουμε επί τέλους ικανή ενέργεια να το παράγουμε και να το ανιχνεύσουμε.

Το σωματίδιο που βρέθηκε είναι το Higgs;

«Πρόκειται σίγουρα για μποζόνιο, και πολύ πιθανό για το μποζόνιο του Higgs. Βρισκόμαστε ακόμα στην αρχή, αλλά είμαστε πολύ αισιόδοξοι για τη συνέχεια».

Οι ειδικοί επισημαίνουν πως δεν πρόκειται να επιβεβαιωθεί οριστικά η ανακάλυψη πριν από τον Οκτώβριο, καθώς ο επιταχυντής σωματιδίων του εργαστηρίου πρέπει να κλείσει για εργασίες συντήρησης.

«Αν δεν ήμουν ειδικός, θα σας έλεγα ότι το βρήκαμε. Ως επιστήμονας όμως, πρέπει να τονίσω ότι πρέπει να περιμένουμε για να το επιβεβαιώσουμε απόλυτα», δήλωσε χαρακτηριστικά ο Ραλφ-Ντίτερ Χόαγιερ, γενικός διευθυντής του CERN.


Σύγκρουση δύο πρωτονίων (κόκκινες γραμμές) και παραγωγή σωματιδίων Higgs (προσομοίωση σε υπολογιστή).



O P.W.Higgs μπαίνει στην αίθουσα, όπου λίγα λεπτά αργότερα ανακοινώθηκε η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου που θεωρείται σχεδόν σίγουρο ότι είναι αυτό που φέρει το όνομά του και η ύπαρξη του οποίου ανακοινώθηκε το 1964, στη δημοσίευση που ακολουθεί.

VoLUME 13, NUMBER 16 PHYSICAL REVIEW LETTERS 19 OCTOBER 1964

BROKEN SYMMETRIES AND THE MASSES OF GAUGE BOSONS
Peter W. Higgs
Tait Institute of Mathematical Physics, University of Edinburgh, Edinburgh, Scotland
(Received 31 August 1964)


(*) Ο κ. Δημήτριος Γεωργιακώδης είναι Καθηγητής Φυσικής στο Ενιαίο Λύκειο και στο IB της Σχολής Μωραΐτη.