CERN : Ταξίδι στην αρχή του κόσμου

 

Σ' ένα υπόγειο τούνελ στα γαλλοελβετικά σύνορα «κρύβεται» ακόμα ένα σπάνιο επίτευγμα της ανθρώπινης επιστήμης. Ο νέος υπερεπιταχυντής LHC θα μας οδηγήσει με την «κάψουλά» του 13 δισ. χρόνια πριν, μέχρι τις απαρχές της γέννησης του Σύμπαντος.

Αιτία ύπαρξης του CERN η «καθαρή επιστήμη», η διερεύνηση των πλέον θεμελιωδών ερωτημάτων για τη φύση. Τι είναι η ύλη και από πού προέρχεται; Πώς συγκρατείται μεταξύ της για να σχηματίσει αστέρια, γαλαξίες ή ανθρώπινα όντα; Από την επιστήμη των υλικών μέχρι και τους υπολογιστές η φυσική των σωματιδίων απαιτεί εξαιρετικές επιδόσεις, αναδεικνύοντας το CERN σ' ένα σπουδαίο πεδίο πειραματισμού και ελέγχου για τη βιομηχανία. Κύριος εξοπλισμός του CERN οι επιταχυντές των σωματιδίων και οι ανιχνευτές, που αξιολογούνται στα μεγαλύτερα και πολυπλοκότερα επιστημονικά όργανα στον κόσμο.

Ο ανιχνευτής του πειράματος CMS, ενός συμπαγούς σωληνοειδούς μιονίων για τον LHC, έχει αξιοσημείωτη ελληνική συμμετοχή.

Οι επιταχυντές είναι διατάξεις που επιταχύνουν σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια και πρωτόνια, σε πολύ υψηλές ταχύτητες και ενέργειες. Μέσω της σύγκρουσης αυτών των σωματιδίων με ακίνητους στόχους, ή μεταξύ τους, και της καταγραφής των αποτελεσμάτων των συγκρούσεων με ανιχνευτές, οι φυσικοί μπορούν να αποκαλύψουν τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων.

Το 1981 τα πρώτα πειράματα συγκρούσεων ύλης και αντιύλης είναι γεγονός και αποφασίζεται τότε η κατασκευή του LEP, ενός Μεγάλου Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων. Ηδη από τα τέλη της δεκαετίας του 1940 οι άνθρωποι είχαν οραματιστεί μια παγκόσμια βάση δεδομένων ικανή να συνδέεται με πολλές άλλες πηγές δεδομένων, έτσι ώστε κάθε σημαντική πληροφορία να διαδίδεται αστραπιαία στον κάθε διαπιστευμένο χρήστη.

Σήμερα, αναμφισβήτητα, το πιο δημοφιλές τέτοιο σύστημα είναι ο Παγκόσμιος Ιστός (world wide web - www) που άρχισε την επαναστατική του πορεία τον Μάρτιο του 1989 από το CERN! Ποιος θα το φανταζόταν άραγε πριν από δεκαοκτώ χρόνια ότι η έρευνα στη φυσική των σωματιδίων θα οδηγούσε σ' ένα σύστημα επικοινωνίας, το οποίο θα επέτρεπε σε κάθε σχολείο και κάθε μαθητή να αποκτήσει τη μεγαλύτερη βιβλιοθήκη του κόσμου μέσω μόνο ενός υπολογιστή;

Τον Σεπτέμβριο του 1995 μια διεθνής ομάδα ερευνητών υπό τον Γουόλτερ Οέλερτ κατορθώνει να συνθέσει άτομα αντιύλης από τα συστατικά της αντισωματίδια! Για πρώτη φορά ανοίγεται ένας δίαυλος στην εξερεύνηση της ατνιύλης και -γιατί όχι;- ένα υπερβατικό παράθυρο σε πιθανό αντισύμπαν... Τα πάντα στο Σύμπαν είναι κατασκευασμένα από άτομα. Τα άτομα είναι τόσο μικρά, ώστε αν βάλουμε ένα εκατομμύριο άτομα σε σειρά δεν θα ξεπεράσουν το πάχος μιας τρίχας από τα μαλλιά μας!

Ο Πίτερ Κάλμους, μετρ της σωματιδιακής φυσικής, λέει χαρακτηριστικά: «Το πρώιμο Σύμπαν ήταν απίστευτο, μια πυκνή αρχέγονη σούπα από στοιχειώδη σωμάτια, που συγκρούονταν συνεχώς μεταξύ τους σε καταπληκτικά μεγάλες ενέργειες, ένα εκτυφλωτικό σόου από πυροτεχνήματα. Πραγματικά το σημερινό Σύμπαν με όλη την ομορφιά και την ποικιλομορφία του είναι απλώς ο καπνός που απέμεινε από τη γιορτή των πυροτεχνημάτων...». Οι επιταχυντές σωματιδίων στο CERN επαναδημιουργούν τις συνθήκες ακριβώς μετά το Big Bang και η παρατήρηση του τι ακριβώς συμβαίνει μας βοηθάει να κατανοήσουμε γιατί το Σύμπαν έχει τη σημερινή μορφή του.

Μετρήσεις στην αστρονομία δείχνουν ότι έως και το 96% του Σύμπαντος βρίσκεται σε μορφή «σκοτεινής ύλης». Αυτή η ύλη δεν εκπέμπει φως, ή οποιαδήποτε άλλη ανιχνεύσιμη ακτινοβολία, και έτσι δεν μπορούμε να τη δούμε, αλλά η παρουσία της γίνεται αισθητή από τα βαρυτικά φαινόμενα που εμφανίζονται στην ύλη του 4% που παραμένει ορατή, δηλαδή στα αστρικά σμήνη και στους γαλαξίες!

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC) είναι ένας κυκλικός επιταχυντής με περιφέρεια 27 χλμ., τοποθετημένος σ' ένα υπόγειο τούνελ, σε βάθος περίπου 100μ,, στην περιοχή της Γενεύης, που θα υποχρεώνει τα πρωτόνια να κάνουν 11.200 περιστροφές το δευτερόλεπτο και θα χρησιμοποιεί μαγνήτες, των οποίων τα υπεραγώγιμα πολύκλωνα καλώδια θα έχουν συνολικό μήκος πέντε φορές την απόσταση Γης -Ηλίου! Ακόμη θα δημιουργεί στο κυκλικό τούνελ, που θα κυκλοφορούν οι δύο δέσμες, κενό διαστήματος και θα συντηρεί το συνολικό σύστημα των υπεραγώγιμων μαγνητών σε θερμοκρασία 1,9οC πάνω από το απόλυτο μηδέν, χρησιμοποιώντας υγρό ήλιο σε ατμοσφαιρική πίεση.

Ολα αυτά τα καταπληκτικά τεκταινόμενα και δρώμενα εκτοξεύουν την επιστημονική γνώση και δίνουν εργασιακή οντότητα σε εκατοντάδες εργοστάσια και πολλές χιλιάδες τεχνικούς ανά την υφήλιο. Φυσικά συνιστούν αυθεντικότατες και απόλυτα υγιείς παραστάσεις όσον αφορά τα ερεθίσματα και τον γνωστικό προσανατολισμό της νεολαίας.

Παράλληλα, δε, μεταφέρουν τεχνογνωσία από τα μυθικά ακροτελεύτια περιοχών «σκοτεινής ύλης» στην απειροστή δική μας καθημερινότητα, βελτιώνοντας αναλογικά τη ζωή μας. Και επειδή πάντα υπάρχουν δύσπιστοι και «Θωμάδες» σκεφτείτε ότι η βλαβερή δόση ακτινοβολίας που δεχόμαστε ακόμη και για τη διάγνωση ενός απλού κατάγματος, τώρα στα προηγμένα κέντρα περιορίζεται στο ένα δέκατο, αφού τη θέση της ακτινογραφικής πλάκας καταλαμβάνει ένας υπερευαίσθητος ανιχνευτής με τεχνογνωσία από το CERN! Και ακόμα η αμφιλεγόμενη ακτινοβόληση καρκινικών όγκων, τώρα μπορεί να αντικατασταθεί από συνεκτική δέσμη ιόντων άνθρακα, που έχει περάσει από επιταχυντική διάταξη και βομβαρδίζει με εκπληκτική συγκέντρωση τον στόχο!

Και δεν θα ξεχάσουμε βέβαια και τους ΡΕΤ, αφού η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (Positron Emission Tomography, ΡΕΤ) είναι μια δυναμική μέθοδος ραδιοφαρμακευτικής διάγνωσης, η ανάπτυξη της οποίας οφείλεται στο CERN και στο Νοσοκομείο του Καντονιού της Γενεύης. Το ΡΕΤ επιτρέπει την ανίχνευση μεταβολών σε ιστούς και όργανα που συνδέονται με ασθένειες, πολύ πριν εμφανιστούν σοβαρά συμπτώματά τους!

Με τις πλέον πρόσφατες εξελίξεις, επιταχυντές πρωτονίων έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται για τη ραδιοθεραπεία ή τη θεραπεία με αδρόνια, καθώς αυτό το αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας γίνεται γνωστότερο. Το πλεονέκτημα των πρωτονίων είναι ότι εναποθέτουν όλη τους την ενέργεια στο ίδιο σημείο. Αυτό κάνει τη θεραπεία με αδρόνια ιδανική για όγκους που εμφανίζονται κοντά σε ζωτικά όργανα, όπου η ακρίβεια είναι θεμελιώδους σημασίας... Μηχανές αεροσκαφών και τεχνητά ανθρώπινα μέλη συγκαταλέγονται στα προϊόντα που επωφελούνται από την τεχνική εμφύτευσης δέσμης ιόντων. Χρησιμοποιώντας επιταχυντές σωματιδίων αποκωδικοποιείται η δομή ιών όπως του HIV, προσδιορίζεται η ηλικία έργων, όπως οι τοιχογραφίες στο διάσημο σπήλαιο του Λασό και ευελπιστούμε ότι για την προστασία του περιβάλλοντος θα κατορθωθεί η αποδόμηση μακρόβιων πυρηνικών αποβλήτων σε αβλαβή υλικά!

Ο ATLAS είναι ένας ανιχνευτής που σκοπό έχει να εκμεταλλευτεί όλο το δυναμικό της Φυσικής που βρίσκεται πίσω από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Θα προσδιορίσει τις ενέργειες, τις διευθύνσεις, καθώς και την ταυτότητα των σωματιδίων που θα παραχθούν από τις συγκρούσεις των δύο δεσμών πρωτονίων. Αναμένονται γύρω στο ένα δισεκατομμύριο συγκρούσεις το δευτερόλεπτο και ο ρυθμός μεταφοράς των δεδομένων θα είναι ισοδύναμος με 20 τηλεφωνικές συνδιαλέξεις όλων των κατοίκων της Γης συγχρόνως!

Η Ελλάδα κατέχει αξιοπρόσεκτη θέση, αφού ομάδα ερευνητών από ελληνικά πανεπιστήμια βρίσκεται στο CERN και μετέχει στην κατασκευή του νέου Μεγάλου Επιταχυντή που θα τεθεί σε λειτουργία το επόμενο φθινόπωρο. Για το 30% της κατασκευής του φασματομέτρου μιονίων υπόλογος είναι πολυσυμμετοχική ομάδα από το ΕΜΠ, το Πανεπιστήμιο Αθηνών και το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης.

Τελικός σκοπός ο εντοπισμός μιονίων, τα οποία ενδεχομένως να οδηγήσουν τους επιστήμονες στην πειραματική ανίχνευση των σωματιδίων Higgs. Στον ανιχνευτή CMS, (Συμπαγές Μιονικό Σωληνοειδές), αξιοπρόσεκτη είναι η παρουσία ερευνητών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων, ενώ κορυφαία είναι η ελληνική συμμετοχή στη νέα κυοφορούμενη επανάσταση της Πληροφορικής, όπου εκατομμύρια κομπιούτερ ανά τον κόσμο, ίσως και το δικό μας, θα συναθροίσουν και θα γιγαντώσουν την απαιτούμενη ασύλληπτη υπολογιστική ισχύ που απαιτούν τα πειράματα στο CERN, επινοώντας και νέα πρωτόκολλα ασφαλείας.

Τι είναι το CERN;

Ενα Εργαστήριο για την Υφήλιο που ασχολείται με καθαρή επιστήμη.

Το CERN είναι το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο για τη Φυσική των Στοιχειωδών Σωματιδίων, το μεγαλύτερο στον κόσμο ερευνητικό κέντρο του είδους του. Η ίδρυσή του το έτος 1954 αποτέλεσε μια από τις πρώτες κοινές ευρωπαϊκές προσπάθειες και αποτελεί ένα φωτεινό παράδειγμα διεθνούς συνεργασίας.

Από τα 12 ιδρυτικά Μέλη, η συνεργασία έχει φθάσει σήμερα τα 20 Κράτη-Μέλη. Το Εργαστήριο βρίσκεται πάνω στα Γαλλοελβετικά σύνορα, δυτικά της Γενεύης, στους πρόποδες της οροσειράς Ζουρά (Jura). Γύρω στους 6500 επιστήμονες, δηλαδή σχεδόν το 50% των επιστημόνων σ' όλο τον κόσμο που ασχολούνται με τα σωματίδια, χρησιμοποιούν τις εγκαταστάσεις του CERN. Οι επιστήμονες αυτοί εκπροσωπούν 500 πανεπιστήμια και πάνω από 80 εθνικότητες.

Στο ερευνητικό του πρόγραμμα συνεισφέρουν και συμμετέχουν και κράτη που δεν αποτελούν μέλη του. Πρόκειται, ουσιαστικά, για ένα παγκόσμιο εργαστήριο έρευνας, το ερευνητικό πρόγραμμα του οποίου περιλαμβάνει 6.500 ερευνητές από 500 Ινστιτούτα σε 80 χώρες.

Το CERN αποτελεί μέλος του EIROforum (Consortium στο οποίο ανήκουν όλοι οι ευρωπαϊκοί ερευνητικοί οργανισμοί: CERN, EMBL, EFDA, ESRF, ESA, ILL, ESO), οι οποίοι, σε συνεργασία με την Ε.Ε., κατασκευάζουν τον Ευρωπαϊκό Χώρο Έρευνας.

 

Εργο 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;

 
Που βρίσκει εφαρμογές.

Ο λόγος ύπαρξης του CERN είναι η βασική έρευνα, αλλά το Εργαστήριο παίζει επίσης ένα σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας αιχμής. Από την επιστήμη των υλικών μέχρι τους υπολογιστές, η φυσική των σωματιδίων απαιτεί εξαιρετικές επιδόσεις, αναδεικνύοντας το CERN σε ένα σπουδαίο πεδίο πειραματισμού και ελέγχου για τη βιομηχανία.

Που εκπαιδεύει τους αυριανούς επιστήμονες και μηχανικούς.

Το CERN παίζει ένα σοβαρό ρόλο στην ανώτατη τεχνική εκπαίδευση. Μια πλήρης σειρά εκπαιδευτικών προγραμμάτων και υποτροφιών προσελκύει στο Εργαστήριο πολλούς ταλαντούχους νέους επιστήμονες και μηχανικούς. Οι περισσότεροι από αυτούς συνεχίζουν την καριέρα τους στη βιομηχανία, όπου η εμπειρία τους στην εργασία σ' ένα πολυεθνικό περιβάλλον υψηλής τεχνολογίας, εκτιμάται ιδιαίτερα.

Τι κάνει το CERN;

Ολες οι δέσμες σωματιδίων του CERN
ξεκινούν τη ζωή τους μέσα σε
γραμμικούς επιταχυντές σαν κι αυτόν

Βασική έρευνα

Το CERN βρίσκεται στην πρωτοπορεία της ανθρώπινης αναζήτησης για τη γνώση, μιας αναζήτησης που έχει τις ρίζες της βαθειά μέσα στις αρχές του πολιτισμού. Οι εξοπλισμοί του Εργαστηρίου, οι επιταχυντές των σωματιδίων και οι ανιχνευτές, ανήκουν στα μεγαλύτερα και περιπλοκότερα επιστημονικά όργανα στον κόσμο. Φτιαγμένα με την τελευταία λέξη της τεχνολογίας, αποτελούν μερικά από τα αξιολογότερα μνημεία της επιστήμης του 20 αιώνα

Δουλεύοντας στο εσωτερικό
ενός ανιχνευτή σωματιδίων
του CERN

Τα ίχνη των τροχιών που αφήνουν τα σωματίδια που συγκρούονται δίνουν όμορφες
εικόνες, αλλά η κατανόησή του τί συμβαίνει είναι μια πραγματικά επίπονη εργασία.

στις υψηλότερες ενέργειες

Το CERN παρέχει στους φυσικούς δέσμες σωματιδίων πολύ υψηλής ενέργειας για τα πειράματά τους. Το Εργαστήριο είναι ασυναγώνιστο σ' αυτό, έχοντας το μεγαλύτερο σύμπλεγμα αλληλοσυνδεομένων επιταχυντών. Οι επιταχυντές του CERN επιταχύνουν με δεξιοτεχνία πολλά είδη σωματιδίων, για πολλών ειδών πειράματα.

Στο CERN, οι δέσμες των σωματιδίων χρησιμοποιούνται για να μπούμε στην καρδιά της ύλης και να μεταφερθούμε έτσι πίσω στην αρχή του χρόνου, στη Μεγάλη Εκρηξη. Οι ερευνητές του CERN εξετάζουν εκατομμύρια από ασυνήθιστα γεγονότα προσπαθώντας να καταλάβουν πώς έφτασε το Σύμπαν, μετά από περίπου 15 δισεκατομμύρια χρόνια, σ' αυτό που βλέπουμε σήμερα γύρω μας.

με τα μικρότερα σωματίδια

Ενα εκατομμύριο άτομα περιέχονται στο πάχος μιας τρίχας, κι όμως τα άτομα αυτά είναι γιγάντια όταν συγκριθούν με τα σωματίδια που επιταχύνονται και μελετούνται στο CERN.

Ειδικοί μαγνήτες σαν κι αυτόν
χρησιμοποιούνται για την έξοδο της
δέσμης των σωματιδίων από τους
επιταχυντές του CERN

Τα άτομα είναι κατά 99,99% κενά: τα σωματίδια που μελετούνται στο CERN γεμίζουν το υπόλοιπο 0,01% των ατόμων. Για να μπορέσει να δει κανείς τόσο μικρά σωματίδια χρειάζεται πανίσχυρα "μικροσκόπια".Οι επιταχυντές και οι ανιχνευτές είναι ακριβώς αυτά τα μεγάλα μικροσκόπια.

Πώς το επιτυγχάνει το CERN;

Επιταχύνοντας τα σωματίδια σε πολύ μεγάλες ενέργειες και κάνοντάς τα να συγκρούονται πάνω σε ακίνητους στόχους ή μεταξύ τους, οι φυσικοί μπορούν να ανακαλύψουν τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων.

Οι επιταχυντές μπορούν να χωριστούν σε δυο βασικές κατηγορίες: τους κυκλικούς και τους γραμμικούς. Το CERN έχει και τους δυο τύπους.

Οι επιταχυντές χρησιμοποιούν πολύ ισχυρά ηλεκτρικά πεδία για να δώσουν ενέργεια σε μια δέσμη σωματιδίων. Μαγνητικά πεδία χρησιμοποιούνται για να κρατούν τις δέσμες εστιασμένες και, στην περίπτωση των κυκλικών επιταχυντών, να οδηγούν τα σωματίδια στην κυκλική τροχιά τους.

Στις γραμμικές διατάξεις η ενέργεια δίνεται στα σωματίδια σε όλο το μήκος του επιταχυντή. Οσο πιο μεγάλο είναι το μήκος της μηχανής, τόσο πιο μεγάλη είναι και η τελική ενέργεια. Στις κυκλικές διατάξεις, τα σωματίδια ταξιδεύουν γύρω-γύρω πολλές φορές, αποκτώντας επί πλέον ενέργεια σε κάθε περιφορά. Αλλά όσο πιο μεγάλη ενέργεια έχουν τα σωματίδια, τόσο πιο δύσκολα κρατιούνται στην τροχιά τους, όπως τα αυτοκίνητα όταν στρίβουν σε μια απότομη στροφή. Ο μεγαλύτερος επιταχυντής του CERN, ο LEP (Large Electron Positron collider, "Μεγάλος επιταχυντής Συγκρoυομένων δεσμών Ηλεκτρονίων και Ποζιτρονίων")  έχει περιφέρεια 27 χιλιομέτρων, ώστε οι στροφές του να είναι κατά το δυνατόν πιο ομαλές.

Ελέγχοντας τους μαγνήτες στη σήραγγα του LEP

Συνθλίβοντας τα σωματίδια μεταξύ τους μέσα στους επιταχυντές που λέγονται συγκρουστήρες ή πάνω σε ακίνητους στόχους εκτός των επιταχυντών, παράγονται νέα σωματίδια. Σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Einstein E=mc², όπου Ε είναι η ενέργεια, m η μάζα και c η ταχύτητα του φωτός, η ύλη μετατρέπεται σε ενέργεια και αντίστροφα.

Ο μεγαλύτερος επιταχυντής του CERN, ο LEP (Large Elecron Positron collider, "Μεγάλος επιταχυντής 
Συγκρoυομένων δεσμών Ηλεκτρονίων και Ποζιτρονίων")είναι τοποθετημένος σε μια βαθειά υπόγεια σήραγγα.

 Στη φωτογραφία σημειώνεται με ένα μεγάλο λευκό κύκλο.
 
Η εξίσωση E=mc² μας λέει ότι ένα γραμμάριο ύλης περιέχει το εκπληκτικό ποσό των 20 τρισεκατομμυρίων θερμίδων. Τα σωματίδια που εξετάζει το CERN είναι τόσο μικρά που η ενέργεια που περιέχουν είναι μόλις μερικά δισεκατομμυριοστά της θερμίδας. Το σημαντικό όμως είναι ότι στις συγκρούσεις των σωματιδίων αυτή η ενέργεια είναι συγκεντρωμένη σε απειροελάχιστο χώρο. Αυτή ακριβώς η μεγάλη συγκέντρωση της ενέργειας δημιουργεί τα νέα ασταθή σωματίδια που μπορούμε να μελετήσουμε, ανοίγοντας νέους δρόμους στην κατανόηση των μυστικών της Φύσης.

Καταγράφοντας το τι συμβαίνει χάρη στους ανιχνευτές που είναι τοποθετημένοι γύρω από τα σημεία σύγκρουσης. Οι ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στους επιταχυντές συγκρουομένων δεσμών αποτελούνται από διαδοχικά στρώματα σα φλοιοί κρεμυδιού, αλλά κυλινδρικοί. Είναι μεγάλοι σαν κτίρια και γεμάτοι με πολύπλοκα ηλεκτρονικά. Οι συγκρούσεις γίνονται ακριβώς στο κέντρο των ανιχνευτών και στα διαφορετικά στρώματά τους καταγράφονται διαφορετικές ιδιότητες των εξερχομένων σωματιδίων.   Πλησιέστερα στο σημείο σύγκρουσης βρίσκονται οι ανιχνευτές καταγραφής τροχιών οι οποίοι παρακολουθούν τη διαδρομή των σωματιδίων καθώς αυτά απομακρύνονται από το σημείο σύγκρουσης. Ακολουθούν όργανα μέτρησης της ενέργειας, τα καλορίμετρα, όπου και τα περισσότερα σωματίδια τελειώνουν το ταξίδι τους. Το τελευταίο στρώμα του ανιχνευτή περιέχει και πάλι όργανα καταγραφής τροχιών για τον προσδιορισμό όσων ανιχνεύσιμων σωματιδίων κατάφεραν να φτάσουν μέχρις εκεί. Ενας μαγνήτης που είναι ενσωματωμένος στον ανιχνευτή, υποχρεώνει τα φορτισμένα σωματίδια να ακολουθούν καμπύλες τροχιές στα εσωτερικά στρώματα, βοηθώντας έτσι στον προσδιορισμό του είδους του κάθε σωματιδίου (κάνε κλικ στο σχήμα δεξιά για να μεγαλώσει).

Γιατί μελετούμε τα σωματίδια.

Γιατί είμαστε φτιαγμένοι από αυτά...

...όπως και οτιδήποτε άλλο μέσα στο Σύμπαν!. Σήμερα γνωρίζουμε ότι τέσσερεις βασικοί δομικοί λίθοι είναι αρκετοί για να φτιάξουν όλη τη συνηθισμένη ύλη. Αυτά είναι τα σωματίδια που ονομάζουμε: άνω-κουάρκ (up-quark), κάτω-κουάρκ (down-quark), ηλεκτρόνιο και ηλεκτρονικό νετρίνο (βλέπε επίσης το άρθρο "Στοιχειώδη Σωματίδια").

Τα άνω-κουάρκ και κάτω-κουάρκ είναι βαθειά κρυμμένα μέσα στα πρωτόνια και στα νετρόνια, τα οποία αποτελούν τους πυρήνες των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια γυρίζουν γύρω από τους πυρήνες και σχηματίζουν τα ατόμα, τα οποία με τη σειρά τους φτιάχνουν πιο σύνθετα αντικείμενα. Τα ηλεκτρονικά νετρίνα συμπληρώνουν την οικογένεια, αλλά αλληλεπιδρούν τόσο ασθενικά με την υπόλοιπη ύλη, που είναι σχεδόν απαρατήρητα.

Η εικόνα αυτή περιέχει ίχνη από σωματίδια που είναι φορείς των ασθενών δυνάμεων. Η ανακάλυψή τους στο CERN το 1982, χάρισε το βραβείο Νομπέλ σε δυο φυσικούς του CERN.
Τα σωματίδια συγκρατούνται μεταξύ τους με τη βοήθεια δυνάμεων

Την "κόλλα" της Φύσης την αποτελλούν οι δυνάμεις. Οι φορείς των δυνάμεων είναι και αυτοί σωματίδια, διαφορετικά όμως από τα σωματίδια που αποτελούν την ύλη. Τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια-φορείς των δυνάμεων έχουν μια πολύ σύντομη ύπαρξη, όσο για να μεταφέρουν την πληροφορία από το ένα σωματίδιο στο άλλο.

Η βαρύτητα, η πιο γνωστή δύναμη, είναι η ασθενέστερη από όλες. Το σωματίδιο-φορέας της είναι το βαρυτόνιο που περιμένει ακόμα την ανακάλυψή του. Στην άλλη άκρη της κλίμακας, βρίσκεται η ισχυρή δύναμη, με σωματίδια-φορείς τα γκλουόνια, υπεύθυνη για το σχηματισμό των πρωτονίων και νετρονίων του πυρήνα από κουάρκ. Μεταξύ αυτών των δυο δυνάμεων βρίσκονται η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, με σωματίδιο-φορέα το φωτόνιο, και η ασθενής δύναμη με φορείς τα βαριά σωματίδια W και Z.

Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη κρατά τα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα και συγκρατεί τα άτομα ενωμένα, σχηματίζοντας τα μόρια της χημείας και της βιοχημείας. Η ασθενής δύναμη είναι υπεύθυνη για την ακτινοβολία των αστεριών και για ορισμένες μορφές φυσικής ραδιενέργειας (βλέπε επίσης το άρθρο "Οι Αλληλεπιδράσεις των Στοιχειωδών Σωματιδίων").

Συμπληρώνοντας την εικόνα των σωματιδίων

Στη φύση υπάρχουν άλλες δυο οικογένειες σωματιδίων. Τα σωματίδια τους είναι καθ' όλα όμοια με τα άνω-κουάρκ, κάτω-κουάρκ, ηλεκτρόνια και ηλεκτρονικά νετρίνα, μόνο που είναι πιο βαριά. Αυτά τα σωματίδια εμφανίζονται στη φύση σε περιπτώσεις ακραίων συνθηκών, όπως στα θερμά κέντρα των αστέρων, αλλά επίσης παράγονται και στο CERN. Η συλλογή των σωματιδίων της Φύσης συμπληρώνεται με την αντιύλη, ένα είδος "κατοπτρικού ειδώλου" της συνηθισμένης ύλης.

Το δωμάτιο αυτό, λουσμένο με ακτινοβολία laser, αποτελεί ένα σημαντικό τμήμα ενός από τα πειράματα αντιύλης στο CERN

Φαίνεται ότι δεν υπάρχει αντιύλη στο Σύμπαν σήμερα, πιστεύεται όμως ότι κατά τη Μεγάλη Εκρηξη (Big Bang), όταν γεννιόταν το Σύμπαν, η  ύλη και η αντιύλη υπήρξαν σε ίσες ποσότητες.

Το "Καθιερωμένο Πρότυπο" του Σύμπαντος

Η παραπάνω περιγραφή της ύλης και των δυνάμεων ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model). Παρόλο που, για 20 χρόνια τώρα, έχει περάσει με επιτυχία όλους τους πειραματικούς ελέγχους, ξέρουμε ότι δεν είναι πλήρες. Οι φυσικοί στο CERN εργάζονται για μια πληρέστερη εικόνα της λειτουργίας του Σύμπαντος.

Ποιό είναι το επόμενο βήμα;

Γνωρίζουμε ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν είναι παρά ένα σκαλοπάτι για μια καλύτερη θεωρία, αφού αφήνει πολλά ερωτηματικά αναπάντητα. Γιατί τα σωματίδια έχουν μάζα; Οι τέσσερεις δυνάμεις της φύσης είναι απλά διαφορετικές μορφές  του ίδιου πράγματος; Πράγματι δεν υπάρχει αντιύλη στο Σύμπαν;

Το CERN κατασκευάζει ένα νέο επιταχυντή, τον Μεγάλο Επιταχυντή  Συγκρουομένων Δεσμών Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC), για να απαντήσει σ' αυτές τις συγκεκριμένες ερωτήσεις. Με στόχο να ξεκινήσει στις αρχές του ερχόμενου αιώνα, ο LHC, συγκεντρώνει ήδη επιστήμονες από όλο τον κόσμο.

Ισχυροί υπεραγώγιμοι μαγνήτες χρειάζονται για να συγκρατούν τις δέσμες πρωτονίων του LHC στις τροχιές τους. Η ανάπτυξη αυτών των μαγνητών έχει αρκετά προχωρήσει. Ηδη, αρκετά πρότυπα που κατασκευάστηκαν από τις βιομηχανίες έδειξαν ότι τα απαιτούμενα από το LHC ισχυρά μαγνητικά πεδία μπορούν να επιτευχθούν, και η τελική παραγωγή τους δεν είναι μακρυά.

Οι ανιχνευτές που θα μελετήσουν τις συγκρούσεις στο LHC θα είναι μεγαλύτεροι και πιο περίπλοκοι από ό,τι μέχρι σήμερα. Θα είναι και πολύ πιο γρήγοροι, αφού θα κατορθώνουν να συλλαμβάνουν περίπου 800 εκατομμύρια συγκρούσεις κάθε δευτερόλεπτο.

 

 
Κάθε μια από τις κοινοπραξίες των φυσικών που κατασκευάζουν και λειτουργούν αυτούς τους ανιχνευτές αποτελείται από περισσότερους από 1000 επιστήμονες απ' όλο τον κόσμο. Οταν το CERN ιδρύθηκε, στη δεκαετία του '50, έγινε το πρότυπο Ευρωπαϊκής συνεργασίας. Τώρα, με το LHC, γίνεται το πρώτο πραγματικά παγκόσμιο εργαστήριο.

Στο τέλος του 19ου αιώνα η βασική έρευνα είχε μόλις ανακαλύψει το ηλεκτρόνιο. Τώρα, καθώς πλησιάζουμε στο τέλος του 20ου αιώνα, δεν μπορεί κανείς να διανοηθεί τη ζωή χωρίς τα ηλεκτρόνια. Αυτά φέρνουν τον ηλεκτρισμό στα σπίτια μας, μεταφέρουν τη φωνή μας μέσα από τα τηλεφωνικά σύρματα και σχηματίζουν τις εικόνες που βλέπουμε στις οθόνες των τηλεοράσεων. Ποιός ξέρει λοπόν τί οφέλη θα φέρει η σημερινή βασική έρευνα στο ανθρώπινο γένος στα επόμενα 100 χρόνια;

Δύο ρώσοι μαθηματικοί θεωρούν ότι στον γιγάντιο επιταχυντή που πρόκειται να ξεκινήσει τη λειτουργία του στις αρχές του καλοκαιριού στο CERN, θα μπορούσαν να δημιουργηθούν συνθήκες κάτω από τις οποίες είναι δυνατό ένα “μικροκοσμικό” ταξίδι προς το παρελθόν ή προς το μέλλον. Στην ουσία, η Irina Arefeva και ο Igor Volovich θεωρούν ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών, μπορεί να δημιουργήσει μικροσκοπικές σκουληκότρυπες στο διάστημα, που θα μπορούσε να επιτρέψει κάποια μορφή περιορισμένου ταξιδιού στον χρόνο.

Εάν είναι αληθινό, τότε θα ήταν η πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία που θα έχει δημιουργηθεί μια μηχανή του χρόνου. Πάντως εάν το ταξίδι πίσω στον χρόνο είναι δυνατό,τότε θεωρητικά είναι δυνατό να ταξιδέψει κάποιος πίσω στο σημείο που δημιουργήθηκε η πρώτη μηχανή και έτσι αυτό θα σήμαινε ότι θα ήταν σε θέση να μας επισκεφτούν χρονικοί ταξιδιώτες από το μέλλον.

Ένα άρθρο στο New Scientist προτείνει ότι αυτή τη χρονιά - το 2008 - θα μπορούσε να γίνει “έτος μηδέν” για το ταξίδι στον χρόνο. Το άρθρο επισημαίνει ότι υπάρχουν πολλά πρακτικά προβλήματα και θεωρητικά παράδοξα στο χρονικό ταξίδι. “Εντούτοις, παραμένει μια μικρή πιθανότητα να δούμε επισκέπτες από το μέλλον στο επόμενο έτος,” λέει το περιοδικό μάλλον προβοκατόρικα.

Πρέπει να ειπωθεί ότι λίγοι επιστήμονες δέχονται την ιδέα ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών (LHC) θα δημιουργήσει τις συνθήκες τις απαραίτητες για το ταξίδι στον χρόνο. Ο LHC έχει ως σκοπό να εξετάσει τις μυστήριες δυνάμεις που υπάρχουν στο υποατομικό επίπεδο, και σαν τέτοιο θα απαντήσει σε πολλές σημαντικές ερωτήσεις, όπως για την αληθινή φύση της βαρύτητας. Δεν σχεδιάζεται ως μηχανή του χρόνου.

Εάν τελικά ο LHC γίνει τυχαία μια μηχανή του χρόνου, η συσκευή θα υπήρχε μόνο σε υποατομικό επίπεδο και όχι για μια μηχανή , που θα είναι σε θέση να “μεταφέρει τους ανθρώπους στο παρελθόν ή το μέλλον.

Το μεγαλύτερο θεωρητικό πρόβλημα είναι γνωστό ως παράδοξο του χρόνου του ταξιδιού. Εάν κάποιος ταξιδεύει πίσω στον χρόνο και κάνει κάτι για να αποτρέψει την παρουσία του (πχ σκοτώνοντας τον παππού του οπότε δεν θα γεννιόταν ούτε ο πατέρας του ούτε αυτός ο ίδιος ποτέ), τότε πώς μπορεί να γίνει το ταξίδι στον χρόνο;

Οι κοσμολόγοι, διάσημοι για την επινοητική ευστροφία τους, έχουν βρει έναν τρόπο να αντιμετωπίσουν αυτό το παράδοξο. Έχουν προτείνει ότι δεν υπάρχει ένας κόσμος αλλά πολλοί - τόσο πολλοί που κάθε πιθανή έκβαση οποιουδήποτε γεγονότος πραγματοποιείται στην πράξη. Σε αυτό το πολλαπλό σύμπαν, ή το μοντέλο του “πολυσύμπαντος”, μια γυναίκα που πάει πίσω στον χρόνο για να δολοφονήσει τη γιαγιά της μπορεί να ξεφύγει από αυτό το πρόβλημα, επειδή στο σύμπαν της “διπλανής πόρτας” η γιαγιά ζει για να έχει κόρη που θα γίνει η μητέρα της δολοφόνου.

Θα είμαστε σε θέση μια ημέρα να ταξιδέψουμε στον χρόνο;

Κάποιοι απαντούν «Ναι… γιατί…

Δεν υπάρχει τίποτα στους νόμους της φυσικής που να το απαγορεύουν, και τα γεγονότα στη Γενεύη δείχνουν τον τρόπο και θα μπορούσαν να γίνουν το πρώτο βήμα

Στη φυσική λέμε ότι εάν τίποτα δεν είναι απαγορευμένο, μπορεί να συμβεί σε κάποιο σημείο

Το μόνο που πρέπει να κάνουμε είναι να λύσουμε πώς να χειριστούμε τις μαύρες τρύπες και τις σκουληκότρυπες, και προχωράμε

Κάποιοι απαντούν «Όχι… γιατί…

Τα πρακτικά προβλήματα με το ταξίδι στον χρόνο είναι τεράστια για να λυθούν, και ακόμα κι αν θα μπορούσατε, ποιοί θα το ήθελαν;

Αν ταξιδεύατε πίσω στο παρελθόν και σκοτώνατε έναν από τους παππούδες και τις γιαγιάδες σας τυχαία. Μετά πού θα ήσαστε;

Εάν το ταξίδι στο χρόνο είναι δυνατό, γιατί ακόμα περιμένουμε να υποδεχτούμε τους πρώτους επισκέπτες μας από το μέλλον;

Πηγές : The independent , physics4u