Το πείραμα του αιώνα στο CERN

Του Κώστα Δεληγιάννη

Αν και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) έχει ακόμη αρκετά χρόνια λειτουργίας, οι επιστήμονες καταστρώνουν από τώρα τα πλάνα για την πειραματική διάταξη που θα τον διαδεχθεί και η οποία πρόκειται να έχει τριπλάσιο μέγεθος.

Εκτός από το μεγαλύτερο μέγεθος, ο νέος επιταχυντής αναμένεται να έχει επίσης περίπου 7πλάσια ισχύ. Επομένως, με δεδομένο πως θα χρειασθούν δεκαετίες για την ολοκλήρωση της κατασκευής του, ήδη οι ειδικοί συζητούν για τη σχεδίασή του. Έτσι, περισσότεροι από 500 επιστήμονες συναντήθηκαν στο Βερολίνο στις αρχές του μήνα, για να συζητήσουν διάφορες πτυχές του Future Circular Collider (FCC), όπως θα ονομάζεται ο διάδοχος του LHC.

Συγκριτικά με τα 27 χιλιόμετρα που είναι η σήραγγα του LHC, ο FCC θα είναι τουλάχιστον 3 φορές μεγαλύτερος, με το τούνελ του να αγγίζει τα 80-100 χιλιόμετρα. Επίσης, αναμένεται να εγκατασταθεί στην ίδια περιοχή του CERN, δηλαδή στο γαλλοελβετικά σύνορα.

Για την επιτάχυνση των σωματιδίων στο εσωτερικό του, περιμετρικά της σήραγγας θα υπάρχουν μαγνήτες διπλάσιας ισχύος απ’ ό,τι στον LHC. Με αυτό τον τρόπο, οι συγκρούσεις στo εσωτερικό του υπολογίζεται πως θα φτάσουν σε ενέργεια τα 100 Tera eV, περίπου όσο και 10 εκατομμύρια κεραυνοί.

Αυτά τα επίπεδα ενέργειας υπόσχονται να επιστρέψουν στους επιστήμονες να ανιχνεύσουν σωματίδια αρκετά βαρύτερα από το μποζόνιο Higgs, το “σωματίδιο του Θεού” που προσδίδει μάζα στα υπόλοιπα σωμάτια και το οποίο εντοπίστηκε για πρώτη φορά στον υπάρχοντα επιταχυντή το 2012. Οι ερευνητές υποστηρίζουν πως ο  FCC θα αποτελέσει την αφορμή για να αναπτυχθούν νέα υλικά με ακόμη μεγαλύτερη αντοχή στην ακτινοβολία, τα οποία θα μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιούν και σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Η ομάδα εργασίας του FCC ελπίζει πως θα έχει ολοκληρώσει την πρότασή της τον επόμενο χρόνια, ωστόσο ακόμη κι αν άρχιζε αμέσως η κατασκευή του, θα χρειάζονταν τουλάχιστον 20 χρόνια πριν ο νέος επιταχυντής τεθεί για πρώτη φορά σε λειτουργία. Στην περίπτωση του LHC, μεσολάβησε μία 30ετία ανάμεσα στη σχεδίασή του και τις πρώτες συγκρούσεις δεσμών στο εσωτερικό του.

Με τη νέα πειραματική διάταξη, στόχος των επιστημόνων είναι να μελετήσουν τους νόμους του σύμπαντος σε ακόμη πιο οριακές συνθήκες. “Όταν μελετάμε φαινόμενα όπως η κίνηση των γαλαξιών, συνειδητοποιούμε πως κατανοούμε και μπορούμε να εξηγήσουμε μόλις το 5% του σύμπαντος”, λέει στην ιστοσελίδα του ευρωπαϊκού προγράμματος Horizon ο Μάικλ Μπένεντικτ, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας για τον FCC.

“Σε ερωτήματα όμως όπως το αποκαλούμενο πρόβλημα της σκοτεινής ύλης, η οποία συνδέεται με το γεγονός ότι οι γαλαξίες και οι αστέρες δεν κινούνται με τον τρόπο που θα περιμέναμε, η μόνη εξήγηση είναι πως στο σύμπαν υπάρχει ένα άγνωστης φύσης υλικό, το οποίο διαταράσσει τις κινήσεις τους”.

Πάντως, στην προσπάθεια εξιχνίασης άλυτων προβλημάτων της φυσικής, ο LHC δεν έχει ακόμη την τελευταία του λέξη. Κι αυτό γιατί όχι μόνο ο επιταχυντής αναμένεται να παραμείνει σε λειτουργία μέχρι το 2035 περίπου, αλλά και επειδή στα μέσα της επόμενης δεκαετίας έχει προγραμματισθεί μία σημαντική αναβάθμισή του, ώστε να πενταπλασιαστεί η “φωτεινότητά” του – δηλαδή ο αριθμός των συγκρούσεων σωματιδίων στη μονάδα του χρόνου.

Μάλιστα, η συγκεκριμένη αναβάθμιση θεωρείται τόσο σημαντική, που οι υπεύθυνοι του CERN αναφέρουν πως θα εγκαινιάσει τη φάση του “LHC Υψηλής Φωτεινότητας”. Πρακτικά, αυτό θα σημαίνει πως, στη δεκαετία 2025-2035, τα πειράματα στην εγκατάσταση θα εξασφαλίσουν περίπου 10πλάσιο όγκο δεδομένων, απ’ ό,τι σε όλη την προηγούμενη “ζωή” του επιταχυντή.

Επομένως, με τις ακόμη πιο ακριβείς μετρήσεις των στοιχειωδών σωματιδίων, θα αυξηθούν οι πιθανότητες να ανιχνευθούν σπάνια φαινόμενα που σήμερα δεν μπορεί να αναπαράγει ο LHC.

Του Κώστα Δεληγιάννη

«Φως» στον τρόπο που παραμένει ενωμένος ο πυρήνας των ατόμων, αναμένεται να ρίξει η ανακάλυψη πέντε νέων υποατομικών σωματιδίων από το πείραμα LHCb στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN. Όλα τα σωματίδια αποτελούν παραλλαγές του βαρυονίου Ωμέγα-c, το οποίο είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά το 1994.

Αν και οι φυσικοί υπέθεταν πως υπάρχουν παραλλαγές του Ωμέγα-c που έχουν μεγαλύτερη μάζα, μέχρι σήμερα δεν είχαν καταφέρει να τις ανιχνεύσουν. Έτσι, με τον εντοπισμό τους, ανοίγει ο δρόμος ώστε, μελετώντας τα, οι επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη δράση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι υπεύθυνη για τη συγκρότηση των πυρήνων των ατόμων, από τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Τα σωματίδια αυτά, που ονομάζονται αδρόνια, αποτελούνται από πιο στοιχειώδη σωμάτια, τα κουάρκ. Τόσο τα νετρόνια όσο και τα πρωτόνια αποτελούνται από δύο είδη κουάρκ, τα «πάνω» (up) και κάτω (down).

Έτσι, η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι υπεύθυνη για τη συνοχή των κουάρκ στα πρωτόνια και τα νετρόνια, ενώ έκφανσή της είναι επίσης η συγκράτηση των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα. Η περιγραφή της γίνεται από μία θεωρία που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική.

Το βαρυόνιο Ωμέγα-c ανήκει στην ίδια «οικογένεια» με τα πρωτόνια και τα νετρόνια, αν και θεωρείται πιο «εξωτικό». Αποτελείται κι αυτό από κουάρκ, και πιο συγκεκριμένα από ένα «γοητευτικό» (charm) και δύο «παράξενα» (strange) κουάρκ.

Μιλώντας στο BBC, ο Δρ Γκρεγκ Κόουαν από το πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, ο οποίος συμμετέχει στο πείραμα, χαρακτήρισε «εντυπωσιακή» την ανακάλυψη. «Ρίχνοντας φως στον τρόπο που ενώνονται τα κουάρκ, μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα όχι μόνο τα πρωτόνια και τα νετρόνια, αλλά και πιο εξωτικές κατηγορία σωματιδίων, όπως τα τετρακουάρκ και τα πεντακουάρκ».

«Τα σωματίδια αυτά κρύβονταν σε κοινή θέα εδώ και χρόνια», σημειώνει η Δρ Σάρα Τίερς από το πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ και επίσης μέλος της ερενητικής ομάδας του πειράματος. «Χρειαζόταν ωστόσο η υψηλή ευαισθησία του LHCb για να τα εντοπίσουμε».

Του Κώστα Δεληγιάννη

Με «εγχείρηση ανοικτής καρδιάς» παρομοίασαν οι υπεύθυνοι του CERN την αναβάθμιση που έκαναν στο πείραμα CMS (Compact Muon Solenoid), ένα από τα τέσσερα πειράματα μεγάλα που διεξάγονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Στο πλαίσιο της αναβάθμισης, αντικατέστησαν τον ανιχνευτή pixels του CMS, δηλαδή την κάμερα που αναλαμβάνει να αποτυπώσει τις τροχιές σωματιδίων που κινούνται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

Στη μήκους 27 χιλιομέτρων σήραγγα του LHC, συγκρούονται με τεράστιες ενέργειες δέσμες σωματιδίων, με σκοπό οι επιστήμονες να μελετήσουν τα «θραύσματα» που προκύπτουν. Έτσι, ελπίζουν πως μέσα στα «θραύσματα» θα ανακαλύψουν νέα σωματίδια ή ενδείξεις νέων φυσικών θεωριών που πηγαίνουν πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, δηλαδή το μοντέλο που εξηγεί τα γνωστά έως σήμερα «συστατικά» της ύλης και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις, εκτός από τη βαρύτητα.

Μέσω του επιταχυντή διεξάγονται τέσσερα μεγάλα πειράματα (ALICE, ATLAS, CMS και LHCb), με διαφορετικούς ανιχνευτές που ανιχνεύουν τα αποτελέσματα των συγκρούσεων. Επομένως, ο ανιχνευτής pixels αποτελεί την «καρδιά» του CMS, έχοντας σχεδιαστεί για να αναπαράγει τις τροχιές των σωματιδίων που προκύπτουν από τις συγκρούσεις των δεσμών.

Η νέα «καρδιά»  του πειράματα μπορεί να αποτυπώνει περίπου 120 εκατομμύρια pixel, με ταχύτητα 40 εκατομμυρίων καρέ το δευτερόλεπτο. Αντίθετα, το εξάρτημα που αντικατέστησε είχε σχεδόν τη μισή ευαισθησία.

«Είναι σαν να αντικαταστήσαμε μία κάμερα 66 megapixel με έναν αισθητήρα 24 megapixel», όπως χαρακτηριστικά ανέφερε στο BBC ο Πολ Ρίνκον, τεχνικός συντονιστής του πειράματος CMS.

Με το νέο εξάρτημα, οι επιστήμονες ελπίζουν πως το πείραμα θα μπορέσει να ανιχνεύσει άγνωστα μέχρι στιγμής σωματίδια, βοηθώντας τους έτσι να λύσουν μερικά από τα πιο... επίμονα μυστήρια του σύμπαντος, όπως η φύση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης.

Η «εγχείρηση ανοικτής καρδιάς» ξεκίνησε τα Χριστούγεννα, όταν ο επιταχυντής είχε τεθεί εκτός λειτουργίας, ενώ η ολοκλήρωση της εγκατάστασης του νέου εξαρτήματος έγινε στις 28 Φεβρουαρίου. Οι τελευταίες τεχνικές παρεμβάσεις πραγματοποιήθηκαν στις 2 Μαρτίου.

Η αναβάθμιση γίνεται ενώ ο LHC έχει μπει σε «αχαρτογράφητα νερά» για την πειραματική φυσική, μετά το ρεκόρ ενέργειας που πέτυχε το 2015. Έτσι, διασφαλίζει ακόμη περισσότερο πως οι επιστήμονες θα ανιχνεύσουν τα ίχνη κάποιας νέας φυσικής θεωρίας που ίσως προκύψουν από τις πρωτόγνωρα ισχυρές συγκρούσεις. Εξάλλου, αυτά τα ίχνη μπορεί να είναι απειροελάχιστες αποκλίσεις των πειραματικών δεδομένων από τις θεωρητικές προβλέψεις.

Του Κώστα Δεληγιάννη

Μία νέα «σελίδα» στις προσπάθειες που γίνονται εδώ και δεκαετίες για τη μελέτη των ιδιοτήτων της αντιύλης, με τις οποίες στόχος είναι να απαντηθεί ένα από τα μεγαλύτερα «μυστήρια» της φυσικής, έγραψε το πείραμα ALPHA στο CERN. Στο πλαίσιο του πειράματος, οι επιστήμονες κατάφεραν για πρώτη φορά να εξετάσουν τον τρόπο που η αντιύλη αλληλεπιδρά με φως, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για την καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς της.

Τα «συστατικά» της αντιύλης είναι στοιχειώδη σωματίδια (ή σωστότερα αντισωματίδια) που έχουν την ίδια μάζα αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο από τους δομικούς λίθους της ύλης. Για παράδειγμα, τα ποζιτρόνια (αντι-ηλεκτρόνια) έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ τα αντιπρωτόνια αρνητικό.

Σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, με τη Μεγάλη Έκρηξη θα πρέπει να δημιουργήθηκαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Τότε, όμως, κάθε σωματίδιο που θα συγκρουόταν με το αντίστοιχο αντισωματίδιό του, όπως ένα πρωτόνιο με ένα αντιπρωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο με ένα ποζιτρόνιο, θα έπρεπε να εξαϋλωθεί.

Επομένως, το μόνο που θα έπρεπε να έχει απομείνει θα ήταν μία «θάλασσα» φωτονίων, σε ένα άυλο σύμπαν. Κάτι που γνωρίζουμε με βεβαιότητα πως δεν συνέβη, αφού τότε δεν θα υπήρχε ο υλικός κόσμος που μας περιβάλλει, αλλά ούτε και εμείς. Επομένως, θα πρέπει για κάποια άγνωστη αιτία να εμφανίστηκε μία μικρή ασυμμετρία ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη στο «νεαρό» σύμπαν, χάρις στην οποία αυτό μπόρεσε να εξελιχθεί στη σημερινή του μορφή.

Όπως είναι φυσικό, η εξαΰλωση αποτελεί εμπόδιο στην πειραματική μελέτη της αντιύλης, καθώς οποιαδήποτε επαφή της με την ύλη έχει ως αποτέλεσμα να εξαφανισθεί. Αυτό εξηγεί γιατί τα σχετικά πειράματα προχωρούν σχετικά αργά, αφού για παράδειγμα σχετικά πρόσφατα βρέθηκε τρόπος ώστε να παραμένουν άτομα αντιύλης (αντι-υδρογόνο) ανέπαφα για επαρκές χρονικό διάστημα, «παγιδεύοντάς» τα μέσα σε μαγνητικά πεδία.

Τώρα, οι επιστήμονες του πειράματος ALPHA χρησιμοποίησαν αυτή την τεχνική παγίδευσης, για να προχωρήσουν ένα βήμα παραπέρα. Κι αυτό γιατί, όπως αναφέρουν σε άρθρο τους που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature τη Δευτέρα, κατάφεραν να εξετάσουν για πρώτη φορά τη συμπεριφορά του αντι-υδρογόνου καθώς αλληλεπιδρά με φως.

Πιο συγκεκριμένα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να διεγείρουν τα άτομα του αντι-υδρογόνου με λέιζερ κατάλληλης συχνότητας, ώστε να μελετήσουν την ακτινοβολία που εκπέμπουν σε αυτή την περίπτωση. Όπως συμβαίνει και με τη συμβατική ύλη, το αντι-υδρογόνο διεγέρθηκε από τις δέσμες λέιζερ και στη συνέχεια εξέπεμψε ακτινοβολία, για να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση.

Σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, δεν πρέπει να υπάρχει διαφορά ανάμεσα στην ακτινοβολία του αντι-υδρογόνου και εκείνη του συμβατικού υδρογόνου. Αν όμως τα πειράματα δείξουν πως αυτό δεν ισχύει, ίσως θα έχει ανοίξει ο δρόμος για να βρεθεί η αιτία που η ύλη υπερνίκησε την αντιύλη στο «πρώιμο» σύμπαν.

Προς το παρόν, οι μετρήσεις από το ALPHA δείχνουν να επιβεβαιώνουν ότι υδρογόνο και αντι-υδρογόνο έχουν τις ίδιες οπτικές ιδιότητες. Ωστόσο, οι επιστήμονες σημειώνουν πως η ανάλυση της ακτινοβολίας του αντι-υδρογόνου δεν είναι ακόμη πολύ ακριβής – αφού υπολείπεται περίπου 100.000 φορές από την πιο λεπτομερή ανάλυση της ακτινοβολίας διέγερσης του υδρογόνου.

Έτσι, όπως σημειώνουν, τελεσίδικα συμπεράσματα θα μπορούν να βγουν αφότου επαναλάβουν αρκετές φορές ακόμη τις μετρήσεις, χρησιμοποιώντας μάλιστα διαφορετικές ενέργειας για τις δέσμες λέιζερ.

Του Κώστα Δεληγιάννη

Ένας από τους μεγαλύτερους γρίφους της σύγχρονης εποχής είναι η φύση της «σκοτεινής» ύλης, η οποία αν και αντιστοιχεί στο 85% της ύλης του σύμπαντος παραμένει απόλυτα μυστηριώδης για τους επιστήμονες. Ένας σημαντικός λόγος γι’ αυτό είναι πως είναι δύσκολο να εντοπισθεί από επίγεια πειράματα και διαστημικά τηλεσκόπια, αφού δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως, αλλά και κανένα άλλο φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Ωστόσο, παρόλο που δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ μέχρι σήμερα, «προδίδει» την παρουσία της από τη βαρυτική έλξη που ασκεί στη συμβατική ύλη. Μάλιστα, μόνον η ύπαρξή της μπορεί να εξηγήσει ανωμαλίες στην κίνηση κοσμικών δομών, όπως οι εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών.

Ανάμεσα στις θεωρίες που έχουν προταθεί για τη φύση ή τη συμπεριφορά της «σκοτεινής» ύλης, ορισμένες υποστηρίζουν πως η βαρύτητα δεν είναι ο μοναδικός τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρά με τη συμβατική ύλη. Αντίθετα, υπάρχει μία ακόμη «σκοτεινή» δύναμη, άγνωστη έως σήμερα, με την οποία οι δύο μορφές ύλης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Σύμφωνα με αυτές τις θεωρίες μάλιστα, όπως η ηλεκτρομαγνητική δύναμη εκδηλώνεται με την ανταλλαγή φωτονίων, έτσι και στην περίπτωση της «σκοτεινής» δύναμης υπάρχει ένα σωματίδιο το οποίο είναι ο φορέας της. Επομένως το σωματίδιο, το οποίο έχει ονομαστεί «σκοτεινό» φωτόνιο, παίζει τον ρόλο ενδιάμεσου ανάμεσα στη «σκοτεινή» και τη συμβατική ύλη.

«Για να το εξηγήσουμε με μία μεταφορά, δύο άνθρωποι που δεν μιλούν την ίδια γλώσσα (η “σκοτεινή” ύλη και η συμβατική) μπορούν να συνεννοούνται μεταξύ τους χάρις σε έναν διερμηνέα (τα “σκοτεινά” φωτόνια), που καταλαβαίνει και τις δύο γλώσσες και κάνει τη μετάφρασή τους», λέει στο σάιτ του CERN ο Σεργκέι Γκρινένκο.

Ο Γκρινένκο είναι εκπρόσωπος του επιστημονικής ομάδας που θα πραγματοποιήσει το πείραμα NA64 στο CERN στη Γενεύη. Στόχος του πειράματος είναι να αναζητήσει ενδείξεις αυτής της αλληλεπίδρασης ανάμεσα στη «σκοτεινή» και τη συμβατική ύλη, χρησιμοποιώντας μία θεμελιώδη έννοια της φυσικής: τη διατήρηση της ενέργειας.

Γι’ αυτό τον σκοπό, δέσμες ηλεκτρόνιων θα οδηγούνται μέσα σε έναν ανιχνευτή, αφού πρώτα μετρηθεί με πολύ μεγάλη ακρίβεια η αρχική τους ενέργεια. Στο εσωτερικό της διάταξης, τα ηλεκτρόνια θα αλληλεπιδρούν με πυρήνες ατόμων, παράγοντας συμβατικά φωτόνια.

Κανονικά, η ενέργεια των φωτονίων θα πρέπει να είναι ισοδύναμη με αυτή των ηλεκτρονίων. Ωστόσο, αν όντως υπάρχουν τα «σκοτεινά» φωτόνια, τότε θα «δραπετεύουν» από τον ανιχνευτή, μεταφέροντας μακριά ένα μεγάλο ποσοστό από την αρχική ενέργεια των ηλεκτρονίων.

Επομένως, η «υπογραφή» που θα αφήνουν τα «σκοτεινά» φωτόνια θα είναι η απώλεια ενέργειας μέσα στον ανιχνευτή, η οποία θα αντιστοιχεί σε μία αρκετά μεγάλη ποσότητα για να μπορεί να αποδοθεί στις αλληλεπιδράσεις της συμβατικής ύλης.

Στην περίπτωση που επιβεβαιωθεί η ύπαρξη των «σκοτεινών» φωτονίων, τότε θα έχει γίνει ένα μεγάλο βήμα για να λυθεί το μυστήριο της «σκοτεινής» ύλης. Ακόμη περισσότερο, θα ανατρέψει το οικοδόμημα της φυσικής, δείχνοντας πως στη φύση υπάρχει και μία ακόμη θεμελιώδης δύναμη, άγνωστη έως σήμερα, πέρα από τις τέσσερις δυνάμεις που γνωρίζουν ήδη οι επιστήμονες.

Του Κώστα Δεληγιάννη

Από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη, αυτό το άγνωστης φύσης υλικό που κατακλύζει το σύμπαν, αντιστοιχώντας περίπου στο 27% της ύλης-ενέργειάς του; Μήπως οι 3 από τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις, η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής πυρηνική, αποτελούν διαφορετικές εκφάνσεις της ίδιας αλληλεπίδρασης;

Αν και τέτοια ερωτήματα παραμένουν άλυτα στο πλαίσιο της καθιερωμένης θεωρίας της φυσικής, δηλαδή το Καθιερωμένο Πρότυπο, πίσω στο 2000 είκοσι επιστήμονες υποστήριζαν πως δεν θα χρειάζονταν περισσότερο από μια δεκαετία λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN για να ανοίξει ο δρόμος για να απαντηθούν, με  τις πρώτες πειραματικές αποδείξεις της υπερσυμμετρίας.

Μάλιστα ήταν τόσο σίγουροι, που καθένας τους στοιχημάτισε κι από ένα μπουκάλι ακριβού κονιάκ, με τιμή όχι μικρότερη από 100 δολάρια, για την πρόβλεψη πως σε 10 χρόνια θα προέκυπταν από τον επιταχυντή οι πρώτες χειροπιαστές αποδείξεις για την υπερσυμμετρία. Στην πορεία, η διορία του στοιχήματος μετατέθηκε για το καλοκαίρι του 2016, αφού ο LHC χρειάστηκε λόγω βλάβης να παραμείνει εκτός λειτουργίας για περίπου 1,5 χρόνο.

Ακόμη κι έτσι όμως, η διορία έληξε στις 16 Ιουνίου, χωρίς να έχει παρουσιασθεί καμία ανακάλυψη που να επιβεβαιώνει την υπερσυμμετρία. Έτσι, λίγες εβδομάδες αργότερα, και πιο συγκεκριμένα στις 22 Αυγούστου, σε μία εκδήλωση στην Κοπεγχάγη παρέδωσαν τα μπουκάλια κονιάκ στους φυσικούς που είχαν ποντάρει εναντίον της υπερσυμμετρίας.

Γνωστή και ως SUSY, η υπερσυμμετρία αποτελεί μία από τις σημαντικότερες προτεινόμενες θεωρίες που δίνουν «απάντηση» σε αδυναμίες του Καθιερωμένου Προτύπου. Γι’ αυτό τον σκοπό, υποθέτει πως για κάθε γνωστό σωματίδιο υπάρχει ένας υπερσυμμετρικός του «εταίρος».

Ωστόσο, τουλάχιστον στις απλούστερες εκδοχές της, η υπερσυμμετρία προβλέπει πως τουλάχιστον το πιο ελαφρύ υπερσυμμετρικό σωματίδιο θα έπρεπε να έχει ήδη ανιχνευθεί στις ενέργειες που πετυχαίνει ο LHC  – εξ ου και το στοίχημα. Έτσι, πέρα από τα… μπουκάλια κονιάκ, το «κόστος» από το ότι αυτό δεν συνέβη είναι πως «ξεθώριασε» ο ενθουσιασμός για την υπερσυμμετρία, με συνέπεια να ενισχυθούν οι αμφιβολίες μήπως τελικά δεν αποτελεί το «κλειδί» για να εξηγηθούν ορισμένα από τα άλυτα έως σήμερα «μυστήρια» της φύσης.

«Η υπερσυμμετρία ήταν η κυρίαρχη θεωρία εδώ και 30 χρόνια, επειδή είναι πολύ όμορφη, σχεδόν τέλεια», λέει στο σάιτ ScienceNews o Ναθάνιελ Γκρεγκ, θεωρητικός φυσικός από το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Ωστόσο, όσο δεν εμφανίζονται ίχνη υπερσυμμετρικών σωματιδίων, τόσο λιγότερο πειστική μοιάζει.

Βέβαια, τίποτε δεν προεξοφλεί πως δεν θα προκύψουν τέτοια ίχνη τα επόμενα χρόνια, κάτι που σημαίνει πως η θεωρία σε καμία περίπτωση δεν έχει καταρριφθεί. Επομένως, αυτή τη στιγμή το μόνο που μπορεί να ειπωθεί με βεβαιότητα είναι πως τα υπερσυμμετρικά σωματίδια, αν υπάρχουν, πρέπει να είναι βαρύτερα από όσο αναμενόταν.

«Αυτή τη στιγμή, το μόνο που μας “λέει” η φύση είναι πως, αν η υπερσυμμετρία είναι η σωστή θεωρία, τότε δεν έχει τη μορφή που νομίζαμε», επισημαίνει στο ScienceNews ο Γιόνιτ Χόκμπεργκ, θεωρητικός φυσικός από το Κορνέλ.

Ωστόσο, καθώς το «κατώφλι» μετατοπίζεται σε μεγαλύτερες μάζες, κερδίζουν έδαφος οι πιο περίπλοκες εκδοχές της υπερσυμμετρίας. Επομένως, η θεωρία χάνει ένα μέρος από την αρχική της γοητεία, που έπεισε πριν από δεκαετίες αρκετούς φυσικούς να την υιοθετήσουν.

«Αν τελικά ισχύει η υπερσυμμετρία, δεν είναι πλέον δυνατόν να επαληθευτεί η πιο ελκυστική εκδοχή της», σημειώνει στο ScienceNews ο θεωρητικός φυσικός Μάθιου Μπάκλεϊ από το πανεπιστήμιο Ρούτγκερς στο Νιου Τζέρσεϊ.

Βέβαια, ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν πως είναι νωρίς για απαισιοδοξία, αφού επισημαίνουν πως τα δεδομένα από τον LHC είναι μόλις το 1% των μετρήσεων που θα εξασφαλίσει σε όλη τη διάρκεια «ζωής» τους. Παρ’ όλα αυτά, άλλοι φυσικοί υποστηρίζουν πως η έως τώρα έλλειψη νέων ανακαλύψεων αποτελεί αρνητική έκπληξη για την πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας.

Σε τελική ανάλυση, η μεγαλύτερη ανησυχία των επιστημόνων δεν είναι τόσο αν θα επιβεβαιωθεί ή όχι η υπερσυμμετρία, αλλά μήπως η φύση παραμείνει πεισματικά «σιωπηλή» σε όλη τη διάρκεια λειτουργίας του επιταχυντή. Σε μία τέτοια περίπτωση, μπορεί ο επιταχυντής να έχει γράψει ιστορία ανιχνεύοντας το «σωματίδιο του Θεού» και επαληθεύοντας με αυτό τον τρόπο το Καθιερωμένο Πρότυπο, ωστόσο δεν θα έχει «φωτίσει» καθόλου τις ρωγμές που οι φυσικοί γνωρίζουν πως υπάρχουν στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

Αυτό θα σημαίνει πως πλέον οι θεωρητικοί φυσικοί θα έχουν ελάχιστες ενδείξεις για το πού θα πρέπει να προσανατολισθούν, διατυπώνοντας νέες φυσικές θεωρίες. Και πάλι, υπογραμμίζει ο Χόκμπεργκ, «σε αυτή την περίπτωση θα έχουμε μάθει κάτι θεμελ.ιώδες για τη φύση».

Του Κώστα Δεληγιάννη

Αν και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN θα συνεχίσει να βρίσκεται σε λειτουργία μέχρι το 2018, όταν έχει προγραμματισθεί η επόμενη διακοπή του, ήδη καταστρώνονται πλάνα για τα πειράματα που θα τον διαδεχθούν, με ακόμη ισχυρότερες συγκρούσεις δεσμών σωματιδίων, ή συγκρούσεις σωματιδίων άλλων ειδών, από αυτές που γίνονται στη διάταξη στο Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών στη Γενεύη.

Τα σχέδια προέρχονται από την Ιαπωνία, την Κίνα και το ίδιο το CERN, με επιστήμονες από τις δύο χώρες να έχουν ήδη καταθέσει δημόσια τις προτάσεις τους για έναν «διάδοχο» του επιταχυντή του CERN. Ωστόσο, η «επόμενη ημέρα» για τη φυσική πιθανώς να έρθει από τον ίδιο τον LHC, στην περίπτωση που αναβαθμισθεί μετά το 2035.

Η πρόταση των Ιαπώνων επιστημόνων αφορά τον Διεθνή Γραμμικό Επιταχυντή (ILC), που θα διαθέτει μία ευθύγραμμη σήραγγα 31 χιλιομέτρων, μέσα στην οποία θα συγκρούονται ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Σύμφωνα με τους φυσικούς, με αυτό τον τρόπο θα μπορεί να μελετηθεί πιο διεξοδικά το «σωματίδιο του Θεού», δηλαδή το μποζόνιο που προσδίδει μάζα στους «δομικούς λίθους» της ύλης και το οποίο ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά το 2012 στον LHC.

Η έρευνα του «σωματιδίου του Θεού» και του άνω κουάρκ, ενός άλλου στοιχειώδους σωματιδίου, επαρκούν για να δικαιολογήσουν την κατασκευή του ILC, κόστους περίπου 10 δισ. δολαρίων, σύμφωνα με τους υποστηρικτές του. Κι αυτό γιατί οποιαδήποτε απόκλιση από την αναμενόμενη «συμπεριφορά» τους θα ανοίξει τον δρόμο για νέες φυσικές θεωρίες.

Ωστόσο, η επιτροπή εμπειρογνωμόνων του ιαπωνικού υπουργείου Παιδείας, Επιστήμης και Τεχνολογίας, το οποίο θα αναλάβει το μεγαλύτερο μέρος της χρηματοδότηση του έργου, έκρινε φέτος πως η όποια απόφαση θα πρέπει να ληφθεί μετά το 2018, όταν θα ολοκληρωθεί η τρέχουσα φάση λειτουργίας του LHC.

Μία κίνηση που δείχνει πως η μελέτη του «σωματιδίου του Θεού» και του άνω κουάρκ δεν θεωρούνται αρκετές, όπως επίσης και ότι η τύχη του επιταχυντή θα εξαρτηθεί σε σημαντικό βαθμό από το κατά πόσο θα προκύψουν στο μεταξύ νέα αποτελέσματα από τον επιταχυντή του CERN, τα οποία να υπόσχονται σημαντικές ανακαλύψεις σε μεγαλύτερες ενέργειας.

Αντίθετα από τον ιαπωνικό ILC, η κινεζική πρόταση αναφέρεται σε μία κυκλική διάταξη, περιμέτρου από 50 έως 100 χιλιόμετρα. Στο εσωτερικό της θα συγκρούονται συγκρούσεις ηλεκτρονίων - πρωτονίων, σε ενέργειες μικρότερες από αυτές του επιταχυντή της χώρας του Ανατέλλοντος Ηλίου. Ωστόσο, για την κατασκευή της θα χρειασθεί η δημιουργία μίας σήραγγας όπου θα συγκρούονται πρωτόνια με πρωτόνια, σε ενέργειες πολύ υψηλότερες από ό,τι στον LCH.

Πρωταρχικός στόχος του επιταχυντή θα είναι η μελέτη του «σωματιδίου του Θεού», ενώ το Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών στο Πεκίνο, το οποίο προτείνει την κατασκευή του, έλαβε ήδη από το κινεζικό κράτος 5 εκατομμύρια δολάρια για την έρευνα και την ανάπτυξη του πρότζεκτ. Ωστόσο, η επιδίωξη θα είναι ένα μέρος της κατασκευής του να καλυφθεί από διεθνή χρηματοδότηση.

Παράλληλα, ούτε από τη μεριά του CERN έχουν λείψει τα σχέδια για έναν «διάδοχο» ου LHC, ο οποίος θα διαθέτει μία σήραγγα 100 χιλιομέτρων, για τη σύγκρουση πρωτονίων με 7πλάσια ταχύτητα από τον σημερινό επιταχυντή. Την ίδια στιγμή, όμως, η διοίκηση του Κέντρου στη Γενεύη φαίνεται πως εξετάζει το ενδεχόμενο ενεργειακής αναβάθμισης της υπάρχουσας διάταξης.

Έτσι, όπως ανέφερε σε πρόσφατο συνέδριο η Φαμπιόλα Τζιανότι, γενική διευθύντρια του CERN, αυτή η αναβάθμιση θα μπορούσε να γίνει περίπου το 2035, εγκαθιστώντας μία νέα «γενιά» υπεραγώγιμων επιταχυντών στη σήραγγα. Με αυτό τον τρόπο, η ενέργεια των συγκρούσεων δεν θα αυξανόταν θεαματικά, στα 20 TeV από τα 14 TeV που είναι σήμερα, όπως δήλωσε η ίδια.

Ωστόσο, το μεγάλο πλεονέκτημα της πρότασης είναι το σχετικά μικρό κόστος της, το οποίο δεν θα υπερβαίνει τα 5 δισ. δολάρια. Ένα ποσό που θα μπορούσε να καλυφθεί από τον τακτικό προϋπολογισμό του Κέντρου.

Του Κώστα Δεληγιάννη

Έπειτα από πολύμηνη «χειμερία νάρκη», ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN τέθηκε ξανά σε λειτουργία, παρέχοντας και πάλι δεδομένα στις επιστημονικές ομάδες που συμμετέχουν στα πειράματά του.

Ο LHC αναμένεται να παραμείνει ενεργοποιημένος για έξι μήνες, με συνέπεια να πραγματοποιηθούν 2 τετράκις εκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων στο εσωτερικό του.

Το παραπάνω νούμερο είναι εξαπλάσιο από τον αριθμό των συγκρούσεων το 2015 και λίγο μόλις μικρότερο από το συνολικό πλήθος συγκρούσεων που έγιναν στον επιταχυντή κατά την πρώτη φάση λειτουργίας του, η οποία διήρκεσε τρία χρόνια.

«Το 2016 θα επικεντρωθούμε στο να παράγουμε το μέγιστό αριθμό δεδομένων για τα πειράματά μας», σημείωσε χαρακτηριστικά η Φαμπιόλα Τζιανότι, γενική διευθύντρια του CERN.

O LHC είναι ο ισχυρότερος επιταχυντής στον κόσμο. Τέσσερις ανιχνευτές αναλαμβάνουν να καταγράψουν και να μελετήσουν τα «θραύσματα» που δημιουργούνται στο εσωτερικό του, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα στους επιστήμονες να ερευνήσουν τα σωματίδια που παράγονται με αυτό τον τρόπο καθώς και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις.

Στο διάστημα από το 2010 έως το 2013, η ενέργεια του επιταχυντή άγγιξε τα 8 TeV (teraelectronvolts).

Με την αναβάθμιση των συστημάτων του, η οποία διήρκεσε δύο χρόνια, η διάταξη τέθηκε ξανά σε λειτουργία την άνοιξη του 2015, αυξάνοντας την ενέργεια των συγκρούσεων στα 13 TeV.

Αυτές οι σφοδρότερες συγκρούσεις επιτρέπουν στους επιστήμονες να μελετήσουν «περιοχές» της φυσικής στις οποίες δεν είχαν πρόσβαση νωρίτερα.

Επομένως, σε αυτή τη δεύτερη φάση λειτουργίας έχει αυξηθεί κατά 25% η παραγωγή «σωματιδίων του Θεού», των μποζονίων που προσδίδουν μάζα στα υπόλοιπα σωματίδια και επιβεβαίωσε πειραματικά ο LHC στο αρχικό στάδιο των πειραμάτων.

Παράλληλα, έχει αυξηθεί πάνω από 40% η πιθανότητα ανακάλυψης βαρύτερων σωματιδίων, τα οποία δεν είχαν παραχθεί ποτέ ως σήμερα.

Σχεδόν όλη η γνώση της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων περιλαμβάνεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο, μία θεωρία που περιγράφει τους «δομικούς λίθους» της ύλης και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις, εκτός από τη βαρύτητα. Κατά το πρώτο στάδιο λειτουργίας του επιταχυντή και με την ανακάλυψη του «σωματιδίου του Θεού, ουσιαστικά επαληθεύτηκε πειραματικά και ο τελευταίος «κρίκος» του Καθιερωμένου Προτύπου.

Στον LHC εντοπίσθηκαν επιπλέον για πρώτη φορά σωματίδια που αποτελούνται από πέντε κουάρκ, ενώ επίσης μελετήθηκε το υπέρθερμο ρευστό που είχε σχηματισθεί λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Όλες αυτές οι μελέτες βρέθηκαν επίσης σε συμφωνία με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου.

«Μέχρι αυτή τη στιγμή το Καθιερωμένο Πρότυπο φαίνεται να εξηγεί τις ιδιότητες της ύλης, γνωρίζουμε όμως ότι πρέπει να υπάρχει κάτι πέρα από το συγκεκριμένο μοντέλο» σημειώνει η Ντενίζ Κάλντγουέλ, διευθύντρια του Τμήματος Φυσικής του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ.

«Αυτή η “νέα φυσική” μπορεί να αποκαλυφθεί μόνο με περισσότερα δεδομένα, τα οποία θα προκύψουν από τη δεύτερη φάση λειτουργίας του LHC».

Για παράδειγμα, το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν εξηγεί τη βαρύτητα, η οποία είναι μία από τια τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν. Επίσης, δεν παρέχει καμία ερμηνεία για τη φύση της σκοτεινής ύλης, η οποία αλληλεπιδρά με τη συμβατική ύλη αποκλειστικά μέσω της βαρύτητας.

Παράλληλα, δεν περιγράφει την αιτία που η ύλη υπερίσχυσε της αντιύλης στο «νεαρό» σύμπαν, ώστε αν δημιουργηθεί ο «κόσμος» όπως τον γνωρίζουμε σήμερα.

Πολλές θεωρίες που έχουν προταθεί περιγράφουν διαδικασίες που είναι τόσο σπάνιες, ώστε να χρειάζονται δισεκατομμύρια συγκρούσεις για να προκύψουν τα φαινόμενα που προβλέπουν και τα οποία θα τις επιβεβαίωναν.

Οι επιστήμονες χρειάζονται επίσης έναν τεράστιο όγκο δεδομένων για να παρατηρήσουν με μεγάλη ακρίβεια γνωστά φαινόμενα, τα οποία προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Οποιαδήποτε απόκλιση ανάμεσα στις προβλέψεις του μοντέλου από τη μια μεριά, και στον τρόπο που αυτά εξελίσσονται στην πραγματικότητα, ίσως αποτελέσει το πρώτο βήμα για μια «νέα φυσική».

Του Κώστα Δεληγιάννη

Μπορεί ακόμη να μην έχουν επιβεβαιωθεί τελεσίδικα οι ενδείξεις για την ύπαρξη ενός καινούριου σωματιδίου, οι οποίες ανακοινώθηκαν από τους ερευνητές του CERN στα τέλη της περασμένης χρονιάς, ωστόσο εκατοντάδες θεωρητικοί φυσικοί από όλο τον κόσμο έχουν ήδη προτείνει αρκετές θεωρίες που θα μπορούσαν να εξηγήσουν μία τέτοια ανακάλυψη.

Μέσα στους τέσσερις μήνες που έχουν μεσολαβήσει από την αποκάλυψη για πιθανά ίχνη ενός νέου «συστατικού» της ύλης, που προέκυψαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), έχουν γραφτεί πάνω από 300 επιστημονικά άρθρα με διάφορες εκδοχές για τη φύση του.

Ο ενθουσιασμός των θεωρητικών φυσικών οφείλεται στο γεγονός ότι αυτή η μυστηριώδης ανωμαλία στις συγκρούσεις στον επιταχυντή ενδέχεται να παραπέμπει σε μία θεωρία που να ξεπερνά το Καθιερωμένο Πρότυπο, δηλαδή το καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής που περιγράφει όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωμάτια και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις, εκτός από τη βαρύτητα. Επομένως, αν όντως επαληθευτεί, τότε είναι πιθανό να ανοίγει τον δρόμο για μία ακόμη πληρέστερη περιγραφή των «συστατικών» της ύλης και των θεμελιωδών δυνάμεων.

Πού θα μπορούσε όμως να οδηγεί αυτός ο δρόμος; Για να δώσει μία ένδειξη της «νέας φυσικής» που ενδεχομένως προκύψει από τη συγκεκριμένη ανακάλυψη, το περιοδικό Physical Review Letters (PRL) δημοσίευσε ενδεικτικά τέσσερα άρθρα τα οποία έχουν υποβληθεί για δημοσίευση και δίνουν μερικές από τις πιο «τολμηρές» εξηγήσεις.

Τα περισσότερα σενάρια αποδίδουν τα ίχνη σε ένα άγνωστο έως σήμερα σωματίδιο, το οποίο διασπάται σε δύο φωτόνια. Ο εντοπισμός ενός τέτοιου σωματιδίου θα ήταν πολύ πιο συναρπαστικός από την ανακάλυψη του «σωματιδίου του Θεού», λέει στο περιοδικό Nature o Κρίστοφερ Πέτερσον, θεωρητικός φυσικός από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Chalmers στη Σουηδία.

Ο λόγος είναι πως, με βάση το άρθρο του PRL, ο Πέτερσον και συνάδελφοί του από την Ελβετία προτείνουν μία εξήγηση που παραπέμπει στην υπερσυμμετρία, μία θεωρία που σε κάθε σωματίδιο του Καθιερωμένου Προτύπου αντιστοιχεί έναν υπερσυμμετρικό «εταίρο» και η οποία υπόσχεται να δώσει απαντήσεις σε μυστήρια της φυσικής, όπως η φύση τους σκοτεινής ύλης.

Στον αντίποδα, φυσικοί από το πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ υποστηρίζουν πως το επαναστατικό στοιχείο που θα φέρει στο φως το νέο σωματίδιο αφορά τη σύστασή του. Κι αυτό γιατί, όπως περιγράφουν στη μελέτη τους, το σωματίδιο αποτελεί από δύο «εξωτικά» κουάρκ – δηλαδή δύο «δομικούς λίθους» της ύλης που δεν περιλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

Από την άλλη μεριά, ερευνητές από το πανεπιστήμιο του Πεκίνου ισχυρίζονται πως οι μετρήσεις σχετίζονται με το «σωματίδιο του Θεού», δηλαδή το μποζόνιο Χιγκς που, όπως επιβεβαιώθηκε πειραματικά στο CERN, προσδίδει μάζα στα υπόλοιπα σωματίδια. Έτσι, αναφέρουν πως η «ανωμαλία» στις μετρήσεις οφείλεται σε ένα σωματίδιο παρόμοιο με το μποζόνιο Χιγκς, το οποίο όμως έχει εξαπλάσια μάζα.

Ίσως η πιο «εξωτική» εξήγηση περιγράφεται στο τέταρτο άρθρο που δημοσίευσε το Physical Review Letters (PRL), αφού σε αυτήν αναφέρεται πως οι μετρήσεις δεν προέρχονται άμεσα από το μυστηριώδες σωματίδιο. Αντίθετα, οφείλονται στη διάσπαση ενός «θραύσματος» από τη διάσπασή του, αφού το σωματίδιο έχει ακόμη μεγαλύτερη μάζα και επομένως θα χρειάζονταν ακόμη ισχυρότερες συγκρούσεις στον επιταχυντή για να εντοπιστεί.