Το Πείραμα στο CERN

Τι είναι το CERN

To CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών), ιδρύθηκε το 1954 και βρίσκεται στη Γενεύη στα ΓαλλοΕλβετικά σύνορα. Είναι το μεγαλύτερο Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών του κόσμου, με 20 κράτη μέλη και 84 χώρες συνεργαζόμενες ή παρατηρητές. Απασχολεί σε μόνιμη βάση 3.000 ανθρώπους, ενώ 6.500 Φυσικοί που εκπροσωπούν 500 Πανεπιστήμια και πάνω από 80 εθνότητες έχουν άμεση συνεργασία με το Κέντρο για τις έρευνές τους. Αποτελεί ίσως το μεγαλύτερο «Φυτώριο» Επιστημονικής Έρευνας, δεδομένου ότι τα τελευταία 10 χρόνια απονεμήθηκαν 4 βραβεία Nobel σε Επιστήμονες του Κέντρου!

Με τι ασχολείται το CERN

Το CERN ερευνά τα συστατικά της ύλης και τις δυνάμεις που τα  συγκρατούν. Μέσα από την «ανάγνωση» του Μικρόκοσμου, επιδιώκει να βρει απαντήσεις σε ερωτήματα τόσο της σύγχρονης φυσικής, όσο και σε προαιώνια, σχετικά με τη δημιουργία του Κόσμου και τη δομή του Σύμπαντος.

Τι υπάρχει στο CERN

100 περίπου μέτρα κάτω από τη Γη υπάρχουν:

ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ: Πρόκειται για γιγαντιαίες διατάξεις που επιταχύνουν σωματίδια (Ηλεκτρόνια, πρωτόνια κλπ) και τα οδηγούν σε σύγκρουση. Αιχμή του δόρατος αποτελεί ο Μεγάλος Ανιχνευτής Αδρονίων LHC (Large Hadron Collider). O LHC έχει περίμετρο 27 χιλιόμετρα, και αποτελείται από 1238 υπεραγώγιμα δίπολα βάρους 35 τόνων έκαστο. Κατασκευαζόταν επί 20 χρόνια και η ακρίβεια με την οποία συνδέθηκαν τα δύο άκρα του υπόγειου τούνελ ήταν 1 cm.

ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ: Είναι «μηχανήματα» τα οποία θα «φωτογραφήσουν τις τροχιές των σωματιδίων και θα ανιχνεύσουν νέα σωματίδια που ενδεχομένως θα προκύψουν από τις συγκρούσεις των δεσμών , όπως το Μποζόνιο Χιγκς. Υπάρχουν 6 ανιχνευτές για το «πείραμα», από τους οποίους οι 2 νεότεροι είναι κολοσσιαίων μεγεθών. Ο ανιχνευτής ΑΤΛΑΣ  έχει βάρος 7.000 τόνους (δηλαδή λίγο μεγαλύτερο από το βάρος του Πύργου του Άϊφελ στο Παρίσι), ενώ ο ανιχνευτής CMS  έχει βάρος 12.000 τόνους, και θεωρείται το μεγαλύτερο και πολυπλοκότερο μηχάνημα που κατασκευάσθηκε ποτέ στη Γη!  Ο πρώτος συναρμολογήθηκε στη θέση που βρίσκεται, ενώ ο δεύτερος συναρμολογήθηκε στην επιφάνεια και απαιτήθηκε η δημιουργία ειδικών Γερανών για να κατεβάσουν τα εξαρτήματά του στο βάθος των 100 μέτρων. Οι δύο αυτοί ανιχνευτές, έχουν ύψος εξαώροφου κτιρίου και είναι ασφυκτικά γεμάτοι με καλώδια, οπτικές ίνες και πανάκριβα ηλεκτρονικά συστήματα, υψηλής τεχνολογίας.

Στην επιφάνεια της Γης υπάρχουν:

ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ: Πέρα από τα Κέντρα Ελέγχου και τα δεκάδες Εργαστήρια Φυσικών Επιστημών και Η/Υ που υπάρχουν στο CERN, υπάρχει δίκτυο Υπολογιστών διασπαρμένο σε δεκάδες Πανεπιστήμια, που θα επεξεργάζονται τα δεδομένα του Πειράματος, στα πλαίσια ενός πρωτοποριακού Προγράμματος του GRID.

MIA ΠΟΛΙΤΕΙΑ άριστα οργανωμένη, με εξειδικευμένα εργαστήρια, ξενώνες, κέντρα διοίκησης, εστιατόρια, αμφιθέατρα, βιβλιοθήκες κλπ.  

Τι θα γίνει στο «Πείραμα»;

Περί τα τέλη του 2008 – αν δεν υπάρξουν τεχνικά προβλήματα - σε μια  ουσιαστική έναρξη του «Μεγάλου Πειράματος», ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), θα επιταχύνει δύο δέσμες πρωτονίων, που θα κινηθούν  κυκλικά στο τούνελ των 27 χιλιομέτρων, με αντίθετη φορά. Μόλις οι δέσμες πιάσουν την ταχύτητα του φωτός, ή για την ακρίβεια το 99,999% της ταχύτητας του φωτός, θα εκτραπούν λίγο από την πορεία τους και θα συγκρουσθούν. Ακούγεται απλό. Αν όμως αναλογισθούμε ότι λίγο πριν συγκρουσθούν οι δέσμες πρωτονίων θα κάνουν 11.220 περιστροφές των 27 χιλιομέτρων  το δευτερόλεπτο, ότι κάθε δέσμη θα περιέχει 2.808 μικρότερες δεσμίδες (πακέτα), ότι κάθε πακέτο θα περιέχει 115 δισεκατομμύρια πρωτόνια και όλα αυτά σε πάχος μικρότερο από το πάχος μιας τρίχας, τότε είναι λογικό, ότι για να πραγματοποιηθούν οι αλλεπάλληλες συγκρούσεις των δεσμίδων θα πρέπει οι τεχνικοί να επιτύχουν συνθήκες εξαιρετικής ακρίβειας χρόνου, θέσης κλπ. Στο χρόνο για παράδειγμα μιλάμε για ακρίβειες της τάξης του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου!

Οι συγκρούσεις που θα πραγματοποιούνται στην καρδιά των τεσσάρων ανιχνευτών, θα είναι τόσο σφοδρές που   με την τερατώδη ενέργεια των 14 TeV (Tέρα-ηλεκτρονιοβόλτ)   θα  δημιουργήσουν τις ακραίες συνθήκες της Μεγάλης Έκρηξης και της δημιουργίας του Σύμπαντος!  Οι Επιστήμονες προσδοκούν ότι στις συνθήκες αυτές η ύλη θα μας αποκαλύψει καλά κρυμμένα για αιώνες μυστικά της.

Οι 4 ανιχνευτές (ΑTLAS, CMS, ALICE  και LHCb) και οι 2 μικρότεροι (TOTEM και LHCf), αφού καταγράψουν τα συμβάντα (συγκρούσεις), θα τα φιλτράρουν «πετώντας» τα αδιάφορα και θα τα στείλουν για επεξεργασία στο Παγκόσμιο δίκτυο GRID στο οποίο είναι συνδεδεμένα δεκάδες Ερευνητικά Κέντρα και Πανεπιστήμια του Κόσμου. Κάθε ανιχνευτής είναι εξειδικευμένος για μελέτη διαφορετικών αντικειμένων. Ο ATLAS (1700 Επιστήμονες) θα αναζητήσει το Μποζόνιο Higgs και τυχόν υπερσυμετρικά συστατικά της σκοτεινής ύλης. Ο CMS (2000 Επιστήμονες) χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία έντασης 4 tesla, δηλαδή 100.000 φορές ισχυρότερα από το Γήινο, θα κάνει πειράματα ανάλογα με αυτά του ATLAS, αλλά με διαφορετικές τεχνικές. Ο ALICE (1000 Επιστήμονες) θα μελετήσει το πλάσμα κουάρκς-γκλουονίων μια μορφή ύλης που πιστεύεται ότι υπήρξε στο Σύμπαν από το 10ο μέχρι το 25ο δευτερόλεπτο της δημιουργίας του, πριν από 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Οι συγκρούσεις μεταξύ βαρέων ιόντων που θα μελετήσει ο ALICE αναμένεται να δώσουν θερμοκρασίες 100.000 φορές μεγαλύτερες από τη θερμοκρασία του πυρήνα το Ήλιου!  Ο LHCb (650 Επιστήμονες) θα μελετήσει σωματίδια που ονομάζονται β-Μεσόνια και θα ερευνήσει τις διαφορές ανάμεσα σε ύλη και αντιύλη. Οι δύο μικρότεροι ανιχνευτές θα μετρήσουν την φωτεινότητα της σύγκρουσης και μεγέθη του πρωτονίου (ΤΟΤΕΜ) και θα αξιοποιήσουν τα σωματίδια που θα παραχθούν στον Επιταχυντή στην παραγωγή κοσμικών ακτίνων σε συνθήκες Εργαστηρίου (LHCf).

Τα αποτελέσματα θα αξιολογηθούν από εξειδικευμένους Επιστήμονες για εξαγωγή συμπερασμάτων, μέσα από μια επίπονη διαδικασία που αναμένεται να διαρκέσει ίσως και μερικά χρόνια.

  

O Επιταχυντής και το σύστημα των 4 ανιχνευτών

Ερωτήματα που ζητούν απαντήσεις

Οι απαντήσεις που αναμένονται ίσως να απαιτήσουν πολλά χρόνια συστηματικής Έρευνας και επεξεργασίας των αποτελεσμάτων. Μερικά ερωτήματα στα  οποία η επιστημονική κοινότητα  περιμένει απαντήσεις από το «Πείραμα» είναι τα εξής:

–        Τι έγινε το «σκοτεινό» πρώτο δευτερόλεπτο της δημιουργίας του Σύμπαντος πριν από 15 δισεκατομμύρια χρόνια; Μέσα από πιο «Μηχανισμό» περάσαμε από την μη ύπαρξη στην ύπαρξη;

–        Γιατί εξαφανίσθηκε η αντιύλη από το Σύμπαν, ενώ θεωρείται ότι δημιουργήθηκε σε ίσες ποσότητες με την ύλη αρχικά;

–        Υπάρχει το αινιγματικό σωματίδιο Higgs που δίνει μάζα σε ορισμένα σωματίδια , ενώ δεν δίνει σε κάποια άλλα; («Σωματίδιο του Θεού» το ονόμασαν , «Άγιο Δισκοπότηρο» της Φυσικής κάποιοι άλλοι)

–        Ποια είναι η προέλευση της μάζας;

–        Θα επιβεβαιωθεί η Θεωρία των χορδών;

–        Τι είναι η «σκοτεινή» ύλη και η «σκοτεινή» ενέργεια;

–        Το Σύμπαν είναι τετραδιάστατο ή πολυδιάστατο;

–        Θα  αποδειχθεί πειραματικά η ύπαρξη των Γκραβιτονίων που αποτελούν τους φορείς της πλέον προσιτής αλλά και πλέον ασθενούς δύναμης της βαρύτητας;

–        Θα μπορέσουμε να φθάσουμε στην ενοποίηση των τεσσάρων βασικών δυνάμεων, δηλαδή της Ισχυρής, της Ηλεκτρομαγνητικής, της Ασθενούς και της Βαρύτητας;

Εντυπωσιακά μεγέθη

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων LHC

–        θα συγκεντρώσει ενέργεια "κέντρου μάζας" 14 TeV (7 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του αντίστοιχου επιταχυντή Tevatron στο Fermilab (ΗΠΑ)), οπότε θα επιτρέψει την ανίχνευση νέων σωματιδίων με μάζα έως και 5 TeV
(1 Tev = 1 Τέρα Ηλεκτρονιοβόλτ = 1012 Ηλεκτρονιοβόλτ, είναι περίπου η ενέργεια ενός κουνουπιού που πετάει. Μόνο που ο LHC θα συγκεντρώσει την ενέργεια 14 ιπταμένων κουνουπιών σε χώρο 1 τρισεκατομμύριο φορές μικρότερο από αυτόν του ενός κουνουπιού).

–        θα παρέχει "φωτεινότητα" ίση με 1034 σωματίδια ανά τετραγωνικό εκατοστό και ανά δευτερόλεπτο (100 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Tevatron), επιτρέποντας ανίχνευση πολύ σπάνιων διασπάσεων.

–        θα υποχρεώνει τα πρωτόνια να κάνουν 11 200 περιστροφές το δευτερόλεπτο στο τούνελ των 27 χιλιομέτρων!

–        θα έχει ισχύ περίπου 120 MW (Μέγα Βαττ).

–        θα χρησιμοποιεί μαγνήτες των οποίων τα υπεραγώγιμα καλώδια ,από κράμα Τιτανίου-Νιοβίου, θα έχουν συνολικό μήκος 7600 km. Τα καλώδια αυτά είναι κατασκευασμένα από πολύ λεπτά σύρματα (δέκα φορές λεπτότερα από μια ανθρώπινη τρίχα) με συνολικό μήκος όσο 5 φορές η απόσταση Γης-Ηλίου!

–        θα δημιουργεί, στον κυκλικό σωλήνα που θα κυκλοφορούν οι δύο δέσμες, κενό που αντιστοιχεί σε υψόμετρο 1000 km. Το κενό αυτό είναι αναγκαίο για την αποφυγή συγκρούσεων των πρωτονίων με μόρια του αέρα. Η πίεση μέσα στο σωλήνα θα είναι της τάξης των 10-13 atm .

–        θα κρατά το συνολικό σύστημα των 9.593 υπεραγώγιμων μαγνητών του σε θερμοκρασία 1,9 Κ (ή -271,1 oC, δηλ. ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν), χρησιμοποιώντας  10.080 τόνους υγρού Αζώτου αρχικά και 120 τόνους υγρού Ηλίου   στη συνέχεια..

–        θα αποθηκεύει σε κάθε δέσμη του ενέργεια 360 MJ (Μέγα Τζάουλ): Δηλαδή, 2808 δεσμίδες · 1,15·1011πρωτόνια  · 7 TeV=362 MJ

Αυτή η ενέργεια μπορεί να συγκριθεί με την:

1. Κινητική ενέργεια ενός τραίνου 400 τόνων που κινείται με ταχύτητα 150 km/h.
2. Χημική ενέργεια 80 kg TNT ή 70 kg σοκολάτας (υπολογίζοντας τις θερμίδες). Βέβαια, η ενέργεια της σοκολάτας απελευθερώνεται πολύ πιο αργά από την αντίστοιχη της TNT!!
3. Θερμική ενέργεια που απαιτείται για την τήξη 500 kg χαλκού.

Ακόμη…

–        Οι Ηλεκτρομαγνήτες του LHC θα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο 8,3 Tesla, καθώς θα διαρέονται  από ρεύμα έντασης 11.700 Α.   (οι αντίστοιχοι μαγνήτες του  Fermilab δημιουργούν πεδίο 2 Tesla).

–        Αν ο LHC χρησιμοποιούσε συμβατικούς μαγνήτες αντί για υπεραγώγιμους, για να πετύχει τις ίδιες επιδόσεις θα έπρεπε να έχει περιφέρεια 120 χιλιομέτρων αντί των 27 και να κατανάλωνε 40 φορές περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια.

–        Αν και η ενέργεια των συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων της τάξης των 14 TeV είναι τεράστια, ο LHC θα μπορεί να επιταχύνει δέσμες ιόντων Μολύβδου με ενέργεια σύγκρουσης 1150 TeV.

–        Ο LHC μπορεί να δημιουργήσει συνθήκες που θα μοιάζουν με τις συνθήκες του 10-25 sec μετά την Μεγάλη Έκρηξη, όταν η θερμοκρασία του Σύμπαντος ήταν 1017 oC.

–        150 εκατομμύρια αισθητήρες θα παίρνουν 40 εκατομμύρια μετρήσεις το δευτερόλεπτο, ανιχνεύοντας 600 εκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων το δευτερόλεπτο. Μετά από το φιλτράρισμά τους θα αποθηκεύονται τα δεδομένα από 100 περίπου εκατομμύρια συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτο, με ρυθμό 700 Mbyte ανά δευτερόλεπτο. Αυτό θα δίνει 15 εκατομμύρια GB, ανά έτος, που σημαίνει ότι αν εγγράφονταν σε CD τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο θα έδιναν στήλη ύψους 20 χιλιομέτρων.

Πόσο ασφαλές είναι το «Πείραμα»;

Επειδή ο LHC θα δημιουργήσει συνθήκες ενέργειας, πυκνότητας, φωτεινότητας κλπ που κανένα άλλο μηχάνημα δεν έχει ξαναδημιουργήσει, είναι λογικό να υπάρχει προβληματισμός,  σχετικά με τις συνθήκες ασφάλειας του Πειράματος.

Η Ομάδα Διαχείρισης Ασφάλειας του LHC (LSAG)  ανανέωσε την ανάλυση που είχε κάνει το 2003 η Ομάδα Μελέτης Ασφάλειας του LHC που απαρτίζονταν από ανεξάρτητους Επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας (Santa Barbara), της Ρώσικης Ακαδημίας  Επιστημών και του CERN.

Οι κυριότερες επιφυλάξεις που έχουν διατυπωθεί αφορούν:

1)      Την δημιουργία από το LHC  Κοσμικών ακτίνων.

2)       Την δημιουργία μικροσκοπικών Μελανών Οπών.

3)      Την δημιουργία Φυσαλίδων Κενού, δηλαδή μιας σταθερότερης για το Σύμπαν κατάστασης  .

4)      Την δημιουργία μαγνητικών Μονόπολων που μπορούν να διασπάσουν τα πρωτόνια

5)      Τον πιθανό σχηματισμό «Παράξενης Ύλης» (Strangelet), που είναι μικροσκοπικά συσσωματώματα τριών από τα έξη θεμελιώδη σωματίδια της ύλης (άνω κουάρκ, κάτω κουάρκ και παράξενου κουάρκ) και που υπάρχει ο προβληματισμός μήπως αλληλεπιδράσει με την συνήθη ύλη και την μετατρέψει σε «παράξενη».

Η LSAG αντικρούει με επιστημονικά επιχειρήματα και μελέτες, όλες τις παραπάνω επιφυλάξεις, και άλλες ακόμη πιο απίθανες, τονίζοντας ιδιαίτερα το γεγονός ότι η ίδια η Φύση με τις Φυσικές Κοσμικές ακτίνες που βομβαρδίζουν καθημερινά τη Γη, δημιουργεί πολύ πιο ακραίες συνθήκες από αυτές του «Πειράματος». Αν υπήρχε όντως πρόβλημα η Γη θα έπρεπε να είχε ήδη καταστραφεί.

Περισσότερες πληροφορίες μπορείτε να έχετε στην ίδια την έκθεση (http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf) καθώς και στο δελτίο τύπου της 20^ης Ιουνίου 2008 του CERN.

Αξίζει τον κόπο;

Το ερώτημα που δικαιολογημένα πλανάται στη σκέψη  πολλών ανθρώπων είναι αν άξιζε τον κόπο και τα χρήματα όλη αυτή η μεγαλεπήβολη προσπάθεια του Ανθρώπου. Μήπως θα ήταν προτιμότερο , τα   δισεκατομμύρια ευρώ που δαπανήθηκαν για το Πείραμα, να είχαν χρηματοδοτήσει κοινωνικές υποδομές και προγράμματα καταπολέμησης της πείνας και της φτώχειας που μαστίζουν τον πλανήτη;  

Κανένας σήμερα δεν μπορεί να μιλήσει με ακρίβεια για τα αναμενόμενα πρακτικά οφέλη. Στη Γενεύη τις μέρες αυτές οι Επιστήμονες προσπαθούν να ανοίξουν ένα νέο Κεφάλαιο στη Θεωρητική Φυσική με πιθανότατες συνταρακτικές εφαρμογές στην   Τεχνολογία.

Αξίζει να θυμίσουμε δύο περιστατικά από το παρελθόν, που δίνουν ίσως, την καλύτερη απάντηση στο ερώτημα «που θα χρησιμεύσουν όλα αυτά»

Όταν o J.J.Tomson ανακάλυψε στις καθοδικές ακτίνες ένα καθολικό συστατικό της ύλης που αρχικά το ονόμασε «σωματίδιο» και σήμερα το ονομάζουμε  ηλεκτρόνιο, αγνοούσε που μπορεί να αξιοποιηθεί. Στο Εργαστήριο του Cavendish την εποχή εκείνη, στην ετήσια Χριστουγεννιάτικη γιορτή έκαναν την πρόποση «Ζήτω το σωματίδιο! Μακάρι να ήταν χρήσιμο σε κάποιον»!

Ο δε Faraday  απαντώντας σε δύσπιστο μέλος της Βρετανικής Κυβέρνησης για το πού μπορεί να χρησιμεύσει ο Ηλεκτρισμός, είπε: «Μα κάποια μέρα μπορείτε να τον φορολογήσετε», αγνοώντας και ο ίδιος τις άμεσες εφαρμογές του. Σήμερα ας αναλογισθούμε απλά τις ηλεκτρονικές εφαρμογές  και τον ηλεκτρισμό στην ζωή μας.

 Το CERN  στο οποίο αναπτύσσεται το «Πείραμα» έχει προσφέρει ήδη στην Ανθρωπότητα πολλά «δώρα» που αποτελούν «παράπλευρες ωφέλειες» των θεωρητικών του ερευνών. Το Παγκόσμιο δίκτυο (WWW) ξεκίνησε εκεί, όπως και Νοσοκομειακοί Επιταχυντές, Αξονικοί τομογράφοι και Σύγχρονες Διατάξεις που χρησιμοποιεί η Ιατρική Επιστήμη μπόρεσαν να κατασκευασθούν επειδή προχώρησε η έρευνα στην Πυρηνική Φυσική.  Ήδη χρησιμοποιούνται επιταχυντές Πρωτονίων για αποτελεσματική αντιμετώπιση καρκινικών όγκων.  Η τεχνική εμφύτευσης δέσμης ιόντων χρησιμοποιείται στις μηχανές αεροσκαφών αλλά και στην εμφύτευση τεχνητών ανθρώπινων μελών. Η τεχνολογία των επιταχυντών σωματιδίων βοηθά σε πολλές ακόμη  περιπτώσεις όπως στην αποκωδικοποίηση της δομής των ιών, στην αποικοδόμηση μακρόβιων πυρηνικών αποβλήτων σε αβλαβή υλικά κλπ…

Το πιό μεγάλο ώφελος

Ανεξάρτητα από τα προσδοκώμενα οφέλη, το «Μεγάλο Πείραμα» έφερε κοντά 10.000 επιστήμονες απ’ όλο τον κόσμο, που πρόσφεραν το Πνευματικό τους δυναμικό στην πιο περίπλοκη επιστημονική συνεργασία που έγινε ποτέ. Το «Πείραμα» επομένως, στην ταραγμένη εποχή που ζούμε, αποτελεί πρότυπο διεθνούς συνεργασίας και καλής θέλησης, κάτι που το έχουμε περισσότερο ανάγκη από ποτέ.