Η εκπομπή της Τετάρτης: Τα πειράματα του CERN

Το μεγαλύτερο πείραμα που έγινε ποτέ στη φυσική, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) θα προσoμοιώσει τις συνθήκες που επικράτεισαν λίγο μετά το Big Bag σε μια προσπάθεια να δοθούν απαντήσεις σε θεμελιώδη ερωτήματα της επιστήμης.Η προετοιμασία του πειράματος διαρκεί εδώ και χρόνια. Η πρώτη δοκιμαστική δέσμη πρωτονίων θα διοχετευθεί την Τετάρτη. Ο επιταχυντής θα τίθεται σταδιακά σε λειτουργία. Πλήρης λειτουργία του θα επιτευχθεί το 2011, ενώ τα πειράματα θα κρατήσουν περί τα είκοσι χρόνια.
Τα κύρια πειράματα είναι τέσσερα: Η επιβεβαίωση ή μη της ύπαρξης του σωματιδίου Higgs, του σωματιδίου που δίνει μάζα στα άλλα σωματίδια, την ύπαρξη του οποίου εντόπισε θεωρητικά ο σκωτσέζος φυσικός Higgs, η διαμόρφωση συνθηκών παρόμοιων με ελάχιστο χρόνο μετά το Big Bag, η αναζήτηση σκοτεινής ύλης και η αναζήτηση αντιύλης.
Τα παραπάνω θα αναζητηθούν με τη βοήθεια ανιχνευτών εγκατεστημένων σε τέσσερα σημεία του κυκλικού επιταχυντή μήκους 27 χιλιομέτρων.
Αναλυτικότερα τα πειράματα και οι ανιχνευτές που θα χρησιμοποιηθούν στο LHC είναι:

Ο ανιχνευτής CMS- Compact Muon Solenoid

O CMS και ο Atlas είναι οι κύριοι ανιχνευτές του LHC που θα αναζητήσουν το μποζόνιο Higgs. Το σωματίδιο αυτό, μέσω του μηχανισμού Higgs αλληλεπιδρά με τα υπόλοιπα σωματίδια που γνωρίζουμε στο Καθιερωμένο Μοντέλοl και είναι υπεύθυνο για τη μάζα του.
Θα διερευνήσει την πρωταρχική φύση της ύλης και τις βασικές δυνάμεις που διαμορφώνουν το σύμπαν μας. Παρόλο που έχει τους ίδιους επιστημονικούς στόχους με τον ανιχνευτή Atlas, ο CMS θα χρησιμοποιήσει διαφορετικές τεχνικές λύσεις και ενα διαφορετικό σχεδιασμό στην παραγωγή του μαγνητικού του πεδίου. Ο ανιχνευτής CMS είναι κατασκευασμένος γύρω από έναν τεράστιο σωληνοειδή μαγνήτη. Πρόκειται για μια κυλινδρική σπείρα από υπεραγώγιμο καλώδιο, που παράγει ισχυρό μαγνητικό πεδίο, περίπου 100 χιλιάδες φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της γης. Αυτό το μαγνητικό πεδίο περιβάλλεται από ένα είδος σιδερένιου ζυγού, ο οποίος στους 12.500 τόνους, αποτελεί τον κύριο όγκο του βάρους του CMS.
Σε αντίθεση με τους άλλους ανιχνευτές του LHC, οι οποίοι έχουν κατασκευαστεί υπόγεια, ο CMS κατασκευάστηκε στην επιφάνεια του εδάφους και έπειτα μεταφέρθηκε υπογείως σε 15 κομμάτια και επανασυναρμολογήθηκε. Βρίσκεται στο Cessy στη Γαλλία και για την υλοποίηση του project εργάστηκαν περισσότεροι από 2.000 επιστήμονες από περίπου 40 χώρες.
Απαραίτητη προυπόθεση για τη λειτουργία του CMS ήταν:
-ένα σύστημα υψηλής απόδοσης για να ανιχνεύσει μυόνια.
-μια μέθοδο υψηλής ανάλυσης για να ανιχνεύσει και να μετρήσει ηλεκτρόνια και φωτόνια (ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο).
-μια μέθοδο ακριβούς μέτρησης της ορμής των σωματιδίων (TRACKING SYSTEM)
- ¨ενα πλήρως στεγανοποιημένο αδρονικό καλορίμετρο προκειμένου να αποκλείσει τις αλληλεπιδράσεις με σωματίδια του περιβάλλοντος.

Στοιχεία για τον CMS
Μέγεθος: 21 m. Μήκος, 15 m ύψος, 15 m πλάτος
Βάρος: 12.500 τόνοι
Κόστος υλικών: 458 εκ. δολάρια


Ο Atlas και η αναζήτηση της σκοτεινής ύλης


Είναι ένα από τα τέσσερα βασικά πειράματα του LHC. Ο Atlas θα αναζητήσει νέα φυσική στις συγκρούσεις πρωτονίων, τα οποία επιταχύνονται σε φανταστικές ενέργειες.
Ο ανιχνευτής Atlas έχει μήκος περίπου 45 μέτρα, ύψος μεγαλύτερο από 25 μ., και βάρος περίπου 7 χιλιάδες τόνους. Έχει περίπου το μισό μέγεθος από την Παναγία των Παρισίων και ζυγίζει σχεδόν όσο και ο Πύργος του Άιφελ. Βρίσκεται στο Meyrin της Ελβετίας και θα αναζητήσει επίσης τις επιπλέον διαστάσεις του διαστήματος, μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, καθώς και αποδείξεις για την σκοτεινή ύλη.
Αν όλα τα στοιχεία που θα δώσει ο Atlas καταγράφονταν, για ένα μόλις δευτερόλεπτο θα χρειάζονταν στοίβες από CD, καθεμιά εκ των οποίων θα έφτανε τα 137 μέτρα!
Το βασικό στοιχείο του ανιχνευτή Atlas είναι το τεράτιο, σε σχήμα ντόνατ, μαγνητικό του σύστημα. Αποτελείται από οκτώ υπεραγωγίμες μαγνητικές σπείρες, μήκους 25 μέτρων, οι οποίες είναι τοποθετημένες σε έναν κύλινδρο ο οποιός περιβάλλειι τον επιταχυντή στο σημείο όπου θα συγκρουονται τα σωματίδια.

Περισσότεροι από 1700 επιστήμονες, από 159 ινστιτούτα σε 37 χώρες εργάστηκαν για το πείραμα. Οι ερωτήσεις που ελπίζουν να απαντήσουν αφορούν την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων, η εύρεση του σωματιδίου Higgs και η ανακάλυψη σωματιδίων υποψήφια για τη σκοτεινή ύλη.



Στοιχεία για τον ATLAS

Μέγεθος: 46m μήκος, 15m ύψος, 15m πλάτος
Βάρος: 12,500 τόνοι
Κόστος υλικών: 457 εκατομμύρια δολάρια



ALICE (Α Large Ion Collider Experiment): οι στιγμές μετά το Big Bang

Ενώ οι υπόλοιποι ανιχνευτές του LHC θα βασιστούν στη σύγκρουση δεσμών πρωτόνιων, o Alice βασίζεται στη σύγκρουση ηλεκτρικά φορτισμένων πυρήνων μολύβδου .Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι θα επαναδημιουργήσουν την κατάσταση της ύλης που ονομάζεται quark-gluon πλάσμα, μια τέταρτη κατάσταση της ύλης η οποία επικράτησε αμέσως μετά το Big Bang.
Η ύλη ήταν σε αυτή την «υγρή» μορφή, επειδή το πρώιμο σύμπαν ήταν ακόμη εξαιρετικά θερμό. Ο ανιχνευτής Alice θα χρησιμοποιηθεί για να μελετήσει το quark-gluon πλάσμα στις φάσεις της διαστολής και της ψύξης. Με αυτό τον τρόπο θα παρατηρήσουν πώς προοδευτικά γεννιούνται τα σωματίδια, τα οποία αποτελούν τη βάση της ύλης του σύμπαντος σήμερα.
Κάθε άτομο περιέχει ένα πυρήνα, το οποίο αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια με τη σειρά τους αποτελούνται από quarks, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους μέσω άλλων στοιχείων, τα οποία ονομάζονται γλουόνια.
Οι συγκρούσεις των ιόντων μολύβδου στον LHC θα προκαλέσει θερμοκρασίες υψηλότερες κατά 100 χιλιάδες φορές από αυτές που επικρατούν στο κέντρο του ήλιου. Κάτω από αυτές τις συνθήκες οι επιστήμονες ελπίζουν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια θα «λιώσουν», αποδεσμεύοντας τα quark από τα γλουόνια και θα δημιουργήσουν την επιθυμητή κατάσταση του πλάσματος.
Τα ερωτήματα που οι επιστήμονες ελπίζουν να απαντήσουν είναι¨

- Τι συμβαίνει στην ύλη όταν θερμανθεί σε θερμοκρασία υψηλότερη κατά 100.000 φορές από αυτή στο κέντρο του ήλιου,

- Γιατί τα πρωτόνια και τα νετρόνια σιγήζουν 100 φορές περισσότερο σε σχέση με τα quark από τα οποία αποτελούνται.

-Μπορούν τα quark να υπάρξουν ελεύθερα στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων.
Ο μήκους 26 μέτρων και βάρους 10 χιλιάδων τόνων ανιχνευτής βρίσκεται στο St Gennis- Pouilly στη Γαλλία.
Στοιχεία για τον ALICE

Μέγεθος: 26m μέτρα, 16m ύψος, 16m πλάτος
Βάρος: 10,000 τόνοι
Κόστος υλικών: 104 εκ. δολάρια
LHCb, η αναζήτηση της αντιύλης


Ο ανιχνευτής LHC Beauty σχεδιάστηκε για να απαντήσει σε ένα συγκεκριμένο ερώτημα: πού πήγε όλη η αντι-ύλη;
Ίσες ποσότητες ύλης και της αντίστροφης αντι-ύλης δημιουργήθηκαν από το Big Bang, αλλά σήμερα δεν έχουμε καμία απόδειξη για γαλαξίες αντι-ύλης, για παράδειγμα, ή αστέρια.
Για να το πετύχει αυτό ο LHCb θα διερευνήσει τις μικρές διαφορές ανάμεσα στην ύλη και την αντι-ύλη, μελετώντας τον τύπο ενός σωματιδίου που ονομάζεται “beauty quark”.
Αντί να περιβάλει το σύνολο του σημείου σύγκρουσης με έναν ενσωματωμένο ανιχνευτή, όπως ο Atlas και ο CMS, το πείραμα LHCb χρησιμποιεί μια σειρά από υπο-ανιχνευτές. Ο πρώτος από αυτούς βρίσκεται κοντά στο σημείο σύγκρουσης, ενώ οι υπόλοιποι είναι κολλημένοι ο ένας, πίσω από τον άλλον σε απόσταση 20 μέτρων.
Ο επιταχυντής θα παραγάγει διαφορετικούς τύπους quark όταν τα σωματίδια συγκρουστούν. Για να «πιάσει» τα beauty quarks ο LHCb έχει αναπτύξει περίπλοκους κινούμενους ανιχνευτές κοντά στο σημείο που θα κινούνται οι δέσμες σωματιδίων μέσα στον επιταχυντή.
Στοιχεία για τον LHCb

Μέγεθος: 440m μήκος, 5m ύψος, 5m πλάτος
Βάρος: 20 τόνοι
Κόστος υλικών: 6 εκατομμύρια δολάρια


Το τούνελ

Η βασική δομή του LHC είναι ένας δακτύλιος περιφέρειας 27 μέτων από υπεραγώγιμους μαγνήτες.
Βασική του δουλειά είναι να πολλαπλασιάσει την ενέργεια των σωματιδίων, τα οποία θα συγκρουστούν στους διάφορους ανιχνευτές που βρίσκονται γύρω από τον δακτύλιο. Μέσα στο τούνελ υπάρχουν δύο χωριστοί κενοί σωλήνες, οι οποίοι καναλιζάρουν τα σωματίδια σε ταχύτητα που σχεδόν φτάνει την ταχύτητα του φωτός. Αυτές οι δέσμες σωματιδίων ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Τα σωματίδια οδηγούνται γύρω από τον δακτύλιο από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Χιλιάδες μαγνήτες διαφορετικού μεγέθους και τύπου χρησιμοποιούνται για να κατευθύνουν τις δέσμες γύρω από τον επιταχυντή. Σε αυτούς περιλαμβάνονται περισσότεροι από 1200 διπολικοί μαγνήτες, καθένας εκ των οποίων είναι μήκους 15 μέτρων και χρησιμοποιούνται για για να δίνουν στις δέσμες την
απαραίτητη καμπυλότητα. Περίπου 400 τετραπολικοί μαγνήτες, καθένας μήκους 5 και 7 μέτρων, χρησιμοποιούνται για να συγκεντρωθούν τα σωματίδια.
Ένας τρίτος τύπος μαγνήτη χρησιμοποιείται για να πιεστούν τα σωματίδια πιο κοντά μεταξύ τους και να αυξηθούν οι πιθανότητες σύγκρουσης. Πολλοί από αυτούς τους μαγνήτες είναι κατασκευασμένοι από σπείρες υπεραγώγιμου ηλεκτρικού καλωδίου, το οποίο διοχετεύει ηλεκτρισμό με μικρή αντίσταση και επομένως με μικρή απώλεια ενέργειας.
Για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα τα καλώδια ψύχονται πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 C), με τη χρήση υγρού ηλίου. Αυτό διοχετεύεται μέσα σε ένα σφραγισμένο δίκτυο μέσα στον επιταχυντή σε έξι “cryoplants”, τα οποία βρίσκονται γύρω από τον δακτύλιο. Όλα αυτά καταγράφονται και διευθύνονται από ένα κέντρο ελέγχου. Εδώ, οι επιστήμονες θα ανακατέψουν τις δέσμες σωματιδίων προκειμένου να διασφαλίσουν ότι θα προκύψουν συγκρούσeυς στους ανιχνευτές που βρίσκονται γύρω από το κύκλωμα.


Το Grid
Το LHC θα παραγάγει τεράστια ποσότητα δεδομένων με περίπου 150 εκατομμύρια αισθητήρες να συλλέγουν την πληροφορία από τα εκατομμύρια των συγκρούσεων των σωματιδίων κάθε δευτερόλεπτο στο κέντρο του καθενός από τους τέσσερις βασικούς ανιχνευτές.
Για παράδειγμα μόνο κατά τις μετρήσεις του πείραματος ALICE –οι οποίες δε θα γίνονται σε καθημερινή βάση- θα παράγεται 1 gigabyte δεδομένων κάθε δευτερόλεπτο, ή περίπου 15 petabytes κάθε χρόνο, ικανό να γεμίζει έναν κοινό σκληρό δίσκο των 100 GB κάθε τέσσερα λεπτά. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, δημιουργήθηκε ένα εξειδικευμένο πληροφοριακό σύστημα, το Grid (LCG)
Η επεξεργασία των αριθμών ξεκινά από τον ανιχνευτή. Καθένα απο τα τέσσερα βασικά πειράματα έχει ενσωματωμένο έναν «υπολογιστικό χώρο», που χρησιμοποιείται για να ταξινομήσει τα ακατέργαστα δεδομένα και να αποθηκεύσει ό,τι ενδιαφέρει.
Παρτίδες δεδομένων στέλνονται έπειτα στο υπολογιστικό κέντρο του CERN όπου δημιουργείται backup σε κασέτα. Ένας επεξεργαστής «φάρμας» αρχίζει το τεράστιο έργο της επεξεργασίας των δεδομένων για τη δημιουργία μιας περίληψης γεγονότων (event summary), της οποίας επίσης γίνεται backup σε κασέτα.
Από την Ελβετία τα δεδομένα διοχετεύονται στο δίκτυο σε 11 αποκαλούμενα «tier one» κέντρα, όπως αυτό του Rutherford Appleton Laboratory στη Βρετανία, καθένα εκ των οποίων συνδέεται με το CERN μέσω ειδικής καλωδίωσης. Κάθε κέντρο επανεπεξεργάζεται τα ωμά δεδομένα, δημιουργεί ένα ακόμη backup και έπειτα τα διοχετεύει στα 150 «tier two» κέντρα, κυρίως πανεπιστήμια σε διάφορα σημεία του πλανήτη. Από εκεί, η πληροφορία θα είναι διαθέσιμη σε περίπου 7000 φυσικούς, οι οποίοι θα πραγματοποιήσουν τις τελικές εξομοιώσεις και την εμπεριστατωμένη ανάλυση.
Άλλα πειράματα

Στο LHC είναι προγραμματισμένο να τρέξουν συνολικά έξι πειράματα. Τα τέσσερα τα έχουμε, ήδη περιγράψει παραπάνω ενώ τα δύο μικρότερα είναι το Totem και το LHCf.
Αυτά τα εξειδικευμένα μηχανήματα έχουν σχεδιαστεί για να επικεντρωθούν στα ονομαζόμενα «forward particles». Αυτά τα πρωτόνια και βαρέα ιόντα θα έρθουν σε στενή επαφή μέσα στο μηχάνημα, αλλά δεν θα συγκρουστούν μετωπικά, όπως στα κύρια πειράματα.
Το LHCf βρίσκεται κοντά στον ανιχνευτή Atlas και θα χρησιμοποιηθεί για να εξομοιώσει τις κοσμικές ακτίνες. Αυτές είναι φυσικά προκύπτοντα φορτισμένα σωματίδια εκτός διαστήματος, τα οποία βομβαρδίζουν την ανώτερη ατμόσφαιρα της γης.
Όταν συγκρούονται με άλλα μόρια στην ανώτερη ατμόσφαιρα, κυρίως με οξυγόνο ή άζωτο, μπορούν να προκαλέσουν έναν κατακλυσμό σωματιδίων (particle shower).
Οι επιστήμονες ενδιαφέρονται για τις κοσμικές ακτίνες καθώς αυτές μπορούν να επηεράσουν την ηλεκτρονική και μπορούν επίσης να παίξουν ένα ρόλο στην κλιματική αλλαγή και τις ηλεκτρικές καταιγίδες. Ελπίζεται ότι με τη μελέτη τους μέσα στον LHC οι επιστήμονες θα μπορέσουν να καλιμπράρουν τους επίγειους ανιχνευτές και να ερμηνεύσουν καλύτερα τα αποτελέσματα που παίρνουν από αυτούς.
Παρόλο που το LHCf αποτελεί ένα χωριστό πείραμα θα είναι ευθυγραμμισμένο με τον Atlas, εξού και η θέση του.
Ομοίως και ο Totem ( Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) είναι ευθυγραμμισμένος με τον ανιχνευτή CMS και θα μετρήσει το μέγεθος των πρωτονίων και το πώς θα σκορπιστούν, μεταξύ άλλων πραγμάτων. Για να γίνει αυτό θα μετρήσει τα σωματίδια που παράγονται πολύ κοντά στις βασικές δέσμες σωματιδίων, χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένους ανιχνευτές που στεγάζονται σε κενούς χώρους, γνωστούς ως roman pots. Οκτώ από αυτούς θα τοποθετηθούν σε ζεύγη κοντά στο σημείο της σύγκρουσης στο πείραμα του CMS.