Χρήσιμες πληροφορίες για το πείραμα στο CERN

Την Τετάρτη 10 Σεπτεμβρίου αρχίζει για την επιστημονική κοινότητα ένα μεγάλο ταξίδι το οποίο θα κρατήσει τουλάχιστον μια εικοσαετία.
Τετάρτη, λοιπόν, θα διοχετευθεί στον επιταχυντή του CERN η πρώτη δέσμη πρωτονίων σε μια δοκιμαστική προσπάθεια για την πραγματοποίηση μιας σειράς πειραμάτων, σπουδαιότερα των οποίων είναι τέσσερα. Τα πειράματα περιγράφονται αναλυτικά στο portal αυτό στο τμήμα επιστήμη με τίτλο «τι ακριβώς θα γίνει στο CERN».
Οι «Ανιχνεύσεις» θα ασχοληθούν την Τετάρτη το βρλάδυ 10 Σεπτεμβρίου με αυτό το ιστορικό επιστημονικό γεγονός.
Ποσκεκλημμένοι μας θα είναι διακεκριμένοι έλληνες επιστήμονες:
Ο Σάββας Δημόπουλος από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, με σημαντικότατη εργασία στην υπερσυμμετρία, ο Δημήτρης Νανόπουλος της Ακαδημίας Αθηνών, Η Χαρίκλεια Πετρίδου από το Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, ο Πάρις Σφήκας από το Πανεπιστήμιο Αθηνών, ο Νίκος Τράκας και ο Ευάγγελος Γαζής από το Ε.Μ.Π και ο Κώστας Φουντάς από το Imperial College του Λονδίνου.


Επειδή τα υποατομικά σωματίδια δεν είναι ορατά ούτε με τα πιο ισχυρά όργανα, οι επιστήμονες έχουν βρει μια ωμή αλλά αποτελεσματική μέθοδο για να τα αναλύουν: τα βάζουν να συγκρούονται μεταξύ τους με τεράστιες ενέργειες. Για το σκοπό αυτό σχεδίασαν πελώριους «θραύστες ατόμων» ή επιταχυντές σωματιδίων όπως αλλιώς λέγονται, διαμέτρου αρκετών χιλιομέτρων, που η κατασκευή τους κόστισε δισεκατομμύρια δολλάρια.
Οι επιταχυντές αυτοί παράγουν δέσμες υποατομικών σωματιδίων και τις κάνουν να συγκρούονται. Στη συνέχεια γίνεται διεξοδική ανάλυση των θραυσμάτων που παράγονται από τη σύγκρουση.
Σκοπός αυτής της επίπονης και χρονοβόρας διαδικασίας είναι να βρούμε μια σειρά από αριθμούς, που αποτελούν το λεγόμενο πίνακα ή μίτρα σκέδασης ή μήτρα-S.
Οι αριθμοί αυτοί είναι σημαντικοί διότι περικλείουν σε κωδικοποιημένη μορφή το σύνολο των δεδομένων της υποατομικής φυσικής- έτσι ώστε αν γνωρίζει κανείς τη μήτρα-S να μπορεί να συνάγει από αυτήν όλες τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων.
Οι κοσμολόγοι από την πρώτη στιγμή που διατυπώθηκε η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης αναρωτιούνται τι συνέβη πριν από αυτήν.
Για να απαντήσουν στο ερώτημα αυτό θα πρέπει να βρούν μια «θεωρία του παντός», μια θεωρία που να περιλαμβάνει όλες τις φυσικές δυνάμεις που επιδρούν στο σύμπαν.
Ο Αινστάϊν πέρασε τα τελευταία τριάντα χρόνια της ζωής του αναζητώντας αυτήν τη θεωρία, αλλά χωρίς αποτέλεσμα.
Μετά από έρευνες 2000 χρόνων (αρχής γενομένης από τους αρχαίους έλληνες), οι φυσικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν διέπεται από τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις.
Η πρώτη δύναμη είναι η βαρύτητα, που συγκρατεί τον ήλιο ενωμένο και αν καταργούνταν η Γη θα διαλυόταν και όλοι εμείς θα εκτινασσόμασταν στο διάστημα με ταχύτητα χιλιών εξακοσίων χιλιομέτρων την ώρα.
Η δεύτερη δύναμη είναι ο ηλεκτρομαγνητισμός που φωταγωγεί τις πόλεις μας.
Η τρίτη δύναμη είναι η ασθενής πυρηνική, στην οποία βασίζεται το φαινόμενο της ραδιενεργού διάσπασης.. Επειδή η ασθενής δύναμη από μόνη της δεν αρκεί για να συγκρατήσει ενωμένους τους πυρήνες των ατόμων, οι πυρήνες σπάνε, ή όπως λέμε διασπώνται. Αυτή η δύναμη αξιοποιείται στις εφαρμογές της πυρηνικής ιατρικής.
Η ασθενής δύναμη βασίζεται στην αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων και νετρίνων (αόρατων σωματιδίων σχεδόν μηδενικής μάζας, τα οποία μπορούν να διαπεράσουν τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα ατσαλιού χωρίς να αλληλεπιδράσουν με τίποτα).
Τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα αλληλεπιδρούν ανταλλάσσοντας κάποια άλλα σωματίδια, τα λεγόμενα μποζόνια –W και μποζόνια –Z.
Η τέταρτη δύναμη είναι η ισχυρή πυρηνική η οποία συγκρατεί ενωμένους τους πυρήνες των ατόμων. Χωρίς αυτήν, οι πυρήνες και κατά συνέπεια τα άτομα θα διαλύονταν, συνθέτοντας έναν κόσμο εντελώς διαφορετικό από αυτόν που ξέρουμε.
Ένα από τα θεμελιώδη ερωτήματα που καλείται να απαντήσει η φυσική είναι γιατί στο σύμπαν ενεργούν τέσσερις διαφορετικές δυνάμεις και γιατί οι δυνάμεις αυτές διαφέρουν τόσο ως προς την ισχύ, τις αλληλεπιδράσεις και τους φυσικούς νόμους που τις διέπουν.
Στις αρχές της δεκαετίας του ’60 οι φυσικοί μίλησαν για πρώτη φορά για τα κουάρκ, τα δομικά συστατικά των πρωτονίων και των νετρονίων.
Κάθε πρωτόνιο ή νετρόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ και κάθε μεσόνιο, (το σωματίδιο που συγκρατεί τον πυρήνα ενωμένο), αποτελείται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ.
Το 1967 οι φυσικοί έδειξαν ότι μπορεί να επιτευχθεί η ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς δύναμης.
Σύμφωνα με τη θεωρία τους, τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα (γνωστά και ως λεπτόνια), αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας μποζόνια –W, μποζόνια –Z και φωτόνια.
Βάζοντας τα μποζόνια και τα λεπτόνια στην ίδια κατηγορία , δημιούργησαν μια θεωρία που ενοποιούσε τις δύο από τις τέσσερις δυνάμεις, την ηλεκτρομαγνητική με την ασθενή.
Στη δεκαετία του 1970 αναλύθηκαν από τους ειδικούς τα δεδομένα του επιταχυντή σωματιδίων του Κέντρου Γραμμικού Επιταχυντή του Στάνφορντ ( SLAC), ο οποίος εκτόξευε πάνω σε ένα στόχο ισχυρές δέσμες ηλεκτρονίων, με σκοπό να διερευνηθεί το εσωτερικό των πρωτονίων.
Έτσι διαπιστώθηκε ότι η ισχυρή πυρηνική δύναμη που συγκρατεί ενωμένα τα κουάρκ στο εσωτερικό των πρωτονίων εξηγείται αν εισαγάγουμε τα κβάντα της ισχυρής δύναμης, τα λεγόμενα γλοιόνια.
Συγκεκριμένα, βρέθηκε ότι η δύναμη που εμποδίζει τη διάσπαση των πρωτονίων βασίζεται στην ανταλλαγή γλοιονίων ανάμεσα στα κουάρκ τους.
Έτσι προέκυψε μια νέα θεωρία για την ισχυρή πυρηνική δύναμη, γνωστή και ως Κβαντική Χρωμοδυναμική.
Στα μέσα της δεκαετίας του ΄70, οι τρείς από τις τέσσερις δυνάμεις (εκτός από τη βαρύτητα), αρμολογήθηκαν στο λεγόμενο «Καθιερωμένο Πρότυπο» (Standard Model), μια θεωρία για τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα που αλληλεπιδρούν ανταλλάσσοντας γλοιόνια, μποζόνια,-
-W και –Z και φωτόνια.
Λείπει η δύναμη της βαρύτητας. Το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν λέει τίποτε για τη βαρύτητα που είναι ίσως η πιο διάχυτη δύναμη στο σύμπαν. Δεν μας λέει γιατί τα σώματα έχουν μάζα.
Ο σκωτζέζος φυσικός Higgs, υποστήριξε πως εκείνο που δίνει μάζα στα σωματίδια είναι ένα σωματίδιο το οποίο οι επιστήμονες ονόμασαν προς τιμήν του σωματίδιο Higgs. Η αναζήτηση αυτού του σωματιδίου θα είναι ένα από τα πειράματα του CERN. Είναι το πείραμα CMS στο οποίο θα αναζητηθεί το μποζόνιο Higgs.
Επειδή παρά την εκπληκτική πειραματική του επιτυχία, το Καθιερωμένο Πρότυπο έμοιαζε αφύσικο οι φυσικοί προσπάθησαν να αναπτύξουν μια άλλη θεωρία, τη Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία (Grand Unified Theory ή GUT) η οποία βάζει τα κουάρκ και τα λεπτόνια στην ίδια κατηγορία ενώ παράλληλα συγκατατάσσει σε μια κοινή ομάδα, το γλοιόνιο, το μποζόνιο –W, το μποζόνιο –Z και το φωτόνιο.
Ούτε αυτή, όμως, μπορεί να θεωρηθεί ως «τελική θεωρία», αφού δεν περιλαμβάνει την βαρύτητα.

Αυτό το πλάνο ενοποίησης εισήγαγε ένα νέο θεωρητικό κοσμολογικό παράδειγμα. Η βασική ιδέα ήταν απλή και κομψή: τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης οι τέσσερις δυνάμεις ήταν ενοποιημένες σε μία ενιαία, συνεκτική και μυστηριώδη «υπερδύναμη». Όλες είχαν την ίδια ισχύ και συνέθεταν ένα ευρύτερο, συνεκτικό όλον. Το σύμπαν ξεκίνησε από κατάσταση τελειότητας. Όμως με τη διαστολή και την επακόλουθη ραγδαία ψύξη του, η αρχική υπερδύναμη άρχισε να «ραγίζει» και εμφανίσθηκαν η μια μετά την άλλη, πολλές διαφορετικές δυνάμεις.
Οι τέσσερις μεγάλες δυνάμεις του σύμπαντος δεν μοιάζουν καθόλου μεταξύ τους.
Το σύμπαν είναι γεμάτο από ανωμαλίες και ατέλειες. Ο κόσμος που μας περιβάλλει είναι τα θραύσματα και τα απομεινάρια της πρωταρχικής, αρχέγονης συμμετρίας που κατακερματίσθηκε με τη Μεγάλη Έκρηξη.
Γιατί το σύμπαν αποτελείται από ύλη και όχι από αντιύλη;
Αφού ύλη και αντιύλη είναι αντίθετες (έχουν αντίθετο φορτίο) κατά τη Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να έχει δημιουργηθεί ίση ποσότητα ύλης και αντιύλης. Όμως, αφού όταν έρχονται σε επαφή η ύλη και η αντιύλη αλληλοεξουδετερώνονται σε αναλαμπή ακτίνων γ , εμείς δεν θα έπρεπε να υπάρχουμε. Το σύμπαν θα έπρεπε να είναι μια άτακτη συλλογή ακτίνων γ, χωρίς ύλη.
Αν η Μεγάλη Έκρηξη ήταν εντελώς συμμετρική (ή αν προήλθε από το τίποτε) τότε θα περίμενε κανείς να δημιουργηθούν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Άρα πως εξηγείται η ύπαρξή μας;
Η λύση που προτείνει ο ρώσος φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ είναι ότι η πρωταρχική Μεγάλη Έκρηξη ήταν κάθε άλλο παρά συμμετρική. Τη στιγμή της δημιουργίας επήλθε μια μικρή ρήξη της συμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης, με αποτέλεσμα η ύλη να υπερισχύσει και να δημιουργηθεί το σύμπαν όπως το γνωρίζουμε. (Η συμμετρία που έσπασε κατά τη Μεγάλη Έκρηξη λέγεται CP και είναι η συμμετρία που αντιστρέφει τα φορτία και την ομοτιμία σωματιδίων ύλης και αντιύλης).
Αν το σύμπαν προήλθε από το τίποτε τότε το τίποτε ίσως να μην ήταν εντελώς άδειο αλλά να περιείχε ένα ελάχιστο βαθμό ρήξης της συμμετρίας, που επέτρεψε τη σημερινή επικράτηση της ύλης επι της αντιύλης. Το πώς προήλθε αυτή η ρήξη συμμετρίας παραμένει άγνωστο.
Πάντως, οι τρόποι σπασίματος των συμμετριών GUT είναι εκατοντάδες, μπορεί και άπειροι, και ότι σε κάθε λύση θα μπορούσε να αντιστοιχεί ένα εντελώς διαφορετικό σύμπαν.
Το σύμπαν καθώς ψυχόταν πέρασε από διάφορα εξελικτικά στάδια.
Κάθε μετάβαση μαρτυρά το σπάσιμο μιας συμμετρίας και τη διάσπαση μιας δύναμης της φύσης.
Ας δούμε μία προς μία τις φάσεις και τα ορόσημα.

1.-πριν τα 10 εις την μείον 43 δευτερόλεπτα- η περίοδος Πλάνκ.

Ελάχιστα πράγματα γνωρίζουμε για την περίοδο Πλάνκ.
Στην ενέργεια Πλάνκ (10 εις την 19 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ) η βαρυτική δύναμη ήταν εξίσου ισχυρή με τις άλλες κβαντικές δυνάμεις. Άρα, οι τέσσερις δυνάμεις του σύμπαντος πρέπει να ήταν ενοποιημένες σε μια ενιαία «υπερδύναμη». Αυτό σημαίνει ότι το σύμπαν μπορεί να πέρασε από μια τέλεια φάση του «τίποτα» ή του κενού χώρου ανώτερων διαστάσεων.
Η μυστηριώδης συμμετρία που επιτρέπει την ανάμειξη των τεσσάρων δυνάμεων, χωρίς να αλλάζουν οι εξισώσεις πρέπει να είναι μια υπερσυμμετρία.
Για λόγους που παραμένουν άγνωστοι, αυτή η μυστηριώδης συμμετρία που ενοποιούσε τις τέσσερις δυνάμεις έσπασε και σχηματίσθηκε μια μικροσκοπική φυσαλίδα, το εμβρυικό μας σύμπαν, πιθανόν εξαιτίας κάποιας τυχαίας κβαντικής διακύμανσης.
Η διάμετρος αυτής της φυσαλίδας ήταν 10 εις την –33 εκατοστά, διάσταση γνωστή και ως «μήκος Πλάνκ».

2.-10 εις την –43 δευτερόλεπτα- η περίοδος GUT

Το σπάσιμο της συμμετρία δημιούργησε δημιούργησε μια φυσαλίδα που διαστελόταν ολοταχώς. Καθώς η φυσαλίδα διογκωνόταν, οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις διασπάστηκαν απότομα. Η βαρύτητα ήταν η πρώτη δύναμη που αποσπάστηκε από τις άλλες τρείς, απελευθερώνοντας ένα ωστικό κύμα σε ολόκληρο το σύμπαν. Η αρχική συμμετρία της υπερδύναμης διασπάστηκε σε έμια μικρότερη συμμετρία, που ίσως περιλάμβανε τη συμμετρία GUT SU (5). Οι αλληλεπιδράσεις που απέμειναν, η ισχυρή, η ασθενής και η ηλεκτρομαγνητική, παρέμειναν ενοποιημένες σ αυτήν τη συμμετρία GUT. Στη φάση αυτή το σύμπαν διογκώθηκε πληθωριστικά κατά ένα παράγοντα της τάξης του 10 εις την 50 για λόγους που δεν έχουμε κατανοήσει ακόμη κάνοντας το χώρο να διασταλεί με ταχύτητα αστρονομικά μεγάλύτερη από αυτήν του φωτός. Η θερμοκρασία ήταν 10 ει 32 βαθμοί.

3.- 10 εις την –34 δευτερόλεπτα- το τέλος του πληθωρισμού.

Η θερμοκρασία έπεσε στους 10 εις την 27 βαθμούς καθώς η ισχυρή δύναμη αποσπάστηκε από τις άλλες δύο.
Η πληθωριστική περίοδος έφτασε στο τέλος της και το σύμπαν πλησίασε την καθιερωμένη διαστολή Φρίντμαν. Το σύμπαν ήταν μια καυτή «σούπα» πλάσματος, αποτελούμενη από ελεύθερα κουάρκ, γλοιόνια και λεπτόνια.
Τα ελεύθερα κουάρκ συμπυκνώθηκαν σχηματίζοντας τα σημερινά πρωτόνια και νετρόνια. Το σύμπαν μας ήταν ακόμη αρκετά μικρό, περίπου όσο είναι σήμερα το ηλιακό μας σύστημα. Η ύλη και η αντιύλη εξαϋλώθηκαν αμοιβαία, αλλά το μικρό πλεόνασμα της ύλας έναντι της αντιϋλης (κατά ένα δισεκατομμυριοστό), είχε ως αποτέλεσμα να παραμείνει η ύλη που μας περιβάλλει σήμερα. Στον Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων, τον Επιταχυντή LHC στον οποίο θα γίνουν τα πειράματα στο CERN αναμένεται να παραχθούν τέτοιες υψηλές ποσότητες ενέργειεας.

4.- 3 λεπτά-σχηματισμός πυρήνων

Οι θερμοκρασία πέφτει αρκετά ώστε οι πυρήνες που σχηματίζονται να μην καταστρέφονται λόγω της έντονης θερμλοτητας. Σαυτήν τη φάση παύει να υπάρχει η αρχέγονη διάπυρη σφαίρα.

5.- 379.000 χρόνια-γέννηση ατόμων

Η θερμοκρασία πέφτει στους 3.000 βαθμούς Κέλβιν. Τα ηλεκτρόνια δεν αποσπώνται πλέον λόγω της υπερβολικής θερμοκρασίας και στοιχίζονται γύρω από τους πυρήνες, σχηματίζοντας τα πρώτα άτομα. Τώρα τα φωτόνια μπορούν να ταξιδεύουν ελεύθερα χωρίς να απορροφώνται. Το άλλοτε αδιαφανές και γεμάτο πλάσμα σύμπαν, γίνεται τώρα διάφανο.

6.- 1 δισεκατομμύριο χρόνια-συμπύκνωση άστρων

Η θερμοκρασία πέφτει στους 18 βαθμούς. Στο εσωτερικό των άστρων αρχίζουν να «μαγειρεύονται» τα ελαφρά στοιχεία όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο και το άζωτο.
Άστρα που εκρύγνυνται εκτοξεύουν στο διάστημα στοιχεία βαρύτερα από ό,τι ο σίδηρος. Αυτή είναι η πιο μακρυνη εποχή που μπορεί να αναλύσει το διαστημικό τηλεσκόπιο Χάμπλ.

7.- 6,5 δις χρόνια-διαστολή ντε Σίτερ

Η διαστολή Φρίντμαν φθάνει στο τέλος της και το σύμπαν μπαίνει σε μια φάση επιτάχυνσης, γνωστή και ως διαστολή ντε Σίτερ, ωθούμενο από μια μυστηριώδη αντιβαρυτική δύναμη που ως σήμερα παραμένει ανεξήγητη.

8.- 13,7 δις χρόνια-σήμερα

Το παρόν. Η θερμοκρασία έχει πέσει στους 2,7 βαθμούς. Βλέπουμε το σημερινό σύμπαν των γαλαξιών, των άστρων και των πλανητών. Η διαστολή τυο σύμπαντος συνεχίζεται επιταχυνόμενη.