Το CERN αναζητά κάτι που ίσως δεν θα έπρεπε να υπάρχει – Το μεγάλο μυστήριο που μπορεί να ανατρέψει τη φυσική
Το μεγαλύτερο εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο κυνηγά απαντήσεις για τη σκοτεινή ύλη, το μποζόνιο Higgs και τα κενά του Καθιερωμένου Προτύπου που εξακολουθούν να προβληματίζουν τους επιστήμονες
Βαθιά κάτω από τα σύνορα της Ελβετίας και της Γαλλίας, σε βάθος περίπου 80 μέτρων, βρίσκεται ένα από τα πιο εντυπωσιακά επιστημονικά έργα που κατασκεύασε ποτέ η ανθρωπότητα. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) του CERN, ένας υπόγειος δακτύλιος μήκους 27 χιλιομέτρων, συνεχίζει να εξερευνά τα θεμελιώδη συστατικά του Σύμπαντος, αναζητώντας απαντήσεις σε ερωτήματα που παραμένουν άλυτα εδώ και δεκαετίες.
σχετικά άρθρα
Παρά τις σπουδαίες ανακαλύψεις που έχουν ήδη πραγματοποιηθεί, οι επιστήμονες θεωρούν ότι τα μεγαλύτερα μυστήρια ίσως βρίσκονται ακόμη μπροστά τους. Η σκοτεινή ύλη, η φύση του μποζονίου Higgs, η ύπαρξη άγνωστων σωματιδίων και οι λόγοι για τους οποίους το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από ύλη και όχι από ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης αποτελούν ορισμένα μόνο από τα ερωτήματα που εξακολουθούν να αναζητούν απαντήσεις.
Ο γενικός διευθυντής του CERN, Mark Thomson, υποστηρίζει ότι η ανθρωπότητα βρίσκεται σε μια περίοδο κατά την οποία κατανοεί πολλά για το Σύμπαν, αλλά ταυτόχρονα γνωρίζει και πόσα πολλά εξακολουθεί να αγνοεί. Όπως επισημαίνει, υπάρχουν τεράστια κενά στη γνώση μας τα οποία δεν μπορούν να καλυφθούν χωρίς τη χρήση ακόμη πιο ισχυρών επιταχυντών και πιο προηγμένων τεχνολογιών.
Στον LHC, οι επιστήμονες επιταχύνουν πρωτόνια σε ταχύτητες που φτάνουν το 99,9999991% της ταχύτητας του φωτός. Τα σωματίδια κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις μέσα στον δακτύλιο και στη συνέχεια συγκρούονται μεταξύ τους σε συγκεκριμένα σημεία, δημιουργώντας συνθήκες που θυμίζουν εκείνες που επικρατούσαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Από τα ίχνη που αφήνουν αυτές οι συγκρούσεις, οι ερευνητές προσπαθούν να κατανοήσουν τους βασικούς νόμους που διέπουν τη φύση.
Τα επόμενα χρόνια το CERN ετοιμάζεται να προχωρήσει σε μία από τις σημαντικότερες αναβαθμίσεις της ιστορίας του. Ο LHC θα τεθεί εκτός λειτουργίας για περίπου τέσσερα χρόνια προκειμένου να εγκατασταθεί η τεχνολογία του High Luminosity LHC, η οποία αναμένεται να προσφέρει περίπου δέκα φορές περισσότερα δεδομένα από όσα μπορεί να συλλέξει σήμερα ο επιταχυντής.
Η αναβάθμιση περιλαμβάνει την αντικατάσταση περίπου 1,2 χιλιομέτρων του υπάρχοντος συστήματος με νέους υπεραγώγιμους μαγνήτες εξαιρετικά υψηλής τεχνολογίας, οι οποίοι λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, περίπου 1,9 Kelvin. Η τεχνολογία αυτή δεν υπήρχε όταν κατασκευάστηκε ο αρχικός LHC και θεωρείται ένα από τα πιο απαιτητικά μηχανικά και επιστημονικά εγχειρήματα που έχει αναλάβει το CERN τις τελευταίες δύο δεκαετίες.
Το Higgs, η σκοτεινή ύλη και το σημείο όπου ίσως «σπάσει» η σύγχρονη φυσική
Από τις σημαντικότερες επιτυχίες του CERN μέχρι σήμερα ήταν η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012. Το σωματίδιο αυτό θεωρείται μοναδικό, καθώς συνδέεται με το πεδίο Higgs, το οποίο διαπερνά ολόκληρο το Σύμπαν και δίνει στα υπόλοιπα σωματίδια τις ιδιότητες που αντιλαμβανόμαστε ως μάζα.
Παρότι η ανακάλυψη του Higgs αποτέλεσε ορόσημο για τη φυσική, οι επιστήμονες παραδέχονται ότι γνωρίζουν πολύ λιγότερα γι’ αυτό από όσα θα ήθελαν. Παραμένει άγνωστο αν πρόκειται για πραγματικά θεμελιώδες σωματίδιο, αν υπάρχουν περισσότερα μποζόνια Higgs και αν σχετίζεται με τη σκοτεινή ύλη που φαίνεται να κυριαρχεί στο Σύμπαν.
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί ίσως το μεγαλύτερο άλυτο μυστήριο της σύγχρονης κοσμολογίας. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι υπάρχει, επειδή παρατηρούν τις βαρυτικές επιδράσεις της στους γαλαξίες και στις κοσμικές δομές, όμως δεν γνωρίζουν από τι αποτελείται. Διάφορες θεωρίες έχουν προταθεί, μεταξύ των οποίων και η ύπαρξη νέων σωματιδίων που δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί.
Μία από τις πιο γνωστές θεωρίες είναι η υπερσυμμετρία, η οποία προβλέπει την ύπαρξη ενός ολόκληρου νέου συνόλου σωματιδίων. Αν κάποιο από αυτά αποτελεί τη σκοτεινή ύλη, τότε υπάρχει πιθανότητα να εντοπιστεί στις συγκρούσεις του LHC τα επόμενα χρόνια. Ωστόσο, καθώς μέχρι σήμερα δεν έχει βρεθεί κάποιο σαφές ίχνος της, οι ερευνητές εξετάζουν πλέον και εναλλακτικά σενάρια.
Ένα ακόμη θεμελιώδες ερώτημα αφορά το γιατί το Σύμπαν αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από ύλη. Θεωρητικά, το Big Bang θα έπρεπε να είχε δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, οι οποίες στη συνέχεια θα αλληλοεξουδετερώνονταν. Ωστόσο αυτό δεν συνέβη. Για κάποιον άγνωστο λόγο παρέμεινε αρκετή ύλη ώστε να σχηματιστούν άστρα, πλανήτες και τελικά η ζωή. Οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναζητούν την εξήγηση αυτού του φαινομένου.
Στο πλαίσιο αυτής της έρευνας, το CERN διαθέτει και τη λεγόμενη «βιομηχανία αντιύλης», όπου παράγονται αντιπρωτόνια και άτομα αντιυδρογόνου. Εκεί πραγματοποιούνται εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις για να διαπιστωθεί αν η αντιύλη συμπεριφέρεται ακριβώς όπως προβλέπουν οι θεωρίες ή αν υπάρχουν μικρές αποκλίσεις που θα μπορούσαν να αποκαλύψουν νέα φυσική.
Οι επιστήμονες μάλιστα αναπτύσσουν τεχνολογίες που θα επιτρέψουν τη μεταφορά μικροσκοπικών ποσοτήτων αντιύλης σε εξειδικευμένα εργαστήρια εκτός CERN, ώστε να πραγματοποιηθούν ακόμη πιο ακριβή πειράματα σε περιβάλλοντα με λιγότερες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.
Ο γιγαντιαίος επιταχυντής του μέλλοντος και το επόμενο μεγάλο στοίχημα
Παράλληλα με την αναβάθμιση του LHC, το CERN εξετάζει ήδη το επόμενο βήμα. Πρόκειται για τον Future Circular Collider (FCC), έναν προτεινόμενο επιταχυντή με περιφέρεια περίπου 97 χιλιομέτρων, δηλαδή περισσότερο από τρεις φορές μεγαλύτερο από τον σημερινό LHC.
Το σχέδιο θεωρείται από πολλούς επιστήμονες η καλύτερη διαθέσιμη επιλογή για τη μελέτη του Higgs και την αναζήτηση νέας φυσικής. Σύμφωνα με τον Thomson, οι ευρωπαϊκές επιστημονικές κοινότητες που αξιολόγησαν τις διαθέσιμες επιλογές κατέληξαν σε ισχυρή συναίνεση ότι ο FCC προσφέρει τις μεγαλύτερες επιστημονικές δυνατότητες για τις επόμενες δεκαετίες.
Το κόστος του έργου εκτιμάται στα περίπου 15 δισεκατομμύρια ελβετικά φράγκα, κατανεμημένα σε βάθος περίπου 15 ετών και με συμμετοχή πολλών κρατών. Παρά τις συζητήσεις γύρω από το οικονομικό του μέγεθος, οι υποστηρικτές του επισημαίνουν ότι μεγάλα ερευνητικά έργα έχουν συχνά τεράστιες τεχνολογικές και οικονομικές επιπτώσεις που γίνονται ορατές δεκαετίες αργότερα.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο Παγκόσμιος Ιστός (World Wide Web), ο οποίος δημιουργήθηκε στο CERN ως εργαλείο ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ επιστημόνων και στη συνέχεια άλλαξε τον κόσμο. Παράλληλα, τεχνολογίες επιταχυντών που αναπτύχθηκαν για τη σωματιδιακή φυσική χρησιμοποιούνται σήμερα στην ιατρική, στην έρευνα υλικών και στη βιολογία.
Παρά το γεγονός ότι μέχρι στιγμής το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής έχει επιβεβαιωθεί με εντυπωσιακή ακρίβεια, οι ερευνητές είναι πεπεισμένοι ότι δεν αποτελεί την τελική εικόνα της πραγματικότητας. Ο Mark Thomson εμφανίζεται ιδιαίτερα αισιόδοξος ότι μέσα στην επόμενη δεκαετία θα εντοπιστεί κάποιο στοιχείο που θα αποκαλύψει τα όρια του σημερινού μοντέλου.
Όπως τονίζει, οι επιστήμονες συνεχίζουν να θέτουν στο Σύμπαν τις σωστές ερωτήσεις. Και κάποια στιγμή, είτε μέσω του Higgs, είτε μέσω της σκοτεινής ύλης, είτε μέσω ενός εντελώς απρόσμενου φαινομένου, ίσως βρεθεί τελικά η πρώτη μεγάλη «ρωγμή» στο θεωρητικό οικοδόμημα που περιγράφει σήμερα τη φύση.
