Πώς γεννήθηκε το Σύμπαν

Το Cern και η Έρευνα των Στοιχειωδών Σωματιδίων

Το CERN είναι το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο για την Φυσική των Στοιχειωδών Σωματιδίων, το μεγαλύτερο ερευνητικό κέντρο του είδους του στον κόσμο. Το CERN είναι πρωτοπόρο στην ανθρώπινη αναζήτηση της γνώσης, μιας αναζήτησης που έχει τις ρίζες της βαθιά στις αρχές του Πολιτισμού. Η ίδρυση του το έτος 1954 αποτέλεσε μια από τις πρώτες κοινές Ευρωπαϊκές προσπάθειες και αποτελεί ένα φωτεινό παράδειγμα διεθνούς συνεργασίας. Από τα 12 ιδρυτικά μέλη, συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας, ο αριθμός των Κρατών-Μελών ανέρχεται σήμερα στα 20, ενώ με τις νέες υποψήφιες χώρες για ένταξη ως μέλη, αυτός ο αριθμός θα αυξηθεί σημαντικά στα επόμενα χρόνια, και δεκάδες άλλα κράτη συνεργάζονται ως μη-μέλη.

Το εργαστήριο βρίσκεται πάνω στα Γάλλο-Ελβετικά σύνορα, κοντά στη Γενεύη. Οι εγκαταστάσεις του CERN χρησιμοποιούνται από περισσότερους από 10.000 επιστήμονες, δηλαδή από ένα μεγάλο μέρος της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας των φυσικών που ασχολούνται με τα στοιχειώδη σωματίδια. Οι επιστήμονες αυτοί εκπροσωπούν πάνω από 600 Πανεπιστήμια και περίπου 100 εθνικότητες.

Η αρτιότερη έως σήμερα περιγραφή της ύλης και των δυνάμεων ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο. Ωστόσο, αν και για περισσότερα από 30 χρόνια έχει περάσει με επιτυχία όλους τους πειραματικούς ελέγχους, έχει αποδειχθεί ότι δεν είναι πλήρες και θεωρείται σήμερα ως ένα σκαλοπάτι προς μια ολοκληρωμένη θεωρία, αφού αφήνει πολλά ερωτήματα αναπάντητα. Τι είναι ύλη; Από πού προέρχεται; Πώς και γιατί τα σωματίδια έχουν μάζα; Πώς συγκρατούνται για να σχηματίσουν τα άστρα, τους πλανήτες και τα ανθρώπινα όντα; Υπάρχει το σωματίδιο του Higgs, εξαιτίας του οποίου όλα τα σωματίδια αποκτούν μάζα; Οι τέσσερις δυνάμεις της φύσης είναι απλά διαφορετικές εκφάνσεις της ίδιας δύναμης; Πράγματι δεν υπάρχει αντιύλη στο Σύμπαν;

Έργο του CERN είναι η καθαρή επιστήμη, η διερεύνηση των πλέον θεμελιωδών ερωτημάτων για τη Φύση. Σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν Ε=mc2, όπου Ε είναι η ενέργεια, m η μάζα και c η ταχύτητα του φωτός, η ύλη μετατρέπεται σε ενέργεια και αντίστροφα. Επιταχύνοντας τα σωματίδια σε πολύ μεγάλες ενέργειες και κάνοντας τα να συγκρούονται, οι φυσικοί μπορούν να ανακαλύψουν τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους. Επίσης, συνθλίβοντας τα σωματίδια μεταξύ τους, παράγονται νέα σωματίδια. Για να μπορέσει να δει κανείς τόσο μικρά σωματίδια χρειάζεται πανίσχυρα μικροσκόπια. Οι επιταχυντές και οι ανιχνευτές είναι ακριβώς αυτά τα μικροσκόπια.

Οι εξοπλισμοί του CERN, οι επιταχυντές των σωματιδίων και οι ανιχνευτές, ανήκουν στα μεγαλύτερα και περιπλοκότερα επιστημονικά όργανα στον κόσμο. Φτιαγμένα με την τελευταία λέξη της τεχνολογίας, αποτελούν μερικά από τα αξιολογότερα μνημεία της Επιστήμης. Το CERN παρέχει στους φυσικούς δέσμες σωματιδίων πολύ υψηλής ενέργειας για τα πειράματά τους. Έχοντας το μεγαλύτερο σύμπλεγμα αλληλοσυνδεόμενων επιταχυντών, το CERN μπορεί να θεωρηθεί ως το μεγαλύτερο Εργαστήριο στον τομέα αυτό.

Οι εγκαταστάσεις του CERN χρησιμοποιούνται από τους επιστήμονες για να μπουν στην καρδιά στης ύλης και να μεταφερθούν έτσι πίσω στην αρχή του χρόνου, στη Μεγάλη Έκρηξη. Οι ερευνητές εξετάζουν εκατομμύρια γεγονότα προσπαθώντας να καταλάβουν πώς έφτασε το Σύμπαν, μετά από περίπου 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια, σ’ αυτό που υπάρχει σήμερα.

Το CERN έχει κατασκευάσει ένα νέο επιταχυντή, τον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC), για να απαντήσει σ’ αυτές τις θεμελιώδεις ερωτήσεις. Πρωτόνια με αντίστροφη κατεύθυνση και με ενάργεια 7 TeV συγκρούονται σε τέσσερα σημεία στον επιταχυντή. Ισχυροί υπεραγώγιμοι μαγνήτες με μαγνητική δύναμη 8.7 Tesla, που είναι πάνω από 200.000 φορές πιο ισχυρή από αυτή της Γης, χρειάζονται για να συγκρατούν τις δέσμες πρωτονίων του LHC στις τροχιές τους μέσα στον επιταχυντή που έχει περιφέρεια 27 χιλιόμετρα και έχει κατασκευαστεί σε βάθος 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Κάθε ένας από τους 1232 κύριους διπολικούς μαγνήτες ευθυγράμμισης έχει βάρος 35 τόνους, μήκος 15 μέτρα και είναι βυθισμένος σε υγρό ήλιο σε θερμοκρασία -271.3 βαθμών Κελσίου για την αποφυγή υπερθέρμανσης.

Χάρη στους ανιχνευτές που είναι τοποθετημένοι γύρω από τα σημεία σύγκρουσης καταγράφεται το τι συμβαίνει. Οι ανιχνευτές που μελετούν τις συγκρούσεις στο LHC είναι μεγαλύτεροι και πιο περίπλοκοι απ’ όσους έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα. Οι ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στους επιταχυντές συγκρουομένων δεσμών αποτελούνται, κυρίως, από διαδοχικά στρώματα, σαν φλοιοί κρεμμυδιού, αλλά κυλινδρικοί με διαστάσεις πενταόροφης  πολυκατοικίας και γεμάτα πολύπλοκα ηλεκτρονικά. Οι συγκρούσεις γίνονται ακριβώς στο κέντρο των ανιχνευτών και στα διαφορετικά στρώματα τους καταγράφονται διαφορετικές ιδιότητες των εξερχομένων σωματιδίων.

Οι ανιχνευτές του LHC είναι σχεδιασμένοι να συλλαμβάνουν περίπου 600 εκατομμύρια συγκρούσεις κάθε δευτερόλεπτο. Αυτό είναι αναγκαίο για να ανιχνευτεί το σωματίδιο Higgs το οποίο έχει μια πολύ μικρή συχνότητα παραγωγής στο LHC, που υπολογίζεται να είναι ένα ανά τρισεκατομμύριο συγκρούσεις. Ο ανιχνευτής  ΑTLAS είναι ο μεγαλύτερος με μήκος 44 μέτρα και ύψος 25 μέτρα και έχει βάρος 7.000 τόνους. Ο ανιχνευτής CMS έχει μήκος 44 μέτρα, 25 μέτρα και έχει βάρος 14.000 τόνους. Κάθε μια από τις κοινοπραξίες των πειραμάτων που κατασκεύασαν και λειτουργούν αυτούς τους ανιχνευτές αποτελείται από περισσότερους από 3.000 επιστήμονες απ’ όλον τον κόσμο, και συμπεριλαμβάνει και πολλούς Έλληνες επιστήμονες.

Με το LHC, το CERN κατέλαβε τα σκήπτρα του πρώτου πραγματικά Παγκόσμιου Εργαστηρίου Φυσικής και η έναρξη της λειτουργίας του το 2009 σηματοδότησε την απαρχή μιας νέας εποχής για την Επιστήμη.

*Ο Καθηγητής Εμμανουήλ Τσεσμελής είναι Ανώτερος Φυσικός, μέλος του Διευθυντικού Γραφείου του CERN και καθηγητής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.