Το CERN ξεκινά νέες… αναζητήσεις για το «σκοτεινό» σύμπαν

Ο μεγάλος υπόγειος επιταχυντής αδρονίων (Large Hadron Collider-LHC) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) είναι έτοιμος να ξεκινήσει τη δεύτερη τριετή περίοδο λειτουργίας του, όπως ανακοινώθηκε σε σχετική εκδήλωση της ηγεσίας του στη Γενεύη. Ο φιλόδοξος στόχος είναι το «ξεκλείδωμα» του 95% του αόρατου και σκοτεινού σύμπαντος, το οποίο παραμένει ακόμη κλειστό βιβλίο για τους επιστήμονες και, κατά συνέπεια, η ανάδυση μιας «Νέας Φυσικής», που θα αλλάξει δραματικά τις γνώσεις της ανθρωπότητας για τον κόσμο.

Τις σχετικές ανακοινώσεις έκαναν ο γενικός διευθυντής του CERN, Γερμανός φυσικός Ρολφ Χόγιερ (ο οποίος μίλησε για «την αρχή μιας νέας εποχής στη Φυσική»), ο διευθυντής των επιταχυντών Φρέντερικ Μπόρντρι και οι εκπρόσωποι των πειραμάτων του LHC (Atlas και. CMS).

«Το 95% του σύμπαντος παραμένει άγνωστο για μας. Πρέπει να βρούμε από τι αποτελείται. Έχω ένα όνειρο. Θέλω να δω στο πρώτο φως στο σκοτεινό σύμπαν», δήλωσε ο Χόγιερ, αναφερόμενος στη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη και στην ακόμη πιο μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια, που αποτελούν το 27% και το 68% του σύμπαντος αντίστοιχα (το υπόλοιπο 5% είναι η ορατή ύλη).

«Εισερχόμαστε σε αχαρτογράφητη περιοχή. Δεν μπορούμε να ξέρουμε αν θα βρούμε τη σκοτεινή ύλη φέτος. Μπορεί να χρειαστούμε 20 χρόνια ακόμη», πρόσθεσε ο εκπρόσωπος του ανιχνευτή Atlas Ντέιβ Τσάρλτον. Ήδη άρχισαν τα προκαταρκτικά τεστ και οι πρώτες δέσμες πρωτονίων θα αρχίσουν να κυκλοφορούν σταδιακά στον επιταχυντή έως την τελευταία εβδομάδα του Μαρτίου. Οι πρώτες κανονικές συγκρούσεις σωματιδίων, με «φουλ» ενέργεια και με ταχύτητα στο 99,9% της ταχύτητας του φωτός, αναμένονται στο τέλος Μαϊου ή στην αρχή Ιουνίου, σύμφωνα με τα πρακτορεία Ρόιτερς και Γαλλικό, καθώς και τις βρετανικές «Γκάρντιαν» και «Ιντιπέντεντ».

Ο μήκους 27 χιλιομέτρων LHC, κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα, είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο. Λειτουργεί σε θερμοκρασία μείον 271 βαθμών Κελσίου και διατρέχεται από ηλεκτρικό ρεύμα εντάσεως 11.000 αμπέρ.

Τον Φεβρουάριο του 2013, μετά από τρία χρόνια λειτουργίας, ο LHC απενεργοποιήθηκε για να πραγματοποιηθεί η προγραμματισμένη συντήρησή του. Στα δύο χρόνια που μεσολάβησαν, εκατοντάδες μηχανικοί και τεχνικοί εργάστηκαν εντατικά επισκευάζοντας και ενισχύοντας τον επιταχυντή, ώστε να λειτουργήσει σε υψηλότερες ενέργειες κατά τη δεύτερη φάση της λειτουργίας του.

Τώρα, όπως αναφέρθηκε, ο επιταχυντής είναι έτοιμος πλέον για επανεκκίνηση, με ενέργεια 6,5 TeV (τεραηλεκτρονιοβόλτ) ανά δέσμη πρωτονίων, που αντιστοιχεί σε συγκρούσεις συνολικής ενέργειας 13 TeV, σχεδόν διπλασιάζοντας την προηγούμενη ενέργειά του (ήταν 8 TeV ή 4 TeV ανά δέσμη το 2012). Αυτό το ανώτερο όριο ενέργειας (που δυνητικά θα μπορούσε να φθάσει και στο μέγιστο των 14 TeV) ελπίζεται ότι θα επιτρέψει στους επιστήμονες να κατακτήσουν νέα πεδία γνώσης και μια βαθύτερη κατανόηση των βασικών δομών της ύλης.
Κατά τη διετία της συντήρησης, μεταξύ άλλων, τοποθετήθηκαν νέοι μαγνήτες στον επιταχυντή. Από τα 1.232 υπεραγώγιμα μαγνητικά δίπολα του LHC, τα 18 αντικαταστάθηκαν λόγω φθοράς. Ακόμη, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες του LHC απέκτησαν ένα βελτιωμένο σύστημα προστασίας σε περίπτωση απόσβεσης (απότομης διακοπής).

Εξάλλου οι δέσμες των πρωτονίων που συγκρούονται, θα είναι πιο εστιασμένες και έτσι τα πειράματα θα έχουν τη δυνατότητα να μελετήσουν περισσότερες σωματιδιακές αλληλεπιδράσεις και συγκρούσεις. Ακόμη, θα υπάρξουν μικρότερα αλλά πυκνότερα πακέτα πρωτονίων στις δέσμες αυτές.

Επίσης, το σύστημα κρυογονικής του LHC ενισχύθηκε, διασφαλίζοντας πλήρη συντήρηση των κρύων συμπιεστών. καθώς και αναβάθμιση των συστημάτων ελέγχου και ανανέωση της μονάδας ψύξης. Έγινε ακόμη πλήρης συντήρηση και αναβάθμιση των ηλεκτρικών συστημάτων του LHC, που περιλάμβανε περισσότερους από 400.000 ελέγχους και την προσθήκη νέων, ανθεκτικών στην ακτινοβολία συστημάτων.

Μετά από όλες αυτές τις βελτιώσεις και τις καινοτομίες, η επανεκκίνηση του LHC μπορεί να φέρει νέες ευχάριστες εκπλήξεις, πιο εντυπωσιακές και από την ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς το 2012, ενός σωματιδίου που προσδίδει μάζα στα άλλα σωματίδια.

Οι φυσικοί ευελπιστούν ότι θα καταφέρουν πια να παρατηρήσουν πιο «εξωτικά» σωματίδια. Κάποιες θεωρίες προβλέπουν ότι θα μπορούσε να υπάρχει μια ολόκληρη νέα κατηγορία σωματιδίων, που οι φυσικοί δεν μπορούν να ανιχνεύσουν, επειδή αυτά δεν αλληλεπιδρούν με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις.

Στο στόχαστρο βρίσκεται η αόρατη σκοτεινή ύλη, που είναι το κύριο συστατικό του υλικού Σύμπαντος, αλλά μπορούμε να την ανιχνεύσουμε μόνο από τα βαρυτικά της αποτελέσματα. Μια πιθανότητα είναι να αποτελείται από τα υποθετικά υπερσυμμετρικά σωματίδια . Τα δεδομένα που θα προκύψουν από τα μεγαλύτερης ενέργειας πειράματα στο LHC, θα μπορούσαν να παρέχουν την επίλυση του μυστηρίου.

Το Κλασικό Μοντέλο (ή Καθιερωμένο Πρότυπο) της Φυσικής είναι πολύ ικανοποιητικό, αλλά παραμένει ελλιπές. Η Υπερσυμμετρία είναι μια επέκταση του Κλασικού Μοντέλου, που αποσκοπεί στην κάλυψη αυτών των κενών, προβλέποντας ένα σωματίδιο-σύντροφο για κάθε σωματίδιο του Κλασσικού Μοντέλου. Αν η θεωρία αυτή είναι σωστή, τότε τα υπερσυμμετρικά σωματίδια θα πρέπει να εμφανιστούν στις μελλοντικές συγκρούσεις υψηλής ενέργειας του LHC.

Στο «μενού» των πιθανών ανακαλύψεων περιλαμβάνονται και οι πρόσθετες διαστάσεις της ύλης. Η βαρύτητα είναι πολύ ασθενέστερη σε σχέση με τις υπόλοιπες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις και αυτό ίσως οφείλεται στο ότι ένα μέρος της διαχέεται σε πρόσθετες διαστάσεις, που έχουν τα δικά τους «βαριά» σωματίδια. Έτσι, θα μπορούσαν να υπάρχουν βαρύτερες εκδοχές των κλασσικών σωματιδίων σε άλλες διαστάσεις και τέτοια βαρέα σωματίδια θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν στις υψηλές ενέργειες του LHC.

Προς περαιτέρω διερεύνηση είναι και η αντιύλη. Κάθε σωματίδιο ύλης έχει ένα αντίστοιχο αντι-σωματίδιο, πανομοιότυπο αλλά με αντίθετο φορτίο. Για το ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, υπάρχει το αντι-ηλεκτρόνιο που ονομάζεται ποζιτρόνιο, πανομοιότυπο με κάθε τρόπο με το ηλεκτρόνιο αλλά με θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Όταν ύλη και αντιύλη έρχονται σε επαφή εξαϋλώνονται παράγοντας ενέργεια.

Αν και η Μεγάλη Έκρηξη (Μπιγκ Μπανγκ) θα πρέπει να δημιούργησε ίσα ποσά ύλης και αντιύλης, σήμερα περιέργως υπάρχει περισσότερη ύλη από ό,τι αντιύλη στο σύμπαν. Οι μεγαλύτερες ενέργειες που θα επιτευχθούν πλέον στα πειράματα του CERN, θα επιτρέψουν την παραγωγή περισσότερων αντισωματιδίων, επιτρέποντας στους φυσικούς να εξετάσουν αν οι ιδιότητες της αντιύλης διαφέρουν από εκείνες της ύλης.