Μας CERN(ει) στο μέλλον με ταχύτητα πρωτονίων

Αναπαράσταση της Μεγάλης Εκρηξης του Σύμπαντος, επίτευξη της ταχύτητας του φωτός, παρατήρηση της αντι-ύλης, πιθανή δημιουργία μαύρων τρυπών, ανακάλυψη άγνωστων μέχρι σήμερα δυνάμεων, εξέλιξη της δεύτερης γενιάς του Ιντερνετ. Αν νομίζετε ότι αυτά ανήκουν στη σφαίρα της φαντασίας, προφανώς δεν έχετε ακούσει για τα όσα συναρπαστικά αναμένεται από φέτος να συμβούν στον πλανήτη.

του Γιώργου Χατζηβασιλείου
Επειτα από δεκαετίες ερευνών, 15 χρόνια κατασκευής, πάνω από 3,5 δισεκατομμύρια ευρώ κόστος, συμμετοχή 26 κρατών απ’ όλον τον κόσμο, 500 πανεπιστημιακών ιδρυμάτων και περίπου 6.000 επιστημόνων –ερευνητών και τεχνικών, το –όλως παραδόξως άγνωστο για τον πολύ κόσμο– CERN με την κατασκευή του μεγαλύτερου επιταχυντή πρωτονίων στον κόσμο μπαίνει στην πρωτοπορία της αναζήτησής μας για γνώση, μιας αναζήτησης που έχει τις ρίζες της στις αρχές του πολιτισμού...
Ετοιμαστείτε. Το μεγαλύτερο σε κόστος, τεχνολογία, μέγεθος αλλά και φιλοδοξίες πείραμα στην έως σήμερα Ιστορία της Επιστήμης είναι πλέον έτοιμο να «βάλει μπρος» τις μηχανές του από τα τέλη του τρέχοντος έτους!
Τι είναι, όμως, το CERN;
Το CERN είναι ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός για την Ερευνα στην Πυρηνική, ο οποίος δημιουργήθηκε στην Ελβετία το 1954 από 12 ευρωπαϊκές χώρες, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, θεμελιώνοντας έτσι ένα από τα πρώτα γενναία βήματα προς την κατεύθυνση της διευρωπαϊκής ένωσης και συνεργασίας. Σήμερα, απαρτίζεται όχι μόνο από 20 κράτη-μέλη της ΕΕ (βασικά μέλη), αλλά ταυτόχρονα συμμετέχουν ενεργά οι ΗΠΑ, Ινδία, Ισραήλ, Ρωσία, Ιαπωνία, Τουρκία και η UNESCO. Πρόκειται για ένα πανανθρώπινο εγχείρημα, που ως βασικό αντικείμενο ερευνών του ήταν και είναι τα στοιχειώδη σωματίδια, οι δομικοί λίθοι που απαρτίζουν την ύλη, όπως και οι δυνάμεις που τα διέπουν.
Γιατί η έρευνα πάνω στα στοιχειώδη σωματίδια είναι τόσο σημαντική;
Διότι τα πάντα είναι φτιαγμένα από αυτά! Οτιδήποτε μέσα στο Σύμπαν, όπως εξάλλου και εμείς οι ίδιοι, είναι πλασμένο από τούτα τα σωματίδια! Γι' αυτόν ακριβώς το λόγο, το ερώτημα σχετικά με το ποια είναι τα πραγματικά αδιαίρετα και αμετάβλητα εκείνα στοιχεία της ύλης που συνθέτουν τα πάντα, έχει τεθεί εδώ και... 2.500 χρόνια, αρχής γενομένης από τους προσωκρατικούς φιλοσόφους της αρχαίας Ελλάδας, όπως π.χ. ο Δημόκριτος που έθεσε την «ατομική θεωρία» (ά-τομο = αυτό που δεν τέμνεται)! Εκτός, όμως, από το πολύτιμο θεωρητικό επίπεδο, οι έρευνες αυτές μπορούν να έχουν μακροπρόθεσμα τεράστια πρακτικά οφέλη. Φανταστείτε ότι στο τέλος του 19ου αιώνα η βασική έρευνα είχε μόλις ανακαλύψει το ηλεκτρόνιο. Σήμερα, καθώς έχουμε διαβεί τον 21ο αιώνα, κανείς δεν μπορεί πια να διανοηθεί τη ζωή χωρίς τα ηλεκτρόνια! Αυτά είναι που μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό και μας επιτρέπουν να έχουμε από τους υπολογιστές και την τηλεόραση μέχρι το ραδιόφωνο και, κυρίως, το φως!

Το μεγαλείο της απειρότητας του μικρόκοσμου μπορεί ίσως να αντιπαρατεθεί μόνο με εκείνο του μακρόκοσμου, δηλαδή του σύμπαντος... Θυμηθείτε την αίσθηση του απείρου που έχετε, όταν αγναντεύετε τον ξάστερο ουρανό, και θα καταλάβετε... Οι επιστήμονες, λοιπόν, που μελετούν το συναρπαστικό τομέα της αστροφυσικής έχουν ως κύρια μέσα τα τηλεσκόπια. Στην περίπτωση του μικρόκοσμου, όμως, τι γίνεται; Οι ερευνητές των στοιχειωδών σωματιδίων χρησιμοποιούν μηχανές τεράστιου (χιλιομετρικού) μεγέθους, τους λεγόμενους επιταχυντές, που δίνουν στα σωματίδια ασύλληπτα υψηλές ταχύτητες (κοντά στην ταχύτητα του φωτός) –«ενέργειες» (όπως είναι ο δόκιμος όρος)–, ώστε ερχόμενα σε σύγκρουση με άλλα σωματίδια έχουν ως αποτέλεσμα τη μετουσίωση της ενέργειας σε ύλη. Μπορούμε επομένως να πούμε ότι οι επιταχυντές μας δίνουν μιά δίοδο στο μικρόκοσμο, επιτρέποντας στα επιμέρους πειράματα να λειτουργήσουν ως πανίσχυρα «μικροσκόπια»...
Και τώρα τι γίνεται στο CERN;
Στο CERN κατασκευάζεται και μέχρι τα τέλη του 2007 θα έχει ολοκληρωθεί μπαίνοντας σε λειτουργία ο μεγαλύτερος επιταχυντής πρωτονίων που έχει κατασκευαστεί ποτέ μέχρι σήμερα, όπου και θα συγκρούονται πρωτόνια με πρωτόνια. Ονομάζεται LHC («Large Hadron Coller») και είναι εγκατεστημένος στη βάση του CERN, στα βορειοδυτικά της Γενεύης, σε ένα τούνελ μήκους 27 χλμ. (!) σε βάθος 100 μέτρων. Φτιαγμένο κυριολεκτικά με την τελευταία λέξη της τεχνολογίας, το LHC, όπως και τα 4 εργαστήρια - πειράματα που επίσης κατασκευάζονται –ATLAS, CMS, ALICE και LHCb (τα 2 πρώτα είναι σχεδόν έτοιμα)–, αποτελεί μερικά από τα πιο αξιόλογα «μνημεία» της επιστήμης των ημερών μας. Οι ενέργειες (= ταχύτητες = θερμοκρασίες) στις οποίες θα φτάσει το LHC δεν έχουν επιτευχθεί ποτέ μέχρι σήμερα. Οπως μας εξηγεί η Χαρά Πετρίδου, αναπλ. καθηγήτρια του ΑΠΘ στην Πειραματική Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων, που αποτελεί μέρος του κορμού των επιστημόνων οι οποίοι διεξάγουν τη βασική έρευνα στο CERN, «τόσο υψηλές θερμοκρασίες, τόσο υψηλές ενέργειες όπως αυτές που τώρα θα επιτύχουμε, αντιστοιχούν σε συνθήκες που επικράτησαν στις αρχές του σύμπαντος στιγμές μόνο μετά τη Μεγάλη Εκρηξη!». Πρόκειται, λοιπόν, για μια αναπαράσταση της γενέθλιας στιγμής της φύσης, της περίφημης Μεγάλης Εκρηξης (Big Bang) ή για την ακρίβεια μια «αναπαραγωγή στο εργαστήριο των ενεργειών και των θερμοκρασιών που επικρατούσαν ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου (!) μετά τη Μεγάλη Εκρηξη»!
Μπροστά σε ένα τέτοιο ανθρώπινο επίτευγμα μόνο δέος μπορεί να αισθανθεί κάποιος. Η κ. Πετρίδου συμφωνεί και διευκρινίζει: «Είναι, πράγματι, εκπληκτικό, ένα από τα πιο θαυμαστά επιτεύγματα της σύγχρονης επιστήμης... Με τους προηγούμενους επιταχυντές, π.χ. στην Αμερική, είχαμε προσεγγίσει κοντά στο 1 sec, όμως τώρα για πρώτη φορά πλησιάζουμε τόσο κοντά στη στιγμή μηδέν του Big Bang. Πρόκειται για έναν επιταχυντή δέκα φορές “ισχυρότερο” από οποιονδήποτε άλλο κατασκευάστηκε στο παρελθόν.
»Αυτό, λοιπόν, που για τους υπόλοιπους “κοινούς θνητούς” αποτελεί κάτι το άπιαστο και ασύλληπτο, η αναπαράσταση δηλαδή της Μεγάλης Εκρηξης αλλά και η ταχύτητα των σωματιδίων που προσεγγίζει αυτήν του φωτός (!), για την επιστήμη όχι μόνο «δεν είναι κάτι το μαγικό», αλλά είναι πλέον και επιτεύξιμο»! Και οι εκπλήξεις δε σταματούν εκεί. «Το ότι το Big Bang το “αναπαράγουμε” στο εργαστήριο», συνεχίζει η κ. Πετρίδου, «είναι αλήθεια, όπως ήταν αλήθεια, όμως, και πριν 10 χρόνια… με τη διαφορά ότι τώρα είμαστε ακόμα πιο κοντά στη στιγμή μηδέν και γνωρίζουμε ήδη ότι όσο πλησιάζουμε στην “αρχή” τόσο και πιο απρόσμενα είναι τα φαινόμενα που θα παρατηρήσουμε! Το υψηλό κόστος για την πραγμάτωση του όλου εγχειρήματος, αιτιολογείται μόνο με τη σπουδαιότητα των ανακαλύψεων που αναμένουμε στις επόμενες δύο δεκαετίες». Ασφαλώς, αν σκεφθεί κανείς πως μόνο για την κατασκευή του επιταχυντή δαπανήθηκαν περί τα 2 δισ. ευρώ, ενώ για τα 2 από τα 4 πειράματα που θα διεξαχθούν έχουν επενδυθεί από μισό δισ. για το καθένα «χωρίς να συμπεριλαμβάνουμε το κόστος εργασίας» αντιλαμβανόμαστε για τι μεγέθη μιλάμε... Τι είναι, όμως, τελικά αυτό που πρόκειται να διερευνηθεί στο CERN;
Το «Καθιερωμένο Πρότυπο» του Σύμπαντος
Τα πειράματα στον επιταχυντή του CERN θα επιτρέψουν στους φυσικούς να διαπιστώσουν κατά πόσο ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε σήμερα την ύλη και τις δυνάμεις που τη διέπουν –και άρα το Σύμπαν στο σύνολό του–, ισχύει ή όχι. Το λεγόμενο «Καθιερωμένο Πρότυπο» (Standard Model) έχει ως εξής: Τα πάντα γύρω μας αποτελούνται από άτομα. Τα άτομα αποτελούνται κατά 99,99% από κενό (άρα οτιδήποτε και αν αντικρίσουμε είναι κατά 99,99%... κενό!). Το υπόλοιπο 0,01%, το οποίο είναι αυτό που μελετάται, αποτελείται από ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω από πυρήνες φτιαγμένους από πρωτόνια και νετρόνια, συνθέτοντας έτσι τα άτομα. Πρωτόνια και νετρόνια, με τη σειρά τους, συνθέτονται από τα κουάρκς. Την «κόλλα» όλων αυτών των σωματιδίων αποτελούν οι δυνάμεις. Οι δυνάμεις που γνωρίζουμε είναι τέσσερις: η βαρυτική, η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής πυρηνική και η ισχυρή πυρηνική. Η παραπάνω περιγραφή, αν και έχει περάσει με επιτυχία όλους τους πειραματικούς ελέγχους, έχει και αυτή... κενά.
Η δυσκολία και ταυτόχρονα ο στόχος της σύγχρονης φυσικής είναι να περιγράψουμε τις 4 δυνάμεις- αλληλεπιδράσεις με έναν ενιαίο τρόπο, σε μια ενοποιημένη θεωρία που θα τις εξηγεί ως 4 διαφορετικές εκδηλώσεις μίας και μοναδικής δύναμης –ή και να διαψεύσουμε αυτήν την προσδοκία... Οπως η κ. Πετρίδου μας διαφωτίζει, «ήδη γνωρίζουμε πειραματικά ότι οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις σε πολύ υψηλές ενέργειες συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο και είναι δυνατόν να περιγραφούν με μία “ενοποιημένη” θεωρία. Ο “γρίφος” αυτής της θεωρίας βρίσκεται σήμερα στο μυστηριώδες σωματίδιο Higgs... που αρνείται πεισματικά να μας αποκαλυφθεί!».
Higgs...
Η βαρύτητα ασκεί επιρροή πάνω στη μάζα των σωμάτων, αλλά μέχρι τώρα δεν έχει εξηγηθεί γιατί τα θεμελιώδη σωματίδια έχουν τη μάζα που έχουν. Αυτό που σε θεωρητικό επίπεδο το Standard Model προβλέπει, αλλά πειραματικά δεν έχει διαπιστωθεί, είναι ότι τα σωματίδια, και άρα κάθε υλικό αντικείμενο, έχουν τη μάζα που έχουν επειδή τους τη δίνει ένα σωματίδιο, το σωματίδιο Higgs! «Σκοπός, λοιπόν, των πειραμάτων που θα γίνουν στο CERN και που θα διαρκέσουν 10 με 20 χρόνια», μας εξηγεί η κ. Πετρίδου «είναι να “δούμε” το σωματίδιο Higgs –αν υπάρχει. Να “δούμε” αν στην “αρχή” του σύμπαντος δημιουργήθηκαν κι άλλοι δομικοί λίθοι εκτός από αυτούς που ήδη γνωρίζουμε, αν έχουμε ενδείξεις για την ύπαρξη και άλλων δυνάμεων. Πού πήγε η αντιύλη στο Σύμπαν; Υπάρχει σκοτεινή ύλη; Η λίστα είναι μεγάλη! Μέσα από τις συγκρούσεις πρωτονίων με πρωτόνια που θα πραγματοποιηθούν στον επιταχυντή, αναμένουμε κατά κύριο λόγο την παραγωγή και φυσικά την παρατήρηση του Higgs. Αν το Higgs δεν υπάρχει, όλη η θεωρία της ενοποίησης των ηλεκτρασθενών δυνάμεων ανατρέπεται! Οπωσδήποτε κάτι καινούργιο θα προκύψει από όλη αυτήν την ιστορία! Γι’ αυτό και υπάρχει τόσο μεγάλος ενθουσιασμός μεταξύ των ερευνητών. Μπορεί να βρεθούμε μπροστά σε εκπλήξεις που ούτε καν τις φανταζόμαστε». Εξάλλου, όπως ο Stephen Hawking έχει σημειώσει, «πολλά βραβεία Νόμπελ απονέμονται όταν αποδεικνύεται πως το σύμπαν δεν είναι τόσο απλό όσο νομίζαμε!».
Αντι-ύλη
Μετά τη Μεγάλη Εκρηξη, η οποία συνέβη πριν από 13,7 δισ. χρόνια, παρήχθησαν σωματίδια ύλης και αντι-ύλης σε ίσες ποσότητες. Τούτο σημαίνει πως κάθε σωματίδιο (π.χ. πρωτόνιο) είχε το αντίστοιχο πανομοιότυπό του σωματίδιο (αντι-πρωτόνιο). Μεταξύ τους διαφέρουν μόνο ως προς το φορτίο που φέρουν (θετικό /αρνητικό). Στο σύμπαν μας δεν υπάρχει αντι-ύλη! Ο αδρονικός επιταχυντής του CERN, λειτουργώντας ως... «χρονομηχανή» που θα μας πάει πίσω στη στιγμή του Big Bang, θα προσπαθήσει να ρίξει φως στο μυστήριο της “εξαφάνισης” ερευνώντας το πώς και πρωτίστως εάν παραβιάστηκε αυτή η ισορροπία ύλης και αντι-ύλης. Τι συνέβη με το υπόλοιπο... 50% (!) του σύμπαντος;
Finale
Αυτός είναι, λοιπόν, σε αδρές γραμμές ο θαυμαστός κόσμος του CERN... Οπως χαρακτηριστικά μας λέει η κ. Πετρίδου ολοκληρώνοντας την κουβέντα, «όσες φορές κατεβαίνω στον επιταχυντή, με πιάνει δέος... Βλέπω το “θράσος” και το μεγαλείο του ανθρώπου που δε διστάζει μπροστά σε οποιαδήποτε δυσκολία, και δυσκολεύομαι να συνειδητοποιήσω πως αυτό που αντικρίζω είμαστε εμείς που το έχουμε φτιάξει...».
Ενας νέος κόσμος προβάλλει, καθώς διαβαίνουμε το κατώφλι του 21ου αιώνα. Η επιστήμη και οι τεχνολογίες που αυτή φέρει αλλάζουν πλέον τη μορφή της κοινωνίας όλο και πιο γρήγορα και ταυτόχρονα μάλλον περισσότερο από καθετί άλλο… Γνωρίζουμε το πεδίο της εξωτερικότητάς μας όσο ποτέ… Της εσωτερικότητάς μας, όμως; Εχουμε καλλιεργήσει την εσωτερική ωριμότητα που θα μας επιτρέψει να χειριστούμε συνετά όλη αυτήν τη «γνώση» ή θα υποπέσουμε στα πιθανά σφάλματα της τεχνολογικής μας εφηβείας; Το μέλλον θα δείξει…Το ποια μορφή αυτό θα έχει, άγνωστο... Από δρόμους του οποίους μέχρι πριν δεν ξέραμε, θα πάμε σε τόπους που δε φανταζόμαστε...
Μαύρες τρύπες! (ΡΑΣΤΕΡ)
Κατά κόρον ακόμη έχει ακουστεί αλλά και διαψευστεί από το επιστημονικό προσωπικό του CERN πως μέσα από τα επερχόμενα πειράματα υπάρχει ο κίνδυνος να δημιουργηθούν μαύρες τρύπες. Τούτο θα αποτελούσε κίνδυνο διότι οι ισχυρές μαύρες τρύπες έχουν τη... “συνήθεια” να απορροφούν οτιδήποτε τις περιβάλλει. Η κ. Πετρίδου είναι από καθησυχαστική έως αφοπλιστική: «Θα μπορούσαν να παραχθούν, είναι όμως αρκετά απίθανο. Μακάρι να παραχθούν ώστε να τις παρατηρήσουμε και να τις μελετήσουμε! Αν δημιουργηθούν, θα έχουν απειροελάχιστη μάζα και χρόνο ζωής.... Το…“δράμα” θα είναι να παράγονται στα πειράματά μας και να μην τις δούμε!»...

H Ελλάδα στο μέλλον
(ΡΑΣΤΕΡ)

Η Ελλάδα συμμετέχει σε τρία από τα τέσσερα πειράματα του LHC: ALICE, ATLAS και CMS. Αυτό το οποίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό, υπογραμμίζει η κ. Πετρίδου, ως μέλος του πειράματος ATLAS, είναι ο ρόλος των τριών ελληνικών πανεπιστημίων (Πανεπιστήμιο Αθηνών, Μετσόβιο και ΑΠΘ) σ’ αυτό το μεγαλειώδες εγχείρημα. «Είναι η πρώτη φορά στην ιστορία του CERN που η Ελλάδα θα δώσει ουσιαστικό στίγμα», «Made in Greece», όπως χαρακτηριστικά σημειώνει. «Εκατόν είκοσι οκτώ ανιχνευτές μιονίων από τους συνολικά 1.200 του φασματομέτρου μιονίων του ATLAS έχουν κατασκευαστεί στη Θεσσαλονίκη!», δηλώνει με δικαιολογημένη περηφάνια. «Πρόκειται για το 10% του φασματομέτρου που…πιστεύουμε οτι θα “βρει“ το σωματίδιο Higgs! Είναι αποτέλεσμα συνεργασίας πολλών ερευνητών και τεχνικών από τα τρία ιδρύματα και από τις σπάνιες περιπτώσεις που όλοι βάλαμε την πραγμάτωση του στόχου πάνω από τις προσωπικές μας φιλοδοξίες, εργαζόμενοι με σύμπνοια για την επιστήμη και τη χαρά της δημιουργίας».

Ιnfo
· Το CERN είναι ο δημιουργός του ίδιου του Iντερνετ, όπως το γνωρίζουμε ως World Wide Web (www). Προέκυψε από τις ανάγκες των επιστημόνων του CERN στα τέλη της δεκαετίας του ‘80 να ανταλλάσσουν μεταξύ τους πληροφορίες.
· Σήμερα έχουν δημιουργήσει τη 2η γενιά του Iντερνετ, που, προς το παρόν, αξιοποιείται μόνο από το ακαδημαϊκό τους προσωπικό, γνωστή με το όνομα Τεχνολογία Πλέγματος, GRID, προκειμένου η επεξεργασία και η αποθήκευση των άπειρων δεδομένων να μη γίνεται από έναν υπολογιστή αλλά από ένα δίκτυο υπολογιστών σε όλο τον κόσμο.

· Στις εφαρμογές που προέκυψαν κατά τη διάρκεια του 50ετούς ερευνητικού έργου του CERN περιλαμβάνονται τεχνολογίες διάγνωσης και θεραπείας καρκίνου, τομογραφίες, ηλεκτρονικά υψηλής τεχνολογίας, όργανα ανίχνευσης ακτινοβολίας, δημιουργία νέων υλικών κ.ά.