Τα βασικά πειράματα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων LHC στο CERN
Ιωάννης Π. Ζώης*
"I want to know God’s thoughts. All the rest are details" (A. Einstein)
Στις 30 Μαρτίου 2010 συγκρούσθηκαν για πρώτη φορά σωμάτια στον καινούργιο επιταχυντή LHC (Large Hadron Collider, Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στην Γενεύη (Γαλλοελβετικά σύνορα) με ενέργεια 7 TeV (δύο δέσμες πρωτονίων-αντιπρωτονίων με ενέργεια 3.5 TeV έκαστη), σπάζοντας το παγκόσμιο ρεκόρ ενέργειας συγκρουόμενων δεσμών σωματιδίων. (Αδρόνια λέγονται τα σωμάτια που αποτελούνται από κουάρκς, σαν το πρωτόνιο, το νετρόνιο κλπ). Πρόκειται για τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων που υπάρχει και λειτουργεί στον κόσμο σήμερα (επιταχυντής σύνχροτρον περιφέρειας 27 km σε βάθος 175 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους με μέγιστη ενέργεια 14 TeV που θα επιτευχθεί εν καιρώ), με σκοπό την περεταίρω διερεύνηση των νόμων της φύσης.
Υπάρχουν και άλλοι (μικρότεροι) επιταχυντές στο CERN αλλά με αφορμή τα πρώτα «επιχειρησιακά» γενέθλια του LHC θα περιγράψουμε εν συντομία τα βασικά πειράματα που έχουν προγραμματισθεί στο μεγαλύτερο και ακριβότερο επιστημονικό όργανο που κατασκευάστηκε ποτέ (η περιγραφή είναι από την οπτική ενός «θεωρητικού»).
Στον LHC υπάρχουν βασικά 6 ανιχνευτές-πειράματα:
ATLAS
ALICE
CMS
LHCb
TOTEM και
LHCf.
1. ΑΤLAS και CMS. Πρόκειται για ανιχνευτές γενικής χρήσης που θα χρησιμοποιηθούν σε πειράματα σχετικά με
την ανακάλυψη του σωματιδίου (μποζονίου) Χιγκς (κυρίως)
την ύπαρξη έξτρα (συμπαγοποιημένων) χωρικών διαστάσεων
την διερεύνηση της λεγόμενης σκοτεινής ύλης και
την ύπαρξη υπερσυμμετρίας.
Τι ακριβώς όμως είναι το σωματίδιο Χιγκς και γιατί οι φυσικοί εμφανίζουν μια εμμονή με αυτό και μάλιστα αποκαλείται και «το σωματίδιο του Θεού»?
Το σωματίδιο Χιγκς προτάθηκε θεωρητικά το 1964 από τον Βρετανό (για την ακρίβεια Σκοτσέζο) φυσικό Peter Higgs (ο γράφων ως διδακτορικός φοιτητής τον πρόλαβε δυστυχώς μόνο για 3 μήνες πριν συνταξιοδοτηθεί στο τέλος του 1993 στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) και σχετίζεται με το πρόβλημα της μάζας στο λεγόμενο στάνταρ μοντέλο. Ας προσπαθήσουμε....
να εξηγήσουμε το πρόβλημα αυτό (προειδοποιούμε ότι εν γνώσει μας θα υπεραπλουστεύσουμε και θα παραλείψουμε πολλές ίσως βασικές λεπτομέρειες).
Αποτελεί πειραματικό δεδομένο πως όταν προσπαθούμε να μετρήσουμε διάφορα φυσικά μεγέθη όπως πχ την μάζα (ή το ηλεκτρικό φορτίο) σωματιδίων (πχ ηλεκτρονίου) συγκρούοντάς τα σε επιταχυντές, (καλή ώρα σαν τον LHC), παρατηρούμε το εξής πολύ περίεργο, αναπάντεχο και ενδιαφέρον φαινόμενο: Εάν δεν λάβουμε υπόψη μας κάποιες πολύπλοκες διορθώσεις, οι απαντήσεις εξαρτώνται από το πόσο δυνατά συγκρούονται αυτά τα σωμάτια μεταξύ τους (δηλαδή από την ενέργειά τους). Με άλλα λόγια αν προσπαθήσουμε να μετρήσουμε το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου θα δούμε πως η τιμή του ηλεκτρικού φορτίου που μετράμε δεν είναι σταθερή (όπως θα περιμέναμε) αλλά εξαρτάται από την ενέργεια των ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούμε στο πείραμα. Χονδρικά μιλώντας, αυτό αποτελεί απόρροια της θεωρίας των σχετικιστικών κβαντικών πεδίων (βλέπε παρακάτω για την σχετικιστική κβαντομηχανική του Dirac): Οφείλεται στο γεγονός ότι κάθε σωμάτιο περιβάλλεται από ένα νέφος τεχνητών σωματιδίων και όσο πιο δυνατά χτυπάμε τα σωμάτια μεταξύ τους, τόσο περισσότερο «διεισδύουμε» μέσα σε αυτό το νέφος που τα περιβάλει (η ύπαρξη αυτού του νέφους οφείλεται στην αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg αλλά και στην συμμετρία Lorentz της ειδικής θεωρίας σχετικότητας του Einstein, η συμμετρία Lorentz είναι το αντίστοιχο της συμμετρίας σε περιστροφές στον γνωστό μας 3-διάστατο Ευκλείδειο χώρο). Αυτό που κρύβεται πίσω από τις λέξεις «πολύπλοκες διορθώσεις» είναι η λεγόμενη θεωρία/διαδικασία «επανακανονικοποίησης (renormalization)» της κβαντικής θεωρίας πεδίων, μια δύσκολη και πολύ τεχνική μαθηματική διαδικασία που βρίσκεται στην καρδιά της σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας πεδίων, είναι ουσιαστικά η διαδικασία που μας επιτρέπει να κάνουμε υπολογισμούς και προβλέψεις στα διάφορα πειράματα. Η διαδικασία (θεωρία) της επανακανονικοποίησης που ξέρουμε όμως βασικά στηρίζεται στην ύπαρξη συμμετρίας (βαθμίδας). Όμως για να υπάρχει συμμετρία θα πρέπει να έχουμε μηδενική μάζα. Δηλαδή σχηματικά έχουμε την εξής συνεπαγωγή:
Μηδενική μάζα → συμμετρία → επανακανονικοποίηση (=δυνατότητα υπολογισμών και προβλέψεων).
Εισαγωγή μη μηδενικής μάζας (στην Λαγκρανζιανή πυκνότητα της θεωρίας) σημαίνει σπάσιμο της συμμετρίας (βαθμίδας) και συνεπώς μη-επανακανονικοποίηση, άρα αδυναμία υπολογισμών και προβλέψεων στα πειράματα (πρακτικά είναι σαν να μην έχουμε καν θεωρία).
Προφανώς στο σύμπαν υπάρχει μάζα (που οφείλεται σε σωμάτια που έχουν μη μηδενική μάζα, αλλιώς δεν θα υπήρχαμε, θα είμαστε όλοι ενέργεια). Άρα λοιπόν από την στιγμή που υπάρχει μη μηδενική μάζα έχουμε μεγάλο πρόβλημα, η θεωρία μας αναγκαστικά είναι μη-επανακανονικοποιήσιμη, οπότε δεν ξέρουμε πώς να κάνουμε υπολογισμούς!
Θα πρέπει λοιπόν να βρούμε ένα τρόπο να προσθέσουμε μάζα χωρίς να σπάσουμε τη συμμετρία για να είναι η θεωρία επανακανονικοποιήσιμη. Ο Χιγκς επέλυσε εφυέστατα το δύσκολο αυτό πρόβλημα ως εξής: Θεώρησε ότι παντού στο σύμπαν υπάρχει ένα νέο επιπλέον πεδίο το οποίο ουσιαστικά το εισήγαγε “με το χέρι”, “αυθαίρετα” (και που εκ των υστέρων προς τιμή του φέρει το όνομά του, πεδίο Χιγκς). Το πεδίο αυτό έχει κάποιες ιδιότητες τις οποίες τις προσδιόρισε και μέσω αυτού, χρησιμοποιώντας ένα τρικ που λέγεται επίσης προς τιμήν του μηχανισμός Χιγκς, επιτυγχάνεται το ζητούμενο: Να αποκτήσουν μάζα τα σωμάτια και να έχουμε και επανακανονικοποιήσιμη θεωρία! Το σωμάτιο Χιγκς χονδρικά δεν είναι παρά το αντίστοιχο σωμάτιο αυτού του πεδίου λόγω του γνωστού κυματοσωματιδιακού δυϊσμού της κβαντομηχανικής. Χωρίς να μπούμε σε τεχνικές (μαθηματικές) λεπτομέρειες (αλλά δες σημείωση στο τέλος του άρθρου) θα δώσουμε ένα κλασικό ανάλογο της κατάστασης (αν και είναι επιστημονικά επισφαλές να δίδουμε κλασικά ανάλογα κβαντικών φαινομένων, το κάνουμε για παιδαγωγικούς λόγους και για να απλουστεύσουμε) και θα πούμε πως χονδρικά όλα τα σώματα στο σύμπαν βρίσκονται μέσα σε μια «θάλασσα» του πεδίου Χιγκς και η μάζα των σωματιδίων (κουάρκ και λεπτόνια, αναφερόμαστε στην συνήθη ύλη, βλέπε παρακάτω) προκύπτει τρόπον τινά ως το ιξώδες, η τριβή, ή αν θέλετε η «δυσκολία» που αντιμετωπίζουν όλα τα σωμάτια για να κινηθούν μέσα σε αυτή τη θάλασσα Χιγκς. Μεγαλοφυής σαν ιδέα μεν αλλά χρήζει πειραματικής επιβεβαίωσης δε! (Σημειώνουμε βέβαια πως υπάρχουν και εναλλακτικές προτάσεις στο πρόβλημα μάζας του στάνταρ μοντέλου, ενδεικτικά αναφέρουμε την λεγόμενη “πεμπτουσία” (quintessence), το technicolour κλπ αλλά η συντριπτική πλειοψηφία των φυσικών υποστηρίζουν την πρόταση Χιγκς). Η ύπαρξη του σωματίου Χιγκς αποτελεί ζωτικό συστατικό του λεγόμενου στάνταρ μοντέλου, χωρίς αυτό είτε δεν έχουμε μη μηδενικές μάζες ή έχουμε θεωρία που δεν επανακανονικοποιείται, δηλαδή δεν μπορεί να υπολογίσει τίποτε άρα δεν μπορεί να κάνει προβλέψεις. Αν δεν βρεθεί το σωμάτιο Χιγκς στα πειράματα του LHC τότε ή το σωμάτιο Χιγκς έχει μεγαλύτερη μάζα οπότε θα πρέπει να πάμε σε υψηλότερες ενέργειες, (μεγαλύτερους επιταχυντές) ελπίζοντας ότι εκεί θα βρεθεί το σωμάτιο Χιγκς, ή να σκεφτούμε τις εναλλακτικές ερμηνείες ή να αναθεωρήσουμε το μηχανισμό Χίγκς ή ακόμη και το στάνταρ μοντέλο ή/και τις διαδικασίες/τεχνικές/θεωρίες επανακανονικοποίησης (πολύ δύσκολο και τεχνικό πρόβλημα, άρα θα βρεθούμε σε θεωρητικό επίπεδο ουσιαστικά 60-70 χρόνια πίσω στην εποχή του Dirac και της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής των Feynman, Dyson κλπ).
Η ύπαρξη έξτρα (χωρικών) διαστάσεων προβλέπεται από διάφορες θεωρίες ενοποίησης του στάνταρ μοντέλου με την βαρύτητα (πχ θεωρία υπερχορδών / Μ-Θεωρία κλπ). Αν αποδειχθεί ότι πράγματι υπάρχουν έξτρα χωρικές διαστάσεις, αυτό οπωσδήποτε θα αυξήσει την εμπιστοσύνη μας στις θεωρίες ενοποίησης (υπερχορδές κλπ, οι θεωρίες αυτές αν και υπάρχουν επί μισό περίπου αιώνα δεν έχουν την παραμικρή πειραματική επιβεβαίωση μέχρι στιγμής).
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί σήμερα ένα σημαντικό πρόβλημα της κοσμολογίας καθότι όπως γνωρίζουμε μόνο το 4% της παρατηρούμενης ύλης στο σύμπαν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (αυτή λέγεται συνήθης ύλη και αποτελείται από κουάρκ και λεπτόνια) και άρα είναι άμεσα παρατηρήσιμη. Το 26% αποτελείται από την λεγόμενη σκοτεινή ύλη και το υπόλοιπο 70% αποτελείται από την λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, ένα καθολικό και μη τοπικό βαρυτικό φαινόμενο, κάτι σαν απωστική βαρύτητα, το οποίο επίσης χρήζει κατανόησης-εξήγησης. Ο κυριότερος υποψήφιος για την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης είναι τα υπερσυμμετρικά σωμάτια. Ως γνωστόν τα σωμάτια χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τα μποζόνια με ακέραιο σπιν και τα φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν. Μαθηματικά τα πρώτα περιγράφονται ουσιαστικά μέσω του τελεστή Λαπλάς (Λαπλασιανή ή τελεστή Ντάλαμπερτ όπως είναι πιο γνωστός στους φυσικούς σε 4 χωροχρονικές διαστάσεις με μετρική Μινκόφσκι) ενώ τα δεύτερα μέσω του τελεστή Dirac (που ουσιαστικά είναι η τετραγωνική ρίζα της Λαπλασιανής). Η σημαντικότερη ποιοτική διαφορά τους είναι ότι τα τελευταία υπακούουν στην λεγόμενη απαγορευτική αρχή του Pauli. Η υπερσυμμετρία είναι μια παλιά (εδώ και μισό αιώνα) ιδέα της φυσικής που λέγει ότι υπάρχει μια συμμετρία μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων, δηλαδή σε κάθε παρατηρούμενο μποζόνιο υπάρχει και το αντίστοιχο φερμιόνιο και αντίστροφα. Κανένας υπερσυμμετρικός παρτενέρ σωματιδίου δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα αλλά ίσως στις υψηλές ενέργειες του LHC εμφανισθούν. Αυτό αφενός θα εξηγήσει την σκοτεινή ύλη αλλά θα αποτελέσει επιπλέον ένδειξη υπέρ της θεωρίας υπερχορδών / Μ-Θεωρίας των οποίων η ύπαρξη υπερσυμμετρίας αποτελεί σημαντικό συστατικό.
Πέρα των παραπάνω θα διενεργηθούν και άλλα πειράματα, όπως για παράδειγμα πειράματα για την εμφάνιση κουάρκ σε διεγερμένες καταστάσεις (κάτι που θα υποδηλώνει πως και τα κουάρκ τα ίδια ίσως αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωμάτια) κλπ (βλέπε “Search for New Particles in Two-Jet Final States in 7 TeV Proton-Proton Collisions with the ATLAS Detector at the LHC”, The ATLAS Collaboration, Phys. Rev. Lett. 105, 161801 (2010)).
2. ALICE. Ο ανιχνευτής αυτός θα μελετήσει το λεγόμενο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων. Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (της τάξης των τρισεκατομμυρίων βαθμών κελσίου, περίπου 100.000 φορές μεγαλύτερη από την θερμοκρασία στον πυρήνα του ήλιου), τα πρωτόνια και τα νετρόνια θα «λιώσουν» και θα απελευθερώσουν τα κουάρκ (από τα οποία αποτελούνται τα πρωτόνια και τα νετρόνια) μαζί με τα γκλουόνια (τους φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης). Οι συνθήκες αυτές επικρατούσαν στο σύμπαν λίγο μετά την μεγάλη έκρηξη (κάποια χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά το big-bang), άρα η μελέτη αυτής της κατάστασης θα ρίξει φως στα πρώιμα στάδια της ζωής του σύμπαντος και στην εξέλιξή του (νουκλεοσύνθεση κλπ). Ήδη έχουμε κάποια πρώτα αποτελέσματα της ALICE που προκαλούν μάλλον έκπληξη και δείχνουν αφενός πως το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων συμπεριφέρεται ως υπερκαυτό υγρό (superhot liquid) και όχι ως αέριο όπως υποστήριζαν κάποια θεωρητικά μοντέλα, (δηλαδή έχει μεγαλύτερο ιξώδες απ’ ότι προβλεπόταν), αφ’ ετέρου η πυκνότητά του είναι μεγαλύτερη απ’ ότι αναμενόταν. (Βλέπε “Elliptic Flow of charged particles in Pb-Pb collisions at 2.76 TeV”, The ALICE Collaboration, arXiv.org/1011.3914 αλλά και “Charged particle multiplicity density at mid-rapidity in central Pb-Pb collisions at sqrt(sNN) = 2.76 TeV”, The ALICE Collaboration, PRL 105, 252301 (2010), όπως και το “Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton -Proton Collisions at the LHC”, CΜS Collaboration, JHEP 1009:091, 2010).
3. LHCb. Ο ανιχνευτής αυτός θα προσπαθήσει να ρίξει φως σε ένα επίσης σημαντικό πρόβλημα της κοσμολογίας και του στάνταρ μοντέλου, την ασσυμετρία ύλης και αντιύλης που παρατηρείται στο σύμπαν. Ας το εξηγήσουμε σύντομα αυτό: Ίσως το μεγαλύτερο μειονέκτημα του στάνταρ μοντέλου είναι πως προβλέπει πως δεν θα έπρεπε να υπάρχουμε! Στις αρχές του 20ου αιώνα ο Einstein διατύπωσε την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Λίγο αργότερα εμφανίστηκε η κβαντομηχανική. Όμως η (κλασική) κβαντομηχανική (των Heisenberg, Schrödinger, Bohr, Plank κλπ) δεν ήταν συμβατή με την ειδική θεωρία σχετικότητας του Einstein αλλά με την παλιά αρχή σχετικότητας του Γαλιλαίου της Νευτώνειας φυσικής. Το πρόβλημα έλυσε η λεγόμενη «σχετικιστική κβαντομηχανική» του Paul Adriene Maurice Dirac στο Κέιμπριτζ (βραβείο Νομπέλ 1933, κατά πολλούς, συμπεριλαμβανομένου και του γράφοντος, ο Dirac μαζί με τον Einstein είναι μάλλον οι μεγαλύτεροι φυσικοί του 20ου αιώνα) και αποτελεί μια γενίκευση της κβαντομηχανικής συμβατή με την ειδική θεωρία σχετικότητας. Η θεωρία του Dirac (και όχι η απλή κβαντομηχανική) χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς σε όλα τα πειράματα σε όλους τους επιταχυντές διότι τα σωμάτια έχουν ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός οπότε η ειδική θεωρία σχετικότητας οπωσδήποτε πρέπει να ληφθεί υπόψη. Μια από τις σημαντικές προβλέψεις της θεωρίας του Dirac ήταν η ύπαρξη αντιύλης, δηλαδή η θεωρία προβλέπει πως για κάθε σωμάτιο υπάρχει το αντισωμάτιό του, πχ για το ηλεκτρόνιο που είναι αρνητικά φορτισμένο υπάρχει το αντισωμάτιό του το λεγόμενο ποζιτρόνιο (αντιηλεκτρόνιο) που είναι ένα ηλεκτρόνιο (ίδια μάζα, ίδιο σπιν) αλλά με θετικό φορτίο, για το πρωτόνιο που έχει θετικό φορτίο υπάρχει το αντιπρωτόνιο με αρνητικό φορτίο κλπ. [Μαθηματικά αυτό προκύπτει από τις «διπλές» λύσεις της εξίσωσης Dirac: Αφού η εξίσωση Dirac είναι η τεραγωνική ρίζα ουσιαστικά της κυματικής εξίσωσης, θυμηθείτε από το δημοτικό ότι η τετραγωνική ρίζα του 25 είναι το +5 και το -5. Στην σύγχρονη μαθηματική γλώσσα βέβαια μιλάμε για διατομές μιας σπιν δέσμης με ομάδα δομής την ομάδα σπιν που αποτελεί την διπλή κάλυψη της αντίστοιχης ορθογώνιας ομάδας]. Η ύπαρξη του ποζιτρόνιου (αντιηλεκτρόνιο) επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1936 από τον Anderson και τον Blackett (επίσης βραβεία Νομπέλ). Συνεπώς θα πρέπει να υπάρχει το άτομο του αντιυδρογόνου που αποτελείται από ένα νετρόνιο (ηλεκτρικά ουδέτερο οπότε δεν έχει αντισωμάτιο), ένα ποζιτρόνιο και ένα αντιπρωτόνιο αλλά υπάρχει και περιοδικός πίνακας των αντιστοιχείων. Συνεπώς θα πρέπει να υπάρχει και μια αντι-Χημεία, η Χημεία των αντιστοιχείων. Η σύγκρουση ύλης και αντιύλης δημιουργεί εξαϋλωση (ακτινοβολία γ). Το πρόβλημα τώρα με το στάνταρ μοντέλο είναι πως προβλέπει ίση ποσότητα ύλης και αντιύλης (με τελικό αποτέλεσμα εξαϋλωση, συνεπώς στο σύμπαν θα έπρεπε να υπάρχει μόνο ενέργεια και εμείς δεν θα έπρεπε να υπάρχουμε), άρα κάτι συνέβει και η αντιύλη εξαφανίστηκε ή απομονώθηκε κάπου στο σύμπαν ή το στάνταρ μοντέλο θέλει διόρθωση σε αυτό το κομμάτι, της συμμετρίας ύλης και αντιύλης που προβλέπει (κάποια πειραματικά δεδομένα ήδη από το 1998 στο CERN δείχνουν για παράδειγμα ασυμμετρία στις ταλαντώσεις σωματίου-αντισωματίου κάποιων εξωτικών σωματίων που λέγονται καόνια). H βασική προσπάθεια στα σχετικά πειράματα στο CERN (πειράματα AEGIS, ATRAP, ALPHA) είναι η κατασκευή ατόμων αντιυδρογόνου και η μελέτη των φασμάτων εκπομπής αυτών. Η θεωρία προβλέπει ταύτιση στα φάσματα εκπομπής υδρογόνου και αντιυδρογόνου. Η παραγωγή ανιστοιχείων είναι εξαιρετικά δύσκολη, ουσιαστικά πρέπει να συντίθενται αντισωμάτιο –αντισωμάτιο, κρατώντας τα συνεχώς απομονωμένα (αφού η αλληλεπίδρασή τους με οτιδήποτε από τον υλικό μας κόσμο τα καταστρέφει-εξαϋλωση). Επίσης σημαντικό θέμα είναι πως συμπεριφέρεται η βαρύτητα στην αντιύλη, η θεωρία δεν προβλέπει καμία διαφορά μεταξύ ύλης-αντιύλης όσον αφορά την βαρυτική αλληλεπίδραση. Ακόμη και η μικρότερη παρατηρούμενη διαφοροποίηση θα έχει δραματικές θεωρητικές συνέπειες.
4. LHCf. Το πείραμα αυτό θα χρησιμοποιήσει σωμάτια που παράγονται στον LHC σαν πηγή για να κάνει προσομοίωση κοσμικής ακτινοβολίας.
5. ΤΟΤΕΜ. Αυτό ουσιαστικά είναι ένα πείραμα που θα παρακολουθεί την φωτεινότητα (luminosity) του επιταχυντή.
Θα κλείσουμε με μερικά σχόλια σε θέματα που απασχόλησαν την κοινή γνώμη:
Α. Υπήρχαν ανησυχίες για την ασφάλεια της γης από τα πειράματα στο CERN. Πιο συγκεκριμένα κάποιοι ισχυρίζονταν πως μπορεί κατά τη διάρκεια των πειραμάτων να δημιουργηθούν μίνι μαύρες τρύπες (ή vacuum bubbles, stranglets κλπ) που να «καταπιούν» ή να καταστρέψουν τη γη. Η απάντηση σε αυτό έχει 2 σκέλη, πειραματικό και θεωρητικό: Η αλήθεια είναι πως την γη την έχουν βομβαρδίσει σε όλη τη ζωή της μέχρι σήμερα πολλά σωμάτια (κοσμική ακτινοβολία) με ενέργεια πολύ μεγαλύτερη από αυτή των σωματίων που θα παραχθούν στον LHC και «επέζησε». (Επίσης στο σύμπαν υπάρχουν δισεκατομμύρια «φυσικά εργαστήρια» παραγωγής σωματιδίων με ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από τις ενέργειες των σωματιδίων που θα παραχθούν στον LHC και το υλικό σύμπαν επίσης είναι εδώ). Θεωρητικά δε από τις εξισώσεις του Hawking για την ακτινοβολία μελανών οπών προκύπτει ότι οι μίνι μαύρες τρύπες «εξατμίζονται» πολύ γρήγορα, εν ριπή οφθαλμού.
Β. Σε κάποιο μυθιστόρημα του Dan Brown εμφανίστηκε ο κίνδυνος από την ύπαρξη «βόμβας αντιύλης» που χαρακτηρίστηκε ως το απόλυτο όπλο. Μέχρι στιγμής στο CERN, επί 30 έτη που λειτουργεί το αντίστοιχο εργαστήριο, η συνολική ποσότητα αντιύλης που έχει κατασκευαστεί είναι περίπου 10 δισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου. Την ελάχιστη αυτή ποσότητα αν την είχαμε ολόκληρη συγκεντρωμένη στο ακροδάκτυλό μας θα εξαϋλωνόταν χωρίς να δημιουργήσει απολύτως κανένα κίνδυνο για τη ζωή μας (λιγότερη ζημιά από ένα σπίρτο). Δημιουργία αντιύλης μπορεί να γίνει μόνο στο CERN και σε 1-2 (το πολύ!) άλλα ερευνητικά κέντρα στον κόσμο. Η δημιουργία αντιύλης είναι εξαιρετικά χρονοβόρα (για αρκετή ποσότητα για μια βόμβα με την σημερινή τεχνολογία θα χρειαζόμαστε 10 δισεκατομμύρια χρόνια!) και φυσικά πανάκριβη (ένα γραμμάριο σε σημερινές τιμές θα κόστιζε 1 τετράκις εκατομμύριο δολάρια και σκεφτείτε ότι το ετήσιο ΑΕΠ των ΗΠΑ είναι «μόνο» της τάξης των 10 τρις δολλάρια! Δηλαδή το κόστος είναι της τάξης του ΑΕΠ των ΗΠΑ για έναν αιώνα! Ευχαριστώ τον Frank Close για αυτά τα νούμερα!)
[Σημείωση για τον μηχανισμό Χιγκς]: Αξίζει ένα σχόλιο (που απευθύνεται κυρίως στους πιο ειδικούς) διότι η εργασία του Χιγκς αποτελεί δείγμα μιας πραγματικής μεγαλοφυϊας: Όλοι ξέρουμε (από το γυμνάσιο ακόμη) ότι στην φύση υπάρχουν κάποιες ποσότητες που διατηρούνται, όπως η ενέργεια, η ορμή, η στροφορμή, το ηλεκτρικό φορτίο κλπ. Το θεώρημα Nöether μας λέγει ότι όταν εμφανίζεται μια διατηρούμενη ποσότητα, υπάρχει πάντα από πίσω της κάποια συμμετρία (που μαθηματικά εκφράζεται με κάποια συνεχή ομάδα μετασχηματισμών). Υπάρχουν πολλές διατηρούμενες ποσότητες και πολλές συμμετρίες: Για παράδειγμα η διατήρηση της ενέργειας συνδέεται με την χρονική συμμετρία (δηλαδή αν θες να κάνεις ένα πείραμα δεν παίζει ρόλο πότε θα το κάνεις διότι οι νόμοι της φύσης δεν αλλάζουν με το πέρασμα του χρόνου—υπάρχουν κάποιες θεωρίες όμως που υποθέτουν ότι οι φυσικές σταθερές είχαν διαφορετικές τιμές στα πρώιμα στάδια της ζωής του σύμπαντος, αυτό είναι κάτι διαφορετικό), η διατήρηση της (γραμμικής) ορμής συνδέεται με την χωρική συμμετρία (συμμετρία σε μετατοπίσεις, δηλαδή δεν παίζει ρόλο που θα κάνεις ένα πείραμα, στη Γενεύη ή στην Ν. Υόρκη, οι νόμοι της φύσης που ισχύουν εδώ ισχύουν και στον αστερισμό Α-Κενταύρου, αυτό εννοούμε όταν λέμε ότι «ο χώρος είναι ομογενής»), η διατήρηση της στροφορμής συνδέεται με την συμμετρία σε περιστροφές, η διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου συνδέεται με μια «συμμετρία (βαθμίδας)» στον λεγόμενο «εσωτερικό χώρο» (U(1) συμμετρία στον internal space, τον ολικό χώρο μια πρωτεύουσας νηματικής δέσμης κλπ). Δηλαδή σχηματικά ισχύει η παρακάτω αμφίδρομη συνεπαγωγή:
Διατηρούμενη ποσότητα ↔ συμμετρία.
Υπάρχει όμως το ενδεχόμενο μια κλασική (μακροσκοπική) συμμετρία να μην επιζεί στην διαδικασία της κβάντωσης (δηλ σε πολύ μικρές κλίμακες η συμμετρία αυτή να μην παρατηρείται) οπότε αυτό το «σπάσιμο» της συμμετρίας σε κβαντικό επίπεδο δημιουργεί μια «ανωμαλία» όπως λέμε στην φυσική.
Υπάρχει όμως και «ενδιάμεση κατάσταση», δηλαδή μια συμμετρία μπορεί να σπάσει εν μέρει (από μια ομάδα συμμετρίας να επιζήσει μόνο μια υποομάδα αυτής). Στην περίπτωση αυτή οι βαθμοί ελευθερίας δεν χάνονται αλλά παράγονται τα λεγόμενα ενδιάμεσα μποζόνια (μποζόνια Goldstone) τα οποία “απορροφώνται” και μπορεί να δώσουν μάζα σε σωμάτια που αρχικά ήταν χωρίς μάζα. Ο μηχανισμός Χιγκς είναι ακριβώς αυτό (τον περιγράφουμε εν συντομία στην περίπτωση της ηλεκτρασθενούς θεωρίας): Εισαγάγουμε στην Λαγκρανζιανή πυκνότητα (pure Yang-Mills με ομάδα SU(2)) το πεδίο Χιγκς, ένα βαθμωτό πεδίο (σπιν 0) με εκφυλισμένη βασική κατάσταση και μη-μηδενική αναμενόμενη τιμή κενού (vacuum expectation value, VEV) που δεν είναι αναλλοίωτη στην (μεγάλη) ομάδα συμμετρίας SU(2) (αυτή που θέλουμε να σπάσουμε). Κλασικά έχει διαμόρφωση «μεξικάνικου καπέλου», δηλαδή η βασική κατάσταση (ελάχιστη ενέργεια) παρουσιάζει συμμετρία κύκλου (U(1), αυτή είναι η μικρή συμμετρία, αυτή που θέλουμε να διατηρήσουμε). Επειδή θέλουμε να σπάσουμε την SU(2), υποθέτουμε ότι το πεδίο Χιγκς έχει 4 βαθμούς ελευθερίας (συνιστώσες, SU(2) doublet). Χρησιμοποιούμε θεωρία διαταραχών και αναπτύσσουμε τα πεδία γύρω από την VEV, κάνουμε κβάντωση και τελικά από τους αρχικούς 4 βαθμούς ελευθερίας του πεδίου Χιγκς επιζεί μόνο 1 και δίδει την μάζα στο σωμάτιο Χιγκς ενώ οι υπόλοιποι 3 βαθμοί ελευθερίας που χάθηκαν κατά το σπάσιμο της συμμετρίας παράγουν 3 ενδιάμεσα μποζόνια (χωρίς μάζα λόγω του εκφυλισμού της βασικής κατάστασης) τα οποία όμως απορροφώνται από τα 3 μποζόνια βαθμίδας W+, W- και Z οπότε αυτά αποκτούν μάζα ενώ αρχικά είχαν και αυτά μάζα μηδέν. (Τα μποζόνια βαθμίδας με μάζα W+, W- και Z είναι οι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης που ανακαλύφθηκαν επίσης στο CERN από τον Carlo Rubbia, βραβείο Νομπέλ 1984, δηλαδή ουσιαστικά κατά τα ¾ ο μηχανισμός Χιγκς έχει ήδη επιβεβαιωθεί). Στη συνέχεια, τα υπόλοιπα σωμάτια (κουάρκ και λεπτόνια) τα οποία επίσης θεωρούμε αρχικά χωρίς μάζα, αποκτούν μάζα μέσω του σωματίου Χιγκς (δες τα περί θάλασσας Χιγκς που αναφέραμε παραπάνω). Όλα τα συστατικά είναι παρόντα, μόνο το σωμάτιο Χιγκς λείπει!
*Μαθηματικός Φυσικός (M.Sc Cantab, D.Phil Oxon)
CERN (Theory Division).
www.antifono.gr
"I want to know God’s thoughts. All the rest are details" (A. Einstein)
Στις 30 Μαρτίου 2010 συγκρούσθηκαν για πρώτη φορά σωμάτια στον καινούργιο επιταχυντή LHC (Large Hadron Collider, Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στην Γενεύη (Γαλλοελβετικά σύνορα) με ενέργεια 7 TeV (δύο δέσμες πρωτονίων-αντιπρωτονίων με ενέργεια 3.5 TeV έκαστη), σπάζοντας το παγκόσμιο ρεκόρ ενέργειας συγκρουόμενων δεσμών σωματιδίων. (Αδρόνια λέγονται τα σωμάτια που αποτελούνται από κουάρκς, σαν το πρωτόνιο, το νετρόνιο κλπ). Πρόκειται για τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων που υπάρχει και λειτουργεί στον κόσμο σήμερα (επιταχυντής σύνχροτρον περιφέρειας 27 km σε βάθος 175 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους με μέγιστη ενέργεια 14 TeV που θα επιτευχθεί εν καιρώ), με σκοπό την περεταίρω διερεύνηση των νόμων της φύσης.
Υπάρχουν και άλλοι (μικρότεροι) επιταχυντές στο CERN αλλά με αφορμή τα πρώτα «επιχειρησιακά» γενέθλια του LHC θα περιγράψουμε εν συντομία τα βασικά πειράματα που έχουν προγραμματισθεί στο μεγαλύτερο και ακριβότερο επιστημονικό όργανο που κατασκευάστηκε ποτέ (η περιγραφή είναι από την οπτική ενός «θεωρητικού»).
Στον LHC υπάρχουν βασικά 6 ανιχνευτές-πειράματα:
ATLAS
ALICE
CMS
LHCb
TOTEM και
LHCf.
1. ΑΤLAS και CMS. Πρόκειται για ανιχνευτές γενικής χρήσης που θα χρησιμοποιηθούν σε πειράματα σχετικά με
την ανακάλυψη του σωματιδίου (μποζονίου) Χιγκς (κυρίως)
την ύπαρξη έξτρα (συμπαγοποιημένων) χωρικών διαστάσεων
την διερεύνηση της λεγόμενης σκοτεινής ύλης και
την ύπαρξη υπερσυμμετρίας.
Τι ακριβώς όμως είναι το σωματίδιο Χιγκς και γιατί οι φυσικοί εμφανίζουν μια εμμονή με αυτό και μάλιστα αποκαλείται και «το σωματίδιο του Θεού»?
Το σωματίδιο Χιγκς προτάθηκε θεωρητικά το 1964 από τον Βρετανό (για την ακρίβεια Σκοτσέζο) φυσικό Peter Higgs (ο γράφων ως διδακτορικός φοιτητής τον πρόλαβε δυστυχώς μόνο για 3 μήνες πριν συνταξιοδοτηθεί στο τέλος του 1993 στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) και σχετίζεται με το πρόβλημα της μάζας στο λεγόμενο στάνταρ μοντέλο. Ας προσπαθήσουμε....
να εξηγήσουμε το πρόβλημα αυτό (προειδοποιούμε ότι εν γνώσει μας θα υπεραπλουστεύσουμε και θα παραλείψουμε πολλές ίσως βασικές λεπτομέρειες).
Αποτελεί πειραματικό δεδομένο πως όταν προσπαθούμε να μετρήσουμε διάφορα φυσικά μεγέθη όπως πχ την μάζα (ή το ηλεκτρικό φορτίο) σωματιδίων (πχ ηλεκτρονίου) συγκρούοντάς τα σε επιταχυντές, (καλή ώρα σαν τον LHC), παρατηρούμε το εξής πολύ περίεργο, αναπάντεχο και ενδιαφέρον φαινόμενο: Εάν δεν λάβουμε υπόψη μας κάποιες πολύπλοκες διορθώσεις, οι απαντήσεις εξαρτώνται από το πόσο δυνατά συγκρούονται αυτά τα σωμάτια μεταξύ τους (δηλαδή από την ενέργειά τους). Με άλλα λόγια αν προσπαθήσουμε να μετρήσουμε το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου θα δούμε πως η τιμή του ηλεκτρικού φορτίου που μετράμε δεν είναι σταθερή (όπως θα περιμέναμε) αλλά εξαρτάται από την ενέργεια των ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούμε στο πείραμα. Χονδρικά μιλώντας, αυτό αποτελεί απόρροια της θεωρίας των σχετικιστικών κβαντικών πεδίων (βλέπε παρακάτω για την σχετικιστική κβαντομηχανική του Dirac): Οφείλεται στο γεγονός ότι κάθε σωμάτιο περιβάλλεται από ένα νέφος τεχνητών σωματιδίων και όσο πιο δυνατά χτυπάμε τα σωμάτια μεταξύ τους, τόσο περισσότερο «διεισδύουμε» μέσα σε αυτό το νέφος που τα περιβάλει (η ύπαρξη αυτού του νέφους οφείλεται στην αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg αλλά και στην συμμετρία Lorentz της ειδικής θεωρίας σχετικότητας του Einstein, η συμμετρία Lorentz είναι το αντίστοιχο της συμμετρίας σε περιστροφές στον γνωστό μας 3-διάστατο Ευκλείδειο χώρο). Αυτό που κρύβεται πίσω από τις λέξεις «πολύπλοκες διορθώσεις» είναι η λεγόμενη θεωρία/διαδικασία «επανακανονικοποίησης (renormalization)» της κβαντικής θεωρίας πεδίων, μια δύσκολη και πολύ τεχνική μαθηματική διαδικασία που βρίσκεται στην καρδιά της σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας πεδίων, είναι ουσιαστικά η διαδικασία που μας επιτρέπει να κάνουμε υπολογισμούς και προβλέψεις στα διάφορα πειράματα. Η διαδικασία (θεωρία) της επανακανονικοποίησης που ξέρουμε όμως βασικά στηρίζεται στην ύπαρξη συμμετρίας (βαθμίδας). Όμως για να υπάρχει συμμετρία θα πρέπει να έχουμε μηδενική μάζα. Δηλαδή σχηματικά έχουμε την εξής συνεπαγωγή:
Μηδενική μάζα → συμμετρία → επανακανονικοποίηση (=δυνατότητα υπολογισμών και προβλέψεων).
Εισαγωγή μη μηδενικής μάζας (στην Λαγκρανζιανή πυκνότητα της θεωρίας) σημαίνει σπάσιμο της συμμετρίας (βαθμίδας) και συνεπώς μη-επανακανονικοποίηση, άρα αδυναμία υπολογισμών και προβλέψεων στα πειράματα (πρακτικά είναι σαν να μην έχουμε καν θεωρία).
Προφανώς στο σύμπαν υπάρχει μάζα (που οφείλεται σε σωμάτια που έχουν μη μηδενική μάζα, αλλιώς δεν θα υπήρχαμε, θα είμαστε όλοι ενέργεια). Άρα λοιπόν από την στιγμή που υπάρχει μη μηδενική μάζα έχουμε μεγάλο πρόβλημα, η θεωρία μας αναγκαστικά είναι μη-επανακανονικοποιήσιμη, οπότε δεν ξέρουμε πώς να κάνουμε υπολογισμούς!
Θα πρέπει λοιπόν να βρούμε ένα τρόπο να προσθέσουμε μάζα χωρίς να σπάσουμε τη συμμετρία για να είναι η θεωρία επανακανονικοποιήσιμη. Ο Χιγκς επέλυσε εφυέστατα το δύσκολο αυτό πρόβλημα ως εξής: Θεώρησε ότι παντού στο σύμπαν υπάρχει ένα νέο επιπλέον πεδίο το οποίο ουσιαστικά το εισήγαγε “με το χέρι”, “αυθαίρετα” (και που εκ των υστέρων προς τιμή του φέρει το όνομά του, πεδίο Χιγκς). Το πεδίο αυτό έχει κάποιες ιδιότητες τις οποίες τις προσδιόρισε και μέσω αυτού, χρησιμοποιώντας ένα τρικ που λέγεται επίσης προς τιμήν του μηχανισμός Χιγκς, επιτυγχάνεται το ζητούμενο: Να αποκτήσουν μάζα τα σωμάτια και να έχουμε και επανακανονικοποιήσιμη θεωρία! Το σωμάτιο Χιγκς χονδρικά δεν είναι παρά το αντίστοιχο σωμάτιο αυτού του πεδίου λόγω του γνωστού κυματοσωματιδιακού δυϊσμού της κβαντομηχανικής. Χωρίς να μπούμε σε τεχνικές (μαθηματικές) λεπτομέρειες (αλλά δες σημείωση στο τέλος του άρθρου) θα δώσουμε ένα κλασικό ανάλογο της κατάστασης (αν και είναι επιστημονικά επισφαλές να δίδουμε κλασικά ανάλογα κβαντικών φαινομένων, το κάνουμε για παιδαγωγικούς λόγους και για να απλουστεύσουμε) και θα πούμε πως χονδρικά όλα τα σώματα στο σύμπαν βρίσκονται μέσα σε μια «θάλασσα» του πεδίου Χιγκς και η μάζα των σωματιδίων (κουάρκ και λεπτόνια, αναφερόμαστε στην συνήθη ύλη, βλέπε παρακάτω) προκύπτει τρόπον τινά ως το ιξώδες, η τριβή, ή αν θέλετε η «δυσκολία» που αντιμετωπίζουν όλα τα σωμάτια για να κινηθούν μέσα σε αυτή τη θάλασσα Χιγκς. Μεγαλοφυής σαν ιδέα μεν αλλά χρήζει πειραματικής επιβεβαίωσης δε! (Σημειώνουμε βέβαια πως υπάρχουν και εναλλακτικές προτάσεις στο πρόβλημα μάζας του στάνταρ μοντέλου, ενδεικτικά αναφέρουμε την λεγόμενη “πεμπτουσία” (quintessence), το technicolour κλπ αλλά η συντριπτική πλειοψηφία των φυσικών υποστηρίζουν την πρόταση Χιγκς). Η ύπαρξη του σωματίου Χιγκς αποτελεί ζωτικό συστατικό του λεγόμενου στάνταρ μοντέλου, χωρίς αυτό είτε δεν έχουμε μη μηδενικές μάζες ή έχουμε θεωρία που δεν επανακανονικοποιείται, δηλαδή δεν μπορεί να υπολογίσει τίποτε άρα δεν μπορεί να κάνει προβλέψεις. Αν δεν βρεθεί το σωμάτιο Χιγκς στα πειράματα του LHC τότε ή το σωμάτιο Χιγκς έχει μεγαλύτερη μάζα οπότε θα πρέπει να πάμε σε υψηλότερες ενέργειες, (μεγαλύτερους επιταχυντές) ελπίζοντας ότι εκεί θα βρεθεί το σωμάτιο Χιγκς, ή να σκεφτούμε τις εναλλακτικές ερμηνείες ή να αναθεωρήσουμε το μηχανισμό Χίγκς ή ακόμη και το στάνταρ μοντέλο ή/και τις διαδικασίες/τεχνικές/θεωρίες επανακανονικοποίησης (πολύ δύσκολο και τεχνικό πρόβλημα, άρα θα βρεθούμε σε θεωρητικό επίπεδο ουσιαστικά 60-70 χρόνια πίσω στην εποχή του Dirac και της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής των Feynman, Dyson κλπ).
Η ύπαρξη έξτρα (χωρικών) διαστάσεων προβλέπεται από διάφορες θεωρίες ενοποίησης του στάνταρ μοντέλου με την βαρύτητα (πχ θεωρία υπερχορδών / Μ-Θεωρία κλπ). Αν αποδειχθεί ότι πράγματι υπάρχουν έξτρα χωρικές διαστάσεις, αυτό οπωσδήποτε θα αυξήσει την εμπιστοσύνη μας στις θεωρίες ενοποίησης (υπερχορδές κλπ, οι θεωρίες αυτές αν και υπάρχουν επί μισό περίπου αιώνα δεν έχουν την παραμικρή πειραματική επιβεβαίωση μέχρι στιγμής).
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί σήμερα ένα σημαντικό πρόβλημα της κοσμολογίας καθότι όπως γνωρίζουμε μόνο το 4% της παρατηρούμενης ύλης στο σύμπαν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (αυτή λέγεται συνήθης ύλη και αποτελείται από κουάρκ και λεπτόνια) και άρα είναι άμεσα παρατηρήσιμη. Το 26% αποτελείται από την λεγόμενη σκοτεινή ύλη και το υπόλοιπο 70% αποτελείται από την λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, ένα καθολικό και μη τοπικό βαρυτικό φαινόμενο, κάτι σαν απωστική βαρύτητα, το οποίο επίσης χρήζει κατανόησης-εξήγησης. Ο κυριότερος υποψήφιος για την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης είναι τα υπερσυμμετρικά σωμάτια. Ως γνωστόν τα σωμάτια χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τα μποζόνια με ακέραιο σπιν και τα φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν. Μαθηματικά τα πρώτα περιγράφονται ουσιαστικά μέσω του τελεστή Λαπλάς (Λαπλασιανή ή τελεστή Ντάλαμπερτ όπως είναι πιο γνωστός στους φυσικούς σε 4 χωροχρονικές διαστάσεις με μετρική Μινκόφσκι) ενώ τα δεύτερα μέσω του τελεστή Dirac (που ουσιαστικά είναι η τετραγωνική ρίζα της Λαπλασιανής). Η σημαντικότερη ποιοτική διαφορά τους είναι ότι τα τελευταία υπακούουν στην λεγόμενη απαγορευτική αρχή του Pauli. Η υπερσυμμετρία είναι μια παλιά (εδώ και μισό αιώνα) ιδέα της φυσικής που λέγει ότι υπάρχει μια συμμετρία μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων, δηλαδή σε κάθε παρατηρούμενο μποζόνιο υπάρχει και το αντίστοιχο φερμιόνιο και αντίστροφα. Κανένας υπερσυμμετρικός παρτενέρ σωματιδίου δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα αλλά ίσως στις υψηλές ενέργειες του LHC εμφανισθούν. Αυτό αφενός θα εξηγήσει την σκοτεινή ύλη αλλά θα αποτελέσει επιπλέον ένδειξη υπέρ της θεωρίας υπερχορδών / Μ-Θεωρίας των οποίων η ύπαρξη υπερσυμμετρίας αποτελεί σημαντικό συστατικό.
Πέρα των παραπάνω θα διενεργηθούν και άλλα πειράματα, όπως για παράδειγμα πειράματα για την εμφάνιση κουάρκ σε διεγερμένες καταστάσεις (κάτι που θα υποδηλώνει πως και τα κουάρκ τα ίδια ίσως αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωμάτια) κλπ (βλέπε “Search for New Particles in Two-Jet Final States in 7 TeV Proton-Proton Collisions with the ATLAS Detector at the LHC”, The ATLAS Collaboration, Phys. Rev. Lett. 105, 161801 (2010)).
2. ALICE. Ο ανιχνευτής αυτός θα μελετήσει το λεγόμενο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων. Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (της τάξης των τρισεκατομμυρίων βαθμών κελσίου, περίπου 100.000 φορές μεγαλύτερη από την θερμοκρασία στον πυρήνα του ήλιου), τα πρωτόνια και τα νετρόνια θα «λιώσουν» και θα απελευθερώσουν τα κουάρκ (από τα οποία αποτελούνται τα πρωτόνια και τα νετρόνια) μαζί με τα γκλουόνια (τους φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης). Οι συνθήκες αυτές επικρατούσαν στο σύμπαν λίγο μετά την μεγάλη έκρηξη (κάποια χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά το big-bang), άρα η μελέτη αυτής της κατάστασης θα ρίξει φως στα πρώιμα στάδια της ζωής του σύμπαντος και στην εξέλιξή του (νουκλεοσύνθεση κλπ). Ήδη έχουμε κάποια πρώτα αποτελέσματα της ALICE που προκαλούν μάλλον έκπληξη και δείχνουν αφενός πως το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων συμπεριφέρεται ως υπερκαυτό υγρό (superhot liquid) και όχι ως αέριο όπως υποστήριζαν κάποια θεωρητικά μοντέλα, (δηλαδή έχει μεγαλύτερο ιξώδες απ’ ότι προβλεπόταν), αφ’ ετέρου η πυκνότητά του είναι μεγαλύτερη απ’ ότι αναμενόταν. (Βλέπε “Elliptic Flow of charged particles in Pb-Pb collisions at 2.76 TeV”, The ALICE Collaboration, arXiv.org/1011.3914 αλλά και “Charged particle multiplicity density at mid-rapidity in central Pb-Pb collisions at sqrt(sNN) = 2.76 TeV”, The ALICE Collaboration, PRL 105, 252301 (2010), όπως και το “Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton -Proton Collisions at the LHC”, CΜS Collaboration, JHEP 1009:091, 2010).
3. LHCb. Ο ανιχνευτής αυτός θα προσπαθήσει να ρίξει φως σε ένα επίσης σημαντικό πρόβλημα της κοσμολογίας και του στάνταρ μοντέλου, την ασσυμετρία ύλης και αντιύλης που παρατηρείται στο σύμπαν. Ας το εξηγήσουμε σύντομα αυτό: Ίσως το μεγαλύτερο μειονέκτημα του στάνταρ μοντέλου είναι πως προβλέπει πως δεν θα έπρεπε να υπάρχουμε! Στις αρχές του 20ου αιώνα ο Einstein διατύπωσε την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Λίγο αργότερα εμφανίστηκε η κβαντομηχανική. Όμως η (κλασική) κβαντομηχανική (των Heisenberg, Schrödinger, Bohr, Plank κλπ) δεν ήταν συμβατή με την ειδική θεωρία σχετικότητας του Einstein αλλά με την παλιά αρχή σχετικότητας του Γαλιλαίου της Νευτώνειας φυσικής. Το πρόβλημα έλυσε η λεγόμενη «σχετικιστική κβαντομηχανική» του Paul Adriene Maurice Dirac στο Κέιμπριτζ (βραβείο Νομπέλ 1933, κατά πολλούς, συμπεριλαμβανομένου και του γράφοντος, ο Dirac μαζί με τον Einstein είναι μάλλον οι μεγαλύτεροι φυσικοί του 20ου αιώνα) και αποτελεί μια γενίκευση της κβαντομηχανικής συμβατή με την ειδική θεωρία σχετικότητας. Η θεωρία του Dirac (και όχι η απλή κβαντομηχανική) χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς σε όλα τα πειράματα σε όλους τους επιταχυντές διότι τα σωμάτια έχουν ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός οπότε η ειδική θεωρία σχετικότητας οπωσδήποτε πρέπει να ληφθεί υπόψη. Μια από τις σημαντικές προβλέψεις της θεωρίας του Dirac ήταν η ύπαρξη αντιύλης, δηλαδή η θεωρία προβλέπει πως για κάθε σωμάτιο υπάρχει το αντισωμάτιό του, πχ για το ηλεκτρόνιο που είναι αρνητικά φορτισμένο υπάρχει το αντισωμάτιό του το λεγόμενο ποζιτρόνιο (αντιηλεκτρόνιο) που είναι ένα ηλεκτρόνιο (ίδια μάζα, ίδιο σπιν) αλλά με θετικό φορτίο, για το πρωτόνιο που έχει θετικό φορτίο υπάρχει το αντιπρωτόνιο με αρνητικό φορτίο κλπ. [Μαθηματικά αυτό προκύπτει από τις «διπλές» λύσεις της εξίσωσης Dirac: Αφού η εξίσωση Dirac είναι η τεραγωνική ρίζα ουσιαστικά της κυματικής εξίσωσης, θυμηθείτε από το δημοτικό ότι η τετραγωνική ρίζα του 25 είναι το +5 και το -5. Στην σύγχρονη μαθηματική γλώσσα βέβαια μιλάμε για διατομές μιας σπιν δέσμης με ομάδα δομής την ομάδα σπιν που αποτελεί την διπλή κάλυψη της αντίστοιχης ορθογώνιας ομάδας]. Η ύπαρξη του ποζιτρόνιου (αντιηλεκτρόνιο) επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1936 από τον Anderson και τον Blackett (επίσης βραβεία Νομπέλ). Συνεπώς θα πρέπει να υπάρχει το άτομο του αντιυδρογόνου που αποτελείται από ένα νετρόνιο (ηλεκτρικά ουδέτερο οπότε δεν έχει αντισωμάτιο), ένα ποζιτρόνιο και ένα αντιπρωτόνιο αλλά υπάρχει και περιοδικός πίνακας των αντιστοιχείων. Συνεπώς θα πρέπει να υπάρχει και μια αντι-Χημεία, η Χημεία των αντιστοιχείων. Η σύγκρουση ύλης και αντιύλης δημιουργεί εξαϋλωση (ακτινοβολία γ). Το πρόβλημα τώρα με το στάνταρ μοντέλο είναι πως προβλέπει ίση ποσότητα ύλης και αντιύλης (με τελικό αποτέλεσμα εξαϋλωση, συνεπώς στο σύμπαν θα έπρεπε να υπάρχει μόνο ενέργεια και εμείς δεν θα έπρεπε να υπάρχουμε), άρα κάτι συνέβει και η αντιύλη εξαφανίστηκε ή απομονώθηκε κάπου στο σύμπαν ή το στάνταρ μοντέλο θέλει διόρθωση σε αυτό το κομμάτι, της συμμετρίας ύλης και αντιύλης που προβλέπει (κάποια πειραματικά δεδομένα ήδη από το 1998 στο CERN δείχνουν για παράδειγμα ασυμμετρία στις ταλαντώσεις σωματίου-αντισωματίου κάποιων εξωτικών σωματίων που λέγονται καόνια). H βασική προσπάθεια στα σχετικά πειράματα στο CERN (πειράματα AEGIS, ATRAP, ALPHA) είναι η κατασκευή ατόμων αντιυδρογόνου και η μελέτη των φασμάτων εκπομπής αυτών. Η θεωρία προβλέπει ταύτιση στα φάσματα εκπομπής υδρογόνου και αντιυδρογόνου. Η παραγωγή ανιστοιχείων είναι εξαιρετικά δύσκολη, ουσιαστικά πρέπει να συντίθενται αντισωμάτιο –αντισωμάτιο, κρατώντας τα συνεχώς απομονωμένα (αφού η αλληλεπίδρασή τους με οτιδήποτε από τον υλικό μας κόσμο τα καταστρέφει-εξαϋλωση). Επίσης σημαντικό θέμα είναι πως συμπεριφέρεται η βαρύτητα στην αντιύλη, η θεωρία δεν προβλέπει καμία διαφορά μεταξύ ύλης-αντιύλης όσον αφορά την βαρυτική αλληλεπίδραση. Ακόμη και η μικρότερη παρατηρούμενη διαφοροποίηση θα έχει δραματικές θεωρητικές συνέπειες.
4. LHCf. Το πείραμα αυτό θα χρησιμοποιήσει σωμάτια που παράγονται στον LHC σαν πηγή για να κάνει προσομοίωση κοσμικής ακτινοβολίας.
5. ΤΟΤΕΜ. Αυτό ουσιαστικά είναι ένα πείραμα που θα παρακολουθεί την φωτεινότητα (luminosity) του επιταχυντή.
Θα κλείσουμε με μερικά σχόλια σε θέματα που απασχόλησαν την κοινή γνώμη:
Α. Υπήρχαν ανησυχίες για την ασφάλεια της γης από τα πειράματα στο CERN. Πιο συγκεκριμένα κάποιοι ισχυρίζονταν πως μπορεί κατά τη διάρκεια των πειραμάτων να δημιουργηθούν μίνι μαύρες τρύπες (ή vacuum bubbles, stranglets κλπ) που να «καταπιούν» ή να καταστρέψουν τη γη. Η απάντηση σε αυτό έχει 2 σκέλη, πειραματικό και θεωρητικό: Η αλήθεια είναι πως την γη την έχουν βομβαρδίσει σε όλη τη ζωή της μέχρι σήμερα πολλά σωμάτια (κοσμική ακτινοβολία) με ενέργεια πολύ μεγαλύτερη από αυτή των σωματίων που θα παραχθούν στον LHC και «επέζησε». (Επίσης στο σύμπαν υπάρχουν δισεκατομμύρια «φυσικά εργαστήρια» παραγωγής σωματιδίων με ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από τις ενέργειες των σωματιδίων που θα παραχθούν στον LHC και το υλικό σύμπαν επίσης είναι εδώ). Θεωρητικά δε από τις εξισώσεις του Hawking για την ακτινοβολία μελανών οπών προκύπτει ότι οι μίνι μαύρες τρύπες «εξατμίζονται» πολύ γρήγορα, εν ριπή οφθαλμού.
Β. Σε κάποιο μυθιστόρημα του Dan Brown εμφανίστηκε ο κίνδυνος από την ύπαρξη «βόμβας αντιύλης» που χαρακτηρίστηκε ως το απόλυτο όπλο. Μέχρι στιγμής στο CERN, επί 30 έτη που λειτουργεί το αντίστοιχο εργαστήριο, η συνολική ποσότητα αντιύλης που έχει κατασκευαστεί είναι περίπου 10 δισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου. Την ελάχιστη αυτή ποσότητα αν την είχαμε ολόκληρη συγκεντρωμένη στο ακροδάκτυλό μας θα εξαϋλωνόταν χωρίς να δημιουργήσει απολύτως κανένα κίνδυνο για τη ζωή μας (λιγότερη ζημιά από ένα σπίρτο). Δημιουργία αντιύλης μπορεί να γίνει μόνο στο CERN και σε 1-2 (το πολύ!) άλλα ερευνητικά κέντρα στον κόσμο. Η δημιουργία αντιύλης είναι εξαιρετικά χρονοβόρα (για αρκετή ποσότητα για μια βόμβα με την σημερινή τεχνολογία θα χρειαζόμαστε 10 δισεκατομμύρια χρόνια!) και φυσικά πανάκριβη (ένα γραμμάριο σε σημερινές τιμές θα κόστιζε 1 τετράκις εκατομμύριο δολάρια και σκεφτείτε ότι το ετήσιο ΑΕΠ των ΗΠΑ είναι «μόνο» της τάξης των 10 τρις δολλάρια! Δηλαδή το κόστος είναι της τάξης του ΑΕΠ των ΗΠΑ για έναν αιώνα! Ευχαριστώ τον Frank Close για αυτά τα νούμερα!)
[Σημείωση για τον μηχανισμό Χιγκς]: Αξίζει ένα σχόλιο (που απευθύνεται κυρίως στους πιο ειδικούς) διότι η εργασία του Χιγκς αποτελεί δείγμα μιας πραγματικής μεγαλοφυϊας: Όλοι ξέρουμε (από το γυμνάσιο ακόμη) ότι στην φύση υπάρχουν κάποιες ποσότητες που διατηρούνται, όπως η ενέργεια, η ορμή, η στροφορμή, το ηλεκτρικό φορτίο κλπ. Το θεώρημα Nöether μας λέγει ότι όταν εμφανίζεται μια διατηρούμενη ποσότητα, υπάρχει πάντα από πίσω της κάποια συμμετρία (που μαθηματικά εκφράζεται με κάποια συνεχή ομάδα μετασχηματισμών). Υπάρχουν πολλές διατηρούμενες ποσότητες και πολλές συμμετρίες: Για παράδειγμα η διατήρηση της ενέργειας συνδέεται με την χρονική συμμετρία (δηλαδή αν θες να κάνεις ένα πείραμα δεν παίζει ρόλο πότε θα το κάνεις διότι οι νόμοι της φύσης δεν αλλάζουν με το πέρασμα του χρόνου—υπάρχουν κάποιες θεωρίες όμως που υποθέτουν ότι οι φυσικές σταθερές είχαν διαφορετικές τιμές στα πρώιμα στάδια της ζωής του σύμπαντος, αυτό είναι κάτι διαφορετικό), η διατήρηση της (γραμμικής) ορμής συνδέεται με την χωρική συμμετρία (συμμετρία σε μετατοπίσεις, δηλαδή δεν παίζει ρόλο που θα κάνεις ένα πείραμα, στη Γενεύη ή στην Ν. Υόρκη, οι νόμοι της φύσης που ισχύουν εδώ ισχύουν και στον αστερισμό Α-Κενταύρου, αυτό εννοούμε όταν λέμε ότι «ο χώρος είναι ομογενής»), η διατήρηση της στροφορμής συνδέεται με την συμμετρία σε περιστροφές, η διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου συνδέεται με μια «συμμετρία (βαθμίδας)» στον λεγόμενο «εσωτερικό χώρο» (U(1) συμμετρία στον internal space, τον ολικό χώρο μια πρωτεύουσας νηματικής δέσμης κλπ). Δηλαδή σχηματικά ισχύει η παρακάτω αμφίδρομη συνεπαγωγή:
Διατηρούμενη ποσότητα ↔ συμμετρία.
Υπάρχει όμως το ενδεχόμενο μια κλασική (μακροσκοπική) συμμετρία να μην επιζεί στην διαδικασία της κβάντωσης (δηλ σε πολύ μικρές κλίμακες η συμμετρία αυτή να μην παρατηρείται) οπότε αυτό το «σπάσιμο» της συμμετρίας σε κβαντικό επίπεδο δημιουργεί μια «ανωμαλία» όπως λέμε στην φυσική.
Υπάρχει όμως και «ενδιάμεση κατάσταση», δηλαδή μια συμμετρία μπορεί να σπάσει εν μέρει (από μια ομάδα συμμετρίας να επιζήσει μόνο μια υποομάδα αυτής). Στην περίπτωση αυτή οι βαθμοί ελευθερίας δεν χάνονται αλλά παράγονται τα λεγόμενα ενδιάμεσα μποζόνια (μποζόνια Goldstone) τα οποία “απορροφώνται” και μπορεί να δώσουν μάζα σε σωμάτια που αρχικά ήταν χωρίς μάζα. Ο μηχανισμός Χιγκς είναι ακριβώς αυτό (τον περιγράφουμε εν συντομία στην περίπτωση της ηλεκτρασθενούς θεωρίας): Εισαγάγουμε στην Λαγκρανζιανή πυκνότητα (pure Yang-Mills με ομάδα SU(2)) το πεδίο Χιγκς, ένα βαθμωτό πεδίο (σπιν 0) με εκφυλισμένη βασική κατάσταση και μη-μηδενική αναμενόμενη τιμή κενού (vacuum expectation value, VEV) που δεν είναι αναλλοίωτη στην (μεγάλη) ομάδα συμμετρίας SU(2) (αυτή που θέλουμε να σπάσουμε). Κλασικά έχει διαμόρφωση «μεξικάνικου καπέλου», δηλαδή η βασική κατάσταση (ελάχιστη ενέργεια) παρουσιάζει συμμετρία κύκλου (U(1), αυτή είναι η μικρή συμμετρία, αυτή που θέλουμε να διατηρήσουμε). Επειδή θέλουμε να σπάσουμε την SU(2), υποθέτουμε ότι το πεδίο Χιγκς έχει 4 βαθμούς ελευθερίας (συνιστώσες, SU(2) doublet). Χρησιμοποιούμε θεωρία διαταραχών και αναπτύσσουμε τα πεδία γύρω από την VEV, κάνουμε κβάντωση και τελικά από τους αρχικούς 4 βαθμούς ελευθερίας του πεδίου Χιγκς επιζεί μόνο 1 και δίδει την μάζα στο σωμάτιο Χιγκς ενώ οι υπόλοιποι 3 βαθμοί ελευθερίας που χάθηκαν κατά το σπάσιμο της συμμετρίας παράγουν 3 ενδιάμεσα μποζόνια (χωρίς μάζα λόγω του εκφυλισμού της βασικής κατάστασης) τα οποία όμως απορροφώνται από τα 3 μποζόνια βαθμίδας W+, W- και Z οπότε αυτά αποκτούν μάζα ενώ αρχικά είχαν και αυτά μάζα μηδέν. (Τα μποζόνια βαθμίδας με μάζα W+, W- και Z είναι οι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης που ανακαλύφθηκαν επίσης στο CERN από τον Carlo Rubbia, βραβείο Νομπέλ 1984, δηλαδή ουσιαστικά κατά τα ¾ ο μηχανισμός Χιγκς έχει ήδη επιβεβαιωθεί). Στη συνέχεια, τα υπόλοιπα σωμάτια (κουάρκ και λεπτόνια) τα οποία επίσης θεωρούμε αρχικά χωρίς μάζα, αποκτούν μάζα μέσω του σωματίου Χιγκς (δες τα περί θάλασσας Χιγκς που αναφέραμε παραπάνω). Όλα τα συστατικά είναι παρόντα, μόνο το σωμάτιο Χιγκς λείπει!
*Μαθηματικός Φυσικός (M.Sc Cantab, D.Phil Oxon)
CERN (Theory Division).
www.antifono.gr
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου