Σάββατο, 4 Δεκεμβρίου 2010

Στον LHC αναδημιουργούν την «πρωταρχική σούπα»

Τα δύο τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας σχεδόν μονοπωλείται από το λεγόμενο «πείραμα του αιώνα» που πραγματοποιείται στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στη Γενεύη. Εκεί βρίσκεται ο ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων που κατασκευάστηκε ποτέ πάνω στη Γη με σκοπό να επιτρέψει στους φυσικούς να ανακαλύψουν, μεταξύ άλλων, από ποια ακριβώς σωματίδια ήταν φτιαγμένο το «πλάσμα», δηλαδή η πρωταρχική σούπα από κουάρκ και γλοιόνια που, πριν από 14,5 δισεκατομμύρια χρόνια, συγκροτούσαν την ύλη του νεογέννητου Σύμπαντος.
Ο μεγάλος επιταχυντής αδρονίων, ο περιβόητος LHC (Large Hadron Collider), είναι μια υπόγεια κυκλική σήραγγα που βρίσκεται σε βάθος 50-175 μέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, στα σύνορα της Ελβετίας με τη Γαλλία. Πρόκειται για ένα τούνελ συνολικού μήκους 27 χιλιομέτρων, γύρω από το οποίο έχουν τοποθετηθεί 1.292 γιγάντιοι υπεραγώγιμοι μαγνήτες, ικανοί να δημιουργούν ένα ισχυρότατο μαγνητικό πεδίο (δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από αυτό της Γης).
Μέσα σε αυτή την κυκλική σήραγγα οι επιστήμονες δημιουργούν δύο ταχύτατες αλλά αντίρροπες δέσμες πρωτονίων. Και ακριβώς γι' αυτόν τον σκοπό υπάρχουν οι γιγάντιοι μαγνήτες για να εξαναγκάζουν τα πρωτόνια να επιταχύνονται κατά δέσμες και να ακολουθούν μια προκαθορισμένη πορεία, χωρίς να συγκρούονται στα τοιχώματα της σήραγγας.
Μια μηχανή του χρόνου
Στον LHC οι δύο αντίρροπες δέσμες πρωτονίων ταξιδεύουν με ιλιγγιώδεις ταχύτητες (πολύ κοντά σε αυτήν του φωτός) και συγκρούονται μεταξύ τους σε τέσσερα προκαθορισμένα σημεία του δακτυλίου του επιταχυντή.
Σε αυτά τα τέσσερα προκαθορισμένα σημεία υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί ερευνητικοί σταθμοί, στον καθέναν από τους οποίους εκτελούνται διαφορετικά πειράματα: το «CMS» (Compact Muon Solenoid), το «ALICE», το «ATLAS» και το «LHCB».
Ωστόσο, ο LHC δεν είναι απλώς ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής που κατασκευάστηκε ποτέ πάνω στη Γη, αλλά και μια πολύπλοκη «μηχανή του χρόνου», που επιτρέπει στους ερευνητές να αναπαράγουν σε μικρογραφία τα όσα συνέβησαν αμέσως μετά το Big Bang: τη μεγάλη έκρηξη από την οποία υποθέτουν ότι προήλθε το σημερινό Σύμπαν. Και πράγματι οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, χάρη στον επιταχυντή LHC, είναι όντως σε θέση να πάνε πίσω στον χρόνο, αναδημιουργώντας τις ακριβείς συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν ένα ή δύο τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη μεγάλη έκρηξη.
Ετσι, για παράδειγμα, πριν από ένα μήνα οι ερευνητές που εργάζονται στο πείραμα «CMS» κατάφεραν να δημιουργήσουν τις συνθήκες που επικρατούσαν σχεδόν αμέσως μετά τη γένεση του πρώιμου Σύμπαντος και επομένως να διαπιστώσουν από τι ήταν φτιαγμένο και πώς συμπεριφερόταν.
Ο ανιχνευτής CMS (Compact Muon Solenoid) είναι μια γιγάντια μηχανή που έχει βάρος 14 τόνους, διάμετρο 15 μέτρα, μήκος 29 μέτρα, και χρειάστηκαν πάνω από 16 χρόνια για την κατασκευή της. Στόχος αυτού του ανιχνευτή είναι η μελέτη των συγκρούσεων των πρωτονίων σε πολύ υψηλές ενέργειες και θερμοκρασίες παρόμοιες με εκείνες του πρώιμου Σύμπαντος.
Σε τέτοιες ακραίες συνθήκες οι συγκρούσεις δεσμίδων από επιταχυνόμενα πρωτόνια γεννούν ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών σωματιδίων, αρκετά από τα οποία, όπως διαπίστωσαν, τείνουν να συμπεριφέρονται ομαδικά, γεγονός που, με τη σειρά του, υποδεικνύει μια εγγενή συγγένεια μεταξύ τους. Κάτι τέτοιο είχε ήδη παρατηρηθεί στο παρελθόν στον επιταχυντή Brookhaven στις ΗΠΑ, όπου όμως δεν συγκρούονταν πρωτόνια αλλά ολόκληροι πυρήνες από άτομα χρυσού με πολύ μεγαλύτερη μάζα και πολύ μικρότερη ενέργεια (συγκρούσεις 14 φορές χαμηλότερης ενέργειας από αυτές που πραγματοποιήθηκαν στον επιταχυντή LHC).
Σήμερα είναι γνωστό ότι το σύνολο της ορατής ύλης του Σύμπαντος συγκροτείται από μονάχα δύο βασικές κατηγορίες στοιχειωδών σωματιδίων: φερμιόνια και μποζόνια. Τα μποζόνια είναι τα σωματίδια-φορείς όλων των θεμελιωδών δυνάμεων, χάρη στις οποίες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους τα φερμιόνια ώστε να συγκροτούν σταθερές δομές, π.χ. τα άτομα. Τα φερμιόνια συνεπώς είναι τα στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία αποτελούνται όλα τα άτομα και, για την ακρίβεια, όλα τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα, καθώς και τα ηλεκτρόνια.
Η καυτή σούπα από πλάσμα
Μάλιστα, η έρευνα στη μικροφυσική έδειξε ότι όλα τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα των ατόμων προκύπτουν πάντα από συνδυασμούς τριών στοιχειωδέστερων σωματιδίων, των κουάρκ, ενώ τα ηλεκτρόνια ανήκουν σε μία διαφορετική κατηγορία υποατομικών σωματιδίων, που ονομάζονται λεπτόνια, τα οποία όμως αποτελούν και αυτά μέρος της ευρύτερης οικογένειας των φερμιονίων.
Συνεπώς, σε υποατομικό επίπεδο, η δομή του μικρόκοσμου φαίνεται πως είναι εντυπωσιακά απλή: έξι τύποι κουάρκ και έξι τύποι λεπτονίων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω τεσσάρων δυνάμεων (της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού, της ασθενούς και της ισχυρής πυρηνικής αλληλεπίδρασης) για να παραγάγουν την τεράστια ποικιλία δομών του γνωστού μας Σύμπαντος!
Ομως, σε πολύ ακραίες συνθήκες ενέργειας και θερμοκρασίας -που όμοιές τους δεν υπάρχουν σήμερα ούτε στους πυρήνες των πιο θερμών άστρων- η συνήθης ύλη που συγκροτείται από «πακέτα» σωματιδίων (κουάρκ-γλοιονίων) διαλύεται σε μια «σούπα». Μια περίεργη κατάσταση που οι ειδικοί την περιγράφουν ως «πλάσμα από κουάρκ και γλοιόνια» και όπως υποψιάζονται είναι αυτή που επικρατούσε στις εξίσου ακραίες συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος. Σήμερα, τα κουάρκ δεν βρίσκονται ποτέ ελεύθερα αλλά πάντα συνδυασμένα ανά τρία μέσω ισχυρής πυρηνικής δύναμης για να σχηματίσουν, π.χ., ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο. Οσο για τα γλοιόνια, αυτά είναι τα σωματίδια-φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που απαιτείται για να επιτευχθούν οι διάφοροι συνδυασμοί των κουάρκ.
Ετσι, κουάρκ και γλοιόνια είναι πλέον οριστικά «παγιδευμένα» στην τρέχουσα δομή της ύλης, υπάρχουν δηλαδή ενσωματωμένα στις σημερινές πολύ πιο σύνθετες μορφές οργάνωσης της ύλης-ενέργειας και όμως ενώ είναι αόρατα συνδιαμορφώνουν τις οικογένειες των μεγαλύτερων υποατομικών σωματιδίων.
Μολονότι τα πρόσφατα πειραματικά δεδομένα από τον ανιχνευτή «CMS» ενισχύουν την υπόθεση της ύπαρξης μιας τέταρτης κατάστασης της ύλης, ενός πρωταρχικού «πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων», σε καμία περίπτωση δεν αποτελούν και την επαρκή επιβεβαίωσή της. Πολύ σαφέστερες απαντήσεις αναμένεται να μας προσφέρει πολύ σύντομα ένας άλλος ανιχνευτής του LHC. Πρόκειται για το πρόγραμμα «ALICE», το οποίο είναι ειδικά σχεδιασμένο για να διερευνήσει τη βαθύτερη δομή και οργάνωση του εξωτικού πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων.
Αν κάποια βεβαιότητα προκύπτει από όλα αυτά, είναι ότι με αυτό το μεγαλειώδες πείραμα, που στην πραγματικότητα μόλις τώρα ξεκινά, η ευρωπαϊκή επιστήμη επιστρέφει δυναμικά στην παραμελημένη και συστηματικά υποβαθμισμένη στη εποχή μας βασική επιστημονική έρευνα. Στο είδος δηλαδή της έρευνας που δεν αποβλέπει σε κάποιες κοντόφθαλμες οικονομικές ή πρακτικές εφαρμογές, αλλά καθοδηγείται από τη βαθύτερη επιθυμία μας να κατανοήσουμε τον Κόσμο, ή έστω από τη ζωτική ανάγκη μας να συνειδητοποιήσουμε τα όρια των γνώσεών μας.
ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ

Δεν υπάρχουν σχόλια:

LinkWithin

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...