Γράφει ο ΣΠΥΡΟΣ ΜΑΝΟΥΣΕΛΗΣ
Οι ερευνητές του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στη Γενεύη υποψιάζονται ότι, χάρη στον ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, κατάφεραν να δημιουργήσουν στο εργαστήριο και επομένως να καταστήσουν «ορατές» κάποιες αόρατες μέχρι πρόσφατα πρωταρχικές δομές της ύλης.
Απ' ό,τι φαίνεται, στις ακραίες εργαστηριακές συνθήκες στις οποίες λειτουργεί ο επιταχυντής, είναι πιθανότατα εφικτό να σχηματιστεί το αρχικό «Πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων», μια τέταρτη κατάσταση της ύλης που εμφανίστηκε τα πρώτα 20-30 μικροδευτερόλεπτα αμέσως μετά τη γένεση του Σύμπαντος, πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Μάλιστα, αρκετοί θεωρητικοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι από αυτό το πρωταρχικό «Πλάσμα» προήλθαν όλες οι μεταγενέστερες -μικροσκοπικές και μακροσκοπικές- δομές της ύλης.
Τους τελευταίους μήνες το ενδιαφέρον της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας μονοπωλείται από το λεγόμενο «πείραμα του αιώνα», που πραγματοποιείται στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών στη Γενεύη. Εκεί βρίσκεται και, μέρα με την ημέρα, αναπτύσσει τις εκπληκτικές του δυνατότητες ο μεγαλύτερος επιταχυντής σωματιδίων που κατασκευάστηκε ποτέ πάνω στη Γη.
Αναφερόμαστε βέβαια στον «Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων», τον περιβόητο LHC (Large Hadron Collider), ο οποίος δικαίως θεωρείται η πλέον ισχυρή, περίπλοκη και δύστροπη μεγαμηχανή που δημιουργήθηκε ποτέ από τη σύγχρονη τεχνοεπιστήμη. Ενα πολυδάπανο τεχνολογικό θαύμα, ειδικά σχεδιασμένο για να βοηθήσει τους φυσικούς να δώσουν κάποιες οριστικές ή έστω ικανοποιητικές απαντήσεις σε μια σειρά από θεμελιώδη αλλά αναπάντητα ερωτήματα: από ποια σωματίδια και αντισωματίδια ήταν φτιαγμένο το πρώιμο Σύμπαν; Υπάρχει το περίφημο «σωματίδιο Χιγκς», που υποτίθεται ότι ευθύνεται για τη μάζα όλων των άλλων σωματιδίων; Γιατί εν τέλει επικράτησε η ύλη και τι απέγινε η αρχική αντιύλη;
Γύρω από αυτά τα βασανιστικά ερωτήματα οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν διατυπώσει τα τελευταία χρόνια διάφορες θεωρίες, λιγότερο ή περισσότερο εξωφρενικές, με αποτέλεσμα η σύγχρονη θεωρητική φυσική να θυμίζει σήμερα ένα απέραντο πεδίο μάχης στο οποίο συγκρούονται μέχρι θανάτου οι πιο αυθαίρετες, ευφάνταστες και κυρίως μη εμπειρικά ελεγμένες θεωρίες. Το αν και το ποιες από αυτές τις θεωρητικές προτάσεις θα επιβεβαιωθούν πειραματικά, και συνεπώς θα επιβιώσουν στη Φυσική του αύριο, θα εξαρτηθεί σε πολύ μεγάλο βαθμό από τα πειραματικά αποτελέσματα που θα προκύψουν από τον επιταχυντή LHC. Χωρίς βέβαια να παραβλέπουμε και τα σημαντικά τεχνολογικά οφέλη και τις τεχνικές καινοτομίες που θα προκύψουν από τη λειτουργία του.
Η τερατώδης μεγαμηχανή
Αν ο Βόρειος Πόλος είναι το ψυχρότερο μέρος του πλανήτη μας (-80° C), ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων είναι το ψυχρότερο μέρος του Γαλαξία μας, αφού σε αυτόν η θερμοκρασία κατεβαίνει στους -271° C. Κι αν ο Ηλιος είναι το θερμότερο μέρος του Ηλιακού μας Συστήματος, ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής είναι ίσως ένα από τα θερμότερα μέρη του Σύμπαντος! Πώς όμως αυτό το γιγάντιο τέχνημα καταφέρνει να αναπαράγει τις ακραίες αρχικές συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν λίγα μόνο κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη γέννησή του;
Χάρη στους 9 χιλιάδες και πλέον πανίσχυρους υπεραγώγιμους μαγνήτες του, που δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο δέκα χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από αυτό της Γης, αλλά και επειδή διαθέτει το πιο πολύπλοκο υπολογιστικό σύστημα που κατασκευάστηκε ποτέ μέχρι σήμερα. Αυτή η τεράστια μεγαμηχανή είναι στην πραγματικότητα μια υπόγεια κυκλική σήραγγα μήκους 27 χιλιομέτρων, που βρίσκεται σε βάθος περίπου 100 μέτρων κάτω από τα γραφικά λιβάδια στα περίχωρα της Γενεύης. Η σήραγγα περιβάλλεται από γιγάντιους μαγνήτες που ψύχονται σε απίστευτα χαμηλές θερμοκρασίες (-271,5 OC). Τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες απαιτούνται για να διατηρούνται οι μαγνήτες αυτοί σε υπεραγώγιμη κατάσταση.
Ομως τι ακριβώς μπορεί να κάνει αυτός ο «τερατώδης» ευρωπαϊκός επιταχυντής; Ούτε λίγο -ούτε πολύ είναι σε θέση να αναπαραγάγει, σε μικρογραφία, τις ακραίες αρχικές συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν κατά τις πρώτες στιγμές της ύπαρξής του!
Μέσα στην κυκλική σήραγγα οι επιστήμονες δημιουργούν δύο παράλληλες και αντίρροπες δέσμες πρωτονίων, δηλαδή των θετικά φορτισμένων σωματιδίων που μαζί με τα ουδέτερα νετρόνια συγκροτούν τους πυρήνες όλων των ατόμων. Οσο για τον σκοπό ύπαρξης των γιγάντιων μαγνητών, αυτοί εξαναγκάζουν τις δέσμες πρωτονίων να ακολουθούν μια συγκριμένη κυκλική πορεία χωρίς να προσκρούουν στα τοιχώματα της σήραγγας. Κατ' αυτόν τον τρόπο τα σωματίδια ταξιδεύουν με ιλιγγιώδεις ταχύτητες (πολύ κοντά σε αυτή του φωτός) και όταν οι αντίρροπες δέσμες πρωτονίων αποκτήσουν την επιθυμητή ταχύτητα, τις αναγκάζουν να συγκρουστούν μεταξύ τους σε τέσσερις προκαθορισμένες θέσεις του κυκλικού επιταχυντή. Στις θέσεις αυτές βρίσκονται τέσσερις εξαιρετικά ευαίσθητες αλλά διαφορετικές ανιχνευτικές συσκευές που καταγράφουν καταλεπτώς όσα συμβαίνουν μετά τη σύγκρουση των δύο δεσμίδων. Σχεδόν ταυτόχρονα, όλες οι καταγραφές των ανιχνευτών υποβάλλονται σε λεπτομερή ανάλυση από τα πολύπλοκα υπολογιστικά συστήματα που βρίσκονται εγκατεστημένα σε αυτές τις θέσεις.
Από αυτό το σημείο και μετά αρχίζει η ουσιαστική δουλειά των ερευνητών: χάρη στον LHC είναι σε θέση να ανιχνεύουν κάποια άκρως «εξωτικά», υποθετικά σωματίδια, η ύπαρξη των οποίων, ενώ προβλέπεται από τη θεωρία, δεν έχει μέχρι σήμερα ούτε επιβεβαιωθεί ούτε διαψευσθεί πειραματικά. Για την ακρίβεια, τα περισσότερα πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων επιτρέπουν στους ερευνητές να αναδημιουργούν στο παρόν τις πιο ακραίες συνθήκες που κάποτε επικρατούσαν στο Σύμπαν κατά τα πρώτα βήματα της εξέλιξής του. Υπό αυτήν την έννοια ο LHC είναι μια «μαγική» μηχανή του χρόνου που μας επιτρέπει να αναπαράγουμε τόσο τις αρχικές συνθήκες όσο και τη δομή του πρώιμου Σύμπαντος. Και απ' ό,τι φαίνεται, ήδη από τους πρώτους έξι μήνες της λειτουργίας του ο επιταχυντής άρχισε να ανταμείβει πλουσιοπάροχα τους ερευνητές που είχαν επενδύσει σε αυτόν.
Μόλις πριν από μερικές ημέρες (στις 21-09-10) ανακοινώθηκε επίσημα στη Γενεύη η παρατήρηση ενός απροσδόκητου φαινομένου που προέκυψε μετά τη σύγκρουση των αντίρροπων δεσμίδων πρωτονίων στον LHC. Σε αυτά τα πειράματα, μετά από κάθε τέτοια σύγκρουση παράγονται συνήθως καμιά εικοσαριά σωματίδια υψηλής ενέργειας. Σε ορισμένες περιπτώσεις όμως, όπως διαπίστωσαν πρόσφατα, τα σωματίδια που προκύπτουν μπορεί να είναι πολύ περισσότερα, ακόμη και αρκετές δεκάδες. Οταν οι ερευνητές εστίασαν το ενδιαφέρον τους σε τέτοιες ιδιαίτερα παραγωγικές συγκρούσεις, είδαν έκπληκτοι ότι αυτά τα σωματίδια τείνουν να κατανέμονται σε διακριτές ομάδες.
Με άλλα λόγια, διαπίστωσαν ότι σε τέτοιου τύπου συγκρούσεις «υψηλής πολλαπλότητας», όπως τις αποκαλούν οι ίδιοι οι ερευνητές, όταν δηλαδή από τις συγκρούσεις δεσμίδων πρωτονίων παράγονται πάνω από εκατό φορτισμένα σωματίδια, ορισμένα από αυτά τα σωματίδια είναι κατά κάποιον τρόπο εκ γενετής συσχετισμένα: εμφανίζονται πάντα στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους κατά τη στιγμή της δημιουργίας τους.
Εκλεκτικές μικρο-συγγένειες
Ανάλογα φαινόμενα είχαν παρατηρηθεί κατά το παρελθόν σε πειράματα με ιόντα που είχαν γίνει στα πυρηνικά εργαστήρια Brookhaven των ΗΠΑ, τότε όμως δεν επρόκειτο για συγκρούσεις πρωτονίων αλλά για συγκρούσεις ατομικών πυρήνων με πολύ μεγαλύτερη μάζα! Το γεγονός ότι, κατά τις συγκρούσεις σε επιταχυντή, παρατηρούνται ανάλογες ομαδοποιήσεις και μεταξύ υποατομικών σωματιδίων (π.χ. πρωτονίων) είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον και επιδέχεται διάφορες ερμηνείες.
Για παράδειγμα, ενδέχεται να είναι ένα φαινόμενο που οφείλεται και ίσως να εξηγείται επαρκώς από τη φύση των κουάρκ, των υποατομικών σωματιδίων που με τις διαφορετικές τους «γεύσεις», δηλαδή τις ποικιλίες τους, παράγουν τα πυρηνικά σωματίδια (αδρόνια). Ενδέχεται όμως -και αυτό θα ήταν εξαιρετικά ενδιαφέρον- κατά τις πρώτες στιγμές μετά τον σχηματισμό του Σύμπαντος όλη η ύλη να είχε τη μορφή Πλάσματος από κουάρκ και γλοιόνια (τα τελευταία θεωρούνται τα σωματίδια-φορείς των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κουάρκ).
Στη σημερινή κατάσταση του Σύμπαντος δεν υπάρχουν βέβαια ελεύθερα κουάρκ ή γλοιόνια. Αυτά είναι πλέον οριστικά «παγιδευμένα» στην τρέχουσα δομή της ύλης, βρίσκονται δηλαδή ενσωματωμένα στις σημερινές πιο σύνθετες μορφές οργάνωσης της ύλης-ενέργειας και συνδιαμορφώνουν τις οικογένειες των μεγαλύτερων υποατομικών σωματιδίων. Μάλιστα, όπως υποστηρίζει το καθιερωμένο σήμερα πρότυπο εξήγησης, μόνο μετά την εμφάνιση της ισχυρής πυρηνικής αλληλεπίδρασης, η οποία διαμεσολαβείται μέσω των γλοιονίων, μπόρεσαν τα κουάρκ να σχηματίσουν τους πρώτους σταθερούς ατομικούς πυρήνες.
Μπορεί τα νέα πειραματικά δεδομένα που ανακάλυψαν οι ερευνητές οι οποίοι εργάζονται στον ανιχνευτή CMS (Compact Muon Solenoid) -έναν από τους τέσσερις μεγάλους ανιχνευτές που βρίσκονται στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή- να φαίνεται ότι ενισχύουν την υπόθεση της ύπαρξης μιας τέταρτης κατάστασης της ύλης, ενός πρωταρχικού Πλάσματος κουάρκ-γλοιονίων, σε καμία περίπτωση όμως δεν αποτελούν την οριστική επιβεβαίωσή της. Πολύ πιο σαφείς απαντήσεις ενδέχεται να μας προσφέρει πολύ σύντομα ένας άλλος ανιχνευτής του LHC. Πρόκειται για το πρόγραμμα «Αλίκη», το οποίο είναι ειδικά σχεδιασμένο για να διερευνά τη δομή και την οργάνωση του εξωτικού Πλάσματος κουάρκ και γλοιονίων.
Οπως διευκρινίζει στη συνέντευξη Τύπου ο Γκουίντο Τονέλι, ο Ιταλός πυρηνικός φυσικός που συντονίζει αυτές τις έρευνες: «Είναι πολύ νωρίς ακόμη για να μπορέσουμε να κατανοήσουμε επακριβώς περί τίνος πρόκειται. Υπάρχουν πέντε ή έξι εναλλακτικές επιστημονικές υποθέσεις, συνεπώς θα ήταν μάλλον πρόωρο να εξαγάγουμε οριστικά συμπεράσματα. Ο,τι παρατηρούμε είναι ένα εντελώς νέο φαινόμενο, που χρήζει περαιτέρω μελέτης».
