_Νίκος Τράκας, Αναπληρωτής Καθηγητής, Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, ΕΜΠ
Το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής (CERN) αποτελεί σήμερα το μεγαλύτερο και πλέον διεθνοποιημένο ερευνητικό εργαστήριο στον κόσμο, το μεγαλύτερο επιτυχημένο παράδειγμα διεθνούς συνεργασίας πέρα και πάνω από εθνικότητες, πολιτικές, θρησκείες και δόγματα. Κύριος σκοπός του είναι η βασική έρευνα για την κατανόηση της έσχατης δομής της ύλης και της δημιουργίας του Σύμπαντος. Ας μην λησμονούμε όμως ότι τα τελευταία 100 χρόνια δύσκολα θα βρει κανείς χρήσιμη εφαρμογή που να μην έχει ξεπηδήσει από βασική έρευνα.
Από την E=mc2 στον LHC
Οι τεράστιες ερευνητικές συσκευές του Κέντρου εκμεταλλεύονται την κινητική ενέργεια υποατομικών σωματιδίων τα οποία επιταχύνονται ώστε να κινούνται με τρομερά μεγάλη ταχύτητα, πολύ κοντά στην οριακή ταχύτητα που επιτρέπει η Φύση, δηλαδή την ταχύτητα του φωτός (300.000 χλμ/δευτερόλεπτο).
Πώς γίνεται αυτή η εκμετάλλευση; Μεγάλες ομάδες αυτών των υποατομικών σωματιδίων τα οποία έχουν επιταχυνθεί καταλλήλως υποχρεώνονται σε μετωπικές συγκρούσεις. Παρ’ όλο που δεν υπάρχει ανώτατο όριο στην ενέργεια που μπορεί να αποκτήσει ένα κινούμενο σωματίδιο, η ταχύτητά του παραμένει πάντοτε μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. Έτσι, όταν ένα σωματίδιο κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα, μια μικρή αύξηση της ταχύτητάς τους αντιστοιχεί σε μια τεράστια αύξηση της (κινητικής) του ενέργειας. Στο CERN λοιπόν η κινητική ενέργεια που αποκτούν τα σώματα που επιταχύνονται είναι τόσο μεγάλη που δεν στραβώνει απλώς προφυλακτήρες όπως συμβαίνει όταν ένα κινούμενο αμάξι πέσει σε τοίχο, αλλά βάσει της πασίγνωστης εξίσωσης του Einstein (E=mc2) μετατρέπεται σε νέα υποατομικά σωματίδια.
Τα σωματίδια επιταχύνονται σε αυτές τις ασύλληπτες ταχύτητες χάρη στους επιταχυντές που αποτελούν ένα από τα δύο κύρια ερευνητικά εργαλεία του CERN (το άλλο είναι οι ανιχνευτές, που ανιχνεύουν τα αποτελέσματα των συγκρούσεων μεταξύ των σωματιδίων).
Ο επιταχυντής τού CERN, που φέρει το επίσημο όνομα Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών (Large Hadron Collider- LHC) είναι ένας σωλήνας που σχηματίζει κύκλο περιφέρειας 27 χλμ, τοποθετημένος σε τούνελ που βρίσκεται γύρω στα 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης. Μέσα στο σωλήνα αυτόν επιταχύνονται δέσμες πρωτονίων σε αντίθετες κατευθύνσεις που τελικά οδηγούνται σε σύγκρουση.
Για την ακρίβεια, το CERN έχει ένα ολόκληρο επιταχυντικό σύστημα-αλυσίδα και ο LHC δεν είναι παρά ο τελευταίος κρίκος της. Κάθε επιταχυντική διάταξη αυξάνει την ταχύτητα των σωματιδίων και τα προωθεί στην επόμενη διάταξη που θα αυξήσει ακόμα περισσότερο την ταχύτητα τους. Για να επιτευχθούν όσο το δυνατόν μεγαλύτερες ταχύτητες, ο σωλήνας του επιταχυντή βρίσκεται σε πολύ υψηλό κενό – περίπου σαν αυτό που επικρατεί έξω από το ηλιακό μας σύστημα!
Η επιτάχυνση των σωματιδίων επιτυγχάνεται με τις λεγόμενες «κοιλότητες επιτάχυνσης» που αποτελούν ηλεκτρομαγνητικά αντηχεία. Όπως ο σέρφερ στη Χαβάη κινείται γρήγορα μένοντας πάντα στην κορυφή του κύματος, έτσι και η κοιλότητα επιτάχυνσης παράγει ένα κατάλληλο ηλεκτρομαγνητικό κύμα που «σπρώχνει» το σωματίδιο αυξάνοντας την ταχύτητά του. Βέβαια ο επιταχυντής χρειάζεται και μαγνήτες που, μεταξύ άλλων, θα καθοδηγήσουν τα σωματίδια στον κυκλικό δακτύλιο (διπολικοί μαγνήτες) και θα τα κρατήσουν συγκεντρωμένα σε δεσμίδες (τετραπολικοί μαγνήτες).
Παρ’ όλο που οι νόμοι που χρησιμοποιούνται για τις επιταχύνσεις αυτές είναι οι νόμοι του (κλασικού) ηλεκτρομαγνητισμού που μας παρουσίασε ο Maxwell στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, οι τεχνικές που απαιτούνται δεν θα μπορούσαν να εφαρμοστούν χωρίς την τεράστια τεχνολογική εξέλιξη των τελευταίων χρόνων και την τεχνογνωσία που το ίδιο το CERN παράγει. Ένα πράγμα που δεν γνώριζε ο Maxwell είναι το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας που χρησιμοποιεί κατά κόρον το CERN. Η υπεραγωγιμότητα μας επιτρέπει να περάσουμε ρεύματα της τάξης των 10.000 Αμπέρ (συγκριτικά, το ρεύμα σε μια απλή οικιακή συσκευή είναι 0,5 Αμπέρ) από λεπτά σύρματα αν η θερμοκρασία τους είναι –270 βαθμούς! Αυτά τα μεγάλα ρεύματα είναι αναγκαία για τον έλεγχο της κίνησης των σωματιδίων μέσα στον επιταχυντή. Η χαμηλή θερμοκρασία που απαιτείται επιτυγχάνεται με χρήση του χημικού στοιχείου Ηλίου σε υγρή μορφή.
Η κρυφή γοητεία των αριθμών
Ο συνολικός αριθμός των μαγνητών που είναι τοποθετημένοι στην περιφέρεια του LHC είναι 9.300, μεταξύ των οποίων 1.232 διπολικοί και 858 τετραπολικοί μαγνήτες. Υπάρχουν 8 κοιλότητες επιτάχυνσης σε κάθε μία από τις δύο διευθύνσεις. Τα πρωτόνια, εισερχόμενα στον LHC από τον προτελευταίο κρίκο επιτάχυνσης, έχουν ταχύτητα 99,9998% του φωτός ενώ η τελική ταχύτητά τους (όταν ο LHC λειτουργεί στη μέγιστή του ενέργεια) είναι 99,9999991% του φωτός. Αυτό σημαίνει ότι ένα πρωτόνιο κάνει σε ένα δευτερόλεπτο περίπου 11.000 στροφές γύρω στα 27 χλμ του LHC.
Το CERN ιδρύθηκε το 1954. Τα 12 ιδρυτικά κράτη-μέλη (στα οποία ανήκει και η Ελλάδα), έχουν αυξηθεί σήμερα σε 20. Το Εργαστήριο βρίσκεται πάνω στα Γάλλο-Ελβετικά σύνορα, δυτικά της Γενεύης, στους πρόποδες της οροσειράς του Ιούρα (Jura). Περίπου 6.500 επιστήμονες, δηλαδή σχεδόν το 50% των επιστημόνων σ’ όλο τον κόσμο που ασχολούνται με τα σωματίδια, χρησιμοποιούν τις εγκαταστάσεις του CERN. Οι επιστήμονες αυτοί εκπροσωπούν 500 πανεπιστήμια και πάνω από 80 εθνικότητες. Τα κράτη-μέλη χρηματοδοτούν το CERN με συνεισφορές ανάλογες του ΑΕΠ τους.
Trivia
Ο Παγκόσμιος Ιστός, το γνωστό WWW, πρωτοεμφανίστηκε στο CERN στα τέλη της δεκαετίας του 1980 μετά από πρόταση του Tim Berners-Lee, μηχανικού υπολογιστών στο CERN, ως ένας τρόπος γρήγορης και εύκολης επικοινωνίας μεταξύ των επιστημόνων που συνεργάζονταν σε πειράματα του Κέντρου. Η ιδέα αυτή εξελίχθηκε από τον ίδιο και τον Robert Cailliau και επέτρεψε τη χρήση τού internet (δηλαδή τη σύνδεση υπολογιστών που είχε εμφανιστεί ήδη από τη δεκαετία του 1950) όχι μόνο από επιστήμονες αλλά από όλο τον κόσμο, από τη στιγμή που το 1992 το CERN έδωσε το δικαίωμα ελεύθερης χρήσης στην ανακάλυψή του.
Χρήσιμες Συνδέσεις:
- η ιστοσελίδα του CERN: «http://www.cern.ch».
- Ελληνικός εκλαϊκευτικός ιστότοπος για τη φυσική των σωματιδίων και τα πειράματα του CERN: «http://www.physics.ntua.gr/POPPHYS»