Πίσω το 2008, μια δέσμη πρωτονίων εμπλουτίστηκε πρώτα γύρω από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), τον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Τώρα, μια δεκαετία αργότερα, ήρθε η ώρα να κάνουμε τον απολογισμό αυτού που έχουμε μάθει χάρη σε αυτή τη διευκόλυνση και τι βρίσκεται μπροστά.
Αυτή η λογιστική περιλαμβάνει τόσο τη μελλοντική έρευνα που μπορεί να πραγματοποιήσει ο LHC όσο και πιθανές νέες εγκαταστάσεις που θα μπορούσαν να συγκρούσουν τα σωματίδια με ενέργεια πολύ πέρα από αυτό που μπορεί να επιτύχει ο LHC. Έχουν προταθεί δύο, ή ίσως τρεις, πιθανές αντικαταστάσεις για το LHC. Ας αναλογιστούμε πού είμαστε και πού βρισκόμαστε την τελευταία δεκαετία.
Η ιστορία του LHC είναι τόσο συναρπαστική και ταραγμένη, με γεγονότα που κυμαίνονται από καταστροφικές βλάβες στους τεράστιους μαγνήτες του οργάνου τις πρώτες μέρες των επιχειρήσεων, σε μια άνοδο που μοιάζει με φοίνικα από την τραγωδία, ακολουθούμενη από συμπαγή και συναρπαστικά ευρήματα, συμπεριλαμβανομένης της ανακάλυψης το μποζόνιο Higgs. Αυτό βρήκε τον Πέτρο Higgs και τον Francois Englert το βραβείο Νόμπελ, καθώς είχαν προβλέψει το σωματίδιο πριν από περίπου μισό αιώνα. Είναι ασυνήθιστο για τον κόσμο να παρακολουθεί διαρκώς τα νέα της φυσικής των σωματιδίων, αλλά η ανακοίνωση της ανακάλυψης του Higgs οδήγησε ειδήσεις σε όλο τον κόσμο.
Εύρεση νέας φυσικής
Οι φυσικοί βρισκόταν επίσης στην άκρη των καθισμάτων τους, περιμένοντας ό, τι ελπίζουν ότι θα ήταν απροσδόκητες ανακαλύψεις. Για σχεδόν μισό αιώνα, οι επιστήμονες είχαν την τρέχουσα θεωρητική κατανόηση της συμπεριφοράς της υποατομικής ύλης που εκπονήθηκε. Αυτή η κατανόηση ονομάζεται Βασικό μοντέλο φυσικής σωματιδίων.
Το μοντέλο εξηγεί την παρατηρούμενη συμπεριφορά των μορίων και των ατόμων συνήθους ύλης και ακόμη και των μικρότερων γνωστών δομικών στοιχείων που παρατηρήθηκαν ποτέ. Αυτά τα σωματίδια ονομάζονται κουάρκ και λεπτόνια, με κουάρκ που βρίσκονται μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα του ατόμου και με τα ηλεκτρόνια που είναι το πιο γνωστό λεπτóφωνο. Το Τυπικό Μοντέλο εξηγεί επίσης τη συμπεριφορά όλων των γνωστών δυνάμεων, εκτός από τη βαρύτητα. Είναι πραγματικά ένα εξαιρετικό επιστημονικό επίτευγμα.
Ωστόσο, το Πρότυπο Μοντέλο δεν εξηγεί όλα τα πράγματα στη θεωρητική φυσική. Δεν εξηγεί γιατί τα κουάρκ και τα λεπτόνια φαίνεται να υπάρχουν σε τρεις διακριτές, αλλά σχεδόν ταυτόσημες διαμορφώσεις, που ονομάζονται γενιές. Το μοντέλο αυτό δεν εξηγεί γιατί το σύμπαν μας είναι κατασκευασμένο εξ ολοκλήρου από ύλη, όταν η απλούστερη κατανόηση της θεωρίας της σχετικότητας του Albert Einstein λέει ότι το σύμπαν πρέπει επίσης να περιέχει μια ίση ποσότητα αντιύλης.
Το Τυπικό Μοντέλο δεν εξηγεί γιατί οι μελέτες του Κόσμου υποδηλώνουν ότι η συνηθισμένη ύλη των ατόμων αποτελεί μόνο το 5% της ύλης και της ενέργειας του Σύμπαντος. Το υπόλοιπο θεωρείται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Η σκοτεινή ύλη είναι μια μορφή ύλης που βιώνει μόνο τη βαρύτητα και καμία από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, ενώ η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή απωθητικής βαρύτητας που διαπερνά το σύμπαν.
Πριν από τις πρώτες εργασίες του LHC, οι φυσικοί όπως εγώ ελπίζαμε ότι ο αμαρτωλός του ατόμου θα μας βοηθήσει να απαντήσουμε σε αυτές τις αινιγματικές ερωτήσεις. Η πιο συχνά αναφερόμενη υποψήφια θεωρία για να εξηγήσουμε αυτά τα παζλ λέγεται υπερσυμμετρία. Υποδεικνύει ότι όλα τα γνωστά υποατομικά σωματίδια έχουν σωματίδια "υπερταξικού" αντισώματος. Αυτά, με τη σειρά τους, θα μπορούσαν να δώσουν μια εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη και να απαντήσουν σε κάποιες άλλες ερωτήσεις. Ωστόσο, οι φυσικοί δεν έχουν παρατηρήσει κάποια υπερσυμμετρία. Επιπλέον, τα δεδομένα LHC αποκλείουν τις απλούστερες θεωρίες που περιλαμβάνουν υπερσυμμετρία. Λοιπόν, τι έχει επιτύχει ο LHC;
Ο LHC έχει κάνει πολλά
Λοιπόν, εκτός από το όλο θέμα του μποζόνγκ του Higgs, ο LHC τροφοδοτεί δεδομένα στις τέσσερις μεγάλες πειραματικές συνεργασίες του, με αποτέλεσμα πάνω από 2.000 επιστημονικές εργασίες. Μέσα στο LHC, τα σωματίδια έχουν σπάσει το ένα στο άλλο σε ενέργειες 6.5 φορές υψηλότερες από εκείνες που επιτυγχάνονται από τον Fermilab Tevatron, ο οποίος κατέχει τον τίτλο του ισχυρότερου επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο για ένα τέταρτο αιώνα, μέχρι το LHC να πάρει το στέμμα.
Αυτές οι δοκιμές του Standard Model ήταν πολύ σημαντικές. Οποιαδήποτε από αυτές τις μετρήσεις θα μπορούσε να διαφωνήσει με προβλέψεις, οι οποίες θα είχαν οδηγήσει σε μια ανακάλυψη. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι το Πρότυπο Μοντέλο είναι μια πολύ καλή θεωρία και έκανε τις ακριβείς προβλέψεις για τις ενέργειες σύγκρουσης LHC όπως έκανε για τα επίπεδα ενέργειας στο προηγούμενο Tevatron.
Έτσι, αυτό είναι ένα πρόβλημα; Σε μια πολύ πραγματική έννοια, η απάντηση είναι όχι. Εξάλλου, η επιστήμη είναι τόσο πολύ για τη δοκιμή και την απόρριψη λανθασμένων νέων ιδεών, όσο αφορά την επικύρωση σωστών.
Από την άλλη πλευρά, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι επιστήμονες θα ήταν πολύ πιο ενθουσιασμένοι για την εύρεση φαινομένων που δεν είχαν προβλεφθεί στο παρελθόν. Ανακαλύψεις αυτού του τύπου οδηγούν την ανθρώπινη γνώση, με αποκορύφωμα την επανεγγραφή των εγχειριδίων.
Η ιστορία του LHC δεν έχει τελειώσει
Και τώρα τι? Έχει τελειώσει η LHC μας λέει την ιστορία της; Μετά βίας. Πράγματι, οι ερευνητές προσβλέπουν σε βελτιώσεις στον εξοπλισμό που θα τους βοηθήσει να μελετήσουν ερωτήσεις που δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν χρησιμοποιώντας την τρέχουσα τεχνολογία. Το LHC τερματίστηκε στις αρχές Δεκεμβρίου του 2018 για δύο χρόνια ανακαίνισης και αναβάθμισης. Όταν ο επιταχυντής συνεχίσει τις λειτουργίες την άνοιξη του 2021, θα επιστρέψει με ελαφρά αύξηση της ενέργειας, αλλά θα διπλασιάσει τον αριθμό των συγκρούσεων ανά δευτερόλεπτο. Λαμβάνοντας υπόψη τις μελλοντικές προγραμματισμένες αναβαθμίσεις, οι επιστήμονες της LHC έχουν μέχρι στιγμής καταγράψει μόλις το 3% των αναμενόμενων δεδομένων. Παρόλο που θα χρειαστούν πολλά χρόνια για να εξεταστούν όλα τα ευρήματα, το τρέχον σχέδιο είναι να καταγράψει περίπου 30 φορές περισσότερα δεδομένα από ό, τι έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα. Με πολλά ακόμα δεδομένα, ο LHC έχει ακόμα πολλά να πει.
Παρόλα αυτά, ενώ ο LHC θα λειτουργήσει για άλλα 20 χρόνια, είναι απολύτως λογικό να ρωτήσετε επίσης: "Τι άλλο;" Οι φυσικοί των σωματιδίων σκέφτονται να κατασκευάσουν ένα επιταχυντή σωματιδίων που θα αντικαταστήσει το LHC. Ακολουθώντας την παράδοση του LHC, μια πιθανότητα θα συγκρούσει δέσμες πρωτονίων μαζί σε ενάρεστες ενέργειες - 100 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονίων βολτ (TeV), η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη από την κορυφαία ικανότητα του LHC των 14 TeV. Αλλά η επίτευξη αυτών των ενεργειών θα απαιτήσει δύο πράγματα: Πρώτον, θα χρειαζόταν να χτίσουμε μαγνήτες που είναι διπλάσιοι από εκείνους που ωθούν σωματίδια γύρω από τον LHC. Αυτό θεωρείται δύσκολο αλλά εφικτό. Δεύτερον, θα χρειαστούμε μια άλλη σήραγγα, όπως τα LHC, αλλά πάνω από τρεις φορές μεγαλύτερη, με περιφέρεια μπιλιάρδου 100 χιλιομέτρων, περίπου τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή του LHC.
Αλλά πού θα κατασκευαστεί αυτή η μεγάλη σήραγγα και πώς θα μοιάζει πραγματικά; Τι ακτίνες θα συγκρουστούν και με ποια ενέργεια; Λοιπόν, αυτά είναι καλά ερωτήματα. Δεν είμαστε αρκετά μακριά κατά τη διαδικασία σχεδιασμού και λήψης αποφάσεων για να λάβουμε απαντήσεις, αλλά υπάρχουν δύο πολύ μεγάλες και πεπειραμένες ομάδες φυσικών που σκέφτονται για τα ζητήματα και έχουν δημιουργήσει το καθένα μια πρόταση για ένα νέο επιταχυντή. Μία από τις προτάσεις, που οδηγούνται σε μεγάλο βαθμό από ευρωπαϊκές ερευνητικές ομάδες, φαντάζεται ότι θα οικοδομήσει ένα μεγάλο πρόσθετο επιταχυντή, που πιθανότατα θα βρίσκεται στο εργαστήριο του CERN, λίγο έξω από τη Γενεύη.
Κάτω από μια ιδέα, μια εγκατάσταση θα συγκρούσει μια δέσμη ηλεκτρονίων και ηλεκτρόνια αντιύλης. Λόγω των διαφορών μεταξύ των επιταχυνόμενων πρωτονίων σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια - μια δέσμη ηλεκτρονίων χάνει περισσότερη ενέργεια γύρω από την κυκλική δομή από ότι μια δέσμη πρωτονίων - αυτή η δέσμη θα χρησιμοποιούσε τη σήραγγα μήκους 61 μιλίων αλλά θα λειτουργούσε με χαμηλότερη ενέργεια από ό, τι αν ήταν πρωτόνια. Μια άλλη πρόταση θα χρησιμοποιούσε τον ίδιο επιταχυντή μήκους 61 μιλίων για να συγκρουστούν οι δέσμες πρωτονίων. Μια πιο μετριοπαθής πρόταση θα επαναχρησιμοποιούσε την τρέχουσα σήραγγα LHC αλλά με πιο ισχυρούς μαγνήτες. Αυτή η επιλογή θα διπλασιάσει μόνο την ενέργεια σύγκρουσης πάνω από το τι μπορεί να κάνει ο LHC τώρα, αλλά είναι μια λιγότερο δαπανηρή εναλλακτική λύση. Μια άλλη πρόταση, που υποστηρίζεται σε μεγάλο βαθμό από κινέζους ερευνητές, φαντάζει μια εντελώς νέα εγκατάσταση, πιθανώς χτισμένη στην Κίνα. Αυτός ο επιταχυντής θα ήταν επίσης περίπου 61 μίλια γύρω, και θα συγκρουόταν ηλεκτρόνια και ηλεκτρόνια αντιύλης μαζί, πριν από τη μετάβαση σε σύγκρουση πρωτονίων-πρωτονίων περίπου στο 2040.
Αυτά τα δυο δυνητικά έργα βρίσκονται ακόμα στα συνομιλιακά στάδια. Τελικά, οι επιστήμονες που κάνουν αυτές τις προτάσεις θα πρέπει να βρουν μια κυβέρνηση ή ομάδα κυβερνήσεων που θα είναι πρόθυμες να περάσουν το νομοσχέδιο. Πριν όμως αυτό συμβεί, οι επιστήμονες πρέπει να προσδιορίσουν τις δυνατότητες και τις τεχνολογίες που απαιτούνται για να καταστήσουν δυνατές αυτές τις νέες εγκαταστάσεις. Και οι δύο ομάδες εξέδωσαν πρόσφατα εκτενή και λεπτομερή τεκμηρίωση σχετικά με τα σχέδιά τους. Αυτό δεν αρκεί για την κατασκευή των προτεινόμενων εγκαταστάσεων, αλλά είναι αρκετά καλό να συγκρίνουν τις προβλεπόμενες επιδόσεις των μελλοντικών εργαστηρίων και να αρχίσουν να συγκεντρώνουν αξιόπιστες προβλέψεις κόστους.
Η διερεύνηση των συνόρων της γνώσης είναι μια δύσκολη προσπάθεια και μπορεί να διαρκέσει πολλές δεκαετίες από τα πρώτα όνειρα της κατασκευής μιας εγκατάστασης αυτού του μεγέθους, μέσω των επιχειρήσεων προς τον τερματισμό της εγκατάστασης. Δεδομένου ότι σηματοδοτούμε την 10ετή επέτειο της πρώτης δέσμης στο LHC, αξίζει τον κόπο να καταγράψουμε τι έχει επιτύχει η εγκατάσταση και τι θα φέρει το μέλλον. Μου φαίνεται πως θα υπάρξουν συναρπαστικά δεδομένα για την επόμενη γενιά επιστημόνων που θα μελετήσουν. Και ίσως, ίσως, θα μάθουμε μερικά ακόμα από τα συναρπαστικά μυστικά της φύσης.
Ο Don Lincoln είναι ερευνητής φυσικής στο Fermilab. Είναι ο συγγραφέας του "Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων: Η Εξαιρετική Ιστορία του Βόσμωνα Χιγκς και άλλα πράγματα που θα πνίξουν το μυαλό σας»(Πανεπιστημιακός Τύπος του Johns Hopkins, 2014), και παράγει μια σειρά επιστημονικής εκπαίδευσης Βίντεο. Ακολούθα τον στο Facebook. Οι απόψεις που εκφράζονται σε αυτό το σχόλιο είναι του.
Ο Ντον Λίνκολν συνέβαλε αυτό το άρθρο στο Live Science Εξειδικευμένες φωνές: Op-Ed & Insights.
