Η μηχανή πίσω από την ανακάλυψη του «σωματιδίου του Θεού» βρίσκεται στο κυνήγι της σκοτεινής ύλης

Σύνταξη – Επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης

Ερευνητές στο CERN πυροδοτούν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων για τρίτη φορά, ελπίζοντας να κάνουν μια άλλη ιστορική ανακάλυψη.

Πριν από δέκα χρόνια, μια ομάδα που χειριζόταν τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο έγραψε ιστορία ανακαλύπτοντας το σωματίδιο «μποζόνιο Higgs». Το συγκεκριμένο θεωρείται κλειδί για την κατανόηση της δημιουργίας του σύμπαντος, και η ομάδα του έδωσε ένα ιδιαίτερο παρατσούκλι: το «σωματίδιο του Θεού».

Μετά από μια παύση άνω των τριών ετών για αναβαθμίσεις, ο επιταχυντής – που διευθύνεται από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικής Έρευνας (CERN) – συλλέγει και πάλι δεδομένα. Αυτή τη φορά θα προσπαθήσει να αποδείξει την ύπαρξη μιας άλλης μυστηριώδους ουσίας – της σκοτεινής ύλης. Αν και οι επιστήμονες πιστεύουν σε μεγάλο βαθμό ότι η σκοτεινή ύλη είναι πραγματική, κανένας δεν μπόρεσε να τη δει ή να τη δημιουργήσει μέχρι τώρα. Η συλλογή δεδομένων και οι αναβαθμίσεις ισχύος που πραγματοποιήθηκαν στον επιταχυντή των σωματιδίων, θα μπορούσαν να προσφέρουν στους ερευνητές μια από τις καλύτερες ευκαιρίες για οπτικοποίηση και κατανόηση της ύλης.

«Αν μπορούμε να καταλάβουμε τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης, μαθαίνουμε από τι αποτελείται ο γαλαξίας μας», λέει ο Joshua Ruderman, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. «Θα ήταν μετασχηματιστικό», συνεχίζει. Η σκοτεινή ύλη έχει γοητεύσει τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες. Πιστεύεται ευρέως ότι αποτελεί ένα σημαντικό μέρος του σύμπαντος και το να μάθουμε περισσότερα για αυτην θα μπορούσε να δώσει ενδείξεις για το πώς δημιουργήθηκε το σύμπαν.

Όλα τα άστρα, οι πλανήτες και οι γαλαξίες στο σύμπαν αντιπροσωπεύουν μόνο το 5% της ύλης του σύμπαντος, σύμφωνα με επιστήμονες του CERN. Περίπου το 27% πιστεύεται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη, η οποία δεν απορροφά, δεν αντανακλά και δεν εκπέμπει φως – γεγονός που καθιστά εξαιρετικά δύσκολο τον εντοπισμό της. Οι ερευνητές λένε ότι υπάρχει επειδή έχουν δει τη βαρυτική της έλξη σε αντικείμενα – και έχουν δει πώς βοηθά στην κάμψη της πορείας του φωτός.

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων μπορεί επιτέλους να βοηθήσει. Ο επιταχυντής κατασκευάστηκε από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικής Έρευνας προκειμένου να βοηθήσει στην απάντηση σε εκκρεμή ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής. Το μηχάνημα βρίσκεται περίπου 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της γης σε μια σήραγγα κοντά στα γαλλο-ελβετικά σύνορα και την πόλη της Γενεύης και η περιφέρειά του εκτείνεται σε σχεδόν 28 χιλιόμετρα.

Μέσα στον επιταχυντή, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες ψύχονται σε περίπου -456 βαθμούς Φαρενάιτ (ψυχρότερη θερμοκρασία από το διάστημα) ενώ δύο δέσμες σωματιδίων που ταξιδεύουν με ταχύτητα κοντά σε αυτή του φωτός οδηγούνται σε σύγκρουση. Χρησιμοποιώντας προηγμένους αισθητήρες και οθόνες, οι επιστήμονες αναλύουν τα σωματίδια που δημιουργούνται από αυτές τις συγκρούσεις, οι οποίες αναπαράγουν συνθήκες παρόμοιες με το Big Bang. Αυτό τους επιτρέπει να μάθουν για τις συνθήκες τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος.

Ο επιταχυντής ξεκίνησε να λειτουργεί τον Σεπτέμβριο του 2008 αλλά έχει κλείσει πολλές φορές, για βελτιώσεις. Τα τελευταία τρία χρόνια, οι μηχανικοί τον έχουν αναβαθμίσει, ώστε να μπορεί να ανιχνεύει περισσότερα δεδομένα και να λειτουργεί σε υψηλότερες ταχύτητες. Σήμερα μπορεί να λειτουργεί στο υψηλότερο ενεργειακό του επίπεδο από ποτέ – 13,6 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονικά βολτ – επιτρέποντας στους επιστήμονες να εκτελέσουν μεγαλύτερα και πιο περίπλοκα πειράματα που θα μπορούσαν να αποκαλύψουν νέες γνώσεις για τη φυσική των σωματιδίων. «Πρόκειται για σημαντική αναβάθμιση», λέει ο Mike Lamont, διευθυντής του CERN για επιταχυντές και τεχνολογία. «Ανοίγει το δρόμο για νέες ανακαλύψεις», συμπληρώνει.

Στην αρχή του σύμπαντος, τα σωματίδια δεν είχαν μάζα και οι επιστήμονες διερευνούν εδώ και πολλά χρόνια το πώς δημιουργήθηκαν τα άστρα, οι πλανήτες και συνακόλουθα η ζωή. Το 1964, οι φυσικοί François Englert, Peter Higgs και άλλοι διατύπωσαν την θεωρία ότι ένα δυναμικό πεδίο έδωσε μάζα στα σωματίδια όταν συνδέθηκαν μεταξύ τους, αλλά αδυνατούσαν να τεκμηριώσουν την ύπαρξη αυτής της οντότητας.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου που ονομάστηκε μποζόνιο Higgs, ενός τμήματος του υποτιθέμενου δυναμικού πεδίου, οδήγησε στην απονομή του βραβείου Νόμπελ φυσικής στους Higgs και Englert. Το σωματίδιο έχει συναρπάσει τόσο τους επιστήμονες όσο και το ευρύ κοινό. Το CERN και ο επιταχυντής παρουσιάζονται σε περίοπτη θέση στο βιβλίο του Dan Brown και στην ταινία που βασίστηκε σε αυτό: «Angels & Demons».

Τώρα οι ερευνητές θέλουν να απαντήσουν σε πιο δύσκολες ερωτήσεις, ειδικά σε αυτές που σχετίζονται με την σκοτεινή ύλη. Κατά τη διάρκεια του πειράματος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων, που θα διαρκέσει τέσσερα χρόνια, οι επιστήμονες ελπίζουν να βρουν στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη. Με την πυροδότηση του μηχανήματος, τα πρωτόνια θα αρχίσουν να περιστρέφονται με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Η ελπίδα, δήλωσαν οι ερευνητές, είναι ότι όταν ξεκινήσουν να συγκρούονται, θα δημιουργηθούν νέα σωματίδια με ιδιότητες παρόμοιες με αυτές της σκοτεινής ύλης.

Ελπίζουν επίσης να μάθουν περισσότερα για το πώς συμπεριφέρεται το μποζόνιο Higgs. Την προηγούμενη Τρίτη, λίγο αφότου ο επιταχυντής άρχισε να συλλέγει δεδομένα, επιστήμονες στο CERN ανακοίνωσαν ότι είχαν βρει τρία νέα «εξωτικά» σωματίδια που θα μπορούσαν να παράσχουν ενδείξεις για το πώς συνδέονται τα υποατομικά σωματίδια.

«Οι επιταχυντές υψηλής ενέργειας παραμένουν το πιο ισχυρό μικροσκόπιο που έχουμε στη διάθεσή μας για να εξερευνήσουμε τη φύση στη μικρότερη της κλίμακα και να ανακαλύψουμε τους θεμελιώδεις νόμους που διέπουν το σύμπαν», δήλωσε ο Gian Giudice, επικεφαλής του τμήματος θεωρίας του CERN. Ο Ruderman, από το Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, είπε ότι η αναζήτηση του CERN της φύσης της σκοτεινής ύλης και της ερμηνείας της προέλευσης του σύμπαντος, τον κάνει να περιμένει με ανυπομονησία τα αποτελέσματα του πειράματος. Η έρευνα τον ενθουσιάζει πολύ. «Γι’ αυτό ξυπνάω κάθε το πρωί», συμπλήρωσε.

Μόλις αρχίσουν να βγαίνουν τα πρώτα δεδομένα από το πείραμα, ο Ruderman θα δει αν παράγονται νέα σωματίδια. Πάντως ακόμη κι αν αυτό συμβεί, θα είναι δύσκολο να πούμε αμέσως αν πρόκειται για σκοτεινή ύλη ή όχι. Αρχικά, θα πρέπει να αξιολογήσουν εάν το εν λόγω σωματίδιο εκπέμπει φώς. Εάν συμβαίνει, τότε αυτό καθιστά λιγότερο πιθανό να πρόκειται για σκοτεινή ύλη. Δεύτερον, το σωματίδιο θα πρέπει να παρουσιάζει σημάδια διατήρησης της ύπαρξης του για μεγάλο χρονικό διάστημα και να μην αποσυντίθεται αμέσως, αφού η σκοτεινή ύλη θεωρητικά θα μπορούσε να έχει διάρκεια ζωής δισεκατομμυρίων ετών. Ελπίζουν επίσης ότι το σωματίδιο θα συμπεριφέρεται παρόμοια με τις τρέχουσες θεωρίες της σκοτεινής ύλης.

Ο Ruderman φρονεί ότι μπορεί να χρειαστούν περισσότερα από τέσσερα χρόνια για να ολοκληρωθεί το πείραμα. Εάν οι επιστήμονες του CERN δεν ανακαλύψουν τη σκοτεινή ύλη τα επόμενα τέσσερα χρόνια, θα προχωρήσουν σε περισσότερες αναβαθμίσεις του επιταχυντή. Οι αναβαθμίσεις είναι πιθανό να διαρκέσουν τρία χρόνια μετά τη διακοπή της τρέχουσας εκτέλεσης, οδηγώντας τον τέταρτο γύρο συλλογής δεδομένων και πειραμάτων στο 2029.

Όπως έχει προγραμματιστεί, το πείραμα θα μπορούσε να συλλάβει 10 φορές περισσότερα δεδομένα από τις προηγούμενες προσπάθειες, σύμφωνα με τον ιστότοπο του CERN. Όμως η αποκάλυψη των μυστικών του σύμπαντος δεν είναι εύκολη.

«Αυτό είναι εξαιρετικά δύσκολο», καταλήγει ο Ruderman, «και κάτι που θα μπορούσε να απαιτήσει μια ολόκληρη ζωή εξερεύνησης».

Πηγή: The Washington Post