Αρχισε το μεγαλύτερο πείραμα στην ιστορία της ανθρωπότητας

Αρχισε το μεγαλύτερο πείραμα στην ιστορία της ανθρωπότητας


Σε λειτουργία ετέθη στις 10:30 (ώρα Ελλάδος) ο γιγαντιαίος επιταχυντής στο Ευρωπαϊκό Οργανισμό Ερευνας Στοιχειωδών Σωματιδίων (CERN), γεγονός το οποίο σηματοδοτεί την έναρξη του μεγαλύτερου πειράματος στην ιστορία της ανθρωπότητας.

Όπως έγινε γνωστό νωρίτερα, κατά τη διάρκεια της νύχτας προέκυψαν «μικρά ηλεκτρικά προβλήματα», τα οποία ωστόσο γρήγορα επιδιορθώθηκαν και δεν στάθηκαν ικανά να καθυστερήσουν την έναρξη του πειράματος. Δεν δόθηκαν περισσότερες πληροφορίες για τη φύση των εν λόγω προβλημάτων.

Η πρώτη δουλειά του επιταχυντή είναι να στείλει μία δέσμη σωματιδίων προς μια κατεύθυνση γύρω από την περίμετρό του μήκους 27 χλμ και στη συνέχεια μία ακόμη στην αντίθετη κατεύθυνση.

«Ελπίδα μεγάλων αποκαλύψεων»

«Υπάρχουν ανάμεικτα συναισθήματα. Η ικανοποίηση της ολοκλήρωσης ενός τεράστιου έργου και η ελπίδα μεγάλων αποκαλύψεων στο μέλλον», δήλωσε ο γενικός διευθυντής του CERN Robert Aymar.

Το πρώτο τεστ συγχρονισμού των επιμέρους τμημάτων του Επιταχυντή έγινε στις 9 Αυγούστου 2008 και ακολούθησαν και άλλα τις επόμενες εβδομάδες. Η πρώτη ακτίνα σωματιδίων που θα κυκλοφορήσει θα έχει αρχική ενέργεια 450 GeV ή 0,45 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (TeV). Στο εσωτερικό του επιταχυντή, όπου η θερμοκρασία έχει πλέον πέσει μόλις στους 1,9 βαθμούς Κελσίου πάνω από το απόλυτο μηδέν (-271 βαθμοί), δηλαδή χαμηλότερα και από τη θερμοκρασία στο εξώτερο διάστημα, θα αρχίσουν να εκπέμπονται οι πρώτες ακτίνες σωματιδίων, να κυκλοφορούν και να συγκρούονται τα πρώτα πρωτόνια, με ενέργεια επτά φορές μεγαλύτερη από οποιαδήποτε άλλη φορά στο παρελθόν.

Μέσα στο 2008 οι ακτίνες που θα κυκλοφορούν εντός του LHC, θα έχουν σταθεροποιηθεί, οπότε πλέον η ισχύς των σωματιδίων προβλέπεται να έχει αυξηθεί μέχρι τα 5 TeV. Όταν θα αρχίσει η ολοκληρωμένη φάση λειτουργίας του, πιθανότατα το 2010, η ενέργεια σύγκρουσης των σωματιδίων θα ξεπεράσει κατά 30 περίπου φορές οποιαδήποτε άλλη στο παρελθόν.



Σύμφωνα με ανάλυση του Economist, πρόκειται για το μεγαλύτερο -και πολυαναμενόμενο από την επιστημονική κοινότητα- βήμα στη σωματιδιακή φυσική εδώ και ένα τέταρτο του αιώνα. Η τελευταία μεγάλη ανακάλυψη στη φυσική των υποατομικών σωματιδίων ήταν η εύρεση των λεγόμενων μποσονίων W και Ζ το 1983.

Καλώς εχόντων των πραγμάτων, εκτός και οι κυρίαρχες θεωρίες αποδειχτούν τελικά λανθασμένες, η επόμενη μεγάλη στιγμή θα είναι η ανακάλυψη του μποσονίου του Χιγκς, μιας -προς το παρόν- θεωρητικής κατασκευής που απαιτείται για να προσδίδει μάζα στα άλλα σωματίδια από τα οποία αποτελείται η ύλη. Λογικά, χάρη στον LHC, η ανακάλυψή του θα γίνει γρήγορα - αν όχι, τότε οι φυσικοί θα βρεθούν σε μεγάλη αμηχανία...

Στην πραγματικότητα οι φυσικοί δεν επένδυσαν τόσα χρήματα στο "τέρας" της Γενεύης, για να βρουν απλώς ένα σωματίδιο που, ούτως ή άλλως, προβλέπουν οι εξισώσεις τους. Αυτό που ελπίζουν, είναι να εισέλθουν σε μια άγνωστη επικράτεια της ύλης. Μέχρι στιγμής το κυρίαρχο θεωρητικό μοντέλο (το λεγόμενο "Βασικό Μοντέλο") περιλαμβάνει 16 ανακαλυφθέντα υποατομικά σωματίδια με γνωστά ονόματα (ηλεκτρόνια, φωτόνια) ή πιο εξωτικά (μουόνια, γκλουόνια κ.α.) κι ένα 17ο στοιχείο του οποίου εκκρεμεί η επιβεβαίωση (το μποσόνιο Χιγκς).

Σε αναζήτηση των σωματιδίων της βαρύτητας και της υπερσυμμετρίας



Τα γκλουόνια παρέχουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη, τα μποσόνια W και Ζ την ασθενή πυρηνική δύναμη, ενώ τα φωτόνια την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Δυστυχώς στο κυρίαρχο μοντέλο δεν υπάρχει θέση για τη βαρύτητα, γιατί δεν έχει βρεθεί ακόμα το ανάλογο σωματίδιο. Ένα από τα σημαντικότερα πράγματα που ο LHC θα ψάξει, μετά το μποσόνιο του Χιγκς, θα είναι μήπως καταφέρει να βρει το συνεχώς διαφεύγον "βαρυτόνιο" ή "γκραβιτόνιο" (graviton), το οποίο - εκτός και οι φυσικοί έχουν πέσει τελείως έξω - υποτίθεται ότι μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας με τον ίδιο τρόπο που τα υπόλοιπα υποατομικά σωματίδια είναι φορείς των υπόλοιπων δυνάμεων (πυρηνικής, ηλεκτρομαγνητικής).

Αν όντως βρεθεί το βαρυτόνιο, θα είναι μια ιστορική στιγμή στην επιστήμη, γιατί επιτέλους θα γεφυρωθεί το χρόνιο και οδυνηρό χάσμα στη φυσική ανάμεσα στις δύο κυρίαρχες θεωρίες της: την κβαντομηχανική (που περιγράφει τον κόσμο των ηλεκτρονίων, κβάντων κλπ. και η οποία οδήγησε στο "Βασικό Μοντέλο") και τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν (που ουσιαστικά είναι η θεωρία της βαρύτητας σε σχέση με τη μεταβολή του χωρoχρ;oνου).

Μια άλλη σημαντική συνεισφορά του LHC, που θα φώτιζε περαιτέρω την επικράτεια του αγνώστου, θα ήταν η τυχόν ανακάλυψη των σωματιδίων που αποκαλούνται νετραλίνα (neutralinos), κάτι που θα επιβεβαίωνε την ισχύ της -υποθετικής προς το παρόν- θεωρίας της υπερσυμμετρίας. Σύμφωνα με αυτήν, όλα τα σωματίδια του "Βασικού Μοντέλου" έχουν ένα -μη ανακαλυφθέντα ακόμα- "σύντροφο", που βοηθά ώστε να εξισορροπεί τις ιδιότητές τους με μαθηματικά αρμονικό τρόπο. Αν και η υπερσυμμετρία διπλασιάζει τα σωματίδια (κάνοντας έτσι το σύμπαν πιο πολύπλοκο), αρέσει σε πολλούς φυσικούς, γιατί θεωρούν ότι τελικά απλουστεύει τα πράγματα με τις μαθηματικές συμμετρίες που εισάγει.

Μερικά από τα προτεινόμενα υπερσυμμετρικά σωματίδια προβλέπεται να είναι βαριά και με βραχύβια ζωή. Όμως άλλα νετραλίνα πιστεύεται ότι "ζουν" απεριόριστα. Ένα νετραλίνο -που δεν είναι ακριβώς ένα "κατοπτρικό" σωματίδιο σε σχέση με ένα σωματίδιο του "Βασικού Μοντέλου", αλλά ένα μίγμα από αρκετά συμμετρικά σωματίδια- έχει μια κρίσιμη ιδιότητα: είναι σκοτεινό.

Αν ληφθεί υπόψη ότι η ορατή ύλη (που βλέπουμε με τα διάφορα τηλεσκόπια) υπολογίζεται ότι είναι μόλις το 4% του σύμπαντος και ότι το 22% αποτελείται από "σκοτεινή ύλη" (που ανιχνεύεται λόγω των βαρυτικών επιδράσεών της, αλλά είναι αόρατη) και το υπόλοιπο 74% (δηλαδή τα τρία τέταρτα!) από την ακόμα πιο μυστηριώδη και επίσης αόρατη "σκοτεινή ενέργεια" (που τεκμαίρεται από την παρατηρούμενη συνεχή διεύρυνση του σύμπαντος, η οποία υπερ-αντισταθμίζει την αντίθετη δύναμη της βαρύτητας), τότε γίνεται αντιληπτή η σημασία της τυχόν ανακάλυψης ενός "σκοτεινού" σωματιδίου.

Πολλοί φυσικοί υποπτεύονται ότι πολλή -αν όχι όλη- η σκοτεινή ύλη αποτελείται από νετραλίνα. Θα ήταν ευκολότερο να βεβαιωθούν γι΄ αυτό, αν πρώτα επιβεβαίωναν ότι όντως υπάρχουν τα υπερσυμμετρικά σωματίδια κι αν επιπλέον ήξεραν κάτι περισσότερο για τις πραγματικές ιδιότητές τους, αντί να περιορίζονται, όπως τώρα, σε μαθηματικές υποθέσεις. Αν ο LHC βοηθήσει επ΄ αυτού, η συνεισφορά του θα είναι καθοριστική για την κατανόηση του σύμπαντος.

Σύμφωνα με την κυρίαρχη θεωρία -που χρειάζεται επιβεβαίωση- οι γαλαξίες που βλέπουμε με τα τηλεσκόπια (τα άστρα και τα αέρια), δεν είναι παρά το κέντρο μιας ευρύτερης δομής, καθώς περιβάλλονται από μια μεγάλη ζώνη αόρατης σκοτεινής ύλης που τους συγκρατεί για να μη διαλυθούν, καθώς περιστρέφονται. Από μια άποψη, η σκοτεινή ύλη είναι ένα είδος "σκαλωσιάς" πάνω στην οποία "τακτοποιείται" η ορατή ύλη.

Σκοτεινή ενέργεια, χορδές και μαύρες τρύπες

Τα πράγματα όμως είναι πιο ακατανόητα σε σχέση με τη σκοτεινή ενέργεια. Σύμφωνα με την κυρίαρχη θεωρία, η ενέργεια αυτή πρέπει να υπάρχει γιατί οι μετρήσεις που συγκρίνουν την αναμενόμενη φωτεινότητα των αρχαίων σούπερ-νόβα (υπερκαινοφανών υπέρλαμπρων αστέρων) με αυτήν που πραγματικά συλλαμβάνουν τα τηλεσκόπια, υποδεικνύουν ότι κάτι σπρώχνει τα πάντα στο σύμπαν να απομακρυνθούν με ταχύτητα μεγαλύτερη από την εκτιμώμενη ταχύτητα επέκτασης του διαστήματος μετά τη "Μεγάλη Έκρηξη" (το "Μπιγκ-Μπανγκ" που έδωσε την εναρκτήρια ώθηση στο σύμπαν). Αυτό το "κάτι" πρέπει να είναι μια μορφή ενέργειας και οι υπολογισμοί δείχνουν ότι κάθε άλλο παρά αμελητέο είναι, αφού συνιστά το 74% του σύμπαντος. Κανείς όμως δεν ξέρει από τι αποτελείται αυτή η ενέργεια, αν και ελπίζεται ότι η ανακάλυψη του μποσονίου του Χιγκς ίσως ρίξει κάποιο φως στη φύση της.

Ένα άλλο μυστήριο, το οποίο ο LHC μπορεί να λύσει, είναι η αληθινή φύση της λεγόμενης "θεωρίας του παντός", που η Φυσική προσδοκά κάποτε να αναπτύξει. Μέχρι πρόσφατα υπήρχε συναίνεση των φυσικών ότι θα επρόκειτο για μια μορφή της "θεωρίας των χορδών", η οποία, μεταξύ άλλων, υποστηρίζει ότι το σύμπαν έχει, ούτε λίγο ούτε πολύ, 11 διαστάσεις. Στη θεωρία αυτή τα σωματίδια γίνονται αντιληπτά ως δονούμενες πολυδιάστατες "χορδές". Ο τρόπος δόνησής τους καθορίζει και τη φύση κάθε σωματιδίου.

Εσχάτως όμως η θεωρία των χορδών έχει βρει έναν ανταγωνιστή στο πρόσωπο της θεωρίας της "κβαντικής βαρύτητας βρόχων" (loop quantum gravity), η οποία υποστηρίζει ότι τα σωματίδια δεν είναι ξεχωριστά από το χώρο και το χρόνο, αλλά μάλλον ο χώρος και ο χρόνος αποτελούνται από "λωρίδες" σε σχήμα θηλιάς (βρόχου), οι οποίες, όταν διαπλέκονται με ορισμένους τρόπους, γίνονται αντιληπτές ως σωματίδια.

Τέλος, ο LHC της Γενεύης δεν αποκλείεται να κάνει το θαύμα του και να δημιουργήσει μικρές "μαύρες τρύπες", οι οποίες πάντως δεν πρόκειται να καταπιούν τη Γη - όπως καθησύχασαν οι επιστήμονες τους ανησυχούντες! Απλώς δεν θα διαρκέσουν τόσο πολύ, ώστε να καταφέρουν κάτι τέτοιο. Αυτό που αναμένεται να συμβεί, είναι να διαλυθούν γρήγορα στη λεγόμενη "ακτινοβολία Χόκινγκ", μια θεωρία του διάσημου φυσικού, που αν όντως επιβεβαιωθεί από τα πειράματα του LHC, θα του δώσει πιθανότατα το επόμενο βραβείο Νόμπελ Φυσικής.

NAFTEMPORIKI

===================================================

Large Hadron Collider: Particle accelerator to recreate birth of universe
Martin Rees

On Wednesday, physicists turn on the multibillion-pound machine that will recreate the birth of the universe. Martin Rees applauds the greatest experiment in history

Large Hadron Collider: What will it find?
Scientists receive death threats over 'end-of-world' experiment
'The Grid' will see 80,000 computer network processing data from LHC
Einstein famously said that "the most incomprehensible thing about the universe is that it is comprehensible". The universe isn't anarchic: it's full of patterns and structures.

The Large Hadron Collider is the world's most powerful particle accelerator
The same physical laws apply in distant galaxies as in the lab. Our brains evolved to cope with life on the African savannah, but they can make sense of things far beyond our ancestors' experience - from subatomic particles, far too small to be imaged by any microscope, to galaxies billions of light years away.

As the centuries have passed, we have progressed remarkably in our understanding of the world around us. We know that the essence of all substances - their colour, texture, hardness and so forth - is set by the atoms of which they are made, and by how those atoms are linked together.

We know that in every cell of every living creature, atoms are configured into proteins and tangled strings of DNA. We know, even, that these atoms were all synthesised from pristine hydrogen by processes deep inside stars that died before our solar system came into being. We are literally the ashes of ancient stars - the "nuclear waste" from the fuel that made them shine.

We know, also, what forces acted on those stars, and act on our bodies. Isaac Newton showed that the force that makes apples fall is the same thing that holds the planets in their orbits and that controls the trajectory of spacecraft and satellites.

Michael Faraday achieved a further unification by showing that electric and magnetic forces were linked - an insight that led to electric motors and dynamos, and radio waves.

Nearly 100 years ago, Ernest Rutherford, then working in Manchester, inferred that an atom contained a nucleus, surrounded by a "cloud" of electrons. These developments have led to lasers, nuclear energy and much else.

But there are still gaps in our knowledge. In particular, we still can't link the forces uncovered by Faraday and Newton to the so-called "nuclear" force that actually holds the nuclei of atoms together - and without this force there would be no carbon, no oxygen and no life.

Nor can we make our theories about the universe work without adopting some very strange assumptions indeed: there seems, for instance, to be a mysterious force, latent in space itself, that is pushing everything apart and speeding up its expansion.

These profound questions can't be solved just by armchair theorists. In terms of innate brainpower, we're no wiser than Aristotle was; without successive generations of experiments, we would still believe, like him, in the four elements of earth, air, fire and water.

Science demands experimentation - and some scientific challenges are so great that they demand a massive enterprise, in which thousands of researchers combine their efforts to achieve a common goal.

This happened in astronomy with the Hubble Telescope, and in biology with the human genome project. And now it is happening in physics. The Large Hadron Collider, which will begin operations on Wednesday, will be the largest experiment in human history.

Constructed at a cost of £4.4 billion, shared among all participating nations, it is the latest in a series of successively more powerful particle accelerators that have been built at the CERN laboratory in Geneva.

CERN was set up in 1955 by European scientists who had won the ear of government through their nuclear work during the Second World War, and who recognised that progress in their subject would require equipment too expensive for any single European country to fund. But what started as a European project is now in effect a machine that belongs to the world.

An even more ambitious American project was cancelled owing to cost overruns, so the LHC is likely to be the world's premier accelerator for at least the next 15 years, home to scientists from America, Russia, Japan and everywhere else. Protons, after all, are the same from China to Peru - and indeed throughout the cosmos.

Science is a global birthright: it's an intellectual impoverishment to be unaware of the chain of events whereby, from a mysterious beginning, atoms, stars and planets have emerged, and - on at least one planet - creatures have evolved that are able to ponder their origins.

And those creatures have come up with a colossal achievement. Within the LHC's circular tunnel, 27km in circumference, beams of protons will be accelerated to up to 99.999999 per cent of the speed of light.

When they smash together, they will generate concentrations of energy resembling those that occurred during the first trillionth of a second after the Big Bang (without, of course, the explosive consequences).

It might seem paradoxical that such a huge instrument is needed in order to probe the very smallest entities in nature. But this is a consequence of a fundamental restriction on physical measurements - Heisenberg's uncertainty principle.

The sub-atomic world is inherently "fuzzy": the only way to sharpen up fine detail is by using very fast-moving and energetic particles as probes. And this is what the LHC does.

Its design combines huge civil engineering, microscopic precision, and massive computer power - it bears the same relationship to even the best-equipped laboratory as a Formula 1 racer does to the average family saloon.

And just as the engineering from Formula 1 benefits more mundane machines, so the LHC, by pushing the technological envelope, should generate productive spin-offs. After all, one well-known bonus from earlier work at CERN was the World Wide Web.

However, when the LHC is turned on this week, we should not hold our breath for exciting news. Most of the effects being sought involve very rare events - maybe only one collision in a billion. Huge volumes of data will need to be collected and sifted before any firm claims emerge.

This "big science" entails a style of work ill-suited to mavericks and individualists, but it's an essential complement to the contribution of the swarm of theorists ready to pounce on any novel phenomenon that emerges.

Speaking as a cosmologist, I'm hopeful - indeed, I rather expect - that the LHC will reveal so-called "supersymmetric particles". If so, we might have an answer to one of the key mysteries about the universe - the "dark matter".

Atoms make up only around 10 per cent of the gravitating stuff that holds galaxies together. The rest probably consists of particles left over from the fiery beginning of the universe, but as yet we have only the haziest idea what they are.

But we should also keep an open mind. The most spectacular payoffs from many scientific instruments are unexpected - or indeed thought very unlikely before they are started up. The LHC may be no exception. Some optimists, indeed, hope it may reveal surprises about the nature of space itself.

At first sight, nothing seems duller than empty space. But this dismissive attitude is as misleading as it would be for a fish to take for granted the water in which it moves - or for us to believe that invisible clear air is less substantial than the clouds floating in it.

Some theories, in fact, suggest that space is actually 10-dimensional, or that there may be other entire universes "alongside" ours, like sheets of paper separated by less than a millimetre, but separated forever because they are in different dimensions.

Prima facie, these ideas seem absurd. We are three-dimensional beings: we can go left or right, forward or backward, up or down, and that is all. So how are the putative extra dimensions concealed from us?

They could, perhaps, all be wrapped up tightly: a long hosepipe may look like a line (with just one dimension) when viewed from a distance, but closer up we realise that it's three-dimensional, just tightly wound in the other two.

By analogy, every apparent point in our three-dimensional space, if hugely magnified, may actually have some complex structure: a tightly wound origami in six extra dimensions. Most of us would bet that any such graininess is on a finer scale than even the LHC can probe: but we may be wrong.

As science advances, new questions come into focus. Many of those that now engage us could not even have been posed 20 years ago. But we shouldn't be too bedazzled by the challenge of the very large and the very small: perhaps, just as we now understand the simplicity behind ideas such as evolution and gravity, the forces and particle of the micro-world will one day fall into some pattern that seems simple, too.

Then again, this "true" fundamental theory may just be too hard for human brains to grasp. A fish has no intellectual powers to comprehend that water consists of interlinked atoms of hydrogen and oxygen: the "deep structure" of empty space could, likewise, be far too complex for unaided human brains to grasp.

But unless we strive to understand it, we surely never will. That is what the LHC is about - and even if our generation does not find the answers, its findings will stimulate the next generation of Einsteins, who will be able to take the next steps in a quest for understanding that has already transformed our world.

Some may cavil at the cost, but it's surely appropriate that the nation that hosted Newton and Darwin, Rutherford and Crick should sustain its investment in the whole range of fundamental science. This international enterprise should augur a fundamental and transformative episode in 21st-century science, and it's good and right that Britain should play a prominent part.

• Martin Rees is Astronomer Royal and President of the Royal Society

TELEGRAPH.CO.UK