Το CERN από το άλφα ώς το ωμέγα

Τμήμα και σύνολο (στην επιφάνεια) του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή LHC. Επειτα από πολλούς μήνες διαπραγματεύσεων, οι εργασίες του προσωρινού συμβουλίου για τον σχεδιασμό του νέου διεθνούς εργαστηρίου πυρηνικής φυσικής έφτασε σε επιτυχή κατάληξη την 1η Ιουλίου 1953, με την υπογραφή του καταστατικού του CERN από τους εκπροσώπους των 12 κρατών-μελών (Credit: CERN).

«Ο Οργανισμός θα παρέχει συνεργασία μεταξύ των ευρωπαϊκών κρατών στην πυρηνική έρευνα με ένα καθαρό, επιστημονικό και θεμελιώδη χαρακτήρα καθώς και στην έρευνα και τις επεκτάσεις της που συνδέονται ουσιαστικά με την αρχική. Ο Οργανισμός δεν θα έχει καμία σχέση με εργασία για στρατιωτικές απαιτήσεις και τα αποτελέσματα της πειραματικής και θεωρητικής εργασίας θα δημοσιεύονται ή αλλιώς θα καθίστανται γενικώς διαθέσιμα».
Αρθρο ΙΙ, Παράγραφος 1, ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΙΔΡΥΣΗ ΕΝΟΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, Παρίσι 1η Ιουλίου 1953. Αυτή είναι η γέννηση του CERN, του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Σωματιδιακής Φυσικής, που αναπτύχθηκε ως το μεγαλύτερο ερευνητικό κέντρο στον κόσμο.

Το CERN, μια από τις πρώτες κοινές ευρωπαϊκές προσπάθειες ανάπτυξης της βασικής έρευνας και καινοτομίας στη πυρηνική και σωματιδιακή φυσική, ένα πρότυπο ευρωπαϊκής συνεργασίας, εκκίνησε πριν από λίγες μέρες τη λειτουργία του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC), μετά από δύο χρόνια αναβάθμισης. Γράφονται και λέγονται πολλά, το CERN μοιάζει να είναι στα χείλη όλων τα τελευταία χρόνια χάρη στα επιτεύγματά του, τι ακριβώς ξέρουμε όμως για τους σκοπούς και τους στόχους του; Θα προσπαθήσουμε να δώσουμε απαντήσεις σε «όλα όσα θα θέλατε να ξέρετε για το CERN», ξεκινώντας από τα βασικά και μιλώντας με κορυφαίους επιστήμονες. Σε αυτό το πρώτο μέρος του αφιερώματός μας στο CERN θα συνοψίσουμε την ιστορία, τη δομή και τον τεράστιο ρόλο που παίζει στην επιστημονική έρευνα αιχμής του 21ου αιώνα.
Στόχος η ερμηνεία του σύμπαντος
– Τι είναι το CERN;
– Ενας ζωντανός επιστημονικός οργανισμός με 21 κράτη-μέλη (μεταξύ τους και η Ελλάδα), 2.300 εργαζόμενους και 11.500 επισκέπτες επιστήμονες (πάνω από το 50% του παγκόσμιου επιστημονικού δυναμικού στον τομέα των στοιχειωδών σωματιδίων) που προέρχονται από περίπου 700 πανεπιστήμια και ινστιτούτα σε 113 χώρες σε όλο τον κόσμο, ένα μοναδικό κοινωνικο-οικονομικό φαινόμενο συνεργασίας μεταξύ ερευνητών ανεξαρτήτως φύλου, γλώσσας, θρησκείας, εθνικότητας. «Το πάθος και η αφοσίωση των ερευνητών να εκπληρώσουν τους στόχους τους και να συμμετέχουν ισότιμα με όλους τους άλλους, είναι μοναδικό φαινόμενο κοινωνικής συνεργασίας που έχει γίνει αντικείμενο μελέτης από ΟΗΕ και ΟΑΣΑ. Η προσφορά του CERN στο παγκόσμιο κοινωνικό και επιστημονικό γίγνεσθαι, αναγνωρίστηκε από τον ΟΗΕ, και το CERN προσκλήθηκε να έχει μόνιμη θέση Παρατηρητή στη Γενική Συνέλευση του ΟΗΕ από το 2013», λέει ο Ευάγγελος Γαζής, Καθηγητής Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΜΠ, Εθνικός Εκπρόσωπος Διασύνδεσης της Βιομηχανίας με το CERN και μέλος της Οικονομικής Επιτροπής του Συμβουλίου του CERN.
– Πού εστιάζουν τα πειράματα του CERN;
– Τα πειράματα του CERN εστιάζουν στη θεμελιώδη έρευνα της φυσικής για τη δομή της ύλης με συμπεράσματα που οδηγούν στη διαδικασία της δημιουργίας του σύμπαντος. Δημιουργούν συνθήκες της ύλης αντίστοιχες με εκείνες που επικρατούσαν κλάσματα του πρώτου δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Εκρηξη. Ερωτήματα όπως, από τι είναι φτιαγμένο το Σύμπαν, από πού προέρχεται η ύλη και πώς συγκρατείται για να σχηματίσει τις κοσμικές δομές που αναγνωρίζουμε σήμερα (πλανήτες, άστρα, γαλαξίες), βρίσκονται στο κέντρο των ερευνών που διεξάγονται στο CERN. Οι φυσικοί αναγνωρίζουν ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως έχει επικρατήσει να λέγεται η γενικά αποδεκτή φυσική θεωρία που συνοψίζει τις γνώσεις μας για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, αν και έχει επιβεβαιωθεί σε όλους τους πειραματικούς ελέγχους τα τελευταία 50 χρόνια, αφήνει αρκετά αναπάντητα ερωτήματα: γιατί στο Σύμπαν επικράτησε η ύλη αντί για την αντι-ύλη, από τι είναι φτιαγμένη η σκοτεινή ύλη και κατ’ επέκταση η σκοτεινή ενέργεια, και το «Αγιο Δισκοπότηρο» της Φυσικής, η αναζήτηση μιας ενοποιημένης περιγραφής όλων των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων της φύσης.
– Ακούμε συχνά να μιλούν για τον Επιταχυντή LHC του CERN. Τι είναι αυτό;
– Μια διαδοχή επιταχυντών χρησιμοποιείται για να ενισχύσει προοδευτικά τις δέσμες πρωτονίων σε όλο και υψηλότερες ενέργειες, καταλήγοντας στον LHC που είναι η τελευταία παγκόσμια τεχνολογική κατάκτηση αυτής της αλυσίδας επιταχυντών, όπου τα πρωτόνια επιταχύνονται ως τη μοναδική ενέργεια των 6.5 TeV (1 τρισεκατομύριο Ηλεκτρονιοβόλτ) ανά δέσμη. Οι περισσότεροι από τους άλλους επιταχυντές της αλυσίδας έχουν επιπλέον τους δικούς τους πειραματικούς θαλάμους, όπου οι δέσμες σωματιδίων χρησιμοποιούνται για πειράματα σε χαμηλότερες ενέργειες. Ο επιταχυντής LHC χρησιμοποιεί μία σήραγγα περιφέρειας 27 χιλιομέτρων και μερικούς από τους ισχυρότερους δίπολους και τετράπολους μαγνήτες και κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων, όλα από υπεραγώγιμο υλικό (NbTi) που λειτουργούν σε θερμοκρασία -271.1 ^oC. Η σήραγγα βρίσκεται σε μέσο βάθος 100 μέτρων, γιατί ο φλοιός της Γης παρέχει καλή θωράκιση από την εξωτερική ακτινοβολία και δεν εμποδίζει τις τωρινές ή μελλοντικές πολιτικές δράσεις στην περιοχή (υπόγειες σήραγγες ύδρευσης, παροχής ενέργειας, συγκοινωνία μετρό κ.λπ.). Δέσμες αδρονίων (πρωτονίων ή ιόντων Μολύβδου 208Pb) ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις στο εσωτερικό δύο δακτυλίων για πολλές ώρες, καλύπτοντας απόσταση μεγαλύτερη από 10 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα (αρκετή για να πάει κανείς στον πλανήτη Ποσειδώνα και να επιστρέψει), πριν οδηγηθούν σε σύγκρουση στα τέσσερα σημεία τομής των δακτυλίων όπου βρίσκονται οι ανιχνευτές των τεσσάρων μεγάλων πειραμάτων ALICE, ATLAS, CMS και LHCb. Από την αλληλεπίδραση των δεσμών του LHC στα σημεία σύγκρουσης των πειραμάτων δημιουργούνται ως και 800 εκατομμύρια συγκρούσεις σωματιδίων το δευτερόλεπτο.
Μελλοντικά σχέδια
– Τι έχει καταφέρει έως σήμερα ο LHC;
– Ο LHC χρειάστηκε περίπου 10 χρόνια για να κατασκευαστεί και να τεθεί σε λειτουργία (μαζί με τα 4 βασικά πειράματα) και θα λειτουργήσει μέχρι περίπου το 2030. Η πρώτη φάση λειτουργίας του ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 2009, σημειώνοντας πολλές επιτυχίες με αποκορύφωμα την ανακοίνωση, στις 4 Ιουλίου 2012, της ανακάλυψης του μποζονίου Higgs από τα πειράματα ATLAS και CMS. Στις αρχές του 2013 ο LHC απενεργοποιήθηκε για να πραγματοποιηθεί η προγραμματισμένη συντήρηση και αναβάθμισή του και την 3η Ιουνίου 2015 ξεκίνησε τη δεύτερη περίοδο λειτουργίας του παρέχοντας τα πρώτα επιστημονικά δεδομένα στη σχεδόν διπλάσια ενέργεια-ρεκόρ των 13 TeV. Μελλοντικά σχέδια προβλέπουν την κατασκευή ενός γραμμικού επιταχυντή επόμενης γενιάς όπως ο επιταχυντής συγκρουόμενων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων CLIC στον οποίο έχουν επενδυθεί περισσότερα από 20 χρόνια έρευνας και ανάπτυξης νέων τεχνολογιών, ή ενός κυκλικού επιταχυντή – διάδοχου του LHC που θα φτάνει ενέργειες ώς και 100 TeV με αντίστοιχη περίμετρο 80 ή 100 χμ! Είναι φανερό ότι η σύγχρονη τεχνολογία μπορεί να φτάσει πια σε ενέργειες που μέχρι πρόσφατα συναντούσαμε μόνο στη Φύση.
– Πώς όμως συνδέονται όσα γίνονται στο CERN με την καθημερινότητά μας;
– Η τεχνολογία είναι θα έλεγε κανείς το μέσο με το οποίο η κοινωνία και η καθημερινότητά μας μπολιάζεται με την επιστήμη. Η φυσική υψηλών ενεργειών απαιτεί τεχνολογία αιχμής που δεν υπάρχει ακόμη στη βιομηχανία. «Εξήντα χρόνια μετά την ίδρυσή του, το CERN αποτελεί σήμερα το μεγαλύτερο παγκόσμιο διεθνή ερευνητικό οργανισμό με σπουδαία επιτεύγματα όχι μόνο στον τομέα της βασικής έρευνας αλλά και με πολλαπλά οφέλη τεχνολογικών και καινοτομικών ανακαλύψεων. Από την επιστήμη των υλικών, μέχρι τους υπολογιστές, την ιατρική, την ενέργεια και το περιβάλλον, οι τεχνολογίες αιχμής που αναπτύχθηκαν στο CERN μπήκαν για τα καλά στη ζωή μας βελτιώνοντας την καθημερινότητά μας» λέει ο καθηγ. Ε. Γαζής. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η ανάπτυξη του Παγκόσμιου Ιστού (του γνωστού μας world wide web) που ξεκίνησε τον Μάρτιο του 1989 από το CERN και είναι πια αναπόσπαστο μέρος της καθημερινότητάς μας, αλλάζοντας για πάντα την συμπεριφορά και λειτουργία του σύγχρονου ανθρώπου και των κοινωνιών.
Bιομηχανικές εφαρμογές
– Ποιες μπορεί να είναι οι εφαρμογές των επιταχυντών στη ζωή μας;
– Η τεχνολογία που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες της φυσικής υψηλών ενεργειών έχει παίξει σπουδαίο ρόλο σε καινοτομίες στο πεδίο των εναλλακτικών μορφών ενέργειας όπως η ηλιακή, ή στην ασφαλέστερη παραγωγή πυρηνικής ενέργειας και τη διαχείριση των επικίνδυνων πυρηνικών αποβλήτων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ο Ενισχυτής Ενέργειας που προτάθηκε πριν από λίγα χρόνια από τον νομπελίστα ερευνητή του CERN Carlo Rubbia. Με βάση την ιδέα αυτή οργανώθηκε και λειτουργεί η συνεργασία N_TOF, στην οποία συμμετέχει το ΕΜΠ, το Παν/μιο Ιωαννίνων και το ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος». Αλλά και οι βιομηχανικές εφαρμογές των επιταχυντών είναι πολλές: επεξεργασία προϊόντων, αποστείρωση ιατρικού εξοπλισμού και τροφών, κατασκευή ημιαγωγών των ηλεκτρονικών υπολογιστών, μικροηλεκτρονική, βελτίωση της αντοχής βιομηχανικών προϊόντων, έλεγχος και εντοπισμός φθορών κινητήρων, έλεγχος λαθρεμπορίου σε λιμάνια και αεροδρόμια. Είναι χαρακτηριστικό ότι από τους 30.000 και πλέον επιταχυντές που λειτουργούν παγκοσμίως μόνον οι 200 αφορούν τη βασική έρευνα, ενώ οι υπόλοιποι χρησιμοποιούνται σε ποικίλες (βιομηχανικές και ιατρικές) εφαρμογές.
– Υπάρχει κάποιος συσχετισμός του CERN με την ιατρική;
– Οι ανιχνευτές ακριβείας, οι επιταχυντές και οι τεχνολογίες δεσμών βρίσκουν σπουδαίες ιατρικές (διαγνωστικές και θεραπευτικές) εφαρμογές: ιατρική απεικόνιση (τομογραφία SPECT, PET, MRI), αναίμακτη θεραπεία καρκίνου με αδρόνια (περισσότεροι από 60.000 ασθενείς έχουν θεραπευθεί παγκοσμίως), ιατρικά ραδιο-ισότοπα για την έγκαιρη διάγνωση και αντιμετώπιση σοβαρών ασθενειών, βραχυθεραπεία καρκίνου. Πάνω από το 50% των επιταχυντών που λειτουργούν παγκοσμίως χρησιμοποιούνται στην ιατρική. Οι ιατρικές εφαρμογές, περισσότερο ίσως από τους υπόλοιπους τομείς, είναι η επιτομή της συνεργασίας μεταξύ επιστημονικών πεδίων και ερευνητών από πολύ διαφορετικούς κλάδους (φυσικοί, γιατροί, ραδιοβιολόγοι, μηχανικοί, προγραμματιστές, βιομηχανικός κόσμος) αποδεικνύοντας ότι βασική και εφαρμοσμένη επιστήμη μπορούν να συμβαδίζουν προωθώντας η μια την άλλη σε νέες καινοτόμες τεχνολογίες με πολλαπλά οφέλη για την ανθρωπότητα.
Eίναι ασφαλή τα πειράματα;
«Συγκρούσεις τόσο μεγάλης ενέργειας μπορεί να καταστρέψουν τον πλανήτη μας»:
Ολα αυτά τα φαινόμενα του μικρόκοσμου, αφορούν αλληλεπιδράσεις σωματιδίων με απειροελάχιστες μάζες, των οποίων οι τεράστιες ενέργειες δεν απειλούν τον άνθρωπο και τη γη. Η πολύ πιο επικίνδυνη κοσμική ακτινοβολία που διαπερνάει το Σύμπαν, βομβαρδίζει καθημερινά τον πλανήτη μας χωρίς να έχει οδηγήσει σε καταστροφή.
«Τα πειράματα στον LHC μπορεί να δημιουργήσουν επικίνδυνα σωματίδια, τα λεγόμενα strangelets, που θα αποσταθεροποιήσουν τους πυρήνες της κανονικής ύλης μετατρέποντάς τους σε μια περίεργη μορφή ύλης που αποτελείται από έναν ασυνήθιστο συνδυασμό κουάρκ»:
Η υπόθεση αυτή οφείλεται σε μία θεωρία που δεν έχει επαληθευτεί πειραματικά, ούτε προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Η δημιουργία strangelets στις υψηλές ενέργειες που επικρατούν στον LHC είναι απίθανη, εξάλλου για να διατηρηθούν θα χρειάζονταν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Είναι πιο πιθανό να δημιουργηθεί πάγος σε νερό που βράζει παρά strangelets στον LHC.
«Τα πειράματα του CERN μπορεί να δημιουργήσουν μικροσκοπικές μαύρες τρύπες που θα καταπιούν τον πλανήτη μας»:
Αυτό το σενάριο «έπαιξε» πάρα πολύ το 2009 για να μην αρχίσει η λειτουργία του LHC, αλλά έξι χρόνια μετά την ακίνδυνη λειτουργία του LHC σταμάτησε να ακούγεται. Οι υποτιθέμενες μαύρες τρύπες, αν ποτέ δημιουργηθούν, θα είναι ακίνδυνες, αφού θα συρρικνωθούν και θα εξατμισθούν στιγμιαία λόγω της ακτινοβολίας Hawking που εκπέμπουν.
Λειτουργεί στους -271.1 ^oC
• Τα πρωτόνια που επιταχύνονται στον LHC προέρχονται από απλή φιάλη με συνηθισμένο υδρογόνο, όπου 2 νανογραμμάρια αρκούν για μια ημέρα δουλειάς στον LHC. Για να επιταχυνθούν όλα τα πρωτόνια που προέρχονται από 1 γραμμάριο υδρογόνου θα χρειάζονταν 1 εκατ. χρόνια λειτουργίας του LHC.
• Κάθε μία από τις 6.000-9.000 υπεραγώγιμες ίνες κράματος Νιοβίου-Τιτανίου στο καλώδιο των μαγνητών του LHC έχει πάχος 0,007 χιλιοστά, περίπου 10 φορές λεπτότερο από μια ανθρώπινη τρίχα. Εάν προσθέσουμε όλες τις ίνες μαζί, το μήκος τους αντιστοιχεί σε 6 ταξίδια μετ’ επιστροφής στον Ηλιο και 150 ταξίδια στη Σελήνη.
• Το κεντρικό τμήμα του LHC είναι το μεγαλύτερο ψυγείο του Σύμπαντος, λειτουργεί σε θερμοκρασία -271.1 βαθμών Κελσίου, ψυχρότερο και από το μακρινό Διάστημα. Στο εσωτερικό των αγωγών που μεταφέρουν τις δέσμες επικρατεί υπερυψηλό κενό, με πίεση 10 φορές μικρότερη εκείνης που επικρατεί στη Σελήνη. Τα πρωτόνια που επιταχύνονται στον LHC στην υψηλότερη ενέργεια, ταξιδεύουν με ταχύτητα 0.999999991 εκείνης του φωτός, διατρέχοντας τον δακτύλιο περιμέτρου 27 χλμ. 11.000 φορές το δευτερόλεπτο.
• Το CERN εκτός από επιταχυντές διαθέτει και έναν επιβραδυντή αντιπρωτονίων που δίνει στους ερευνητές τη δυνατότητα να κάνουν πειράματα για να μελετήσουν τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά της αντιύλης.
• Τα δεδομένα που συλλέγονται από κάθε μεγάλο πείραμα του LHC στη διάρκεια ενός έτους γεμίζουν 100.000 DVD διπλής επίστρωσης, που αν μπουν σε μια στοίβα θα ξεπεράσουν την υψηλότερη κορυφή της Ευρώπης, το Λευκό Ορος (4.810 μέτρα).
Πόσο κοστίζει
– Πόση ενέργεια καταναλώνει ο LHC;
– Ο LHC καταναλώνει περίπου 120 MW (230 MW για όλο το CERN) και αντιστοιχεί λίγο-πολύ στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας όλων των νοικοκυριών στο καντόνι της Γενεύης. Υποθέτοντας ένα μέσο όρο 270 εργάσιμων ημερών του επιταχυντή, η εκτιμώμενη ετήσια κατανάλωση ενέργειας είναι περίπου 800.000 MWh, ανεβάζοντας το συνολικό ετήσιο κόστος για τη λειτουργία του LHC στα 19 εκατομμύρια ευρώ. «Το κόστος λειτουργίας για 10 χρόνια του LHC ισοδυναμεί με τα έξοδα 3 ημερών ενός τοπικού πολέμου (π.χ. Ιράκ), ενώ αν προσθέσουμε και το κόστος κατασκευής του (περίπου 6 δισ. ευρώ), ισοδυναμεί με το κόστος ενός αεροπλανοφόρου» (Καθηγητής ΕΜΠ Νίκος Τράκας).

 Ελένη Χατζηχρήστου – www.kathimerini.gr