70 χρόνια CERN: Η λαμπερή επέτειος και το (αβέβαιο) μέλλον

Εβδομήντα χρόνια ζωής συμπληρώνει εφέτος το CERN (Centre Europeene de la Recherche Nucleaire, Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών), που ετοιμάζεται να γιορτάσει τα γενέθλια αυτά με ειδικές εκδηλώσεις την 1η Οκτωβρίου.

Και έχει κάθε λόγο να γιορτάζει το CERN, μια από τις λίγες επιτυχημένες συνεργατικές προσπάθειες των Ευρωπαίων, η οποία μάλιστα έχει επεκταθεί και σε χώρες εκτός Ευρώπης. Με τα πολύτιμα αποτελέσματα των ερευνών να είναι πάντα προσβάσιμα από το καθένα, από οποιοδήποτε σημείο του πλανήτη Γη.

Κοινό έδαφος που προσφέρεται για κοινούς και ειρηνικούς στόχους σε μια τεράστια έκταση και εγκαταστάσεις, έξω από τη Γενεύη, που προκαλούν δέος για τον όγκο και την πολυπλοκότητά τους.

Με πρωταγωνιστή τον μεγαλύτερο επιταχυντή  σωματιδίων στον κόσμο, τον LHC (Large Hadron Collider, Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων), που έτσι πρόχειρα θα μπορούσαμε να τον παρομοιάσουμε με έναν γιγάντιο «καρυοθραύστη».

Καθώς με τη βοήθειά του, προκαλώντας συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων που ήδη γνωρίζουμε, αναβλύζουν ή δημιουργούνται εκείνη τη στιγμή άλλα μικρότερα και πλέον βραχύβια, φιλοτεχνώντας μιαν ακόμη λεπτομερέστερη εικόνα για τη δομή της ύλης.

Σε μια πρόσφατη επίσκεψή μας είχαμε την ευκαιρία να πληροφορηθούμε από πρώτο χέρι τι σχεδιάζεται αυτή τη στιγμή για το μέλλον του CERN.

Με ορίζοντα το τέλος του αιώνα

Μετά την επιβεβαίωση, χάρη στον LHC, της ύπαρξης του σωματιδίου και του πεδίου Higgs, συμπληρώθηκε ένας πρώτος πίνακας, σύνοψη του λεγόμενου Καθιερωμένου Μοντέλου (Standard Model), με τις ψηφίδες που αποτελούν τη γνωστή μας και απτή ύλη.

Τώρα όμως οι ερευνητές σε αυτόν τον τομέα της Επιστήμης που ονομάζεται Φυσική Υψηλών Ενεργειών, σκέπτονται πολύ σοβαρά το μέλλον (της Φυσικής αλλά και το δικό τους…). Γι’ αυτό χρειάζονται ένα καινούργιο «εργαλείο».

Από το 2015 έχουν αρχίσει επίσημα τα σχέδια, οπότε αναδύονται και διάφορες προτάσεις για έναν επόμενο, μεγαλύτερο και ισχυρότερο επιταχυντή.  Διότι ο σημερινός, ο LHC, υπολογίζεται ότι θα δίνει κάποια ενδιαφέροντα αποτελέσματα το πολύ για δεκαπέντε χρόνια, και λίγο ακόμη αν γίνουν κάποιες αναβαθμίσεις.

Η θέση του μελλοντικού επιταχυντή (μεγάλος κύκλος) ο οποίος θα περνά και κάτω από τη λίμνη της Γενεύης σε σχέση με τον σημερινό (μικρός). Στο βάθος δεξιά διακρίνεται το Mont Blanc

Μετά όμως δεν θα μπορέσει να δώσει απαντήσεις στα ερωτήματα που θα χρήζουν απάντησης. Ετσι έχει ξεκινήσει η μελέτη για τους δύο νέους κυκλικούς επιταχυντές, συμπληρωματικούς κατά κάποιον τρόπο μεταξύ τους.

Τον FCC-ee⁺ (Future Circular Collider-electron-positron) και τον FCC-hh (Future Circular Collider-hadron-hadron), δηλαδή πρώτα έναν που θα δημιουργεί συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (τα ποζιτρόνια είναι ηλεκτρόνια με θετικό φορτίο) και μετά έναν ακόμη για συγκρούσεις αδρονίων (φθάνοντας σε ενέργειες 100 TeV).

Το κόστος για την κατασκευή τους υπολογίζεται σήμερα στα 15 δισεκατομμύρια ευρώ, κατανεμημένα σε βάθος 15 χρόνων, μεταξύ των κρατών-μελών του οργανισμού με επιπλέον συνεισφορές από μη μέλη, όπως οι ΗΠΑ, η Ιαπωνία, η Ινδία, καθώς και από διεθνείς συνεργασίες.

Τα αναπάντητα ερωτήματα

Η απουσία νέων ευρημάτων κατά τη λειτουργία του τωρινού επιταχυντή στην ενεργή περιοχή των TeV (Tera electron Volts, δηλαδή 1.000.000.000.000, ή 1 τρισ. electron Volts ή 10¹²electron Volts) απαιτεί από τους φυσικούς να σκεφτούν διαφορετικά τα ανοιχτά ερωτήματα στη θεμελιώδη Φυσική.

Αυτά περιλαμβάνουν την αφθονία της ύλης έναντι της αντιύλης, τη φύση της σκοτεινής ύλης, το αίνιγμα για τις γεύσεις (flavors) των κουάρκ και ειδικότερα τη μη μηδενική φύση των μαζών των νετρίνων.

Οι λύσεις θα μπορούσαν να μας περιμένουν σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες, με το τίμημα είτε μιας αφύσικης τιμής της ηλεκτροασθενούς κλίμακας είτε μιας (πιο) έξυπνης από ό,τι την έχουμε φανταστεί αλλά ακόμα φευγαλέας δομής.

Έχουν επινοηθεί ριζικά νέα σενάρια Φυσικής, που συχνά περιλαμβάνουν άλλες ελαφριές και πολύ ασθενώς συζευγμένες δομές, απαιτώντας για την επαλήθευσή τους ένα ακόμη πιο λεπτεπίλεπτο χειρουργικό εργαλείο εξερεύνησης.

Υπάρχουν πολλά πράγματα ακόμη και για το Higgs που νομίζουμε πως το ξέρουν καλά οι ειδικοί αλλά εκείνοι λένε ότι δεν τα μάθαμε όλα χάρη στον LHC. Για παράδειγμα, το πώς αλληλεπιδρά με ήδη γνωστά σωματίδια (π.χ. με το ηλεκτρόνιο) αλλά και το πώς αλληλεπιδρά με τον εαυτό του (η λεγόμενη αυτοσύζευξη), μία μοναδική ιδιότητα που δεν έχει κανένα από τα γνωστά σωματίδια. Θέλουν λοιπόν να μελετήσουν τη «φύση» αυτού του νέου σωματιδίου και το πώς πιθανόν συνδέεται με κάποια από τα ανοιχτά ερωτήματα της Φυσικής.

Ειδικότερα, οι μετρήσεις της αυτοσύζευξης του μποζονίου Higgs στον FCC θα αποκάλυπταν και το εάν θα μπορούσε ενδεχομένως να είχε παίξει ρόλο στον καθορισμό της συνθήκης εκτός ισορροπίας που είναι απαραίτητη για τη δημιουργία ασυμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Δηλαδή αυτό το άλυτο μέγα πρόβλημα, γιατί στον κόσμο που ζούμε επικράτησε ολοκληρωτικά όπως φαίνεται η ύλη ενώ σύμφωνα με τη θεωρία της μεγάλης έκρηξης, στην αρχή της δημιουργίας του κόσμου η Φυσική θέλει να υπήρχαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης.

Οι υψηλές προσδοκίες

Τα αναμενόμενα από τη στατιστική ανάλυση των ευρημάτων που θα προκύψουν χάρη στον FCC-ee⁺ τον καθιστούν ένα εξαιρετικά ευαίσθητο εργαλείο για την εξερεύνηση ασθενώς συζευγμένων «σκοτεινών» δομών και άλλων υποψηφίων θεωριών για νέα Φυσική, πέρα ​​από το σημερινό καθιερωμένο μοντέλο (όπως βαριά σωματίδια άξιον, σκοτεινά φωτόνια και σωματίδια μεγάλης διάρκειας ζωής).

Όλα αυτά μια ακτίνα ελπίδας στην έως τώρα άκαρπη αναζήτηση της φύσης της σκοτεινής ύλης (ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια, δηλαδή ασθενώς αντιδρώντα, μεγάλης μάζας, ηλεκτρομαγνητικά ουδέτερα σωματίδια που υποτίθεται προς το παρόν ότι αποτελούν το «σώμα» της σκοτεινής ύλης, δηλαδή το 22% του σημερινού Σύμπαντος).

Σχηματική αναπαράσταση ανιχνευτή σωματιδίων, μέρος του «εξοπλισμού» του μελλοντικού επιταχυντή

Πηγαίνοντας στην υψηλότερη ενέργειά του, το FCC-ee θα εξερευνήσει τη Φυσική που σχετίζεται με το βαρύτερο γνωστό σωματίδιο, το κορυφαίο κουάρκ, του οποίου η μάζα παίζει θεμελιώδη ρόλο στην πρόβλεψη των διεργασιών του καθιερωμένου μοντέλου.

Και κατά συνέπεια, νέα σωματίδια που αλληλεπιδρούν σχεδόν ανεπαίσθητα και κάτω από το σημερινό καθιερωμένο μοντέλο, γίνονται ελκυστικά ως ιδέα και αντικείμενο αναζήτησης.

Μια  εναλλακτική λύση που θα μπορούσε να δώσει την απάντηση όχι μόνο σε αυτό το πρόβλημα αλλά και σε μια ποικιλία άλλων, όπως η προέλευση των (έστω και φευγαλέων) μαζών των νετρίνων (ενώ για χρόνια πιστεύαμε πως στερούνται μάζας).

Στο μέλλον, ο σχεδιασμός περιλαμβάνει και τη συνέργεια των δύο επιταχυντών, του FCC-ee⁺ με τον FCC-hh, που υπάρχει και αυτή μέσα στο πρόγραμμα για το τέλος του αιώνα περίπου, ώστε να καλύψει ολόκληρο τον χώρο παραμέτρων μέχρι το ανώτερο όριο μάζας.

Το FCC θα μπορούσε επίσης να φιλοξενήσει μια σειρά συμπληρωματικών εγκαταστάσεων ανιχνευτών για να επεκτείνει τις δυνατότητές του και για την τότε πλέον αρκετά πιο προχωρημένη Φυσική των νετρίνων.

Οι 100 «κύκλοι» και οι υπόγειες στοές

Το αν θα καταφέρουν οι ερευνητές να αποκτήσουν τα υπερεργαλεία που ονειρεύονται είναι ένα ερώτημα που προς το παρόν είναι δύσκολο να απαντηθεί.

Προς το παρόν, μια επιτροπή που τη συγκροτούν 11 υποεπιτροπές (τεχνικές, περιβαλλοντικές, επιστήμης, οικονομίας), περίπου 400 άτομα συνολικά, εργάζεται πυρετωδώς ώστε την επόμενη χρονιά να έχει έτοιμη τη μελέτη βιωσιμότητας για το μεγαλεπήβολο αυτό σχέδιο.

Η επιτροπή έφθασε να μελετήσει και να έχει να επιλέξει ανάμεσα σε 100 περίπου διαφορετικές τροχιές ως προς την υπόγεια στοά που θα πρέπει να δημιουργηθεί για να συναρμολογηθούν στη συνέχεια οι δύο επιταχυντές.

Το βάθος που θα πρέπει να φθάσουν υπολογίστηκε κατά μέσον όρο ότι θα είναι 200 μέτρα (αλλά θα κυμαίνεται από 1.850 έως και 400 μέτρα) ενώ θα πρέπει να περάσουν και κάτω από τη λίμνη της Γενεύης, χωρίς βέβαια να… βραχούν. Η είσοδος θα γίνεται από 8 επιφανειακά σημεία, 7 στη Γαλλία και 1 στην Ελβετία.

Εχει δοθεί μεγάλο βάρος, προσπαθώντας να προλάβουν ή έστω να αμβλύνουν τις σχεδόν βέβαιες διαμαρτυρίες όσων ανησυχούν για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις του έργου, έχουν αναγγείλει ότι θα χρησιμοποιήσουν με ωφέλιμο για το περιβάλλον τρόπο ακόμη και τα 16,4 εκατομμύρια τόνους χώματος που θα προκύψουν από τις εκσκαφές.

Προσπαθούν επίσης σε αυτή τη μελέτη να κατεβάσουν την κατανάλωση του νερού από τον επιταχυντή σε πλήρη λειτουργία (κυρίως για ψύξη των μαγνητών) κάτω και από τα 3 εκατομμύρια κυβικά κατ’ έτος, που είναι η κατανάλωση του τωρινού επιταχυντή, και να βρουν τρόπους ώστε να χρησιμοποιηθεί σε δημόσιες υποδομές ως θέρμανση.

Αλλά όλα αυτά, είναι μόνο η αρχή…