Αναζητώντας τη σκοτεινή ύλη μέσω του LHC

O Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC – Large Hadron Collider) είναι μια υπόγεια κυκλική σήραγγα βάθους 50-175 μέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους στα σύνορα της Ελβετίας με τη Γαλλία. Ενα τούνελ συνολικού μήκους 27 χιλιομέτρων, γύρω από το οποίο έχουν τοποθετηθεί γιγάντιοι υπεραγώγιμοι μαγνήτες ικανοί να δημιουργούν ένα ισχυρότατο μαγνητικό πεδίο (δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από αυτό της Γης).

Σε αυτήν την κυκλική σήραγγα οι φυσικοί δημιουργούν δύο ταχύτατες αλλά αντίρροπες δέσμες πρωτονίων.

Ο σκοπός ύπαρξης των γιγάντιων μαγνητών είναι να εξαναγκάζουν τα πρωτόνια να τρέχουν κατά δέσμες, ακολουθώντας μια ορισμένη πορεία, χωρίς να συγκρούονται στα τοιχώματα της σήραγγας.

Μέσα στον LHC οι αντίρροπες δέσμες πρωτονίων ταξιδεύουν με ιλιγγιώδεις ταχύτητες (κοντά σε αυτή του φωτός) και συγκρούονται μεταξύ τους σε τέσσερα προκαθορισμένα σημεία του δακτυλίου του επιταχυντή.

Σε αυτά τα τέσσερα προκαθορισμένα σημεία έχουν τοποθετηθεί περίπλοκες υπολογιστικές μηχανές που είναι συνδεδεμένες με εξαιρετικά ευαίσθητες ανιχνευτικές συσκευές για να καταγράφουν λεπτομερώς όλα τα μικροφυσικά συμβάντα που θα λαμβάνουν χώρα έπειτα από κάθε μετωπική σύγκρουση των αντίρροπων δεσμίδων πρωτονίων.

Μέχρι σήμερα οι φυσικοί, χάρη στον LHC, έχουν καταφέρει να ανιχνεύουν κάποια άπιαστα μέχρι χθες σωματίδια, η ύπαρξη των οποίων, ενώ προβλέπεται από τη θεωρία, δεν είχε ούτε επιβεβαιωθεί ούτε διαψευστεί πειραματικά.

Για την ακρίβεια, τα περισσότερα πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων επιτρέπουν στους ερευνητές να αναπαράγουν τις ακραίες συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν κατά τα πρώτα βήματα της εξέλιξής του.

«Τα σχέδιά μας για το 2016 είναι ιδιαίτερα φιλόδοξα. Στόχος μας για φέτος είναι να συλλέξουμε έξι φορές περισσότερα δεδομένα από το 2015», δήλωσε ο Γάλλος Φρεντερίκ Μπορντρί (F. Bordry), διευθυντής του Τμήματος Επιταχυντών και Τεχνολογίας του CERN.

Χάρη στην πρωτοφανή δύναμη του ευρωπαϊκού επιταχυντή, η διεθνής ομάδα ειδικών που εργάζεται στη Γενεύη προσδοκά φέτος όχι μόνο να βελτιώσει τις γνώσεις της για το μποζόνιο Χιγκς και τα άλλα παράξενα στοιχειώδη σωματίδια που ανακάλυψαν τα προηγούμενα χρόνια, αλλά και να ανοίξει ένα νέο παράθυρο στη φυσική της σκοτεινής ύλης.

Κατά το τέλος της προηγούμενη χρονιάς -15 Δεκέμβρη 2015- οι δύο μεγάλοι ανιχνευτές σωματιδίων ATLAS και CMS του επιταχυντή είχαν καταγράψει την ύπαρξη ενός επιπλέον ζεύγους φωτονίων που δημιουργούνταν έπειτα από τη σύγκρουση των πρωτονίων.

Αμέσως μετά από αυτό το απρόσμενο γεγονός, δεκάδες θεωρητικοί φυσικοί εργάστηκαν πυρετωδώς για να δώσουν μια εύλογη φυσική ερμηνεία του.

Τους επόμενους τέσσερις μήνες δημοσιεύτηκαν 300 άρθρα που επιχειρούσαν να εξηγήσουν την παρουσία αυτού του αινιγματικού ζεύγους φωτονίων.

Πολλοί από τους επιφανείς ερευνητές που υπέγραψαν αυτά τα άρθρα εικάζουν ότι η ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγκς το 2012 δεν σημαίνει ότι η έρευνα των στοιχειωδών σωματιδίων έφτασε στο τέλος της, αλλά απεναντίας ότι θα πρέπει να υπάρχει ένας ατελείωτος αριθμός από άγνωστα μικροσωμάτια που απομένει ακόμη να ανακαλυφθούν.

Με την επανεκκίνηση του LHC οι ερευνητές θα προσπαθήσουν να επαναλάβουν το περσινό πείραμα.

Οι δέσμες πρωτονίων, που πριν από λίγες μέρες άρχισαν να τρέχουν, αποτελούνται από πακέτα που το κάθε ένα περιέχει ένα δισεκατομμύριο πρωτόνια.

Τα πακέτα εκπέμπονται με διάλειμμα 25 νανοδευτερολέπτων το ένα από το άλλο.

Τις επόμενες εβδομάδες οι ανιχνευτές ATLAS και CSM θα καταγράψουν και θα αναλύσουν πάνω από ένα δισεκατομμύριο συγκρούσεις πρωτονίων.

Με τις τόσο υψηλές ενέργειες που θα αναπτυχθούν κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων, οι φυσικοί ελπίζουν να ρίξουν κάποιο φως στα αξεδιάλυτα μέχρι σήμερα μυστήρια του μικρόκοσμου.

Πρώτα απ’ όλα, στην αινιγματική παρουσία της σκοτεινής ύλης, για την οποία, ενώ υπολογίζουν ότι καταλαμβάνει το ένα τέταρτο του Σύμπαντος, δεν γνωρίζουν σχεδόν τίποτα.

Τι είναι το σωματίδιο Χιγκς;

Από την πρώτη στιγμή που διατυπώθηκε, κατά τη δεκαετία του 1970, το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής αντιμετωπίζει τρία δυσεπίλυτα προβλήματα:

(1) δεν περιλαμβάνει τη βαρύτητα και τις πανταχού παρούσες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις

(2) δεν καταφέρνει να εξηγήσει γιατί όλα τα υλικά σώματα έχουν μια ορισμένη μάζα και

(3) δεν εξηγεί γιατί η ύλη κυριαρχεί πάνω στην αντιύλη και όχι το αντίστροφο, δηλαδή το πρόβλημα της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης.

Αυτό ακριβώς το μυστήριο των σωματιδίων που καθορίζουν τη μάζα όλων των υλικών αντικειμένων δοκίμασαν να λύσουν οι ερευνητές καταφεύγοντας στις ακραίες φυσικές συνθήκες που δημιουργούν οι νέοι πανίσχυροι επιταχυντές, όπως π.χ. ο Τέβατρον (Tevatron) στις ΗΠΑ και ο πολύ ισχυρότερος Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC) στη Γενεύη.

Εξάλλου, ένας από τους βασικούς λόγους για τους οποίους κατασκευάστηκε ο πολυδάπανος επιταχυντής LHC του CERN ήταν για να επιβεβαιωθεί ή, έστω, να διαψευσθεί οριστικά η δυνατότητα ύπαρξης του αινιγματικού σωματιδίου Χιγκς, το οποίο, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, ευθύνεται για τη μάζα όλων των υλικών σωματιδίων. Τελικά οι έρευνες επιβεβαίωσαν την ύπαρξη σωματιδίων τύπου Χιγκς, τα οποία είχε προβλέψει ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικής Πίτερ Χιγκς ήδη από το 1964.

Πράγματι, όπως διαπίστωσαν οι ερευνητές χάρη στους δύο ειδικούς ανιχνευτές του LHC (συγκεκριμένα με τις ανιχνευτικές μονάδες ATLAS και CMS), στις ακραίες συνθήκες που δημιουργεί ο επιταχυντής, κάποια στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα χάρη στην ασθενή αλληλεπίδρασή τους με το πεδίο Χιγκς που δημιουργείται από την παρουσία σωματιδίων τύπου Χιγκς.

Εργο κάθε άλλο παρά εύκολο, δεδομένης της εγγενούς αστάθειας και του ελάχιστου χρόνου ζωής του κάθε σωματιδίου Χιγκς που ενδέχεται να εμφανιστεί.