Το μεγαλύτερο εν εξελίξει πείραμα της ανθρωπότητας, αυτό από το οποίο περιμένουμε να λάβουμε απαντήσεις σε μερικά από τα πιο σημαντικά ερωτήματα της επιστήμης (και της ύπαρξης), συμπληρώνει φέτος 60 έτη «ζωής»! Πριν από 2 χρόνια μας προσέφερε τις πρώτες ενδείξεις για την ύπαρξη του μποζονίου του Higgs, που ήταν και ο πρώτος στόχος. Οπως, όμως, η Βικτλώρια Γιακουμοπούλου, συνεργαζόμενη Ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής, ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ, μας εξηγεί, αυτό δεν είναι το μόνο όφελος που έχουμε αποκομίσει...

To CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών) αποτελεί σήμερα παγκοσμίως το μεγαλύτερο κέντρο για την έρευνα της Σωματιδιακής Φυσικής. Φυσικοί και μηχανικοί από όλο τον κόσμο εργάζονται για να κατανοήσουν τις θεμελιώδεις αρχές που διέπουν την δομή του σύμπαντος σχεδιάζοντας, κατασκευάζοντας και χρησιμοποιώντας τις υπερσύγχρονες υποδομές του, τους επιταχυντές σωματιδίων, με κύριο τον LHC που είναι ο ισχυρότερος στον κόσμο και τις ανιχνευτικές διατάξεις που καταγράφουν τα προϊόντα των συγκρούσεων των σωματιδίων.

Το CERN βρίσκεται στα Γάλλο-Ελβετικά σύνορα και ιδρύθηκε το 1954 από 12 ευρωπαϊκά κράτη-μέλη, συμπεριλαμβανομένης της Ελλάδας.

Σήμερα αριθμεί 21 μέλη, με τη Ρουμανία να είναι υπό ένταξη και την Σερβία να είναι συνεργαζόμενο μέλος σε διαδικασία προ-ένταξης. Πάνω από 600 ινστιτούτα και πανεπιστήμια από όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν τις υποδομές του CERN και περίπου 10.000 συνεργαζόμενοι ερευνητές, που προέρχονται από περισσότερες από 113 χώρες κάνουν έρευνα στο εργαστήριο αυτό.

Σημείωση: Tο Ισραήλ είναι η πρώτη μη-ευρωπαϊκή χώρα που έχει ενταχθεί ως πλήρες μέλος, ενώ μέχρι τον Ιούνιο έχει ανακοινωθεί ότι θα ενταχθεί και το Πακιστάν. 

Ο LHC (Large Hadron Collider) είναι ένας επιταχυντικός δακτύλιος περιμέτρου 27 χιλιομέτρων στον οποίο δέσμες πρωτονίων ή/και ιόντων επιταχύνονται σε πρωτόγνωρες ενέργειες και ταχύτητες που αγγίζουν την ταχύτητα του φωτός.

Μέχρι στιγμής ο επιταχυντής λειτούργησε παράγοντας ενέργεια 8 TeV κατά τη σύγκρουση των δεσμών του (περίπου 8000 φορές η μάζα του πρωτονίου). Επτά πειράματα χρησιμοποιούν ανιχνευτικές διατάξεις για να συλλέξουν και να αναλύσουν τα μυριάδες σωματίδια που παράγονται από τις συγκρούσεις στον LHC.

Η έρευνα στα 2 μεγαλύτερα πειράματα του CERN, το CMS και το ATLAS, επικεντρώνεται στη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων τους με σκοπό την κατανόηση των μηχανισμών της δημιουργίας του σύμπαντος. Η έως σήμερα αποδεκτή θεωρία, αυτή του Καθιερωμένου Προτύπου, υποστηρίζεται με μεγάλη ακρίβεια από πληθώρα μετρήσεων που έχουν πραγματοποιηθεί από τα πειράματα αυτά.

Υπάρχει όμως ακόμα μια πληθώρα θεμελιωδών και αναπάντητων ερωτημάτων.
- Eίναι τα έως τώρα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια στα αλήθεια στοιχειώδη;
- Υπάρχουν μόνο 3 χωρικές διαστάσεις;
- Που χάθηκε η αντιύλη;
- Που βρίσκεται η υπόλοιπη ύλη του σύμπαντος (σκοτεινή ύλη);
- Ποια είναι η προέλευση της μάζας;
Οι ερευνητές εργάζονται αναλύοντας τα πειραματικά δεδομένα για να επαληθεύσουν ή να διαψεύσουν θεωρίες που μπορεί να απαντούν σε αυτά.

Η 4η Ιουλίου του 2012 ήταν μια μέρα ορόσημο για την ερευνητική κοινότητα καθώς το CERN ανακοίνωσε την ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου με χαρακτηριστικά συμβατά με αυτά του μποζονίου Higgs, από τα πειράματα CMS και ATLAS.

Το μποζόνιο Higgs του Καθιερωμένου Προτύπου αποτελεί μία εκδήλωση του μηχανισμού Brout-Englert-Higgs που προτείνει τον τρόπο με τον οποίο τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα. Παρόλα αυτά απαιτείται περισσότερη έρευνα και πειραματικά δεδομένα για να επιβεβαιωθεί ότι το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε είναι όντως το Higgs του Καθιερωμένου Προτύπου, καθώς άλλοι τύποι μποζονίων Higgs προβλέπονται από άλλες θεωρίες πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

Στις 8 Οκτωβρίου του 2013 απονεμηθεί στους Francois Englert και Peter Higgs το βραβείο Nobel Φυσικής για «τη θεωρητική ανακάλυψη ενός μηχανισμού που συμβάλλει στην κατανόηση της καταγωγής της μάζας των υποατομικών σωματιδίων, και που πρόσφατα επιβεβαιώθηκε μέσω της ανακάλυψης του προβλεπόμενου στοιχειώδους σωματιδίου, από τα πειράματα ATLAS και CMS στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN».

Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs αποτελεί αναμφίβολα το επιστέγασμα της επιτυχούς λειτουργίας ενός τόσο σύνθετου τεχνολογικά και επιστημονικά εγχειρήματος. Η έρευνα όμως δεν σταματάει στην ανακάλυψη αυτή. Τα τελευταία 3 χρόνια με τα δεδομένα που έχουν ληφθεί έχει πραγματοποιηθεί ένα πλήθος αναλύσεων σε μετρήσεις ακριβείας του Καθιερωμένου Προτύπου, επιβεβαιώνοντας τις προβλέψεις του με ακρίβεια μεγαλύτερη του 1%.

Δεκάδες αναλύσεις έχουν αντικείμενο τη μελέτη θεωριών και πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου, χωρίς καμία εξΆαυτών να επιβεβαιωθεί μέχρι στιγμής. Μία από τις υποσχόμενες, πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου θεωρίες, αυτή της Υπερσυμμετρίας ενδεχομένως να μπορεί να προσφέρει λύση, μεταξύ άλλων, και στο πρόβλημα της Σκοτεινής ΅Υλης. Τα δεδομένα μέχρι στιγμής δεν έχουν επιβεβαιώσει την ύπαρξη της θεωρίας αυτής, αλλά δίνουν όρια για την περιοχή ενεργειών που μπορεί να εμφανιστεί.

Μελετώνται επίσης θεωρίες που προβλέπουν την ύπαρξη πολύ βαρέων σωματιδίων πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου που χαρακτηρίζονται ως «Εξωτική» Φυσική, καθώς επίσης και θεωρίες που μπορεί να σχετίζονται και με την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων. Ούτε αυτές οι θεωρίες έχουν επιβεβαιωθεί αλλά έχουν τεθεί όρια για τις περιοχές ενέργειας που μπορεί να ισχύουν.

Μετά από περίπου 3 χρόνια συνεχούς λειτουργίας ο επιταχυντής LHC εισήλθε τον Φεβρουάριο του 2013 σε προγραμματισμένη φάση διακοπής λειτουργίας για να αναβαθμιστεί και να λειτουργήσει το 2015 σε 60% περίπου υψηλότερη ενέργεια –συγκρούσεις σωματιδίων με ενέργεια στο κέντρο μάζας 13 TeV. Τα 2 αυτά χρόνια σχεδιάζονται και πραγματοποιούνται αναβαθμίσεις των ανιχνευτικών διατάξεων για την βελτίωση της διακριτικής ικανότητας καταγραφής των νέων δεδομένων.

Το διάστημα αυτό επίσης το εκμεταλλεύονται οι ερευνητές για να ολοκληρώσουν την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων που ελήφθησαν την προηγούμενη περίοδο, αλλά κυρίως βρίσκονται σε πυρετώδη προετοιμασία για το σχεδιασμό νέων αναλύσεων με τα νέα και περισσότερα δεδομένα.

Η εντυπωσιακή συμμετοχή της Ελλάδας 

Η Ελλάδα είναι από τα ιδρυτικά 12 μέλη του CERN. συμμετέχει στα πειράματα του CERN/LHC (CMS, ATLAS και ALICE) με περίπου 200 φυσικούς, πειραματικούς και θεωρητικούς, από τα τμήματα Φυσικής των πανεπιστήμιων της Αθήνας, Θεσσαλονίκης και Ιωαννίνων, το ΕΜΠ και το ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος". Η συμμετοχή της χώρας μας υπήρξε και εξακολουθεί  να είναι ιδιαιτέρως ενεργή και σημαντική τόσο στο κομμάτι της κατασκευής των ανιχνευτικών διατάξεων όσο και στην ανάλυση της Φυσικής.

Συγκεκριμένα, οι ελληνικές ομάδες ανέλαβαν εξΆ ολοκλήρου την κατασκευή και τοποθέτηση περίπου 30.000 ανιχνευτών μιονίων για το πείραμα ATLAS και την συναρμολόγηση και τον ποιοτικό έλεγχο περίπου 10.000 φωτοπολλαπλασιαστών που τοποθετήθηκαν στο αδρονικό θερμιδόμετρο του ίδιου πειράματος. Κατασκεύασαν επίσης 1200 ανιχνευτές τεχνολογίας πυριτίου για το πείραμα CMS και σχεδίασαν και κατασκεύασαν μέρος του συστήματος επιλογής δεδομένων για το ίδιο πείραμα.

Οι Έλληνες ερευνητές έχουν ιδιαίτερα σημαντική συμμετοχή και στο κομμάτι της ανάλυσης δεδομένων συμμετέχοντας σε ομάδες ή και ηγούμενοι αυτών, παράγοντας  πρωτοποριακά αποτελέσματα.

Μια σύντομη αναφορά για την ερευνητική ομάδα του ΙΠΣΦ του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» που συμμετέχει στο πείραμα CMS:

- Έχει συμμετάσχει σε πλέον των 20 αναλύσεων και έχει παρουσιάσει αποτελέσματα σε διεθνή συνέδρια για θέματα που αφορούν τη Φυσική του Καθιερωμένου Προτύπου, Εξωτική Φυσική, Υπερσυμμετρία, Higgs.

- Έχουν ολοκληρωθεί 6 διδακτορικές διατριβές και άλλες 3 είναι σε εξέλιξη.

- Αξιοσημείωτη είναι η αυξανόμενη συμμετοχή Ελλήνων επιστημόνων στο προσωπικό του CERN τα τελευταία 4-5 χρόνια, πολύ πάνω από τα ποσοστά χρηματοδότησης της Εθνικής συμμετοχής μας (1.8% για το 2013). Για παράδειγμα Έλληνες σπουδαστές σε τεχνικά θέματα αντιστοιχούν στο 17% του συνόλου της κατηγορίας αυτής! Διδακτορικοί και Μεταδιδακτορικοί ερευνητές στο 5 - 6% αντίστοιχα! Αυτό δεν συνιστά μόνο επιστροφή της Ελληνικής χρηματοδότησης αλλά και μεγάλη επένδυση σε επιστημονικό δυναμικό εξαιρετικής στάθμης.

Ποιο το πρακτικό όφελος από τη βασική έρευνα; 

Η βασική έρευνα πρωταρχικό σκοπό έχει τη γνώση. Τελικά όμως, στη διαδικασία αναπτύσσεται πρωτότυπη τεχνολογία που βρίσκει εφαρμογή στην καθημερινότητα μας. Για παράδειγμα η τεχνολογία του Παγκόσμιου Ιστού (World Wide Web - WWW) αναπτύχθηκε στο CERN από τον Τιμ Μπερνερς Λη ως ένα πιο αποτελεσματικό σύστημα επικοινωνίας στο Κέντρο.

Επίσης οι γνώσεις που αποκτήθηκαν στα εργαστήρια Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, όπως το CERN, σχετικά με την κατασκευή και λειτουργία των ανιχνευτικών διατάξεων, συνέβαλαν σημαντικά στην υλοποίηση της τεχνολογίας των μηχανημάτων ιατρικής απεικόνισης (MRI, PET, SPECT κτλ), με αποτέλεσμα την βελτίωση των ιατρικών μεθόδων αντιμετώπισης ή/και πρόληψης σοβαρών ασθενειών. Τέτοια παραδείγματα υπάρχουν δεκάδες.

Πολύ σημαντική είναι επίσης η άριστη εκπαίδευση νέων επιστημόνων που τελικά, πλην της βασικής έρευνας, βρίσκουν απασχόληση στην βιομηχανία και την ελεύθερη αγορά. Τέλος, και ίσως πιο σημαντικό, είναι η κουλτούρα που αναπτύσσεται στους νέους επιστήμονες για το τρόπο που η παγκόσμια συνεργασία προάγει την ανθρώπινη γνώση. 

Κα. Γιακουμοπούλου, ποια είναι η συμμετοχή της ερευνητικής ομάδας σας στο CERN; 

Με την ομάδα με την οποία συνεργάζομαι, την τελευταία περίοδο αναπτύξαμε αλγορίθμους, που στηρίζονται στη χρήση προηγμένων υπολογιστικών τεχνικών, για την αντιμετώπιση προβλημάτων που οφείλονται σε μη λειτουργικούς κρυστάλλους του ηλεκτρομαγνητικού θερμιδομέτρου του πειράματος CMS.

Η εργασία αυτή είναι μία πολύ σημαντική συνεισφορά για το πείραμα διότι έχει αντίκτυπο στην ακρίβεια μεγάλου μέρους μετρήσεων του πειράματος. Οι αλγόριθμοι αυτοί συμπεριλαμβάνονται στο επίσημο λογισμικό του πειράματος. Στον τομέα της Φυσικής συνεισφέρουμε ενεργά σε μετρήσεις στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ) αλλά και στην ερευνά πάνω σε επεκτάσεις του. Συγκεκριμένα, συμμετέχουμε στην ομάδα που ερευνά την ύπαρξη νέων υποθετικών βαρέων ουδετέρων σωματιδίων (ΖΆ) που δεν προβλέπονται από το ΚΠ. Τα αποτελέσματα μας θα δημοσιευτούν σύντομα σε επιστημονικό περιοδικό.

Παράλληλα ασχολούμαστε με μελέτες φυσικών διαδικασιών πέραν του ΚΠ στις οποίες ενδέχεται να συμμετέχουν άλλα βαρέα σωματίδια (W) αλλά και με τον πειραματικό έλεγχο υπερσυμμετρικών θεωριών στις οποίες εμφανίζονται περισσότερα από ένα μποζόνια Higgs.  Οι αναλύσεις αυτές θα αποτελέσουν, μεταξύ άλλων, τμήμα των δραστηριοτήτων μας για την επόμενη περίοδο.

Σημείωση: Η ακριβής ημέρα «γενεθλίων» του CERN είναι η 29η Σεπτεμβρίου (1954), όμως οι επετειακές εκδηλώσεις ξεκινούν από τις αρχές Μαρτίου.

πηγή: goodnews.gr