Στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών της Γενεύης, το περίφημο CERN, είναι όλα έτοιμα για να τεθεί σε λειτουργία ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων πάνω στη Γη.
Οι φυσικοί επιστήμονες σε όλο τον κόσμο περιμένουν με κομμένη την ανάσα να τεθεί σε λειτουργία, ο LHC (Large Hadron Collider): ο περιβόητος Μεγάλος Επιταχυντής Ανδρονίων, η πειραματική μεγαμηχανή που κατασκευάστηκε στα σύνορα μεταξύ Ελβετίας και Γαλλίας. Πρόκειται για μια υπόγεια κυκλική σήραγγα, ένα μακρύ δακτυλίδι μήκους 27 χιλιομέτρων και βάθους 100-150 μέτρων κάτω από τα γραφικά λιβάδια της περιοχής. Βασιζόμενοι στον LHC, τον πιο ισχυρό και περίπλοκο επιταχυντή σωματιδίων που δημιουργήθηκε ποτέ, οι ερευνητές ελπίζουν να βρουν κάποιες απαντήσεις σε μια σειρά από θεμελιώδη, αλλά ακόμη αναπάντητα, ερωτήματα της Φυσικής.
Η μεγάλη ανυπομονησία για τα αποτελέσματα που θα προκύψουν από αυτό το επονομαζόμενο «πείραμα του αιώνα» συνοδεύεται όμως και από έντονη ανησυχία. Αυτή η πολύπλοκη «μηχανή της αλήθειας» θα επιβεβαιώσει ή θα διαψεύσει, οριστικά και αμετάκλητα, αρκετές τολμηρές θεωρίες για τη βασική δομή του Σύμπαντος, ενώ κάποιοι, ευτυχώς ελάχιστοι, ήδη ανησυχούν και κινδυνολογούν για τις συνέπειες που ενδέχεται να έχει η πραγματοποίηση αυτού του πειράματος.
Γκραν πρι μικροσωματιδίων
Σήμερα, δέκα χρόνια μετά το σχεδιασμό και την εξεύρεση πόρων για την κατασκευή του, ο Μεγάλος Επιταχυντής Ανδρονίων είναι έτοιμος να τεθεί σε λειτουργία. Η κατασκευή του στοίχισε πάνω από 6 δισεκατομμύρια ευρώ και αποτελείται από 7 χιλιάδες υπεραγώγιμους μαγνήτες ικανούς να δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από αυτό της Γης. Οι γιγάντιοι αυτοί μαγνήτες βρίσκονται μέσα σε κυλινδρικούς σωλήνες που μπορούν να ψύχονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (-271,25ο C): αυτή η θερμοκρασία κάτω από το απόλυτο μηδέν είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη λειτουργία των μαγνητών, για να διατηρούνται δηλαδή στην υπεραγώγιμη κατάσταση.
Τι ακριβώς θα κάνει ο «τερατώδης» επιταχυντής;
Ούτε λίγο ούτε πολύ θα αναπαραγάγει τις ακραίες συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν κατά τις πρώτες στιγμές της ύπαρξής του. Μέσα σε αυτή την κυκλική σήραγγα οι επιστήμονες θα δημιουργήσουν δύο παράλληλες δέσμες πρωτονίων, των σωματιδίων που ως γνωστόν μαζί με τα νετρόνια συγκροτούν τους πυρήνες όλων των ατόμων. Κάθε μία από αυτές τις δέσμες πρωτονίων θα αποτελείται από 300.000 δισεκατομμύρια από αυτά τα σωματίδια: ο τεράστιος αυτός αριθμός θα παράγεται από τον επιταχυντή σε 2.808 «πακέτα» πρωτονίων που θα ταξιδεύουν σαν τα βαγόνια ενός τρένου σε απόσταση 7,5 μέτρων το ένα από το άλλο. Οι γιγάντιοι μαγνήτες εξυπηρετούν αυτόν ακριβώς το σκοπό: να εξαναγκάσουν τα πρωτόνια να κινούνται σε μια ορισμένη πορεία χωρίς να συγκρούονται στα τοιχώματα της σήραγγας!
Πράγματι, αυτά τα «τρενάκια» πρωτονίων θα ταξιδεύουν με ιλιγγιώδεις ταχύτητες (πολύ κοντά σε αυτή του φωτός) και, σε αυτές τις ακραίες συνθήκες, θα τα αναγκάσουν να συγκρουστούν μεταξύ τους σε τέσσερα προκαθορισμένα σημεία του κυκλικού επιταχυντή. Στις τέσσερις αυτές θέσεις έχουν τοποθετηθεί περίπλοκες και εξαιρετικά ευαίσθητες ανιχνευτικές συσκευές που θα καταγράφουν λεπτομερώς ό,τι θα συμβεί.
Ισως σκεφθεί κανείς ότι αυτές οι τρομακτικές συγκρούσεις πρωτονίων εμπλέκουν και απελευθερώνουν τεράστια ποσά ενέργειας, ευτυχώς όμως η πραγματικότητα είναι κάπως διαφορετική. Κάθε πρωτόνιο περικλείει ενέργεια όχι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν που εκλύεται όταν ένα κουνούπι πέφτει με φόρα πάνω σε έναν τοίχο. Δεδομένου όμως ότι ένα πρωτόνιο είναι χίλια δισεκατομμύρια φορές μικρότερο από ένα κουνούπι, η ενέργεια που περικλείει και που εκλύεται μετά τη σύγκρουση των πρωτονίων είναι τόσο μεγάλη, ώστε μετασχηματίζεται ακαριαία σε ύλη, δηλαδή σε πολλά νέα στοιχειώδη σωματίδια.
Σε αυτό ακριβώς το σημείο αρχίζει η δουλειά των ερευνητών. Με τη βοήθεια των νέων γιγάντιων και υπερευαίσθητων ανιχνευτών, ελπίζουν να ανιχνεύσουν τα σωματίδια, των οποίων η ύπαρξη, μολονότι προβλέπεται από τη θεωρία, δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί.
Το όνειρο της Μεγάλης Ενοποίησης
Από τότε που ο Νεύτων διατύπωσε τη θεωρία της βαρύτητας, η επιστήμη της Φυσικής έχει κάνει γιγάντια βήματα προς την ενοποίηση όλων των δομών (μικροσκοπικών και μακροσκοπικών), αλλά και των δυνάμεων που υπάρχουν στη φύση. Στον 20ό αιώνα η θεωρία της σχετικότητας ενοποίησε το χώρο και το χρόνο, ενώ η κβαντική φυσική με τη μελέτη των βασικών συστατικών και των δυνάμεων της ύλης, μας αποκάλυψε τη βαθύτερη ενότητα που κρύβεται πίσω από την ποικιλομορφία των δομών του μικρόκοσμου.
Σήμερα γνωρίζουμε ότι το σύνολο της ορατής ύλης του Σύμπαντος συγκροτείται από μονάχα δύο βασικές κατηγορίες στοιχειωδών σωματιδίων: από φερμιόνια και μποζόνια. Τα «μποζόνια» είναι τα σωματίδια-φορείς όλων των θεμελιωδών δυνάμεων, χάρη στις οποίες αλληλεπιδρούν τα φερμιόνια και συγκροτούνται σε σταθερές δομές, π.χ. σε άτομα.
Τα «φερμιόνια» επομένως είναι τα υποατομικά σωματίδια από τα οποία αποτελούνται όλα τα «άτομα», ή μάλλον, για να ακριβολογούμε, τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα, αλλά και τα ηλεκτρόνια. Βέβαια, η έρευνα στη μικροφυσική απέδειξε ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια προκύπτουν πάντα από συνδυασμούς τριών στοιχειωδέστερων σωματιδίων, των κουάρκ, ενώ τα ηλεκτρόνια ανήκουν σε μία διαφορετική κατηγορία υποατομικών σωματιδίων, τα λεπτόνια, τα οποία όμως αποτελούν μέρος της ευρύτερης οικογένειας των φερμιονίων.
Σε υποατομικό επίπεδο, η δομή του μικρόκοσμου φαίνεται εντυπωσιακά απλή: έξι τύποι κουάρκ και έξι τύποι λεπτονίων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω τεσσάρων δυνάμεων (της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού, της ασθενούς και ισχυρής πυρηνικής αλληλεπίδρασης) για να παράξουν την τεράστια ποικιλία όλων των δομών του γνωστού μας Σύμπαντος! Αυτό τουλάχιστον υποστηρίζει η επικρατέστερη σήμερα και πολλαχώς επιβεβαιωμένη θεωρία: το λεγόμενο «Καθιερωμένο Πρότυπο» της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων. Από το 1970, οπότε διαμορφώθηκε αυτό το ισχυρότατο εξηγητικό σχήμα, μέχρι σήμερα, οι τροποποιήσεις που έχει υποστεί είναι ελάχιστες, και όλες οι παρατηρήσεις φαίνεται να το επιβεβαιώνουν.
Μήπως έχουμε φτάσει, χωρίς να το συνειδητοποιούμε, στο τέλος της Φυσικής; Αραγε βρήκαμε την οριστική απάντηση σε όλα τα ερωτήματα σχετικά με τη βασική δομή του Σύμπαντος; Συχνά κατά το παρελθόν οι φυσικοί πίστεψαν ότι είχαν φτάσει στο τέλος της επιστημονικής τους περιπέτειας, ότι είχαν ανακαλύψει επιτέλους τη θεωρία των Πάντων. Δυστυχώς ή ευτυχώς, η ίδια η περιπέτεια της επιστημονικής γνώσης διέψευδε πάντοτε και με τον πλέον κατηγορηματικό τρόπο αυτές τις ελπίδες τους. Αυτό ακριβώς συνέβη με το Καθιερωμένο Πρότυπο και τις Μεγάλες Ενοποιητικές Θεωρίες της Φυσικής: πριν προλάβουν να πανηγυρίσουν για τις σημαντικές, αλλά επιμέρους κατακτήσεις τους, ανακάλυψαν πρόσφατα την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης και ενέργειας που κυριαρχούν στο Σύμπαν: νέες αινιγματικές οντότητες για τις οποίες δεν διαθέτουμε ακόμη καμία ικανοποιητική εξήγηση ή θεωρία.
Βέβαια, η σκοτεινή ύλη και ενέργεια αποτελούν μόνο την τελική πράξη του επιστημονικού δράματος των «Μεγάλων Ενοποιήσεων». Κάποια άλλα εξίσου σκοτεινά και αναπάντητα ερωτήματα προδίδουν τις εγγενείς (και ανυπέρβλητες) αδυναμίες του Καθιερωμένου Προτύπου: πώς η φύση καθορίζει τις τιμές των σταθερών που οι ειδικοί εισάγουν ώστε να λειτουργεί αυτή η θεωρία; Γιατί δεν καταφέρνει να εντοπίσει, ή έστω να εντάξει στο εξηγητικό της σχήμα, τα σωματίδια-φορείς της δύναμης της βαρύτητας (τα βαρυτόνια); Τι καθορίζει τη μάζα των στοιχειωδών σωματιδίων που συγκροτούν την ορατή ύλη; Ως προς το τελευταίο ερώτημα, οι φυσικοί εικάζουν ότι θα πρέπει να υπάρχει ένα ή περισσότερα μποζόνια που δημιουργούν το απαραίτητο πεδίο ώστε να αποκτούν την καθορισμένη μάζα τους όλα τα σωματίδια της ορατής ύλης. Αυτήν ακριβώς την υπόθεση είχε προτείνει και επεξεργαστεί θεωρητικά ήδη από το 1964 ο Σκοτσέζος θεωρητικός φυσικός Πίτερ Χιγκς.
Τα σωματίδια-φαντάσματα
Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο Εξήγησης, το μποζόνιο του Χιγκς είναι όντως το υποθετικό σωματίδιο-φορέας του πεδίου Χιγκς που καθορίζει τη μάζα όλων των υπόλοιπων στοιχειωδών σωματιδίων. Ισως γι' αυτό ο νομπελίστας φυσικός Λέον Μαξ Λέντερμαν το βάπτισε, με κάποια δόση ειρωνείας, το «σωματίδιο του Θεού».
Δικαιολογημένα λοιπόν το μποζόνιο αυτό αποτελεί το «ιερό Γκράαλ» της σύγχρονης μικροφυσικής, για να αναφέρουμε ακόμη μια διάσημη μεταφορά. Πώς όμως μπορούμε να εντοπίσουμε -αν βέβαια υπάρχει- αυτό το τόσο σημαντικό, αλλά αόρατο σωματίδιο;
Για να απαντήσουν σε αυτό και σε άλλα ενοχλητικά ερωτήματα οι φυσικοί σχεδίασαν και κατασκεύασαν το Μεγάλο Επιταχυντή Ανδρονίων (LHC). Μέσα σε αυτόν θα αναπαράξουν τις συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν στα πιο πρώιμα στάδια της εξέλιξής του, με άλλα λόγια θα δημιουργήσουν μια μικρογραφία των φυσικών διεργασιών που έλαβαν χώρα αμέσως μετά το Big Bang.
Οι επιστήμονες που σχεδίασαν αυτό το εντυπωσιακό πείραμα ελπίζουν ότι, χάρη στις ακραίες ενεργειακές συνθήκες που θα επικρατούν στο εσωτερικό του επιταχυντή, θα καταφέρουν τελικά να «αιχμαλωτίσουν» το μποζόνιο του Χιγκς. Και αυτό θα συμβεί επειδή, όπως υποθέτουν, τα υποατομικά σωματίδια αποκτούν τη χαρακτηριστική μάζα τους μέσω της αλληλεπίδρασης της ηλεκτρασθενούς δύναμης με το πεδίο του Χιγκς. Αν αυτή η θεωρητική υπόθεση είναι σωστή, τότε ο LHC θα επιβεβαιώσει την ύπαρξη του σωματιδίου-φορέα αυτού του πεδίου Χιγκς που θα πρέπει να βρίσκεται παντού.
Ωστόσο οι δυνατότητες του LHC δεν εξαντλούνται στον εντοπισμό του μποζονίου του Χιγκς. Ταυτόχρονα, θα επιτρέψει στους ειδικούς να κατανοήσουν πώς ακριβώς αυτό ή κάποιο εντελώς διαφορετικό μποζόνιο καταφέρνει να προκαλεί τη ρήξη της συμμετρίας που απαιτείται για να αποκτούν μάζα τα σωματίδια. Με τις ειδικά σχεδιασμένες ανιχνευτικές μηχανές αυτού του υπερεπιταχυντή, θα προσπαθήσουν επίσης να κάνουν «ορατά» και τα σωματίδια που αποτελούν τη σκοτεινή ύλη, αλλά και θα αναζητήσουν εξωτικά σωματίδια-φορείς άγνωστων δυνάμεων της φύσης. Τέλος, θα διερευνήσουν τη δυνατότητα να βρεθούν σαφέστερες ενδείξεις για την ύπαρξη ή μη κρυμμένων διαστάσεων του χωροχρόνου.
Με αυτό το μεγαλειώδες πείραμα η ευρωπαϊκή επιστήμη φαίνεται να επιστρέφει στην παραμελημένη και συστηματικά υποβαθμισμένη βασική έρευνα, την έρευνα που δεν καθοδηγείται από κάποιες κοντόφθαλμες οικονομικές και πρακτικές εφαρμογές, αλλά από τη βαθύτερη επιθυμία μας να κατανοήσουμε τον κόσμο, ή έστω από τη ζωτική μας ανάγκη να συνειδητοποιήσουμε τα όρια των γνώσεών μας.
