Ο επιταχυντής του CERN ζωντανεύει ξανά

«Trois, deux, un… faisceau». Δέκα Σεπτεμβρίου 2008, στις 10.48 το πρωί. Βρισκόμαστε στα γαλλοελβετικά σύνορα, πολύ κοντά στη Γενεύη. Γι’ αυτό και η εντολή στα γαλλικά: «Τρία, δύο, ένα… δέσμη». Υπάρχει ένταση στην ατμόσφαιρα της γεμάτης με κόσμο αίθουσας ελέγχου του Large Hadron Collider (LHC). Του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN, το κοινό ευρωπαϊκό ερευνητικό εργαστήριο.

Είναι ο διευθυντής του προγράμματος που λέει τις μαγικές αυτές λέξεις, είναι το τελευταίο μπλοκ απορρόφησης που αποσύρεται από την 27 χιλιομέτρων κυκλική τροχιά αφήνοντάς την ελεύθερη, είναι η πρώτη δέσμη πρωτονίων που ξεκινώντας αφήνει μια φωτεινή κηλίδα στις οθόνες, τις μέσα στην αίθουσα και στο αμφιθέατρο έξω από αυτήν. Είναι η άφιξή της, αφού έκανε τον γύρο της εγκατάστασης, που ύστερα από ενενήντα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου δίνει άλλη μια ίδια φωτεινή κηλίδα στις οθόνες. Ακριβώς δίπλα στην πρώτη. Τέλος στην ένταση, χειροκροτήματα.

Ο επιταχυντής, επιτέλους, φαινόταν πως λειτουργούσε κανονικά. Δεκατέσσερα χρόνια έπρεπε να περάσουν από το πρώτο σκάψιμο εκατό μέτρα κάτω από τη γη μέχρι τις δυο αυτές φωτεινές κηλίδες στις οθόνες. Από το 2009 όλα δούλευαν καλά και είχαν αρχίσει τα διάφορα πειράματα να οδηγούν σε αποτελέσματα και συμπεράσματα. Ενα από αυτά, το περιβόητο σωματίδιο Higgs και το πεδίο που το δημιουργεί.

Επανεκκίνηση με δοκιμές

Το 2013 είχαμε την πρώτη σχεδιασμένη διακοπή λειτουργίας για δύο χρόνια, γνωστή ως LS1 (Long Shutdown 1). Αλλη μια ηθελημένη διακοπή λειτουργίας είχαμε τον Δεκέμβριο του 2018 και από την Παρασκευή 22 Απριλίου 2022, λίγο μετά το μεσημέρι, ενεργοποιήθηκαν πάλι οι δέσμες σωματιδίων.

Σήμερα στο CERN οι άνθρωποι ζουν ημέρες επανεκκίνησης σε ενδιαφέροντες αν και ταραγμένους καιρούς. Οι δυο δέσμες πρωτονίων που άρχισαν να κυκλοφορούνται σε δυο αντίθετης φοράς τροχιές είναι προς το παρόν μικρής έντασης, με ενέργεια κοντά στα 450 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, και «δοκιμάζονται» κατά την κυκλική αυτή διαδρομή τους. Σε δύο μήνες όμως έχει προγραμματιστεί να μπει «φωτιά» για τα καλά με ενέργειες στις δέσμες που θα φθάνουν τα 13,6 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (13,6 TeV!) και αυτό να κρατήσει τουλάχιστον για τέσσερα χρόνια. Γεμίζοντας έτσι τους υπολογιστές του CERN με άφθονα χρήσιμα δεδομένα προς επεξεργασία. Και όχι μόνο τους υπολογιστές εκεί, αλλά και αυτούς που θα εγκατασταθούν στο νέο κτίριο στο Πρεβεσέν, μια τοποθεσία στη Γαλλία, πολύ κοντά στα σύνορα με την Ελβετία και το CERN. Μαζί δηλαδή με το ολοκαίνουργιο Batiment 937 (B 937), που εγκαινιάστηκε στις 10 Νοεμβρίου 2021 και θα είναι το κέντρο κάθε ρομποτικής κατασκευής απαραίτητης για τη συντήρηση του επιταχυντή, ένα νέο κτίριο με ρόλο Data Center ετοιμάζεται ήδη, αυξάνοντας κατά πολύ την ικανότητα επεξεργασίας των νέων στοιχείων που θα εισρεύσουν τα επόμενα χρόνια.

Περίοδος με ονομασία Run 3

Η ένταση τις επόμενες εβδομάδες θα ανεβαίνει σταδιακά και ένας από τους πρώτους στόχους τους μήνες που έρχονται θα είναι η σπουδή της συμπεριφοράς του μποζονίου Higgs και η ακόμη πιο αυστηρή εξέταση του κατά πόσο είναι ρεαλιστικό το λεγόμενο «καθιερωμένο πρότυπο» (standard model).

Δηλαδή η όλη δομή που έχουμε δεχθεί ότι υφίσταται λόγω της συμπεριφοράς και των αλληλεπιδράσεων των στοιχειωδών σωματιδίων, από ηλεκτρόνια και μιόνια μέχρι κουάρκ και νετρίνα.

Η ενεργή αυτή περίοδος μέχρι το 2026 έχει την κωδική ονομασία Run 3 και θα διαφέρει από τις προηγούμενες και ως προς τις βελτιώσεις που έχουν γίνει στον ίδιο τον επιταχυντή. Διότι με την προσθήκη κατάλληλα τοποθετημένων επιπλέον μαγνητών οι δέσμες των πρωτονίων πριν από τις συγκρούσεις μεταξύ τους θα είναι λεπτότερες, πυκνότερες, άρα με καλύτερη στόχευση και μεγαλύτερη ένταση. Για να ενισχυθούν και οι ελπίδες των ερευνητών για μεγαλύτερη ακρίβεια στις παρατηρήσεις νέων φαινομένων που ίσως διέφευγαν έως τώρα.

Εστίαση στα πειράματα με νετρίνα

Δεν είναι άλλωστε άσχετο με τα παραπάνω και ότι τώρα θα γίνουν αρκετά πειράματα σχετικά με τα νετρίνα. Τα φευγαλέας υπόστασης σωματίδια με σχεδόν μηδενική μάζα (για δεκαετίες πιστευόταν πως είχαν μηδενική μάζα) που πλημμυρίζουν το Σύμπαν γύρω μας. Εχοντας μέγεθος όσο και τα ηλεκτρόνια, αλλά στερούμενα φορτίου, περνούν ακόμη και μέσα από την υπόλοιπη ύλη χωρίς να αντιδρούν με αυτή, καθιστώντας πολύ δύσκολη την παρακολούθηση της πορείας τους.

Γι’ αυτόν τον λόγο έχει ετοιμαστεί ένα πείραμα με τον κωδικό SND@LHC (Scatteringand Neutrino Detectoratthe LHC) όπου θα προσπαθήσουν να παρατηρήσουν νετρίνα μέσα στον επιταχυντή. Διότι μέσα σε όλα τα μυστήρια των νετρίνων είναι και το ότι οι υπολογισμοί δείχνουν να παράγονται μέσα στον επιταχυντή αλλά μέχρι σήμερα δεν ήταν εφικτό να παρατηρηθούν με απτό τρόπο. Τώρα ένας ανιχνευτής με το όνομα FASERV πιστεύεται ότι θα βοηθήσει προς αυτή την κατεύθυνση. Και για όποιον σκέφτεται «τι σημασία έχουν όλα αυτά με τα «ασήμαντης υπόστασης» νετρίνα», καλό είναι να αναφερθεί πως τα νετρίνα έχουν συμμετοχή και στις διαδικασίες σύντηξης πυρήνων που εφοδιάζουν με ενέργεια τους αστέρες στο Σύμπαν και στις σχάσεις των πυρήνων στους αντιδραστήρες.

Ακόμη πιο εξωτικό φαντάζει το σχέδιο για την παρατήρηση νέων καταστάσεων της ύλης, όπως η κατάσταση πλάσματος από γλοιόνια και κουάρκ, σε μια προσπάθεια να επανασυσταθούν καταστάσεις που επικράτησαν αμέσως μετά την υποτιθέμενη Μεγάλη Εκρηξη! Οταν σε θερμοκρασίες τρισεκατομμυρίων βαθμών τα γλοιόνια (που συνδέουν μεταξύ τους τα κουάρκ) και τα ίδια τα κουάρκ ήταν ακόμη ασύνδετα, συνθέτοντας μια ακόμη πιο αρχέγονη «σούπα» από τις επόμενες στην πορεία της δημιουργίας του Σύμπαντος.

Τα καμώματα των όμορφων κουάρκ

Στις έξι και μισή το απόγευμα της 20ής Ιανουαρίου του 2021 και μέσα στην κατήφεια του αποκλεισμού λόγω COVID, μέσω της πλατφόρμας Zoom μια μικρή ομάδα επιστημόνων «συναντήθηκε» για να συζητήσει κάτι πολύ σημαντικό για τη Φυσική. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων ενός πειράματος με τον κωδικό LHCb που αμφισβητούσαν τη δομή του καθιερωμένου προτύπου, του πιο παραδεκτού μέχρι σήμερα «χάρτη» σχετικά με το τοπίο της υπαρκτής ύλης.

Οι μετρήσεις αφορούσαν τα λεγόμενα beauty quarks (χαμηλά κουάρκ, στα ελληνικά), που είχαν απασχολήσει πολλές φορές στο παρελθόν τους ερευνητές με τα… καμώματά τους. Υπακούουν άραγε σε μια πέμπτη δύναμη (πέρα δηλαδή από τη βαρυτική, την ηλεκτρομαγνητική, την ασθενή ή την ισχυρή); Αναδεικνύοντας έτσι με τρόπο πέρα από κάθε αμφιβολία τις αδυναμίες περιγραφής του κόσμου μας με το σημερινό πρότυπο; Που ήδη αδυνατεί να τα βρει με τη συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης, υπεύθυνης για το ότι οι γαλαξίες συγκρατούνται σε προβλέψιμες τροχιές και αποστάσεις μεταξύ τους, με τη συμπεριφορά της σκοτεινής ενέργειας, υπεύθυνης για την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος, και για το ότι κατά τη γένεση του Σύμπαντος, ενώ υπήρχαν ταυτόχρονα ύλη και αντι-ύλη, τελικά έχει επικρατήσει η ύλη.

Αυτά λοιπόν τα «όμορφα» ή b-κουάρκ (bottom quarks) όταν μεταλλάσσονται θεωρητικά πρέπει να προκύπτουν σε ίσα ποσοστά ηλεκτρόνια και τα «εξαδέλφια» τους, τα (λίγο μεγαλύτερης μάζας) μιόνια. Οι μετρήσεις όμως έδειχναν ότι τα μιόνια (που μοιάζουν πολύ με τα ηλεκτρόνια στη συμπεριφορά τους, εκτός από το ότι έχουν 200 φορές μεγαλύτερη μάζα) εμφανίζονταν κατά ένα ποσοστό 15% μικρότερο από το προβλεπόμενο. Και αυτό με τη σειρά του έδωσε την αφορμή να προταθεί ως εξήγηση ότι κάποια άγνωστη έως τότε (πέμπτη) δύναμη επενέβαινε και χαλούσε την προβλεπόμενη ισορροπία. Φέρνοντας στη σκηνή και τα λεγόμενα «λεπτοκουάρκ» (σωματίδια πέρα από τα προβλεπόμενα από το καθιερωμένο πρότυπο, που υποτίθεται ότι είναι μποζόνια ικανά να συνδέουν κουάρκ με λεπτόνια, δηλαδή ηλεκτρόνια, μιόνια, ταυ ή τα νετρίνα τους).

Βουτιά στα δεδομένα

Οι θεωρητικοί φυσικοί είναι η αλήθεια πως ως πρώτη αντίδραση είχαν το να τους πουν πως κάτι δεν πρόσεξαν στις μετρήσεις τους, αλλά οι συζητήσεις δεν έχουν ακόμη καταλαγιάσει. Και πώς να συμβεί αυτό όταν είναι γνωστό και ότι ο χρόνος ζωής των ασταθών αυτών b-κουάρκ είναι μόλις 1,5 τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, πριν να μεταλλαχθούν σε κάποιο άλλο σωματίδιο. Οπότε εκεί για τις επιρροές της μετάλλαξης μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστεί ο υπεύθυνος.

Τα σίγουρα που είχαν προκύψει μέχρι το κλείσιμο για δεύτερη φορά του επιταχυντή το 2018 ήταν η επιβεβαίωση για την ύπαρξη του μποζονίου του Higgs, η ύπαρξη αντι-ύλης, το «ζύγισμα», δηλαδή ο ακριβής (όπως τότε νομίζαμε) προσδιορισμός της μάζας των σωματιδίων W και Z.

Από τότε πέρασαν τριάμισι χρόνια και εν τω μεταξύ εμφανίστηκε κάποιο θεωρούμενο στο παρελθόν ως σωματίδιο-φάντασμα που τώρα πλέον παρουσιάζεται ως κάτι το ιδιαίτερα ενδιαφέρον. Πρόκειται για το Χ(3872). Είχε βρεθεί για πρώτη φορά το 2003 σε έναν επιταχυντή στην Ιαπωνία και θεωρείται πως «έζησε» κανονικά το πρώτο εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την (υποτιθέμενη) Μεγάλη Εκρηξη, όταν συνυπήρχαν σε κατάσταση πλάσματος γλοιόνια και κουάρκ.

Ψάχνοντας μέσα σε έναν λαβύρινθο από δεδομένα που άφησαν οι μετρήσεις στον επιταχυντή LHC από το 2015 έως το 2018, με ειδικό τρόπο, όπου εκπαιδεύτηκε με τη βοήθεια μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης ένα bot, δηλαδή ένα ειδικό πρόγραμμα ψαξίματος, διαπιστώθηκε πως είχε εμφανιστεί ξανά εκεί στο CERN το Χ(3782) και αυτό δημοσιεύθηκε στις 19 Ιανουαρίου 2022 στο Physical Review Letters, δημιουργώντας την προσδοκία πως θα προκύψουν και άλλα ανέλπιστα τέτοια ευρήματα τα επόμενα χρόνια.

Για παράδειγμα, ένα από τα επόμενα «μυστήρια», που αναμένεται να λυθεί όταν με το καλό ο επιταχυντής βρει… τις στροφές του, είναι και η μάζα του μποζονίου W, που υποτίθεται ότι μετρήθηκε με μεγαλύτερη ακρίβεια από αμερικανούς ερευνητές και το αποτέλεσμα, αν είναι σωστό, συνιστά άλλη μια μαχαιριά στην εικόνα του καθιερωμένου προτύπου.

Περιμένοντας τα νέα δεδομένα

Για όλα τα παραπάνω, που κοστίζουν, ας μην το ξεχνάμε, και κάποια δισεκατομμύρια, αναζητήσαμε έναν «δικό μας άνθρωπο», δηλαδή έναν έλληνα ερευνητή. Τον κ. Α. Κεχαγιά, καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής Υψηλών Ενεργειών και Βαρύτητας στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και τακτικό επισκέπτη-ερευνητή στο CERN, που μοιράζει τη ζωή του εδώ και πολλά χρόνια μεταξύ Αθήνας και Γενεύης. Για μια ακόμη γνώμη.

Οπως μας είπε λοιπόν, «για όλες αυτές τις απόψεις θα πρέπει να είμαστε κάπως συγκρατημένοι. Η πιθανότητα κάποια από τα παραπάνω να είναι απλά αποτέλεσμα μιας λάθος μέτρησης ή ενός προγράμματος που δεν λειτούργησε όπως θα έπρεπε δεν είναι προς το παρόν αμελητέα. Εχουμε ακούσει άλλωστε πολλές φορές για «ανωμαλίες» των πειραματικών αποτελεσμάτων (αποτελέσματα που δεν συμφωνούν με τα ήδη υπάρχοντα δεδομένα και θεωρίες) οι οποίες εξαφανίζονται σε μια δεύτερη ανάλυση ή δεν επιβεβαιώνονται από άλλα ανεξάρτητα πειράματα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τα τελευταία χρόνια είναι η περίπτωση του BICEP για τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα και το LHC για τo πλεόνασμα φωτονίων στα 750 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Στην περίπτωση της μάζας του μποζονίου W, τα δεδομένα είναι αρκετά για να δικαιολογήσουν περαιτέρω ενδιαφέρον, αλλά σίγουρα όχι αρκετά για να ισχυριστεί κανείς ότι ανακαλύφθηκε νέα Φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Ας περιμένουμε λοιπόν τα νέα δεδομένα από την επανεκκίνηση του LHC».

Ας σημειωθεί επίσης ότι ίσως υπάρχει και μια τάση σε κάποιες ερευνητικές ομάδες να παρουσιάσουν εντυπωσιακά αποτελέσματα που οδηγούν σε καλύτερες επιχορηγήσεις και κάπως πιο σίγουρο μέλλον. Το αισιόδοξο σενάριο πάντως είναι πως πολλά από αυτά, που τώρα είναι μόνο φήμες, θα αναδείξει την πραγματική υπόστασή τους ή την εφήμερη δημοσιότητά τους η αναβαθμισμένη πλέον λειτουργία του επιταχυντή κατά τη φάση RUN 3.

Ο πόλεμος και το μπλόκο σε ρώσους επιστήμονες

Στη διάρκεια μιας επίσκεψης που είχε πραγματοποιηθεί όσο ακόμη διαρκούσε η προηγούμενη διακοπή στη λειτουργία του επιταχυντή αδρονίων (LHC), ανάμεσα στα άλλα αξιοπρόσεκτα που παρατηρήσαμε ήταν και το πλήθος των ρώσων εργατοτεχνιτών και εργοδηγών που φαινόταν να βρίσκονται σε κάθε χώρο του επιταχυντή. Προφανώς είχαν επιλεγεί για την ικανότητά τους σε ό,τι έχει σχέση με μοντάρισμα, καλωδίωση και κάθε είδους συγκολλήσεις. Η Ρωσία, αν και δεν ήταν πλήρες μέλος στην ευρωπαϊκή αυτή επιστημονική κοινότητα, είχε σημαντική συμμετοχή στη ζωή της. Πριν από λίγο καιρό υπολογιζόταν πως το 8% των 12.000 επιστημόνων που εργάζονται εκεί, περίπου χίλια άτομα δηλαδή, ήταν ρώσοι υπήκοοι. Στις 7 Μαρτίου όμως πάρθηκε η απόφαση, που ανακοινώθηκε την αμέσως επόμενη ημέρα, ότι με τη σύμφωνη γνώμη και των 23 εταίρων (μέσα σε αυτούς είναι και η Ελλάδα) σταματούν κάθε είδους νέες συνεργασίες με το ρωσικό κράτος και τους επιστημονικούς οργανισμούς του μέχρι νεωτέρας εξαιτίας της εισβολής στην Ουκρανία. Οι εταίροι αποφάσισαν να κάνουν το ίδιο και για τη Λευκορωσία (υποστηρίκτρια της εισβολής) καθώς και να άρουν το στάτους του παρατηρητή που είχε το ρωσικό κράτος στα όσα λάμβαναν χώρα στο CERN. Εκφραζόταν όμως η υποστήριξη προς όποιους από τους εργαζόμενους εκεί ρώσους επιστήμονες ήταν αντίθετοι στην εισβολή.

Στα παραπάνω, πριν τελειώσει ο μήνας Μάρτιος, προστέθηκαν νέα μέτρα. Οι εταίροι αποφάσισαν την άρση κάθε συμμετοχής επιστήμονα του CERN σε ερευνητικά ιδρύματα σε Ρωσία και Λευκορωσία και αντίστροφα. Ακύρωσαν κάθε προγραμματισμένη κοινή εκδήλωση μεταξύ των δυο μερών. Εβαλαν στον πάγο κάθε ήδη συμφωνημένο συμβόλαιο που είχε γίνει για ιδιώτες που ανήκουν σε επιστημονικά ιδρύματα της Ρωσίας και της Λευκορωσίας. Στο πλαίσιο αυτών των αποφάσεων, το CERN απαγόρευσε τη συμμετοχή επιστημόνων του στις κοινές εργασίες με το ρωσικό Joint Institute for Nuclear Research (JINR), ακύρωσε τις κοινές εκδηλώσεις, δεν θα προχωρήσει σε νέες και ανέστειλε το καθεστώς παρατηρητή και για τα δυο μέρη. Και επιφυλάσσεται, στη Σύνοδο του Ιουνίου, για επανεκτίμηση και ίσως νέα μέτρα κατά των οργανισμών που εκδήλωσαν την υποστήριξή τους στη ρωσική εισβολή.