Τι είναι και τι κάνει το CERN;

Γράφει ο Χαρίτος Αναστασίου, Φοιτητής Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ

Πολύς θόρυβος έγινε τις τελευταίες ημέρες σχετικά με την άρνηση της ελληνικής κυβέρνησης για παραχώρηση τεχνογνωσίας, καθώς και της εγκατάστασης στην χώρα μας μίας καινοτόμου μονάδας ακτινοβολίας καρκινικών όγκων από τον οργανισμό CERN. Η μονάδα αυτή είναι ικανή να καταστρέψει καρκινικούς όγκους ολοκληρωτικά, αφήνοντας άθικτα τα υγιή κύτταρα, αυτό χάριν μίας δέσμης πρωτονίων, δομικών σωματιδίων του ατομικού πυρήνα.

Τέτοιες υποδομές λειτουργούν χρόνια τώρα σε Αυστρία, Βέλγιο, Γαλλία, Γερμανία, Ελβετία, Βρετανία, Ιταλία, Ισπανία, ΗΠΑ, Καναδά κλπ, σύμφωνα δε με τα λεγόμενα του καθηγητή Σωματιδιακής Φυσικής ΕΜΠ Ευάγγελου Γαζή η απόσβεση των 100 εκατομμυρίων που απαιτούνταν για την αγορά της σχετικής τεχνογνωσίας θα ήταν δυνατή σε διάστημα 5- 6 χρόνων, βάσει του business plan που είχαν από κοινού εκπονήσει το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, το ΕΜΠ και η Ιατρική Σχολή. Για άλλη μια φορά η Ελλάδα έμεινε απλός παρατηρητής των επιστημονικών και τεχνολογικών εξελίξεων, ένα δε κύμα παραπληροφόρησης σχετικά με τον χαρακτήρα και την χρησιμότητα του CERN σαν οργανισμού ξέσπασε, με αναφορές ακόμη και για …ρουφήχτρα δημοσίων πόρων.

Τι είναι και τι κάνει όμως το CERN; Γιατί ακούμε τόσο συχνά το όνομά του και τι περιμένουμε από αυτό;

Ήταν 29 Σεπτεμβρίου 1954 όταν 12 ευρωπαϊκές χώρες συμφώνησαν στην ίδρυση ενός κοινού οργανισμού ατομικών και πυρηνικών ερευνών, για την καλύτερη συνεργασία επιστημόνων, φυσικών κυρίως, όλης της Ευρώπης στην προσπάθεια αποκρυπτογράφησης των μυστικών του ατόμου και του υποατομικού κόσμου. Ιδρυτικά μέλη ήταν το Βέλγιο, η Δανία, η Γαλλία, η Γερμανία, η Ιταλία, η Ελλάδα, η Ολλανδία, η Νορβηγία, η Σουηδία, η Ελβετία, η Μεγάλη Βρετανία, καθώς και η άλλοτε Γιουγκοσλαβία, ένα προσωρινό συμβούλιο με εκπροσώπους των χωρών ανέλαβε την δημιουργία ενός νέου εργαστηρίου, προσφέροντας έτσι στον οργανισμό το όνομά του: Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Πυρηνικής Έρευνας ή Conseil européen pour la recherche nucléaire στα γαλλικά, εν συντομία CERN.

64 χρόνια μετά ο οργανισμός συνίσταται από 22 μέλη, μεταξύ αυτών και το Ισραήλ, μετονομάστηκε σε Organisation européen pour la recherche nucléaire, αλλά με παράκληση του Werner Heisenberg το ακρωνύμιο έμεινε ίδιο. Σε ένα βορειοδυτικό προάστιο της Γενεύης, πάνω σχεδόν στα γαλλο-ελβετικά σύνορα βρίσκεται το μεγαλύτερο εργαστήριο φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων στον κόσμο όπου 2,500 επιστήμονες, μηχανικοί, τεχνικοί και διοικητικοί υπάλληλοι συνεργάζονται σε μία προσπάθεια να ανακαλύψουν τα θεμέλια του κόσμου, στοιχειώδη σωματίδια μπροστά στα οποία ο ίδιος ο πυρήνας του ατόμου φαντάζει σαν τον Ήλιο…

Πράγματι ο τίτλος σήμερα μοιάζει παραπλανητικός: ενώ το CERN ιδρύθηκε με σκοπό την μελέτη του ατομικού πυρήνα, σύντομα άλλαξε πεδίο δραστηριότητας ασχολούμενο με αυτό που ονομάζουμε φυσική μεγάλων ταχυτήτων ή στοιχειωδών σωματιδίων. Μεγάλων ταχυτήτων διότι η μελέτη των ιδιοτήτων και κυρίως των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων που συνιστούν τον υλικό μας κόσμο απαιτεί την σύγκρουση αυτών σε κολοσσιαίες ταχύτητες που φτάνουν σχεδόν το καθολικό όριο του φωτός. Για να φτάσουν σε αυτές τις ταχύτητες τα σωματίδια επιταχύνονται εκτελώντας αλλεπάλληλες στροφές σε τεράστιους κυκλικούς επιταχυντές, μέσω πανίσχυρων μαγνητικών πεδίων τα σωματίδια αποκτούν τεράστια κινητική ενέργεια, η σύγκρουση τους συμβαίνει σε κατάλληλους ανιχνευτές, όπου τα θραύσματα της κρούσης προσφέρουν εξαιρετικά στοιχεία για την δομή και τους νόμους που διέπουν τον υπερμικροσκοπικό αυτόν κόσμο.

Το CERN διαθέτει 9 τέτοιους επιταχυντές διαφόρων μεγεθών και χρήσεων, μεγαλύτερος όλων είναι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider ή LHC). Ένα τούνελ μήκους 27 χιλιομέτρων σε βάθος 175 μέτρων που διαπερνώντας 4 φορές τα γαλλοελβετικά σύνορα, αποτελεί τον ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων, την περιπλοκότερη πειραματική συσκευή και την μεγαλύτερη μηχανή που είδε ποτέ ο κόσμος. Εκεί 10,000 περίπου υπεραγώγιμοι μαγνήτες επιταχύνουν τα σωματίδια σε ταχύτητες περίπου 3.1 μέτρα ανά δευτερόλεπτο μικρότερες της ταχύτητας του φωτός, σχεδόν στο 99.999999% της μεγαλύτερης ταχύτητας που μπορεί να υπάρξει στο Σύμπαν. 96 τόνοι υπερκρίσιμου ηλίου-4 απαιτούνται ώστε οι μαγνήτες να μείνουν σε σταθερή θερμοκρασία -271.25°C, ούτε δύο βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Περίπου 10,000 επιστήμονες και μηχανικοί από σχεδόν 100 χώρες συνέβαλλαν στην κατασκευή αυτού του θαύματος. 7 ανιχνευτές έχουν τοποθετηθεί στα σημεία συνάντησης και σύγκρουσης των αδρονίων, με τον ATLAS να αποτελεί τον μεγαλύτερο και σημαντικότερο, που μαζί με τον CMS είναι επιφορτισμένοι με την αναζήτηση του σωματιδίου που είναι υπεύθυνο για την ύπαρξη της μάζας και των διαστάσεων, το περιβόητο μποζόνιο Higgs, γνωστό και σαν σωματίδιο του «Θεού».

Μόνο το 2012 6 τετράκις εκατομμύρια συγκρούσεις αδρονίων (πρωτονίων) συνέβησαν στον LHC, προσφέροντας περίπου 49 petabytes (1015 bytes) πληροφορίας ετησίως, ποσό διόλου ευκαταφρόνητο αν αναλογιστεί κανείς πως όλο το παγκόσμιο δίκτυο τηλεπικοινωνιών συνίσταται από περίπου 65,000 petabytes. Το μεγαλύτερο δίκτυο υπολογιστών στον κόσμο, αποτελούμενο από περίπου 170 πανίσχυρους υπολογιστές μέλη ενός παγκόσμιου δικτύου εξαπλωμένου σε 42 χώρες και σχεδόν 12,000 χρήστες, είναι επιφορτισμένο αποκλειστικά με την διαχείριση και την ανάλυση του τεράστιου όγκου πειραματικών δεδομένων που προκύπτουν από τις παραπάνω συγκρούσεις, ενός εκ των 9 επιταχυντών του εργαστηρίου…

Δεδομένα, δεδομένα, δεδομένα. Ο τεράστιος όγκος δεδομένων εκ των πειραματικών μετρήσεων υποχρέωσε από πολύ νωρίς το CERN να διαμοιράσει το έργο αποθήκευσης κι ανάλυσης τους σε πλήθος απομακρυσμένων μεταξύ τους κέντρων, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων σύντομα μετατράπηκε σε δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN). Το 1980 ξεκίνησε η ανάπτυξη ενός λογισμικού που με την ονομασία ENQUIRE φιλοδοξούσε να διευκολύνει την επικοινωνία 10,000 ανθρώπων που συνεργάζονταν μέσα από e-mails και αποστολή αρχείων, από τους επιστήμονες υπολογιστών του CERN Tim Berners-Lee και Robert Cailliau. Το 1991 δημιουργήθηκε η πρώτη ιστοσελίδα. Το 1993 το CERN ανακοίνωσε ότι το δίκτυο του θα ήταν ανοικτό κι ελεύθερο για όλους. Ο παγκόσμιος ιστός, το www (World Wide Web), το internet το μεγαλύτερο και πλέον επιδραστικό ίσως δημιούργημα της ανθρώπινης ιστορίας ήταν πλέον πραγματικότητα…

Ποιος είναι όμως ο ουσιαστικός σκοπός του CERN; Τι είναι αυτά τα αδρόνια; Αδρόνια καλούνται σωματίδια σύνθετα (εξ ου κι ο όρος αδρός), απαρτιζόμενα από quarks. Διαιρούνται σε βαρυόνια, από τρία quarks και σε μεσόνια από ένα quark κι ένα antiquark. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα δύο αδρόνια που απαρτίζουν τους ατομικούς πυρήνες είναι βαρυόνια, τα πιόνια εξωτικά σωματίδια που σχηματίζονται όταν οι κοσμικές ακτινοβολίες από τα βάθη του Σύμπαντος αλληλοεπιδρούν με την γήινη ατμόσφαιρα, είναι μεσόνια, ανήκουν δε στην κατηγορία των μποζονίων. Και αυτά τα quarks τι είναι; Εδώ αρχίζει η επιστήμη του CERN, στα σωματίδια που προκύπτουν από αυτές τις συγκρούσεις.

Στοιχειώδη σωματίδια καλούνται όσα σωματίδια δεν συνίστανται από άλλα μικρότερα. Ο φυσικός μας κόσμος αποτελείται από ύλη κι ενέργεια, τα διάφορα στοιχεία της ύλης αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους μέσω τεσσάρων στοιχειωδών αλληλεπιδράσεων: την βαρύτητα εφόσον έχουν μάζα, τις 1041 φορές ισχυρότερες ηλεκτρομαγνητικές αν φέρουν ηλεκτρομαγνητικά φορτία, καθώς και την ισχυρή και την ασθενή δύναμη, δυνάμεις που υφίστανται αποκλειστικά στα μικροσκοπικά όρια του πυρήνα, μεταξύ των εκεί σωματιδίων και ισχύος έως και 60 φορές μεγαλύτερης των ηλεκτρομαγνητικών. Στον μικροσκοπικό κόσμο οι μάζες είναι αμελητέα μεγέθη και η βαρύτητα μπορεί να ξεχαστεί, ένα καθιερωμένο πρότυπο έχει χτιστεί στην προσπάθεια κατανόησης των τριών παραπάνω αλληλεπιδράσεων στο στοιχειώδες τους στάδιο.

Κάθε στοιχειώδες σωματίδιο έχει μία δική του στροφορμή, το spin. Όσα έχουν spin αριθμό ακέραιο καλούνται μποζόνια, προς τιμήν του Ινδού φυσικού Bose που μαζί με τον Einstein δημιούργησαν την αντίστοιχη κατανομή. Η μία κατηγορία των μποζονίων είναι οι φορείς αλληλεπιδράσεων, τα σωματίδια που πραγματοποιούν τις 4 θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις: το φωτόνιο για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, τα μποζόνια W+/- και Z για την ασθενή δύναμη, τα 8 είδη γλοιονίων (ή γκλουονίων, εκ του γλοίο ή του glue) που σαν κόλλα κρατούν τα πρωτόνια και νετρόνια του πυρήνα μαζί, εκφράζοντας την ισχυρή δύναμη, καθώς και το υποθετικό βαρυόνιο για την βαρύτητα. Η άλλη κατηγορία είναι η κλιμακωτή, έχει μηδενικό spin και μόλις ένα μέλος: το μυστηριώδες μποζόνιο Higgs.

Με ονομασία προερχόμενη από τον μέγα νομπελίστα φυσικό Peter Higgs που προέβλεψε την ύπαρξη του, το σωματίδιο αυτό λύνει το ερώτημα του γιατί τα σωματίδια της ύλης έχουν μάζα. Η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής δύναμη αποδεδειγμένα συνιστούν στοιχεία μίας δύναμης, της ηλεκτρασθενούς, η συμμετρία που γεννάει δε απαιτεί τα σωματίδια W+/- και Z να έχουν μηδενική μάζα όπως τα φωτόνια. Οι πειραματικές όμως μετρήσεις έδειχναν τα δύο πρώτα να έχουν μάζα, με τους φυσικούς να μην έχουν ιδέα τι ήταν αυτό που συνέβαινε. Ένας μηχανισμός απαιτούνταν ώστε αυτή η συμμετρία να σπάει, το πεδίο Higgs που ο παραπάνω δημοσίευσε το ’63 είναι που με απλά λόγια σπάει την παραπάνω συμμετρία ηλεκτρομαγνητικής με ασθενούς αλληλεπίδρασης, όντας διάσπαρτο στον χωρόχρονο, προσδίδοντας έτσι μάζα στο στον υλικό μας κόσμο.

Τι συνιστά όμως την ύλη; Εκεί έρχονται τα φερμιόνια, με spin κλάσμα, με ονομασία από τον πατέρα της πυρηνικής θεωρίας Enrico Fermi, που συνέβαλε στην κατανομή Fermi-Dirac. Όσα έχουν spin ½ αλληλοεπιδρούν διά της ισχυρής αλληλεπίδρασης, είναι τα γνωστά μας quarks και antiquarks που εν ολίγοις απαρτίζουν τα πυρηνικά σωματίδια, που απαρτίζουν τον πυρήνα του ατόμου. Όσα έχουν spin πάλι ½ αλλά αλληλοεπιδρούν μέσω της ηλεκτρασθενούς δύναμης καλούνται λεπτόνια και αντιλεπτόνια, χωρίζονται δε σε τέσσερις γενιές: το ηλεκτρόνιο (e), που οι «τροχιές» του γύρω από τον πυρήνα ορίζουν το άτομο, το μιόνιο (μ), καθώς και το ταυ (τ), μαζί με τα αντίστοιχα νετρίνα τους (νe, νμ, ντ). Αυτά τα σωματίδια αποτελούν την ύλη, είτε συνηθισμένη, είτε εξωτική.

Τι προσέφερε εδώ το CERN; Πρακτικά σχεδόν όλα όσα γνωρίζουμε σήμερα: οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις, τα μποζόνια W+/- και Z, τα νετρίνα, οι συμμετρίες, τα σωματίδια αντιυδρογόνου και κυρίως ο εντοπισμός ενός μποζονίου στον ανιχνευτή ATLAS που κατά 99,99995% πιθανότητα αποτελεί το μποζόνιο Higgs. 5 βραβεία Nobel απονεμήθηκαν σε ερευνητές του CERN.

Ναι αλλά πια είναι τέλος η πρακτική χρησιμότητα των παραπάνω ερευνών, πέραν της ανθρώπινης ανάγκης για ανακάλυψη των θεμέλιων του Σύμπαντος, ακόμη και στο εσχάτως μικρό επίπεδο; Καταρχήν όλη η φυσική, η δημιουργία του Σύμπαντος και οι πρακτικές εφαρμογές που προκύπτουν από αυτήν, μπορούν να εξηγηθούν σε μία νέα πολύ πιο βελτιωμένη και στέρεη βάση. Παρόλα αυτά όμως οι δέσμες επιταχυνόμενων στοιχειωδών σωματιδίων γρήγορα βρήκαν κι άλλες πρακτικές εφαρμογές στην κοινωνία. Μέσα από επιταχυντές σωματιδίων παράγονται ιατρικά ισότοπα (όπως για παράδειγμα στο PET) με χρήσεις είτε στην διάγνωση, είτε και στην ίδια την θεραπεία, καρκινικών κυρίως, νοσημάτων.

Πέραν αυτών, η έρευνα του CERN για τους υπεραγώγιμους μαγνήτες των επιταχυντών του εκτόξευσε στα ύψη την έρευνα πάνω στα υπεραγώγιμα υλικά, με πληθώρα εφαρμογών στις ζωές μας. Το διαδίκτυο όπως προαναφέρθηκε, αλλά και η οθόνη αφής, πλήθος εφαρμογών στην ιατρική, την ασφάλεια, την βιομηχανία και τους ανιχνευτές, ακόμη και στην διαχείριση μεγάλου ανθρώπινου δυναμικού ή στο project management, προέκυψαν μέσα από τις άμεσες ή έμμεσες λειτουργίες του μεγαλύτερου ερευνητικού προγράμματος που είδε ποτέ η ανθρωπότητα…

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Αυτός ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για να μειώσει τα ανεπιθύμητα σχόλια. Μάθετε πώς υφίστανται επεξεργασία τα δεδομένα των σχολίων σας.