Ενα πείραμα στην πρώτη γραμμή των ανακαλύψεων

 

ATLAS

 

Κατά τα τελευταία 30 χρόνια, τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, καθώς και η παράλληλη θεωρητική επεξεργασία, μας βοήθησαν να κατανοήσουμε τους βασικούς δομικούς λίθους που αποτελούν την ύλη και όλες τις δυνάμεις που δρουν ανάμεσά τους. Η θεωρία που προέκυψε από την έρευνα αυτή, γνωστή ως ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ (STANDARD MODEL), αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα του ανθρώπινου νου στον 20^ο αιώνα .

Τα πειράματα που διεξάγονται αυτή τη στιγμή στα κέντρα ερευνών, και ειδικότερα στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων, CERN,  με τον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουομένων Δεσμών Ηλεκτρονίων Ποζιτρονίων (Large Electron Positron collider, LEP), δίνουν αποτελέσματα σε πολύ καλή συμφωνία με το Καθιερωμένο Πρότυπο, μέσω μιας μεγάλης ποικιλίας μετρήσεων υψηλής ακρίβειας. Παρόλα αυτά, πολλά ερωτήματα που αφορούν τα στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους παραμένουν αναπάντητα. Το πείραμα ATLAS στο Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC), θα αρχίσει να μελετά αυτά τα ερωτήματα από το 2005, μ' έναν ανιχνευτή μεγέθους ενός πενταόροφου κτιρίου, ο οποίος θα μπορεί να μετρά ίχνη σωματιδίων με ακρίβεια  0,01 του χιλιοστού. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι το πλέον εσωτερικό τμήμα του ανιχνευτή θα περιέχει περίπου 10 000 000 000 τρανζίστορ, περίπου όσοι είναι και οι αστέρες στο γαλαξία μας! Oι απαιτήσεις των επιστημονικών στόχων του ανιχνευτή ATLAS προϋποθέτουν την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών οι οποίες θα βρουν αργότερα εφαρμογή σε πολλούς τομείς της καθημερινής μας ζωής, διότι παράλληλα με την εξήγηση των ερωτημάτων που θέτει η φύση, θα εκπαιδευθούν φοιτητές οι οποίοι, με τη σειρά τους, θα χρησιμοποιήσουν τις γνώσεις αυτές σε διάφορους τομείς των θετικών επιστημών, την ιατρική, τη βιομηχανία, την πολιτική οικονομία και τη δημοσιογραφία.

Ο ανιχνευτής ATLAS σχεδιάστηκε, κατασκευάζεται και θα χρησιμοποιηθεί από μια πολυεθνική ομάδα επιστημόνων. Οι 1700 φυσικοί από 150 πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα, προέρχονται από 17 χώρες μέλη του CERN και από άλλες 19 χώρες μη μέλη. Τα δεδομένα που θα συγκεντρωθούν από το ATLAS θα αποτελέσουν το βασικό κορμό ενός μεγάλου αριθμού επιμέρους ερευνητικών θεμάτων και τα μέλη της ομάδας του ATLAS θα έχουν πρόσβαση σ’ αυτά, δουλεύοντας σε μικρές ομάδες, στα ιδρύματτα της πατρίδας τους.
 

ΤΟ ΜΥΣΤΗΡΙΟ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ

Οι επιστήμονες του ATLAS θα προσπαθήσουν να εξηγήσουν τη δημιουργία της μάζας των κουάρκ και των λεπτονίων. Τα κουάρκ είναι τα βασικά συστατικά των πρωτονίων και νετρονίων που αποτελούν τον πυρήνα του ατόμου, ενώ τα λεπτόνια είναι η δεύτερη βασική ομάδα των στοιχειωδών σωματιδίων, που περιλαμβάνει μεταξύ άλλων και το ηλεκτρόνιο.

Ενα αντίστοιχο πρόβλημα αφορά τις μάζες των φορέων των δυνάμεων όπως π.χ. το φωτόνιο στη περίπτωση του ηλεκτρομαγνητισμού. Σήμερα γνωρίζουμε ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός και ορισμένα είδη ραδιενέργειας είναι διαφορετικές μορφές της ίδιας θεμελιώδους δύναμης, της ηλεκτρασθενούς. Ομως, τα σωματίδια που μεταφέρουν τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις (τα φωτόνια) δεν έχουν μάζα, ενώ τα σωματίδια που συνδέονται με τη ραδιενέργεια (τα Ζ και W μποζόνια) έχουν πολύ μεγάλες μάζες, συγκρινόμενες μάλιστα με αυτές του ατόμου του αργύρου! Το Καθιερωμένο Πρότυπο εξηγεί το προηγούμενο φαινόμενο με την εισαγωγή του σωματιδίου higgs που είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία μάζας. Ετσι τα φωτόνια δεν έχουν μάζα γιατί δεν αλληλεπιδρούν με το σωματίδιο higgs, ενώ αντίθετα τα μποζόνια W και Z αλληλεπιδρούν και γι’ αυτό αποκτούν τόσο μεγάλη μάζα. Αν δεχτούμε αυτόν τον τρόπο κατανόησης των μάζων των W και Z, οδηγούμαστε στη πρόβλεψη ύπαρξης του μποζονίου higgs. Αν όντως υπάρχει τότε θα είναι ανιχνεύσιμο στο Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (LHC).
 

Ενα γεγονός προσομείωσης όπου δημιουργείται ένα μποζόνιο higgs μαζί με άλλα σωματίδια. Η ανακατασκευή του γεγονότος (μέσω υπολογιστή , όπου φαίνεται ο ανιχνευτής ATLAS σε κάθετη τομή) δείχνει μόνο τα σωματίδια με μεγάλη ενέργεια. Το μποζόνιο higgs είναι ασταθές και διασπάται αμέσως σε δυο ζεύγη σωματιδίων - αντισωματιδίων: ηλεκτρόνια (κόκκινα) και μιόνια (καφέ). Ο ανιχνευτής αναγνωρίζει και μετρά αυτά τα θυγατρικά σωματίδια, και από αυτές τις μετρήσεις εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με τις ιδιότητες του πατρικού higgs. Τα τμήματα του ανιχνευτή είναι τα ίδια με αυτά  που φαίνονται στις επόμενες σελίδες, αλλά δεν είναι υπό κλίμακα.

 

O κύριος σκοπός του πειράματος ATLAS είναι η ανακάλυψη του μποζονίου higgs και η διερεύνηση των ιδιοτήτων του.

Η επιθυμία μια τέτοιας διερεύνησης πηγάζει από το γεγονός ότι όχι μόνο οι φορείς των δυνάμεων, όπως τα σωματίδια W και Ζ, αλληλεπιδρούν με το σωματίδιο higgs, αλλά πιστεύεται ότι και οι βασικοί λίθοι της ύλης, τα κουάρκ και τα λεπτόνια,  αποκτούν τη μάζα τους μέσω της αλληλεπίδρασης με αυτό το σωματίδιο. Ακόμα και στη περίπτωση που το πεδίο higgs δεν είναι η τελική απάντηση στο πρόβλημα της δημιουργίας της μάζας, το πείραμα ATLAS θα μας οδηγήσει στη σωστή απάντηση.

ΠΕΡΑ ΑΠΟ ΤΙΣ ΓΝΩΣΤΕΣ ΘΕΩΡΙΕΣ

Πολλά από τα ερωτήματα στα οποία δεν απαντά το Καθιερωμένο Πρότυπο αποτελούν επιπλέον στόχους του πειράματος ATLAS.  Για παράδειγμα, παρόλο που το άνω κουάρκ, το κάτω κουάρκ και το ηλεκτρόνιο είναι οι βασικοί δομικοί λίθοι της γνωστής σε μας (ευσταθούς) ύλης, στα πειράματα με συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας βρέθηκαν δύο αντίγραφα των βασικών δομικών λίθων με μεγαλύτερη μάζα (βλ. σχήμα οικογένια ΙΙ και ΙΙΙ). Τα αντίγραφα αυτά δεν συμμετέχουν στη δημιουργία της γνωστής σε μας ύλης γιατί είναι ασταθή και διασπώνται.  Στο ερώτημα γιατί η φύση διάλεξε 3 οικογένειες (αντί 2 ή περισσότερες), το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μπορεί να μας δώσει απάντηση. Μερικοί φυσικοί εικάζουν ότι η απάντηση θα βρεθεί αν υποθέσουμε ότι τα κουάρκ και τα λεπτόνια έχουν και αυτά εσωτερική δομή, δηλαδή δεν είναι στοιχειώδη, αλλά, με τη σειρά τους, αποτελούνται από άλλα σωματίδια που δεν έχουν ακόμα ανακαλυφθεί. Οι ενέργειες που θα αναπτύξει ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων είναι οι μόνες ικανές να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν τέτοιες θεωρίες.

Ενα σύνολο θεωριών, πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, έχει προταθεί  με σκοπό την κατανόηση των αναπάντητων ακόμα ερωτημάτων.

Μία από τις υποψήφιες θεωρίες είναι η Υπερσυμμετρία (Supersymmetry). Βασική συνέπεια της υπερσυμμετρίας είναι η εμφάνιση "αδελφών" σωματιδίων για κάθε υπάρχον σωματίδιο, με διαφορετικές αλλά παρεμφερείς ιδιότητες. Ετσι για κάθε κουάρκ θα υπάρχει ένα άλλο σωματίδιο, το υπερσυμμετρικό κουάρκ (s-quark), ίσου φορτίου αλλά διαφορετικής μάζας, και για κάθε λεπτόνιο το αντίστοιχο υπερσυμμετρικό λεπτόνιο (s-lepton). Οι φορείς των δυνάμεων, όπως τα φωτόνια και τα W και Ζ, θα έχουν επίσης "αδελφά" σωματίδια, το δε μποζόνιο higgs θα συμπληρωθεί από τουλάχιστον άλλα τέσσερα σωματίδια.

Τα παραπάνω είναι απλά προβλέψεις της θεωρίας και δεν έχουν ακόμα επιβεβαιωθεί, πιθανόν γιατί οι μάζες τους είναι τόσο μεγάλες που οι σημερινοί επιταχυντές δεν μπορούν να τα παράγουν. Ομως, το σημαντικό σημείο της θεωρίας είναι ότι οι ενέργειες αυτές θα μπορούν να προσεγγιστούν στον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων. Ο ανιχνευτής ATLAS είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να είναι ικανός να ανακαλύψει τα νέα σωματίδια και τα φαινόμενα που αναμένονται από τις επεκτάσεις του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως είναι το Υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Πρότυπο.
 
 

Ο ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ

Ο ATLAS είναι ένας ανιχνευτής που σκοπό έχει να εκμεταλλευτεί όλο το δυναμικό της φυσικής που χρησιμοποιήθηκε για τον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων. Θα προσδιορίσει τις ενέργειες, τις διευθύνσεις καθώς και την ταυτότητα των σωματιδίων που θα παραχθούν από τις συγκρούσεις των δύο δεσμών πρωτονίων. Αναμένονται γύρω στο 1 000 000 000 συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτο και ο ρυθμός μεταφοράς των δεδομένων θα είναι ισοδύναμος με 20 τηλεφωνικές συνδιαλέξεις όλων των κατοίκων της Γης ταυτόχρονα. Oι υπολογιστές του ATLAS θα επεξεργάζονται τις πληροφορίες των αποτελεσμάτων αρκετά γρήγορα ώστε να επιλέξουν μία από τις 10 000 000 συγκρούσεις που θα μπορεί να υποδηλώνει νέα φαινόμενα, και τελικά θα καταγράψουν μόνο τις επιλεγμένες αυτές συγκρούσεις σε σκληρούς δίσκους ή ταινίες. Ο ανιχνευτής αποτελείται από τρία κύρια μέρη:
 
 

τον εσωτερικό ανιχνευτή (κίτρινη περιοχή στο κέντρο): μετρά την ορμή κάθε φορτισμένου σωματιδίου.  το καλορίμετρο (πράσινη και πορτοκαλί περιοχή): μετρά τις ενέργειες των σωματιδίων.  το φασματόμετρο μιονίων (μπλέ περιοχή): αναγνωρίζει μιόνια και μετρά τις ορμές τους.

Ο ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ
 

Ο εσωτερικός ανιχνευτής μετρά τις τροχιές των φορτισμένων σωματιδίων. Ο πλέον εσωτερικός ανιχνευτής αποτελείται από ημιαγωγικές διατάξεις, που παρέχουν ακρίβεια μέτρησης 0,01mm, και εκατοντάδες σωληνάκια γεμισμένα με αέριο. Το κάθε σωληνάκι διαθέτει ένα λεπτό σύρμα κατά μήκος του άξονα του. Εφαρμόζοντας υψηλή τάση μεταξύ του σύρματος και του τοιχώματος, τα σωματίδια που θα διέλθουν από το σωλήνα επάγουν ηλεκτρικούς παλμούς οι οποίοι καταγράφονται. Οι αισθητήρες τοποθετούνται σε ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, (που δημιουργείται από ένα κυλινδρικό υπεραγώγιμο πηνίο) το οποίο καμπυλώνει τις τροχιές των σωματιδίων. Μετρώντας τις παραμέτρους τις τροχιάς, μπορούμε να βρούμε την ορμή, τη διεύθυνση και το πρόσημο του φορτίου του σωματιδίου.

ΤΟ ΚΑΛΟΡΙΜΕΤΡΟ
 

Το καλορίμετρο μετρά τις ενέργειες των φορτισμένων και των ουδέτερων σωματιδίων. Αποτελείται από μια συστοιχία μεταλλικών πλακών (απορροφητές) και από ευαίσθητες περιοχές (αισθητήρια στοιχεία). Οι αλληλεπιδράσεις στον απορροφητή μετατρέπουν την προσπίπτουσα ενέργεια του σωματιδίου σε ένα πίδακα από σωματίδια που ανιχνεύονται από τους αισθητήρες. Στα εσωτερικά μέρη του καλορίμετρου το αισθητήριο στοιχείο είναι υγρό αργόν. Οι πίδακες των σωματιδίων  απελευθερώνουν στο υγρό αργόν ηλεκτρόνια τα οποία συλλέγονται και καταγράφονται. Στα εξωτερικά μέρη, οι ανιχνευτές περιέχουν φύλλα πλαστικού σπινθηριστή. Οταν οι πίδακες των σωματιδίουν προσπίπτουν σ'αυτά, αναγκάζουν το πλαστικό να εκπέμψει φως που συλλέγεται με τη σειρά του και καταγράφεται.

ΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΟ ΜΙΟΝΙΩΝ
 

Τα μιόνια είναι σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, μόνο που είναι 200 περίπου φορές βαρύτερα. Τα μιόνια είναι τα μόνα ανιχνεύσιμα σωματίδια που μπορούν να περάσουν τα καλορίμετρα χωρίς να επιβραδυνθούν. Το φασματόμετρο μιονίων περιβάλλει το καλορίμετρο και μετρά την ορμή τους με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Αποτελείται από χιλιάδες ανιχνευτές φορτισμένων σωματιδίων που είναι τοποθετημένοι σε ένα μαγνητικό πεδίο το οποίο παράγεται από μεγάλους υπεραγώγιμους τοροειδείς μαγνήτες. Οι ανιχνευτές είναι παρόμοιοι με τους σωλήνες του εσωτερικού ανιχνευτή, μόνο που η διάμετρος του σωλήνα είναι αυτή τη φορά πολύ μεγαλύτερη.

Επιπλέον πληροφορίες για το πείραμα ATLAS μπορείτε να βρείτε στις ηλεκτρονικές διευθύνσεις:
http://atlasinfo.cern.ch/Atlas/Welcome.html ή http://pdg.lbl.gov/atlas