Η περιέργεια της ανθρώπινης φύσης για τη δημιουργία του κόσμου είναι βαθιά ριζωμένη στην ανάγκη μας να κατανοήσουμε την ύπαρξή μας και τον ρόλο μας στο Σύμπαν. Από την αυγή του πολιτισμού, αναζητούσαμε απαντήσεις σε ερωτήματα όπως: Πώς ξεκίνησαν όλα; Ποια είναι η θέση μας στον κόσμο; Τι υπάρχει πέρα από αυτό που μπορούμε να αντιληφθούμε με τις αισθήσεις μας; Η επιστημονική διερεύνηση αυτών των ερωτημάτων προκαλεί δέος και θαυμασμό, εμπνέει και κινητοποιεί την εξέλιξη της επιστήμης και της τεχνολογίας.

Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών, γνωστός με το γαλλικό ακρωνύμιο CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), στέκεται στην πρώτη γραμμή των προσπαθειών της ανθρωπότητας να αποκαλύψει μερικά από τα μυστικά του Σύμπαντος. Ιδρύθηκε το 1954 από 12 χώρες – ιδρυτικά μέλη, ανάμεσά τους και η Ελλάδα, βρίσκεται δυτικά της Γενεύης, στα σύνορα με τη Γαλλία, και αποτελεί το μεγαλύτερο σε έκταση εργαστήριο πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής στον κόσμο. Μέσα από τη χρήση προηγμένων επιταχυντών και ανιχνευτών σωματιδίων και την διεξαγωγή καινοτόμων πειραμάτων, στοχεύει στην καλύτερη κατανόηση των πιο βασικών συστατικών της ύλης, των στοιχειωδών σωματιδίων, καθώς και των νόμων που τα διέπουν.

Οι επιταχυντές σωματιδίων, όπως προδίδει και το όνομά τους, είναι διατάξεις που αξιοποιούν ηλεκτρομαγνητικά πεδία για την επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρονίων, πρωτονίων ή βαρύτερων ιόντων) σε πολύ υψηλές ενέργειες. Όταν πλέον τα σωματίδια αναπτύξουν τις κατάλληλες ταχύτητες, συγκρούονται μεταξύ τους και μελετώνται τα αποτελέσματα αυτών των συγκρούσεων.

Στο CERN, έχει κατασκευαστεί και λειτουργεί, από το 2008, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων ή LHC (Large Hadron Collider), ο οποίος αποτελεί το μεγαλύτερο και πιο ισχυρό επιστημονικό όργανο που έχει φτιάξει ο άνθρωπος. Τα πειράματα δε, που διεξάγονται, με τον κολοσσιαίων διαστάσεων επιταχυντή σωματιδίων, είναι τα πιο ακραία που έχει σχεδιάσει και εκτελέσει ποτέ ο ανθρώπινος νους. Φανταστείτε ότι οι δέσμες σωματιδίων, προτού συγκρουστούν μεταξύ τους και προκειμένου να μελετηθούν τα αποτελέσματα αυτών των αλληλεπιδράσεων-συγκρούσεων, κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες, περιστρέφονται αμέτρητες φορές μέσα στον 27 χιλιομέτρων υπόγειο επιταχυντή, με αποτέλεσμα να επιταχύνονται στην εξωφρενική ταχύτητα που αγγίζει το 99.9999991% της ταχύτητας του φωτός. Το πιο ακραίο γεγονός είναι πως όταν οι δέσμες συγκρούονται, αναπαράγονται συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν, ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Το μεγαλειώδες όμως είναι πως ο επιταχυντής LHC και οι ανιχνευτές του είναι το προϊόν της συνεργασίας χιλιάδων επιστημόνων, μηχανικών και τεχνικών από κάθε άκρη του κόσμου, με έναν κοινό σκοπό, την εξέλιξη της επιστημονικής γνώσης γύρω από τη δημιουργία και την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Όπως όλα τα πειράματα, έτσι και αυτό έχει ως σκοπό να ελέγξει υποθέσεις και θεωρητικές προβλέψεις της φυσικής και πιο συγκεκριμένα του καθιερωμένου μοντέλου/προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Το καθιερωμένο πρότυπο είναι η θεωρία που περιγράφει τα δομικά συστατικά της ύλης και τις μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Το μοντέλο αυτό αποτελεί μια πολύ καλά θεμελιωμένη θεωρία, η οποία έχει προβλέψει πολλά πειραματικά αποτελέσματα, όπως την ύπαρξη πολλών σωματιδίων, και έχει αντέξει σε πολλούς πειραματικούς ελέγχους. Μάλιστα, η τελευταία μεγάλη πρόβλεψη του καθιερωμένου προτύπου, η οποία επιβεβαιώθηκε πειραματικά, είναι η ύπαρξη του σωματιδίου Higgs, που έγινε στις 4 Ιουλίου του 2012, στα πειράματα ATLAS και CMS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN. Το μποζόνιο Higgs προβλέφθηκε θεωρητικά από τους Peter Higgs, François Englert και Robert Brout το 1964, και αποτελεί το στοιχειώδες σωμάτιο που προκύπτει ως κβαντική διακύμανση του ομώνυμου πεδίου και προσδίδει την ιδιότητα της μάζας στα στοιχειώδη σωμάτια με τα οποία αλληλεπιδρά.

Για να καταφέρει το CERN να φθάσει σε αυτό το επίπεδο θεωρητικής και τεχνολογικής εξέλιξης, έπρεπε να περάσουν περισσότερα από 50 χρόνια μελετών, και να πραγματοποιηθεί η κατασκευή και ο πειραματισμός με μικρότερους επιταχυντές, όπως ο Proton Synchrotron, που ξεκίνησε την λειτουργία του το 1959. Το 2024, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικών Ερευνών, CERN, συμπληρώνει τα 70 του χρόνια και στο ενεργητικό του έχει να επιδείξει εκατοντάδες πειράματα, από τα οποία προέκυψαν σημαντικές ανακαλύψεις και χιλιάδες επιστημονικές δημοσιεύσεις, που συνέβαλαν στην επιστημονική και τεχνολογική εξέλιξη της ανθρωπότητας.

Μερικά από τα πιο σημαντικά επιτεύγματα του CERN, είναι τα ακόλουθα:

  1. Η ανακάλυψη τριών νέων σωματιδίων, των μποζονίων και Z, που έγινε το 1983, από τους Carlo Rubbia και Simon Van der Meer, με τον επιταχυντή Super Proton Synchrotron, για την οποία τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1984. Η ανακάλυψη αυτή ήταν μεγαλειώδους σημασίας, καθώς αποτέλεσε την πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας που ενοποιούσε την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή πυρηνική δύναμη σε μία ενιαία δύναμη που καλείται ηλεκτρασθενής και προτάθηκε θεωρητικά τη δεκαετία του 1960 από τους  Sheldon Glashow, Steven Weinberg, και Abdus Salam. Τα μποζόνια  και Z αποτελούν τα σωματίδια-φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, δηλαδή του μηχανισμού αλληλεπίδρασης μεταξύ υποατομικών σωματιδίων, που είναι υπεύθυνος για κάποιες μορφές ραδιενεργών διασπάσεων όπως η διάσπαση βήτα, και η διάσπαση ασταθών σωματιδίων σε άλλα σωμάτια, όπως των πιονίων σε μιόνια, των μιονίων σε ηλεκτρόνια κ.ά. Η ασθενής αλληλεπίδραση παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλά φαινόμενα όπως για παράδειγμα στην πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου προς ήλιο, που συμβαίνει στο εσωτερικό των άστρων.
  2. Η ανακάλυψη και ο πειραματισμός με μια νέα κατάσταση της ύλης, του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων (QGP – Quark Gluon Plasma), το οποίο αποτελεί το θερμότερο και πιο πυκνό υλικό που έχει μελετηθεί ποτέ σε εργαστήριο. Η εν λόγω ανακάλυψη είναι εξαιρετικά σημαντική, καθώς οι θεωρίες μας προβλέπουν πως το Σύμπαν, ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, βρισκόταν σε αυτή την κατάσταση του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων. Έτσι, είμαστε σε θέση να μελετάμε στο εργαστήριο τις συνθήκες που επικρατούσαν στο βρεφικό Σύμπαν λίγο μετά τη γέννησή του.
  3. Το CERN είναι πλέον πρωτοπόρο και στην έρευνα της αντιύλης. Το 1928, ο Paul Dirac προέβλεψε την ύπαρξη ενός σωματιδίου με ιδιότητες ακριβώς ίδιες με αυτές του ηλεκτρονίου, αλλά με αντίθετο φορτίο. Το σωματίδιο αυτό ανακαλύφθηκε στην κοσμική ακτινοβολία το 1932 από τον Carl Anderson, ονομάστηκε ποζιτρόνιο ή αντιηλεκτρόνιο και αποτελεί το πρώτο σωματίδιο αντιύλης που βρέθηκε ποτέ. Στη συνέχεια, οι θεωρητικοί φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι για κάθε σωματίδιο υπάρχει ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο. Όταν ένα σωματίδιο συναντηθεί με το αντισωματίδιό του, τότε τα δύο σωματίδια μπορούν να εξαϋλωθούν, δηλαδή να εξαφανιστούν και η ολική τους ενέργεια να εκφραστεί με άλλες μορφές. Στην περίπτωση που το ηλεκτρόνιο εξαϋλώνεται με το ποζιτρόνιο, η ενέργεια αυτή εμφανίζεται με τη μορφή δύο φωτονίων ακτίνων γ. Το 1955 στο CERN δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά άτομα αντιυδρογόνου, ενώ το 2011 επιτεύχθηκε η διατήρηση ατόμων αντιυδρογόνου για περισσότερα από 15 λεπτά. Η έρευνα στο πεδίο της αντιύλης είναι πολύ σημαντική για τη βαθύτερη κατανόηση της εξέλιξης του Σύμπαντος, μετά τη γέννησή του κατά την Μεγάλη Έκρηξη.
  4. Η πειραματική επιβεβαίωση του μηχανισμού Higgs και η ανακάλυψη του ομώνυμου σωματιδίου. Το 1964 τρεις θεωρητικοί φυσικοί, οι Peter Higgs, François Englert και Robert Brout, πρότειναν έναν μηχανισμό (ΒΕΗ: Brout-Englert-Higgs), στα πλαίσια του καθιερωμένου προτύπου, ο οποίος ερμηνεύει πώς κάποια στοιχειώδη σωμάτια όπως τα μποζόνια W και Ζ, το ηλεκτρόνιο κ.ά. αποκτούν την ιδιότητα της μάζας. Η πειραματική επιβεβαίωση μας ήρθε μέσα από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, LHC του CERN και χάρισε στους Higgs και Englert το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.

Αν όλα αυτά σας φαίνονται πολύ τεχνικά, έχετε δίκιο! Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν μας αφορούν, καθώς πειράματα που έχουν γίνει κατά το παρελθόν με επιταχυντές και ανιχνευτές σωματιδίων είχαν και έχουν επιπτώσεις στην καθημερινή μας ζωή. Η ιστορία έχει δείξει ότι, κάθε φορά που οι επιστήμονες πιέζουν την επιστήμη και την τεχνολογία στα άκρα, προκειμένου να απαντήσουν συγκεκριμένα ερωτήματα, προκύπτουν ανακαλύψεις και τεχνολογικές εφαρμογές που ούτε καν τις φαντάζονταν. Καθώς οι εφαρμογές των επιταχυντών και των ανιχνευτών σωματιδίων στα διάφορα πεδία της ανθρώπινης δραστηριότητας είναι αμέτρητες για να αναφερθούν σε ένα άρθρο, θα περιοριστούμε στο πεδίο της ιατρικής. Η ακτινογραφία, η αξονική (CT), η μαγνητική (MRI), η ποζιτρονική (PET) τομογραφία και το σπινθηρογράφημα, αποτελούν μερικές από τις πιο κρίσιμες και πιο σημαντικές διαγνωστικές εξετάσεις που έχει στα χέρια της η ιατρική κοινότητα και έχουν προκύψει μέσα από την έρευνα με επιταχυντές και ανιχνευτές σωματιδίων. Η ραδιοθεραπεία και η ακτινοθεραπεία, που χρησιμοποιούνται στην αντιμετώπιση μορφών καρκίνου, γίνεται επίσης με τη χρήση επιταχυντών σωματιδίων. Εκεί έχουμε την παραγωγή και την επιτάχυνση δέσμης φωτονίων υψηλής ενέργειας ή δέσμης ηλεκτρονίων, πρωτονίων ή νετρονίων, μέσα σε επιταχυντές, και τη στόχευση των όγκων με αυτές τις δέσμες. Ο τομέας της βιοϊατρικής χρησιμοποιεί δέσμες φωτός που παράγονται σε επιταχυντές για την αποκωδικοποίηση της δομής των πρωτεϊνών, η οποία αποτελεί κλειδί στην κατανόηση των βιολογικών διαδικασιών και την αντιμετώπιση ασθενειών. Άλλες εφαρμογές που συναντάμε στην καθημερινότητά μας είναι η αποστείρωση συσκευασιών τροφίμων, η οποία γίνεται με χρήση δέσμης ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας. Το διαδίκτυο, που έχει κατακλύσει τις ζωές μας, είναι ένα εργαλείο που έφτιαξαν οι πυρηνικοί και σωματιδιακοί φυσικοί προκειμένου να μοιράζονται μεταξύ τους, γρήγορα και αποτελεσματικά, μεγάλους όγκους δεδομένων, που προέκυπταν από τα πειράματά τους με επιταχυντές σωματιδίων.

Μία εφαρμογή των επιταχυντών και της έρευνας στη σωματιδιακή φυσική, που πιθανότατα κανείς να μην φανταζόταν, συναντάμε στον τομέα της αρχαιολογίας. Πέραν της γνωστής χρονολόγησης με ραδιενεργό άνθρακα, έχουμε και την αποκάλυψη κειμένων πάνω σε παπύρους, τα οποία έχουν σβηστεί. Πριν από δύο δεκαετίες, αρχαιολόγοι, με τη βοήθεια ενός επιταχυντή σωματιδίων, κατάφεραν να διαβάσουν έναν αρχαίο πάπυρο, με αποσπάσματα από έργα του Αρχιμήδη, τα οποία είχαν σβηστεί και επάνω τους είχαν γραφτεί νεότερα κείμενα. Προκειμένου να διαβάσουν το σβησμένο κείμενο, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τον γραμμικό επιταχυντή του Πανεπιστημίου του Stanford, ο οποίος εκπέμπει ακτίνες Χ που παράγονται από την επιτάχυνση ηλεκτρονίων σε πολύ υψηλές ενέργειες. Οι ακτίνες Χ κάνουν τον σίδηρο που περιείχε το σβησμένο μελάνι να φθορίζει, αποκαλύπτοντας έτσι τα σβησμένα κείμενα του Αρχιμήδη.

Οι εφαρμογές λοιπόν είναι πάρα πολλές και θα συνεχίσουν να αυξάνονται, καθώς επιστήμονες, μηχανικοί και τεχνικοί που εργάζονται με επιταχυντές και ανιχνευτές σωματιδίων, μεταβιβάζουν τις γνώσεις τους και την εμπειρία τους σε άλλους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Όσο για τον μεγάλο επιταχυντή του CERN, θα συνεχίσει τα πειράματά του, διευρύνοντας και άλλο τα όρια της επιστημονικής μας γνώσης. Το σίγουρο είναι πως το μέλλον μας επιφυλάσσει επιστημονικές και τεχνολογικές εκπλήξεις, για τις οποίες απαιτείται σωφροσύνη, ώστε αυτές να χρησιμοποιηθούν μόνο προς όφελος της ανθρωπότητας.

 

Βιβλιογραφία

Gianotti, F., & Virdee, T. S. (2015). The discovery and measurements of a Higgs boson. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 373(2032), 20140384.

Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2013). Φυσική, Τόμος Β΄. Εκδόσεις Gutenberg.

Riti, F., Gadow, P., Walter, D., Diaz, M. V., Latacz, B. M., Dello Stritto, L., & Bokan, P. (2024). A history of CERN in seven physics milestones. Nature Reviews Physics, 1-5. 

https://scitechdaily.com/matter-vs-antimatter-new-cern-experiment-challenges-conventional-physics/

https://www.livescience.com/48052-cern-anniversary-big-discoveries.html 

https://www.epa.gov/radtown/particle-accelerators-and-radiation-research

 

ιε