Ηταν το 1964, αμέσως μετά από ένα Σαββατοκύριακο πεζοπορίας στα υψίπεδα των Cairngorms, όταν ο καθηγητής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου Πίτερ Χιγκς επέστρεψε στο εργαστήριό του με μια θριαμβευτική λάμψη στο βλέμμα. Είπε στους συναδέλφους του ότι είχε μόλις «βιώσει τη μοναδική και μεγάλη ιδέα» και ότι είχε πλέον την απάντηση για το πώς η ύλη του Σύμπαντος είχε αποκτήσει τη μάζα της. Μια τέτοια δήλωση, στη γλώσσα των φυσικών, δεν απείχε πολύ από την… αφήγηση του Αβραάμ για τη συνάντησή του με τη φλεγόμενη βάτο. Διόλου παράξενο το ότι το καταλυτικό για τη Δημιουργία σωματίδιο του Χιγκς ονομάστηκε έκτοτε «σωματίδιο του Θεού». Αλλά ο Χιγκς δεν γνώρισε ποτέ τη δόξα του Αβραάμ – ούτε, έστω, ένα βραβείο Νομπέλ: το σωματίδιό του δεν ανιχνεύθηκε ποτέ, άρα επιστημονικώς παρέμεινε αναπόδεικτο.
Η αναπαράσταση του «Big Bang»
Σήμερα, 44 χρόνια μετά, ένα κολοσσιαίο έργο έχει ολοκληρωθεί για την επαλήθευση του οράματος του Χιγκς στα 100 μέτρα βάθος κάτω από το Meyrin της Ελβετίας. Πρόκειται για τον νέο γραμμικό επιταχυντή αδρονιακών σωματιδίων (LHC) του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών (CERN). Ούτε λίγο ούτε πολύ, στα 27 χιλιόμετρα ενός δακτυλιοειδούς τούνελ που περνά κάτω από τη Γενεύη, μπαίνει στη Γαλλία και επιστρέφει, έχουν συσσωρευθεί ατελείωτα χιλιόμετρα καλωδίων, μαγνήτες μεγέθους οκταώροφων πολυκατοικιών και σιδηροκατασκευές αντίστοιχες σε όγκο με εκείνες του Πύργου του Αϊφελ! Ολα αυτά συνταιριάζονται με πολύπλοκα ηλεκτρονικά συστήματα και υπολογιστές για να ετοιμάσουν ένα πρωτόγνωρο «πεδίο βολής». Ενα μπιλιάρδο στοιχειωδών σωματιδίων που – επιταχυνόμενα στον δακτύλιο με ασύλληπτες ταχύτητες – θα μας δώσουν την πρώτη «αναπαράσταση υπό κλίμακα» της γενεσιουργού Μεγάλης Εκρηξης του κόσμου μας, του «Big Bang».
Η όλη κατασκευή διήρκεσε 13 χρόνια για να στηθεί, με κόστος περίπου 1,9 δισ. ευρώ. Το εναρκτήριο λάκτισμα για αυτή την «πανευρωπαϊκή αποκοττιά» έδωσε η απόφαση του αμερικανικού Κογκρέσου, το 1993, να ακυρώσει την κατασκευή του δικού του νέου υπερεπιταχυντή στο Τέξας ονόματι Superconducting Supercollider. Το μόνο εν ενεργεία πεδίο δοκιμών που απέμενε για τους φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων ήταν πλέον το ισχύος ενός τρισεκατομμυρίου βολτ (1 TeV) Tevatron στο Ινστιτούτο Fermi του Σικάγου. Και αυτό όμως έμελλε να κλείσει το 2010. Σε μια εποχή όπου η διαμάχη για τη θεωρία των πάντων κορυφωνόταν – μια θεωρία της φυσικής που να εξηγεί τα πάντα, από τον κβαντικό κόσμο των σωματιδίων ως τον μεγάκοσμο των γαλαξιών -, ποιος θα έδινε στους φυσικούς χώρο και εργαλεία για το μεγαλύτερο πείραμα που είχαν ποτέ ονειρευτεί; Η Ευρωπαϊκή Ενωση, μέσω του CERN, αποφάσισε να πάρει τη σκυτάλη, με τον μύχιο πόθο να επαναφέρει την πρωτοπορία της έρευνας στην εδώ όχθη του Ατλαντικού.
Οι κυνηγοί των μποσονίων
Ιδρυμένο το 1954, το CERN είναι σαφέστατα περιώνυμο μεταξύ των επιστημόνων των 20 χωρών που αποτελούν μέλη του αλλά, όπως δήλωσε και ο γενικός διευθυντής του Ρομπέρ Αϊμάρ, έγινε ευρύτερα γνωστό μόνο χάρη στην εκεί ανακάλυψη του παγκοσμίου ιστού του Διαδικτύου (www) και στην ένταξή του στο σενάριο συνωμοσίας του βιβλίου Illuminati (Angels and Demons στα αγγλικά) του συγγραφέα του Κώδικα Ντα Βίντσι Νταν Μπράουν. Ωστόσο εκεί είχε συμβεί μια άλλη πολύ σημαντική ανακάλυψη, αυτή των μποσονίων W και Ζ, που χάρισε στους Carlo Rubbia και Simon van der Meer το βραβείο Νομπέλ Φυσικής.
Τα μποσόνια είναι ενεργειακές μονάδες (κβάντα) που διοχετεύουν δυνάμεις όταν συγκρούονται με σωματίδια ύλης. Σε αντάλλαγμα τα μποσόνια αποκομίζουν από την αλληλεπίδραση αυτή μάζα. Τα συγκεκριμένα μποσόνια W και Ζ μοιάζουν πολύ με τα φωτόνια που μεταδίδουν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, το γνωστό μας φως. Αν και τα φωτόνια μπορούν να αποκτήσουν μάζα μέσα από τις προσκρούσεις τους με σωματίδια ύλης, τότε δικαιώνεται η θεωρία ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ασθενής δύναμη είναι δύο διαφορετικές εκδηλώσεις της ίδιας δύναμης που λέγεται «ηλεκτρασθενής». Αλλά αυτή η θεωρία είχε βασιστεί στα λεγόμενα του Χιγκς! Μήπως όντως τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης γεννήθηκαν κατά τη Μεγάλη Εκρηξη ως κβάντα χωρίς μάζα και την απέκτησαν μέσω συνεχών αλληλεπιδράσεων ενόσω το Σύμπαν ψυχόταν; Ακόμη περισσότερο, αυτή η δράση «μποσονίων Χιγκς» έχει προταθεί ως η πηγή της διαστολής του Σύμπαντος και ως η εξήγηση της «σκοτεινής ενέργειας» που την επιταχύνει υπερνικώντας την ελκτική δύναμη της βαρύτητας.
Για να κάνουμε πάντως την ιστορία μικρή, η ανακάλυψη αυτών των μποσονίων ήταν που οδήγησε στην κατασκευή του πρώτου γραμμικού επιταχυντή στο CERN, του Large Electron-Positron collider (LEP). Επειτα ήλθε η κατάρρευση του σχεδίου των Αμερικανών για τον Supercollider και η εκ μέρους τους συνδρομή – με 531 εκατ. δολάρια – για την κατασκευή του LHC. Αλλά το εγχείρημα ήταν δύσκολο: για να χτίσουν ένα υπερεπιταχυντή στο προϋπάρχον τούνελ των 27 χιλιομέτρων – ενώ οι Αμερικανοί είχαν σχεδιάσει τούνελ 87 χιλιομέτρων – χρειάστηκε να ρισκάρουν με τη χρησιμοποίηση μαγνητών διπλάσιας ισχύος. Το ζητούμενο ήταν η ανάπτυξη όσο το δυνατόν μεγαλύτερης ισχύος για την επιτάχυνση των σωματιδίων. Αλλά γιατί χρειάζεται κάτι τέτοιο;
Η όλη δίψα για ισχύ έχει να κάνει με την ίδια τη φύση των στοιχειωδών σωματιδίων: η μάζα τους μετριέται με ηλεκτρονιοβόλτ. Το ηλεκτρόνιο ζυγίζει μισό εκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ. Θεωρητικά, αν το σωματίδιο Χιγκς υπάρχει, θα πρέπει να ζυγίζει περίπου 90 δισ. ηλεκτρονιοβόλτ, αλλά προγενέστερα πειράματα του LEP έχουν δείξει ότι το υποτιθέμενο σωματίδιο μάλλον ζυγίζει 114 δισ. ηλεκτρονιοβόλτ! Οποιο κι αν είναι τελικά το βάρος του, το σωματίδιο αυτό δεν πρόκειται να εμφανιστεί παρά σε συνθήκες υπερυψηλής ενέργειας. Στο πείραμα του LHC, που ξεκινά αυτόν τον Αύγουστο, θα αναπτυχθεί – με αυτή την ελπίδα – ισχύς 5 τρισ. ηλεκτρονιοβόλτ (5 TeV)!
Πώς στήθηκε η παγίδα
Ας δούμε το πώς έχει στηθεί η όλη παγίδα για το «σωματίδιο του Θεού»: στους προϋπάρχοντες γραμμικούς επιταχυντές του CERN θα δημιουργηθούν δύο αντίρροπες δέσμες σωματιδίων, από πρωτόνια ή ιόντα μολύβδου, που θα διοχετευθούν στη συνέχεια στον LHC. Εκεί θα λάβουν ένα πρόσθετο «κλώτσημα» με έναν ηλεκτρικό παλμό που θα τους δώσει την τελική ενέργεια 5 TeV (αρχικά είχαν προβλεφθεί 7 TeV, αλλά η έκρηξη ενός μαγνήτη την άνοιξη οδήγησε το CERN σε πιο συγκρατημένες επιλογές). Κατά μήκος του τούνελ έχει στηθεί μια αλυσίδα 1.232 διπολικών μαγνητών, βάρους 35 τόνων ο καθένας, που θα αναλάβουν να καθοδηγήσουν αυτές τις δέσμες σε «γύρους θανάτου» μέσα από το τούνελ του LHC. Αυτοί οι «γύροι» όμως δεν πρόκειται να λάβουν χώρα στην καυτή ατμόσφαιρα ενός λούνα παρκ: εδώ βασιλεύει απόκοσμη παγωνιά. Καθ’ όλο το μήκος του τούνελ ένας αγωγός υγρού ηλίου θα φροντίζει να κρατά τη θερμοκρασία στους -271ΨC, δηλαδή μόλις δύο βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν και σίγουρα ψυχρότερη από το κενό του εξώτερου Διαστήματος. Ο λόγος είναι ότι το ήλιο αποκτά σε τέτοιες θερμοκρασίες υπεραγώγιμες ιδιότητες, με σχεδόν μηδαμινή ρευστότητα και υπερυψηλή θερμική αγωγιμότητα. Εμβαπτίζοντας τους μαγνήτες σε αυτό το μπάνιο υπεραγωγιμότητας διασφαλίζουμε ότι τα σωματίδια θα κινούνται χωρίς «φρεναρίσματα». Αυτό που τους μέλλεται να συμβεί είναι η κατά μέτωπον σύγκρουση σε «πύλες θανάτου», με συχνότητα 30 εκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο. Πλάι στις πύλες που θα ανοιγοκλείνουν επιτρέποντας αυτόν τον όλεθρο βρίσκονται τέσσερις γιγάντιοι ανιχνευτές που θα «φωτογραφίζουν» τις συγκρούσεις ελπίζοντας να συλλάβουν τη γέννηση και τον θάνατο σωματιδίων Χιγκς.
Κατά τις εκτιμήσεις των επιστημόνων, γύρω στα 20 πρωτόνια κάθε φορά θα συγκρούονται σε μια γέεννα πυρός δίνοντας ύπαρξη σε άλλης μορφής σωματίδια. Ο πρώτος από τους ανιχνευτές, ο επονομαζόμενος Alice, εξειδικεύεται στην καταγραφή πλάσματος κουάρκ-γλουονίων που δημιουργείται όταν συγκρούονται πυρήνες μολύβδου. Ο δεύτερος, ονόματι LHCb, θα περιμένει να καταγράψει διαφοροποιήσεις ύλης και αντιύλης, μήπως και κατανοήσουμε το γιατί στο Σύμπαν κατέληξε να κυριαρχεί η πρώτη, ενώ αρχικά υπήρχαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Ο τρίτος ανιχνευτής είναι ένα… τέρας 12.000 τόνων – το βαρύτερο μηχάνημα που κατασκευάστηκε ποτέ επί Γης – και «ακούει» στο όνομα CMS (Compact Muon Solenoid). Ο CMS ενεδρεύει για να συλλάβει την υποτιθέμενη «υπογραφή ύπαρξης» του σωματιδίου Χιγκς, ένα είδος βαρέος ηλεκτρονίου – μυονίου – που θα ξεπεταχθεί με ταχύτητα σχεδόν ίση με του φωτός. Για να προλάβει να «φωτογραφίσει» το μυόνιο, ο CMS έχει αισθητήρες που αντιστοιχούν σε μια κάμερα των 60 Mpixels, με ταχύτητα λήψης 40 εκατομμυρίων εικόνων ανά δευτερόλεπτο. Ανταγωνιστής του CMS σε αυτό το κυνήγι είναι ο τέταρτος ανιχνευτής, ονόματι Atlas, με βάρος μόλις… 7.000 τόνων (όσο και ο Πύργος του Αϊφελ), μήκος 50 μέτρων και ύψος 25 μ.!
Στις επάλξεις χιλιάδες επιστήμονες
Το τι θα συμβαίνει με την επεξεργασία των «φωτογραφιών» που θα παίρνουν αυτοί οι τέσσερις ανιχνευτές είναι μια άλλη επική ιστορία. Οι υπολογιστές που θα καταγράφουν τα δεδομένα προβλέπεται να εισάγουν γύρω στις 200 καταγραφές συμβάντων ανά δευτερόλεπτο. Συμβάντα που θα συσσωρεύονται συνεχώς, καθώς η θεωρία λέει ότι το Χιγκς εμφανίζεται με ρυθμό ένα σωματίδιο κάθε ένα τρισεκατομμύριο συμβάντα! Ποιοι θα «βλέπουν» αυτά τα συμβάντα ώστε να κάνουν τις απαραίτητες μετρήσεις και αναλύσεις; Στρατιές ολόκληρες φυσικών σε όλον τον πλανήτη. Μόνo πίσω από τον CMS περιμένουν 2.520 επιστήμονες σε 37 χώρες και πίσω από τον Atlas 1.800 σε 34 χώρες. Για να σιγουρέψει την απρόσκοπτη διαμοίραση των στοιχείων μεταξύ των επιστημόνων και την άψογη συνεργασία τους με ταχύτητα και ασφάλεια, το CERN προέβη στον νέο μεγάλο άθλο του για την εξέλιξη του Διαδικτύου: δημιούργησε μια νέα τεχνολογία δικτύωσης, το λεγόμενο GRID, που αυξάνει την ταχύτητα σύνδεσης στο χιλιαπλάσιο των τωρινών συνδέσεων ADSL του Διαδικτύου! Αν μη τι άλλο, ακόμη και αν το «σωματίδιο του Θεού» αρνηθεί να εμφανιστεί καθ’ όλη τη διάρκεια του πειράματος, εμείς οι υπόλοιποι θα ξέρουμε σε ποιους χρωστάμε το πέρασμα σε μια εποχή πραγματικής ευρυζωνικότητας.
ΚΟΣΜΟΣ ΠΟΛΛΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ ΚΑΙ… ΜΑΥΡΩΝ ΟΠΩΝ
Για τον μέσο άνθρωπο που δεν έχει ξανακούσει περί θεωρίας των πάντων και μποσονίου του Χιγκς, όλη αυτή η προσπάθεια ακούγεται τουλάχιστον υπερβολική. Στο κάτω κάτω, «Τι ψάχνουμε; Δεν μας φτάνει η φυσική που έχουμε; Με αυτήν δεν πήγαμε στο Διάστημα, με αυτήν δεν φτιάξαμε υπολογιστές; Το τι έγινε τότε, στο Big Bang, ας αφήσουμε να το ξέρει ο Θεός!».
Το σκεπτικό αυτό έμοιαζε επαρκές όχι μόνο για… δεξιούς ψάλτες αλλά και για την πλειονότητα των επιστημόνων ως τη δεκαετία του ’70. Ως τότε η κρατούσα θεωρία μας για τη δομή του κόσμου, το Standard Model, έδειχνε να έχει όλες τις απαντήσεις. Στη συνέχεια, όμως, αποκαλύφθηκε ότι το οικοδόμημά μας δεν ήταν «παντός καιρού». Σήμερα γνωρίζουμε ότι δεν μπορεί καν να εξηγήσει τη γνωστότερη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, τη βαρύτητα. Επίσης, επαρκεί για την εξήγηση μόνο της αντιληπτής από εμάς ύλης, που όμως είναι το μικρότερο μέρος του Σύμπαντος. Αν μπορούσαμε να «δούμε παραπέρα», θα απαντούσαμε όχι μόνο στις κοσμολογικές μας ανησυχίες αλλά και θα βρίσκαμε λύσεις σε προβλήματα σχετιζόμενα με το μέλλον της ανθρωπότητας, όπως οι ασφαλείς επανδρωμένες πτήσεις σε μακρινούς πλανήτες.
Μολονότι στο πείραμα του LHC o «κύριος καταζητούμενος» είναι το σωματίδιο Χιγκς, οι φυσικοί τρέφουν ελπίδες και για άλλες αποκαλύψεις: το περιβόητο σωματίδιο-φορέας της βαρύτητας, το γκραβιτόνιο (graviton), παραμένει αθέατο από την «κλασική» φυσική μας. Θα μπορούσαμε να το «συλλάβουμε» στις συγκρούσεις πρωτονίων του LHC; Η ειδικός της θεωρίας των χορδών και της υπερσυμμετρίας Λίζα Ράνταλ (Lisa Randall) απάντησε σε ρεπόρτερ του CERN: «Δεν είμαστε σίγουροι αλλά το σωματίδιο Kaluza-Klein του γκραβιτονίου – το ταίρι του γκραβιτονίου που ταξιδεύει σε άλλες διαστάσεις – ίσως συλληφθεί». Και εξήγησε: «Εχουμε ένα γκραβιτόνιο χωρίς μάζα που συμπεριφέρεται όπως το περιμέναμε να συμπεριφέρεται στις τέσσερις διαστάσεις. Και έχουμε ένα άλλο γκραβιτόνιο, που έχει ορμή στην πέμπτη διάσταση – και είναι αυτό που είναι δυνατόν να ανιχνευθεί».
Αυτές οι κβαντικές εκδηλώσεις της βαρύτητας είναι ακριβώς η πηγή ανησυχίας κάποιων φυσικών ότι μέσα στους «γύρους θανάτου» των σωματιδίων του LHC θα μπορούσαν να γεννηθούν «μαύρες τρύπες» με την αδηφάγο όρεξή τους για ό,τι το υλικό! Η Ράνταλ δεν δείχνει να ανησυχεί: «Δεν νομίζω ότι θα προκύψει κάτι τέτοιο. Θα πρέπει να φτάσουμε σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες για να συμβεί. Αλλά, βέβαια, αν μπορούσαμε να φτάναμε σε αυτά τα επίπεδα ενέργειας και να έχουμε την τύχη να μελετήσουμε μια μαύρη τρύπα θα ήταν κάτι το συναρπαστικό!». Συναρπαστικό… το να «μπεις σε λεκάνη δίχως πάτο και να τραβήξεις το καζανάκι;». Αλλά η Ράνταλ και οι φυσικοί λένε ότι δεν ανησυχούν: τα επίπεδα ενέργειας του LHC θα γεννούσαν, ίσως, μαύρες τρύπες που όμως θα «έκλειναν» ταχύτατα. Ως επιχείρημα αναφέρουν το προηγούμενο των συνεχών συγκρούσεων με τη Γη κοσμικών ακτίνων – με ενέργεια πολύ υψηλότερη από εκείνη του CERN – που δημιουργούν στιγμιαίες μαύρες τρύπες χωρίς ποτέ να την καταπιούν.
Στατιστικά, λοιπόν, είμαστε ασφαλείς. Αλλά, επιστημονικώς ομιλούντες, και η απαρχή της ζωής στον πλανήτη μας ήταν ένα «στατιστικό λάθος». Γιατί όχι και το τέλος της; Και εσύ, παππού Αϊνστάιν, μας έλεγες ότι «ο Θεός δεν ρίχνει ζάρια»…
