Πείραμα του αιώνα

1. Φυσική Στοιχειωδών
Σωματιδίων
O επιταχυντής LHC
Εργασία για το CERN
Σημεία
σύγκρουσης των
δεσμών του LHC
Ο ανιχνευτής
LHCb
Ο ανιχνευτής
ATLAS
Ευρωπαϊκή Ομάδα
Εκλαΐκευσης
Φυσικής
Σωματιδίων
Ερωτήσεις για
τους ερευνητές
του CERN
Ο ανιχνευτής
ALICE
Η επιτάχυνση των
πρωτονίων μέσα
στο LHC
Ο ανιχνευτής
CMS
Υπεραγώγιμοι
μαγνήτες
Η προεπιτάχυνση
των πρωτονίων
Cern
Πηγές
Καθιερωμένο
Πρότυπο
Το πείραμα του
αιώνα

2. Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων
Η Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων είναι
ένας κλάδος της φυσικής που μελετά
τα στοιχειώδη σωματίδια που συγκροτούν
την ύλη καθώς και την συμπεριφορά
(ακτινοβολία), και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ
τους. Λέγεται επίσης και φυσική υψηλών
ενεργειών, επειδή πολλά στοιχειώδη σωμάτια
δεν υφίστανται υπό τις συμβατικές συνθήκες
που συναντάμε στη φύση όπως τη γνωρίζουμε
στον πλανήτη μας, αλλά μπορούν να
δημιουργηθούν και να ανιχνευθούν μέσω
ενεργειακών κρούσεων με άλλα σωματίδια,
όπως γίνεται στους επιταχυντές σωματιδίων.
Όλες οι μορφές της ύλης αποτελούνται
από άτομα τα οποία και θεωρούνται τα
θεμελιώδη σωματίδια ή σωμάτια κάθε
στοιχείου. Αλλά και αυτά τα άτομα
είναι συνδυασμοί πιο μικρών
σωματιδίων, που αποκαλούνται
υποατομικά σωματίδια. Για
παράδειγμα, ο πυρήνας
ατόμου αποτελείται από
νετρόνια και πρωτόνια. Πέρα όμως
απ΄αυτά, οι επιστήμονες έχουν
ανακαλύψει ακόμη πιο "μικρά"
(στοιχειώδη) σωματίδια. Αν δηλαδή τα
υποατομικά σωματίδια εξαναγκαστούν
να συγκρουστούν με μεγάλες
ταχύτητες τότε εμφανίζονται νέα
σωματίδια, που καλούνται στοιχειώδη.
Ο κλάδος της φυσικής που εξετάζει
αυτά τα τελευταία
ανακύπτοντα στοιχειώδη
σωματίδια ονομάζεται φυσική των
στοιχειωδών σωματιδίων, και εκ του
τρόπου παραγωγής αυτών φυσική
υψηλών ενεργειών.

3. Καθιερωμένο Πρότυπο
Θεωρητικό υπόβαθρο
Σωματιδιακή φυσική
Κβαντική θεωρία πεδίου
Θεωρία βαθμίδας
Αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας
Μηχανισμός Χιγκς
Θεμελιώδη στοιχεία
Ηλεκτρασθενής αλληλεπίδραση
Κβαντική χρωμοδυναμική
Πίνακας CMK
Όρια της θεωρίας
Ισχυρή παραβίαση CP
Πρόβλημα της ιεραρχίας
Ταλαντώσεις νετρίνων
Φυσική πάνω από το Καθιερωμένο Πρότυπο
Πρόκειται για μια πολύ καλά θεμελιωμένη
θεωρία που έχει προβλέψει πολλά
πειραματικά αποτελέσματα, όπως την
ύπαρξη πολλών σωματιδίων και έχει
ανταπεξέλθει σε πάρα πολλούς
πειραματικούς ελέγχους. Το βασικό
κομμάτι που λείπει στη θεωρία αυτή για να
συμπληρωθεί είναι το μποζόνιο Χιγκς του
οποίου η ύπαρξη, πιθανολογείται πλέον με
αρκετή βεβαιότητα. Παρ' όλες τις επιτυχίες
της, η θεωρία αυτή δεν μπορεί να εξηγήσει
την ύπαρξη σκοτεινής ύλης, τιςταλαντώσεις
νετρίνων και την ύπαρξη σωματιδίων με
πολύ διαφορετικές μάζες.
Το Καθιερωμένο
Πρότυπο (Standard Model) είναι μια
φυσική θεωρία που περιγράφει τα
δομικά συστατικά της ύλης και τις
μεταξύ τους ισχυρές, ασθενείς και
ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσει
ς. Δεν περιλαμβάνει καμία
περιγραφή των βαρυτικών
αλληλεπιδράσεων.

4. Cern
To CERN (Conseil Européenne pour
la Recherche Nucléaire=Ευρωπαϊκό
Συμβούλιο Πυρηνικής Έρευνας) είναι το
μεγαλύτερο σε έκταση πειραματικό
κέντρο πυρηνικών ερευνών και
ειδικότερα επί της σωματιδιακής
φυσικής στον κόσμο. Βρίσκεται δυτικά
της Γενεύης, στα
σύνορα Ελβετίας και Γαλλίας. Ιδρύθηκε
το 1954 από δώδεκα ευρωπαϊκές χώρες
και σήμερα αριθμεί 20 κράτη-μέλη,
μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα, η οποία
είναι και ιδρυτικό μέλος.
Βέλγιο Γαλλία Γερμανία Δανία Ελβετία Ελλάδα
Ηνωμένο
Βασίλειο
Ιταλία
Γιουγκοσλαβία
(αποσύρθηκε το
1961)
Σουηδία
ΟλλανδίαΝορβηγία

5. Το πείραμα του αιώνα
Το πείραμα του αιώνα είναι το σύνολο 4 πειραμάτων όπου στο καθένα
από αυτά επιστήμονες από όλο τον κόσμο καταγράφουν σωματίδια που
παράγονται από τις συγκρούσεις και κάνουν ανάλυση δεδομένων, μέσα
από την οποία θα προκύψουν ή όχι τα νέα σωματίδια και θα
επαληθευτούν οι ιδιότητες των γνωστών μας σωματιδίων που είναι
καταγεγραμμένα στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

6. O επιταχυντής LHC
Μέσα στο τούνελ του επιταχυντή
Στις 30 Μαρτίου του 2010
σημειώθηκε το ιστορικό
ρεκόρ της σύγκρουσης
δεσμών με συνδυασμένη
ισχύ 7 TeV (7
τρισεκατομμύρια
ηλεκτρονιοβόλτ). Η ισχύς
αυτή είναι η μεγαλύτερη
μέχρι σήμερα και ο αρχικός
στόχος που τελικά επετεύχθη
μετά από αλλεπάλληλες
διακοπές λόγω τεχνικών
προβλημάτων που στοίχισαν
πολύμηνες καθυστερήσεις
και δαπανηρές επισκευές. Η
ενέργεια που εκλύθηκε απ΄
αυτή τη σύγκρουση
υπολογίσθηκε θεωρητικά ότι
είναι ίση μ΄ εκείνη που θα
απελευθέρωνε ένα όχημα αν
προσέκρουε σε τοίχο με την
ταχύτητα του ήχου!
O LHC (Large Hadron Collider = Μεγάλος Επιταχυντής
Αδρονίων) είναι ένας επιταχυντής στοιχειωδών
σωματιδίων (Αδρονίων) στο ευρωπαϊκό κέντρο
πυρηνικών ερευνών CERN της Γενεύης.
Οι πρώτες δέσμες πρωτονίων άρχισαν να
κυκλοφορούν στον επιταχυντή στις 10
Σεπτεμβρίου του 2008, σύντομα όμως παρουσιάστηκε
πρόβλημα στους μαγνήτες του επιταχυντή. Έτσι η
έναρξη της κανονικής του λειτουργίας μετατέθηκε για
το καλοκαίρι του 2009. Είναι ο μεγαλύτερος με μέγιστη
ενέργεια επιταχυντής στον κόσμο. Ο Μέγας
Επιταχυντής Αδρονίων είναι πολύ κοντά στην
ταυτοποίηση, του σωματίδιο Χιγκς.

8. Η επιτάχυνση των πρωτονίων μέσα στο LHC
Ο ισχυρός επιταχυντής LHC επιταχύνει και καθοδηγεί δισεκατομμύρια
πρωτόνια σε σύγκρουση με άλλα δισεκατομμύρια πρωτόνια. Σκοπός είναι οι
απαντήσεις σε θεμελιακά ερωτήματα που οδηγούν στην κατανόηση της
Φύσης.
Ο LHC αποτελείται από τρία κύρια μέρη: τους σωλήνες των δεσμών, τις δομές
επιτάχυνσης και το σύστημα μαγνητών. Μέσα στους δύο σωλήνες δεσμών,
καθένας διαμέτρου 6,3 cm, δέσμες πρωτονίων (ή βαριών ιόντων) ταξιδεύουν
σε αντίθετες κατευθύνσεις (μια κατεύθυνση σε κάθε σωλήνα) σε ένα
υπερυψηλό κενό 10-13 bar, συγκρίσιμο με την πυκνότητα της ύλης στο μακρινό
διάστημα. Αυτή η χαμηλή πίεση είναι απαραίτητη για να ελαχιστοποιήσει τις
συγκρούσεις με τα εναπομείναντα σωματίδια αερίων και τις επακόλουθες
απώλειες των επιταχυνόμενων σωματιδίων.

9. Η προεπιτάχυνση των πρωτονίων
Προτού εισαχθούν τα πρωτόνια στους δύο σωλήνες δεσμών του LHC,
επιταχύνονται σε μικρότερους επιταχυντές (οι οποίοι συνδέονται με τον
LHC) ως περίπου το 6% της τελικής ενέργειάς τους. Μέσα στον LHC, τα
σωματίδια αποκτούν την τελική ενέργειά τους από οκτώ δομές
επιτάχυνσης (κοιλότητες επιταχυντών). Κάθε φορά που τα σωματίδια
περνούν μέσα από αυτές τις κοιλότητες, επιταχύνονται από ένα ισχυρό
ηλεκτρικό πεδίο έντασης περίπου 5 MV/m. Η λειτουργία των επιταχυντών
είναι συγκρίσιμη με τα κύματα στη θάλασσα (δείτε το διάγραμμα): μια
ομάδα πρωτονίων, περίπου 100 δισεκατομμύρια από αυτά -οι surfers-
ταξιδεύει μαζί με ένα τεράστιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα κερδίζοντας
κινητική ενέργεια. Κάθε κύμα επιταχύνει μια ομάδα πρωτονίων, και κάθε
μια από τις δύο δέσμες αποτελείται από 2.800 διακριτές ομάδες, μια
κάθε επτά μέτρα. Μετά από 20 λεπτά, αποκτούν την τελική ενέργειά
τους, έχοντας κάνει 11.245 φορές το γύρο του LHC ανά δευτερόλεπτο. Σε
αυτά τα 20 λεπτά, τα πρωτόνια διανύουν μια απόσταση μεγαλύτερη από
όση να πάνε από τη Γη στον Ήλιο και να επιστρέψουν.

11. Ο ανιχνευτής ATLAS
Ο ανιχνευτής ATLAS ανιχνεύει τα προϊόντα της σύγκρουσης των πρωτονίων. Στο κέντρο
του ATLAS, συγκρούονται δύο δεσμίδες πρωτονίων (με 100 δισεκατομμύρια πρωτόνια
η κάθε μια), οι οποίες έχουν ήδη επιταχυνθεί με αντίθετες κατευθύνσεις μέσα στον
επιταχυντή LHC. Κατά τη σύγκρουση τα πρωτόνια μιας δεσμίδας μπορεί να
αλληλεπιδράσουν ασθενώς με αυτά της άλλης δεσμίδας (οπότε απλά αλλάζουν
πορεία), αλλά μπορεί επίσης να αλληλεπιδράσουν ισχυρά, να "σπάσουν" (δηλαδή να
μην αναγνωρίζονται πλέον ως πρωτόνια). Στη δεύτερη περίπτωση δημιουργούνται νέα
σωματίδια. Από την πληροφορία των νέων σωματιδίων, οι φυσικοί μπορούν να
περιγράψουν τα φυσικά φαινόμενα που συνέβησαν κατά τη σύγκρουση.

12. Το CMS είναι ένας
γιγάντιος ανιχνευτής
σωματιδίων,
τοποθετημένος 100
μέτρα κάτω από την
επιφάνεια της Γης.

13. Ο ανιχνευτής ALICE
Το πείραμα ALICE στο CERN είναι
σχεδιασμένο για την μελέτη συγκρούσεων
πυρήνων μολύβδου σε πολύ υψηλές
ενέργειες. Οι συγκρούσεις θερμαίνουν την
πυρηνική ύλη σε θερμοκρασίες 100.000
φορές μεγαλύτερες από αυτές στο κέντρο
του Ηλίου. Ο ανιχνευτής ALICE ζυγίζει
10.000 τόνους, έχει ύψος 16 m και μήκος 26
m και αποτελείται από 18 υπο-ανιχνευτές
που ιχνηλατούν και αναγνωρίζουν δεκάδες
χιλιάδες σωματίων, τα οποία παράγονται
σε κάθε μία από τις 8.000 συγκρούσεις
βαρέων ιόντων ανά δευτερόλεπτο.
Ο ανιχνευτής ALICE (A Large Ion Collider Experiment) είναι ένας από
τους επτά ανιχνευτές που μελετούν τις συγκρούσεις μέσα στην
υπόγεια κυκλική σήραγγα του CERN κάτω από τα γαλλοελβετικά
σύνορα.

14. Ο ανιχνευτής LHCb
Το πείραμα LHCb εξετάζει τις ελάχιστες διαφορές μεταξύ ύλης και αντιύλης,
μελετώντας τις διασπάσεις βραχύβιων σωματίων, των κουάρκ b και των
αντισωματίων τους. Δισεκατομμύρια από αυτά παράγονται στον LHC στις
συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων. Επειδή αυτά τα σωμάτια παραμένουν
κοντά στην γραμμή του σωλήνα της δέσμης, ο ανιχνευτής εκτείνεται για 20
m σε αυτήν την διεύθυνση με τους υπό-ανιχνευτές να είναι τοποθετημένοι
ο ένας πίσω από τον άλλο σαν βιβλία σε ένα ράφι. Περισσότεροι από 700
φυσικοί και μηχανικοί από 15 χώρες από όλο τον κόσμο εργάζονται στο
πείραμα LHCb.

15. Ευρωπαϊκή Ομάδα Εκλαΐκευσης
Φυσικής Σωματιδίων
Η Ελληνική Εταιρία Σπουδών Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (ΕΕΣΦΥΕ)
συμμετέχει ενεργά στη προσπάθεια που ξεκίνησε από τις αρχές του
1998 το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων, CERN, με στόχο τη
διάδοση στο ευρύ κοινό της έρευνας και των επιτεύξεων του τομέα των
Στοιχειωδών Σωματιδίων. Για το σκοπό αυτό ιδρύθηκε στο CERN η
λεγόμενη Ευρωπαϊκή Ομάδα Εκλαΐκευσης Φυσικής Σωματιδίων
(European Particle Physics Outreach Group, EPPOG) με αντίστοιχες
εθνικές ομάδες σε κάθε κράτος-μέλος του Οργανισμού. Η Ελληνική
Ομάδα Εκλαΐκευσης αποτελεί το Ελληνικό τμήμα αυτής της
προσπάθειας.

16. Ερωτήσεις για τους ερευνητές του
CERN
• Τι είναι οι μαύρες τρύπες του διαστήματος και
πώς επηρεάζουν το σύμπαν;
• Κινδυνεύουμε από τα πειράματα που γίνονται
εκεί;
• Δεν μπορώ να καταλάβω πως είναι δυνατόν η
σύγκρουση πρωτονίου με πρωτόνιο στον LHC
μπορεί να δίνει κάθε φορά διαφορετικό
αποτέλεσμα και πολύ σπάνια να παρουσιάζεται
το σωματίδιο Higgs. Μπορείτε να μου το
εξηγήσετε;

17. Πηγές
• Βικιπαίδεια
• http://www.scienceinschool.org/node1127
• http://www.atlas.physicsmasterclasses.org/gr/atlas.htm
• http://www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=474920
• http://www.pemptousia.gr/2014/04/cern-to-europaiko-kentro-pirinikis-
erevn/
• http://www.physicsgg.me/2011/11/15/ενδειξεις-για-νεα-φυσικη-στο-lhc