Μια τεράστια μηχανή υπό σχεδιασμό μέσα σε ένα ελβετικό τούνελ υπόσχεται να λύσει μερικά από τα μυστήρια του σύμπαντος και του κόσμου μας.
Ο ήδη υπάρχων Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) έχει συμβάλει σε μερικές από τις πιο εκπληκτικές προόδους στην σύγχρονη φυσική: στην ανακάλυψη του πολυαναζητημένου μποζονίου Higgs, καθώς και άλλων νέων... εξωτικών σωματιδίων, πιθανών ενδείξεων νέων δυνάμεων της φύσης και πολλά άλλα.
Ο LHC, που βρίσκεται στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στα σύνορα της Γαλλίας και της Ελβετίας, αναμένεται να λειτουργήσει για άλλα 15 χρόνια. Ωστόσο, οι φυσικοί ήδη σχεδιάζουν το μέλλον μετά τον LHC, όπως αναφέρει το The Conversation.
Μία από τις πιο δημοφιλείς προτάσεις για το επόμενο βήμα του CERN είναι το πρόγραμμα Future Circular Collider (FCC). Με μέγεθος τριπλάσιο από το LHC, αυτή η τεράστια μηχανή υπό σχεδιασμό υπόσχεται να λύσει μερικά από τα μυστήρια του σύμπαντος.
Τι θα κάνει ο Future Circular Collider;
Ο LHC, που καταλαμβάνει έναν κυκλικό τούνελ περιφέρειας 27 χιλιομέτρων, είναι σήμερα η μεγαλύτερη μηχανή στον κόσμο. Όμως, ο κατά πολύ μεγαλύτερος FCC θα στεγάζεται σε ένα πολύ μεγαλύτερο τούνελ 91 χιλιομέτρων στη λεκάνη της Γενεύης, μεταξύ της οροσειράς Jura και των Ελβετικών Άλπεων.
Το πρώτο στάδιο του FCC θα είναι η κατασκευή και λειτουργία ενός ειδικού χώρου - ας τον πούμε «συγκρουστήρα» - για ηλεκτρόνια (τα ελαφριά σωματίδια που αποτελούν το εξωτερικό κέλυφος των ατόμων) και ποζιτρόνια (τα αντίθετα σωματίδια των ηλεκτρονίων). Αυτός ο χώρος θα επιτρέπει πιο ακριβείς μετρήσεις του μποζονίου Higgs.
Το δεύτερο στάδιο θα ήταν ένας επιταχυντής πρωτονίων (βαρύτερα σωματίδια που βρίσκονται στον πυρήνα των ατόμων). Ο LHC ήδη το κάνει αυτό, αλλά ο νέος επιταχυντής θα επιταχύνει τα πρωτόνια με ενέργεια έως και επτά φορές μεγαλύτερη.
Αυτή η αύξηση της ενέργειας σύγκρουσης επιτρέπει την ανακάλυψη σωματιδίων που δεν έχουν παραχθεί ποτέ από την ανθρωπότητα ή την ανάπτυξη μαγνητών υψηλής ισχύος.
Γνωστά και άγνωστα στοιχεία της φύσης
Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα του LHC ήταν η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, το οποίο μας επιτρέπει να εξηγήσουμε γιατί τα σωματίδια στο σύμπαν έχουν μάζα: επειδή αλληλεπιδρούν με το λεγόμενο πεδίο Higgs που διαπερνά όλο το διάστημα.
Αυτό ήταν η αρχή της θεωρίας του Καθιερωμένου Μοντέλου. Πρόκειται για τη θεωρία που, σύμφωνα με τις τρέχουσες γνώσεις μας, εξηγεί όλα τα θεμελιώδη σωματίδια του σύμπαντος και τις αλληλεπιδράσεις τους.
Ωστόσο, το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει σημαντικές αδυναμίες και αφήνει αναπάντητα ορισμένα κρίσιμα ερωτήματα.
Ο FCC υπόσχεται να απαντήσει σε μερικά από αυτά τα ερωτήματα.
Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι το πεδίο Higgs μπορεί να εξηγήσει τη μάζα των βαρέων σωματιδίων. Ωστόσο, είναι πιθανό ένας εντελώς διαφορετικός μηχανισμός να παρέχει μάζα στα ελαφρύτερα σωματίδια.
Θέλουμε επίσης να μάθουμε αν το πεδίο Higgs δίνει μάζα στο ίδιο το μποζόνιο Higgs. Για να απαντήσουμε σε αυτά τα ερωτήματα σχετικά με το Higgs, θα χρειαστούμε τις υψηλότερες ενέργειες που θα παρέχει το FCC.
Κουάρκ, ύλη, αντιύλη και σκοτεινή ύλη
Το FCC θα μας επιτρέψει επίσης να εξετάσουμε πιο προσεκτικά τις αλληλεπιδράσεις των κουάρκ - τα μικρότερα συστατικά των πρωτονίων και ορισμένων άλλων σωματιδίων. Ελπίζουμε ότι αυτό θα ρίξει φως στο ερώτημα γιατί το σύμπαν περιέχει περισσότερη ύλη από αντιύλη.
Και το FCC θα μας βοηθήσει να αναζητήσουμε νέα σωματίδια που μπορεί να είναι σκοτεινή ύλη, μια μυστηριώδης ουσία που φαίνεται να διαπερνά το σύμπαν.
Φυσικά, δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι το FCC θα δώσει τις απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα. Αυτή είναι η φύση της έρευνας που καθοδηγείται από την περιέργεια: το ταξίδι, αλλά όχι σώνει και ντε ο προορισμός.
Ανταγωνιστικοί επιταχυντές
Το FCC δεν είναι το μόνο μεγάλο έργο σωματιδιακής φυσικής που εξετάζεται.
Ένα άλλο είναι μια προτεινόμενη μηχανή 20 χιλιομέτρων που ονομάζεται International Linear Collider, η οποία πιθανότατα θα κατασκευαστεί στην Ιαπωνία.
Οι ΗΠΑ έχουν πολλά έργα σε εξέλιξη, ενώ υποστηρίζουν επίσης ένα «υπεράκτιο εργοστάσιο Higgs», που βρίσκεται στην Ευρώπη ή την Ιαπωνία.
Ένα έργο που μπορεί να απασχολεί τους υποστηρικτές του FCC είναι ο προγραμματισμένος Chinese Electron Positron Collider (CEPC) μήκους 100 χιλιομέτρων, ο οποίος έχει σημαντικές ομοιότητες με το FCC.
Αυτό θέτει ένα δίλημμα για την Ευρώπη: αν η Κίνα προχωρήσει με το έργο της, αξίζει ακόμα να κατασκευαστεί το FCC; Από την άλλη πλευρά, η διευθύντρια του CERN, Fabiola Gianotti, υποστήριξε ότι το FCC είναι απαραίτητο για να συμβαδίσει η Ευρώπη με την Κίνα.
Υψηλό κόστος
Η απόφαση για το FCC δεν θα ληφθεί ελαφρά τη καρδία, δεδομένου του μεγάλου κόστους που συνεπάγεται το έργο.
Το CERN εκτιμά ότι η πρώτη φάση θα κοστίσει 15 δισεκατομμύρια ελβετικά φράγκα (περίπου 18 δισ. ευρώ). Το ένα τρίτο του κόστους αυτού αφορά την κατασκευή του τούνελ.
Το μέγεθος του ποσού έχει προκαλέσει κριτική. Ωστόσο, ένας εκπρόσωπος του CERN δήλωσε στην Agence France-Press ότι έως και το 80% του κόστους θα καλυφθεί από τον τρέχοντα ετήσιο προϋπολογισμό του ίδιου του οργανισμού.
Το δεύτερο στάδιο του FCC, το οποίο θα επαναχρησιμοποιήσει τη σήραγγα μήκους 91 χλμ. καθώς και μέρος της υπάρχουσας υποδομής του LHC, εκτιμάται επί του παρόντος ότι θα κοστίσει 19 δισεκατομμύρια ελβετικά φράγκα (περίπου 22 δισ. ευρώ).
Το κόστος αυτό ενέχει μεγάλη αβεβαιότητα, καθώς το δεύτερο στάδιο δεν θα τεθεί σε λειτουργία πριν από το 2070 το νωρίτερο.
Οφέλη πέρα από την επιστήμη
Η επιστήμη δεν είναι το μόνο όφελος του LHC. Υπάρχουν πολλά πρακτικά τεχνολογικά παράγωγα, από την ιατρική τεχνολογία έως το ανοιχτό και ελεύθερο λογισμικό.
Ένα συγκεκριμένο παράδειγμα είναι τα τσιπ Medipix που αναπτύχθηκαν για έναν ανιχνευτή στον LHC και χρησιμοποιούνται πλέον σε πολλούς τομείς της ιατρικής απεικόνισης και της επιστήμης των υλικών.