CERN: Διευρύνονται τα όρια της ανθρώπινης γνώσης

Αυτή την εβδομάδα, περισσότεροι από 230 επιστήμονες και μηχανικοί από όλο τον κόσμο συναντήθηκαν στο CERN1 για να συζητήσουν την αναβάθμιση Υψηλής Φωτεινότητας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) που αναμένεται να βελτιώσει δραματικά την ικανότητα νέων ανακαλύψεων από το 2025.

Ύστερα από τέσσερα χρόνια σχεδιασμού, το πρόγραμμα αναβάθμισης περνά τώρα στη δεύτερη φάση – αυτήν της ανάπτυξης βιομηχανικών προτύπων διαφόρων τμημάτων του επιταχυντή. 

Η φωτεινότητα είναι ένας εξαιρετικής σημασίας δείκτης της απόδοσης ενός επιταχυντή. Είναι ανάλογη του αριθμού σωματιδίων που συγκρούονται σε καθορισμένο χρονικό διάστημα. Και δεδομένου ότι κάθε ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική βασίζεται στη στατιστική, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός συγκρούσεων τόσο μεγαλύτερες είναι οι πιθανότητες για τους φυσικούς να ανιχνεύσουν ένα σωματίδιο ή μια φυσική διεργασία, άγνωστα ως τότε.

Ο Υψηλής Φωτεινότητας LHC (HiLumi LHC) θα μας προμηθεύσει με μεγαλύτερης ακρίβειας μετρήσεις στοιχειωδών σωματιδίων και θα επιτρέψει στους επιστήμονες να παρατηρήσουν σπάνιες φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε επίπεδο ευαισθησίας του επιταχυντή χαμηλότερο από το σημερινό. Με αυτή την αναβάθμιση ο LHC θα συνεχίσει να διευρύνει τα όρια της ανθρώπινης γνώσης, δίνοντας τη δυνατότητα στους φυσικούς να εξερευνήσουν πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο και τον μηχανισμό Brout-Englert-Higgs.

«Ο LHC ήδη παράγει συγκρούσεις πρωτονίων στις υψηλότερες δυνατές ενέργειες», λέει ο Γενικός Διευθυντής του CERN, Rolf Heuer. «Ο HiLumi LHC αναμένεται να παράγει 10 φορές περισσότερες συγκρούσεις σε σύγκριση με τις συγκρούσεις που παρήγαγε ο σημερινός LHC κατά την πρώτη δεκαετία λειτουργίας του, επομένως θα αυξήσει δραματικά την πιθανότητα να οδηγηθούμε σε νέες ανακαλύψεις».

Η αύξηση φωτεινότητας σημαίνει ότι οι φυσικοί θα μπορέσουν να μελετήσουν νέα φαινόμενα που ανακαλύφθηκαν από τον LHC, όπως το μποζόνιο Higgs, με μεγαλύτερη λεπτομέρεια.

Ο HiLumi LHC θα παράγει 15 εκατομμύρια μποζόνια Higgs κάθε χρόνο, σε σύγκριση με τα 1,2 εκατομμύρια που παρήγαγε ο LHC την περίοδο 2011-2012.

Αναβαθμίζοντας τον LHC θα είναι μια πρόκληση για πολλές τεχνολογίες αιχμής που αναπτύσσονται αυτή τη στιγμή. «Πρέπει να ανανεωθούμε σε πολλά πεδία, αναπτύσσοντας τεχνολογίες αιχμής για τους μαγνήτες, τα οπτικά στοιχεία του επιταχυντή, τις υπεραγώγιμες κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων, και τους υπεραγώγιμους δεσμούς», εξηγεί ο Lucio Rossi, επικεφαλής του προγράμματος HiLumi LHC.

Περίπου 1,2 χλμ του LHC θα αντικατασταθούν από αυτές τις νέες τεχνολογίες, που περιλαμβάνουν υπεραγώγιμους τετραπολικούς μαγνήτες αιχμής 12 Tesla, που κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας ένα υπεραγώγιμο κράμα νιόβιου-κασσίτερου. Οι μαγνήτες αυτοί θα εστιάσουν τη δέσμη σωματιδίων αυξάνοντας την πιθανότητα συγκρούσεων και θα εγκατασταθούν σε κάθε πλευρά των πειραμάτων ATLAS και CMS.

Επίσης έχουν δημιουργηθεί νέες υπεραγώγιμες κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων, που ονομάζονται «crab cavities», οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν για τον προσανατολισμό των δεσμών πριν από τη σύγκρουση με σκοπό να αυξηθεί το μήκος της περιοχής σύμπτωσης των δεσμών. Νέες ηλεκτρικές γραμμές μεταφοράς, βασισμένες σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας, θα έχουν τη δυνατότητα μεταφοράς ρεύματος στον επιταχυντή σε ρεκόρ ισχύος, ως και 100.000 amps, σε απόσταση 100 μέτρων.

«Ο HiLumi LHC θα χρησιμοποιήσει πρωτοποριακή τεχνολογία (όπως μαγνήτες υψηλού πεδίου νιόβιου-κασσίτερου) για πρώτη φορά», λέει ο Frédérick Bordry, Διευθυντής Επιταχυντών και Τεχνολογίας του CERN.

«Αυτό όχι μόνο θα αυξήσει τη δυναμική ανακαλύψεων του LHC, αλλά επίσης θα αποτελέσει απόδειξη της δυνατότητας υλοποίησης της ιδέας και σε μελλοντικούς επιταχυντές».

Όλες αυτές οι νέες τεχνολογίες διερευνώνται ήδη από το 2011 στο πλαίσιο της μελέτης σχεδιασμού του HiLumi LHC, εν μέρει χρηματοδοτούμενες από το 7ο Πρόγραμμα-Πλαίσιο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Ο HiLumi LHC συνένωσε έναν μεγάλο αριθμό εργαστηρίων από τα κράτη-μέλη του CERN όπως επίσης και από τη Ρωσία, την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ.

Αμερικανικά ινστιτούτα που συμμετείχαν χρηματοδοτήθηκαν από το Πρόγραμμα Έρευνας Επιταχυντών των ΗΠΑ (LARP). Περίπου 200 επιστήμονες από 20 χώρες συνεργάστηκαν για την επιτυχή ολοκλήρωση της πρώτης φάσης του προγράμματος.

Η συνάντηση αυτής της εβδομάδας σηματοδοτεί το τέλος αυτής της εξαιρετικά περίπλοκης και συνεργατικής φάσης σχεδιασμού του HiLumi LHC. Το πρόγραμμα τώρα θα επικεντρωθεί στη δημιουργία προτύπων και στη βιομηχανοποίηση της τεχνολογίας που αναπτύχθηκε πριν από την έναρξη της κατασκευαστικής φάσης.