by H ανάρτηση αφιερώνεται στον αγαπητό φίλο Παναγιώτη Κουτσομπόγερα τόσο για τις υπέροχες αναρτήσεις του στη χημεία όσο και γιατί αυτή περιέχει παρασκευή χρυσού από τους “αλχημιστές” του CERN. Βέβαια μη φανταστείτε ότι ο επιταχυντής αδρονίων του CERN άρχισε να παράγει χρυσό. Απλά 29χ10-12 gr σε 3 χρόνια και μάλιστα τα ιόντα χρυσού που σχηματίστηκαν δεν έζησαν παραπάνω από 1 μs. Αφενός ήταν ασταθείς πυρήνες και αφετέρου συγκρούστηκαν με τα τοιχώματα του σωλήνα και διαλύθηκαν. Τι έγινε όμως; Στα πειράματα με συγκρούσεις ιόντων μολύβδου παρά το γεγονός ότι οι συγκρουόμενες δέσμες έχουν πλάτος 20 μm συμβαίνουν αστοχίες. Κάποια ιόντα περνούν τόσο κοντά και καθως κινούνται με ταχύτητες κοντά σε αυτήν του φωτός δημιουργούν ένα πανίσχυρο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο προκαλεί έξοδο πρωτονίων από τα ιόντα μολύβδου. Αν από τα 82 πρωτόνια του μολύβδου αφαιρεθουν 3 μένουν 79 που είναι χρυσός. Μέχρι τώρα χρυσός παράγεται σε μεγάλες ποσότητες απο βίαια και εξόχως ενεργητικά συμπαντικά φαινόμενα όπως κατα τη στιγμή μιας έκρηξης supernova, από εκρήξεις τεραστίων διαστάσεων σε αστέρες νετρονίων με πολύ μεγάλο μαγνητικό πεδίο γνωστούς ως μάγναστρα και κυρίως απο συγκρούσεις αστέρων νετρονίων.
Η ανάρτηση έρχεται σαν συνέχεια της προηγούμενης όπου είχαμε δει τα μεγάλα ανοιχτά ζητήματα στον τομέα της αστροφυσικής. Συγκεκριμένα: Την ενοποίηση σε πρώτη φάση των τριών θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων του καθιερωμένου προτύπου της κβαντομηχανικής(ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή και ασθενής πυρηνική) και στη συνέχεια μία πιθανή θεωρία των πάντων με εννοποιημένες και τις 4 αλληλεπιδράσεις μαζί με τη βαρύτητα. Το άλλο μεγάλο ζήτημα είναι η ύπαρξη και προέλευση της σκοτεινής ύλης και ενέργειας και τέλος η κατανόηση του γιατί η ύλη υπερίσχυσε κατά κράτος της αντιύλης. Για όλα αυτά και πολλά επιμέρους έχουμε στη διάθεσή μας τον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων LHC του CERN που αναμένεται να μεγαλώσει στο τριπλάσιο τα επόμενα 20 με 30 χρόνια με ένα τεράστιο κόστος περί τα 14 δις ευρώ. Η ανάρτηση περιλαμβάνει μερικά βασικά στοιχεία από τη λειτουργία του LHC και μία ενδιαφέρουσα άσκηση στην οποία δίνω τους απαραίτητους τύπους από την ειδική σχετικότητα για να καταστεί λυκειακή.
Τι είναι ο Large Hadrons Collider (LHC)
O LHC είναι ΄ένας μεγάλος επιταχυντής αδρονίων που επιταχύνει ΄δέσμες αδρονιων σε ταχύτητες κοντά σε αυτήν του φωτός. Τα αδρόνια κινούνται σε σωλήνα υψηλού κενού μήκους 26659 km σε αντίθετης φοράς κυκλικές τροχιές. Μόλις τα αδρόνια φτάσουν στο μέγιστο της ενέργειας συγκρούονται με αποτέλεσμα να διασπαστούν σε πιό απλά υποατομικά σωματίδια.
Στην εικόνα βλέπουμε ένα τμήμα του σωλήνα υψηλού κενού του LHC
Τα αδρόνια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τα βαρυόνια(κυρίως πρωτόνια και νετρόνια) και τα μεσόνια. Τα βαρυόνια έχουν μονό αριθμό κουάρκ(συνήθως 3) και τα μεσόνια ζυγό(συνήθως 2). Τα 3 κουάρκ των πρωτονίων έχουν φορτίο +2/3, +2/3, -1/3 σύνολο +1 και τα κουάρκ των νετρονίων -1/3, -1/3, +2/3 συνολο μηδέν. Τα βαρυόνια είναι φερμιόνια δηλαδή έχουν ημιακέραιο spin και υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, ενώ τα μεσόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ σύνολο φορτίου μηδέν. Τα μεσόνια είναι μποζόνια δηλαδή έχουν ακέραιο spin, συνολικό φορτίο μηδέν και δεν υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli. Σήμερα θεωρούμε ότι δομικά συστατικά της ύλης είναι τα κουάρκ που δεν διασπούνται και όχι τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Στον LHC επιταχύνονται και συγκρούονται ιόντα δηλαδή πρωτόνια και ιόντα μετάλλων που αποτελούνται από πρωτόνια.Η εξήγηση των ανοιχτών θεμάτων της αστροφυσικής αναμένεται να πραγματοποιηθεί μέσω της ανακάλυψης των υπερσυμμετρικών σωματιδίων σε υπερυψηλές ενέργειες. Η υπερσυμμετρία είναι μια θεωρητική επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου της φυσικής, η οποία προτείνει ότι κάθε γνωστό σωματίδιο ύλης (φερμιόνιο) έχει έναν βαρύτερο υπερσυμμετρικό σύντροφο (μποζόνιο) και αντίστροφα. Στόχος της είναι να ενοποιήσει τις θεμελιώδεις δυνάμεις και να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη. Το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο (LSP) είναι υποψήφιο για τη σύσταση της σκοτεινής ύλης.
Κατά μήκος του σωλήνα κενού υπάρχουν 1232 διπολικοί υπεραγώγιμοι ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες οι οποίοι διατηρούν τις δέσμες ιόντων σε κυκλική τροχιά πάχους 1 mm και 392 τετραπολικοί που εστιάζουν τις δέσμες στα 20 μm στα σημεία σύγκρουσης προκειμένου να αυξηθούν οι πιθανότητες συγκρούσεων. Οι αστροφυσικοί λένε ότι συγκρούονται οι μύτες από δύο καρφίτσες οι οποίες βάλλονται απο απόσταση 10 km.
Στην εικόνα βλέπουμε ένα σχεδιάγραμμα με τις δύο δέσμες μέσα στον σωλήνα καθώς και τα 4 σημεία σύγκρουσης. Οι δέσμες συγκρούονται μετα από 11245 στροφές που διαρκούν 1s.
Πριν οι δέσμες εισέλθουν στον μεγάλο σωλήνα διέρχονται από γραμμικό επιταχυντή που μετατρέπει ουδέτερα άτομα υδρογόνου σε Η-1 , από σύγχροτρο και από υπερσύχροτρο που αφαιρεί δύο ηλεκτρόνια, μετατρέπει τα ιόντα Η– σε πρωτόνια Η+ και επιταχύνει τις δέσμες κατά 450 Gev σύνολο 500 Gev = 0,5 Tev πρίν εισέλθουν στο μεγάλο σωλήνα όπου προστίθεται ενέργεια 6,5 Τev για να φτάσουμε σε 7 Tev.
Μεγαλύτερα επιτεύγματα του LHC η ενοποίηση ηλεκτρομαγνητικής και ασθενούς αλληλεπίδρασης και η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs.
Όταν οι δέσμες διασταυρώνονται, συμβαίνουν έως και 40 συγκρούσεις μεταξύ 200 δισεκατομμυρίων σωματιδίων. Οι δέσμες διασταυρώνονται κατά μέσο όρο περίπου 30 εκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο, επομένως ο LHC παράγει περίπου 1 δισεκατομμύριο συγκρούσεις σωματιδίων ανά δευτερόλεπτο. Μια δέσμη μπορεί να κυκλοφορεί για περισσότερο από 10 ώρες, ταξιδεύοντας περισσότερα από 10 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα, αρκετά για να φτάσει στον πλανήτη Ποσειδώνα και πίσω. Για κάθε σύγκρουση, ο στόχος του φυσικού είναι να μετρήσει, να παρακολουθήσει και να χαρακτηρίσει όλα τα διαφορετικά σωματίδια που παράχθηκαν, προκειμένου να ανακατασκευάσει πλήρως τη διαδικασία. Μόνο η τροχιά του σωματιδίου δίνει πολλές χρήσιμες πληροφορίες, ειδικά αν ο ανιχνευτής τοποθετηθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο το φορτίο του σωματιδίου, για παράδειγμα, είναι προφανές,. Επίσης, μπορεί να προσδιοριστεί η ορμή του σωματιδίου.
Συγκρούοντας πυρήνες μολύβδου με πολύ υψηλή ενέργεια αναδημιουργούμε τις συνθήκες πυκνότητας και θερμοκρασίας που υπήρχαν κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang Δημιουργείται μια σταγόνα της πρωταρχικής κατάστασης της ύλης, ένα καυτό πλάσμα κουάρκ γλουονίων που ζει ελάχιστα Μελετώντας τις ιδιότητές της – Θα κατανοήσουμε καλύτερα τις διαδικασίες που συνέβησαν τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου στη ζωή του σύμπαντος , θα κατανοήσουμε καλύτερα την ισχυρή αλληλεπίδραση.
Περισσότερα στοιχεία θα βρείτε στην ιστοσελίδα του CERN και στην σελίδα LHC the guide.
