LHC είναι τα αρχικά του Large Hadron Collider. Μέγας «Συγκρουστής» Αδρονίων.

Τα αδρόνια είναι υποατομικά σωματίδια που αλληλεπιδρούν με ΙΣΧΥΡΗ αλληλεπίδραση. Το διασημότερο ανάμεσά τους είναι το ΠΡΩΤΟΝΙΟ.

Τα αδρόνια δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια. Σύμφωνα με το Standard MODEL κάθε αδρόνιο συγκροτείται από ΚΟΥΑΡΚ

O LHC είναι η μεγαλύτερη μηχανή που κατασκεύασε ποτέ ο άνθρωπος.

Πρόκειται για ένα γιγάντιο εγχείρημα κατ΄ αρχάς κατασκευαστικό. Δημιουργείται με υλικά του πλανήτη Γη, όπως η άμμος, η πρώτη ύλη για τους υπολογιστές, το υδρογόνο από το οποίο παίρνουμε τα πρωτόνια για τις δέσμες των σωματιδίων που θα συγκρουστούν, αλλά από το υτπέδαφος πλανήτη παίρνουμε και το μέταλλο για τους υπεραγώγιμους μαγνήτες που οδηγούν τις δέσμες των πρωτονίων στην υπόγεια σήραγγα με τρομακτικές ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

Η «μηχανή» κατασκευάζεται με σκοπό

να ΕΠΙΤΑΧΥΝΕΙ αόρατα σωματίδια αδρόνια ,

να δημιουργήσει προϋποθέσεις ώστε να ΣΥΓΚΡΟΥΣΤΟΥΝ μεταξύ τους και

να ΑΝΙΧΝΕΥΣΕΙ τις συνέπειες.

Γι αυτό και μπορούμε σχηματικά να πούμε ότι αποτελείται από

α. Μια σειρά από επιταχυντές με τους οποίους – το σχέδιο προβλέπει – να μεταβιβάζεται σε σωματίδια ΑΔΡΟΝΙΑ ενέργεια 14 TeV.

β. Μία διάταξη στην οποία θα πραγματοποιούνται οι συγκρούσεις

Το τούνελ όπου θα γίνονται οι συγκρούσεις περιέχει δύο σωλήνες με υπεραγώγιμους μαγνήτες που ψύχονται με υγρό ήλιο. Κάθε σωλήνας περιέχει μία δέσμη πρωτονίων. Οι δύο δέσμες ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο. Πρόσθετοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται για να κατευθύνουν τις δέσμες σε τέσσερα σημεία όπου οι αλληλεπιδράσεις θα συντελεστούν. Κάθε πρωτόνιο τόσο της μιας όσο και της αντίθετης πλευράς έχει ενέργεια 7 TeV έτσι ώστε η συνολική ενέργεια της κάθε σύγκρουσης θα είναι 14 TeV. Και 14 TeV σημαίνει ενέργεια επτά φορές μεγαλύτερη από αυτή του – μέχρι το 2008, πρωταθλητή – επιταχυντή του Fermilab ή 7000 φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που ισοδυναμεί στη μάζα του πρωτονίου.

γ. Έξι ανιχνευτές οι σημαντικότεροι από τους οποίους σχετίζονται με τα ερευνητικά προγράμματα ATLAS και CMS

ο ATLAS είναι ένας ανιχνευτής σωματιδίων μήκους 46 μέτρων και με διάμετρο 25 μέτρων και με βάρος 7000 τόνων. Στο πρόγραμμα συνεργάζονται 2000 ερευνητές και τεχνικοί. Είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να ανιχνεύει μία ευρεία γκάμα σημάτων

Στο Πρόγραμμα CMS Compact Muon Solenoid ο detector – ανιχνευτής θα είναι κυλινδρικός ,

με μήκος 21 μέτρα, με διάμετρο 16 μέτρων και βάρος 12.500 τόνων.

Οι στόχοι του ερευνητικού προγράμματος – το οποίο αναλύεται σε επί μέρους προγράμματα - είναι:

α. να ερευνήσει τη συμπεριφορά των σωματιδίων σε ενεργειακή κλίμακα TeV, να δημιουργήσει συνθήκες

10^-5 δευτερολέπτου του Big Bang, με σούπα «ΠΛΑΣΜΑ ΓΛΟΙΟΝΙΩΝ ΚΑΙ ΚΟΥΑΡΚ» τα οποία στη συνέχεια παγώνουν δίνοντας αδρόνια. Η σούπα πραγματοποιείται με τη σύγκρουση πυρήνων μολύβδου. Από τη σύγκρουση τα 400 – πρωτόνια και νετρόνια – περίπου σωματίδια των δύο πυρήνων ουσιαστικά «λιώνουν» απελευθερώντας κουάρκ με τη μορφή της «σούπας», του πλάσματος δηλαδή γλοιονίων και κουάρκ Έτσι η Κοσμολογία από επιστήμη βασιζόμενη μόνο σε παρατήρηση θα γίνει και πειραματική, σχεδιάζοντας πειράματα ακριβείας με πλάσμα γλοιονίων και κουάρκ που θα παράγεται σε εργαστήριο

β. Να ανακαλύψει το ΜΠΟΖΟΝΙΟ HIGGS , το κομμάτι που λείπει από το πάζλ του STANDARD MODEL.

Ο εντοπισμός αυτός έχει ιδιάιτερη σημασία δεδομένου ότι το συγκεκριμένο σωματίδιο θεωρείται υπεύθυνο για την ΑΥΘΟΡΜΗΤΗ ΡΗΞΗ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ η οποία οδηγεί στη δημιουργία σωματιδίων με μάζα .

γ. Να ερευνήσει την ύπαρξη και άλλων σωματιδίων που δεν προβλέπονται από το STANDARD MODEL Ανάμεσά του ιδιαίτερη σημασία έχουν τα σωματίδια της SUSY, τα σωματιδία ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ

Η ύπαρξη αυτών των σωματιδίων θα συνέβαλε στη λύση δύο σοβαρών συγχρονων προβλημάτων. Πρώτον θα έδειχνε εάν η ΘΕΩΡΙΑ ΥΠΕΡΧΟΡΔΩΝ είναι σωστή. Αν και η άμεση ανίχνευση των χορδών είναι εξαιρετικά δύσκολη, όσως είναι δυνατόν να ανιχνευτούν χαμηλότερες «οκτάβες» ή συντονισμοί της θεωρίας χορδών. Δεύτερον θα βοηθούσε τους κοσμολόγους και τους φυσικούς να «μάθουν» από ποια σωματίδια αποτελείται η DARK MATTER

Εκείνο πάντως που δικαιολογημένα εντυπωσιάζει είναι ότι το 1897 ο J.J. Thomson, ΜΟΝΟΣ του μέσα στο εργαστήριο του Cambridge, ανακάλυψε τον πατριάρχη των στοιχειωδών σωματιδίων, το απίστευτο για τότε πιτσιρίκι ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ που υπήρχε πάντα στα σπλάχνα της ΎΛΗΣ , χρησιμοποιώντας ΕΝΑ ΣΩΛΗΝΑ με μήκος 27 εκατοστών και εκατόν δέκα χρόνια αργότερα η έρευνα για νέα σωματίδια γίνεται μέσα σε δακτύλιους μήκους 27 χιλιομέτρων και με τη συνεργασία ΧΙΛΙΑΔΩΝ ερευνητών και μηχανικών από τριανταέξι χώρες

Λίγο πιο αναλυτικά

Ο LHC με διάμετρο 27 χιλιόμετρα, στην τάξη μεγέθους μιας ολόκληρης πόλης.

Η σήραγγά εκτείνεται πέρα από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα.

Για να καλυφθεί το κόστος κατασκευής του χρειάστηκε η σύμπραξη αρκετών ευρωπαϊκών χωρών.

Ένας μεγάλος κυκλικός θάλαμος ΚΕΝΟΥ με τεράστιους ΜΑΓΝΗΤΕΣ τοποθετημένους σε στρατηγικά σημεία για να μπορούν να προσφέρουν την κεντρομόλο έτσι ώστε η τροχιά να είναι ΚΥΚΛΙΚΗ.

Οι ισχυροί μαγνήτες που θα είναι διαταγμένοι κατά μήκος του κυκλικού σωλήνα, θα αναγκάζουν καθένα από τα σωματίδια μιας δέσμης να κινείται κυκλικά με ολοένα αυξανόμενη ενέργεια, θα προσφέρουν δηλαδή τόσο την ΚΕΝΤΡΟΜΟΛΟ όσο και την ΕΠΙΤΡΟΧΙΑ συνιστώσα. Στην πιο ενδιαφέρουσα εκδοχή τα σωματίδια είναι ΠΡΩΤΟΝΙΑ.

Ένα από τα σημαντικά προγράμματα του μέλλοντος έχει σχεδιαστεί και για ιόντα μολύβδου. Αυτά προέρχονται από μια πηγή ατμοποιημένου μολύβδου και εισέρχονται στον Γραμμικό Επιταχυντή για να συλλεγούν και να επιταχυνθούν παραπέρα στον Δακτύλιο Ιόντων Χαμηλών Ενεργειών Low Energy Ion Ring (LEIR) . Στη συνέχεια ακολουθούν το ίδιο δρομολόγιο με τα πρωτόνια

Οι πανίσχυροι μαγνήτες είναι οι πρωταγωνιστές. Ευθύνονται για την καμπύλωση των πρωτονίων σε ΚΥΚΛΟ και το μαγνητικό τους πεδίο είχε σχεδιαστεί για 8 περίπου Tesla. Για να παραχθεί αυτό το τρομακτικό μαγνητικό πεδίο εισάγεται ηλεκτρικό ρεύμα 12.000 Α σε μια σειρά από πηνία που έχουν ψυχθεί σε 2 Κ ώστε να χάσουν την αντίστασή τους και να γίνουν υπεραγωγοί . Συνολικά 1200 περίπου μαγνήτες μήκους 15 μέτρων που καλύπτουν το 85% της συνολικής περιφέρειας της μηχανής.

Το ταξίδι του πρωτονίου μέσα από τους επιταχυντές.

Τα πρωτόνια προέρχονται από άτομα υδρογόνου από τα οποία αφαιρούνται τα ηλεκτρόνια .

Εισέρχονται στον Γραμμικό Επιταχυντή (LINAC2) στον οποίο αποκτούν κάποια ενέργεια 160 MeV

για να μεταβιβαστούν στον κυκλικό διαμέτρου 50 m μέτρων PS Booster - Ενισχυτή Proton Synchrotron-

ύστερα στο κυκλικό διαμέτρου 200 m Σύγχροτρο πρωτονίων PS στη συνέχεια

στον Super Proton Synchrotron (SPS) Υπερσύγχροτρο Πρωτονίων κυκλικό με περιφέρεια 7 km και τελικά

στον LHC - Large Hadron Collider - κυκλικό με περιφέρεια 27 km μέσα στον οποίο θα κυκλοφορούν σε υψηλό ΚΕΝΟ σε επιταχυνόμενη κυκλική κίνηση επί 20 λεπτά μέχρι να αποκτήσουν τη μέγιστη κινητική ενέργεια

Η τροχιά δηλαδή ενός σωματιδίου το οποίο, κατά το τέλος του ταξιδιού θα φθάσει σε ενέργεια

14 TeV είναι η πρώτη ευθύγραμμη και τρεις επόμενες κυκλικές σε τρεις όλο και πιο μεγάλους κύκλους

To PS Σύγχροτρο Πρωτονίων έχει μια περιφέρεια 628 m, 277 συμβατικούς - όχι δηλαδή υπεραγώγιμους - μαγνήτες και φθάνει τα σωματίδια σε 25 GeV. Εκτός από πρωτόνια επιταχύνει σωματίδια άλφα, πυρήνες οξυγόνου και θείου, ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια και αντιπρωτόνια

Το SPS Υπερσύγχροτρο Πρωτονίων Super Proton Synchrotron είναι η δεύτερη σε μέγεθος μηχανή στο σύμπλεγμα των επιταχυντών. Έχει περιφέρεια 7 χιλιομέτρων και δέχεται σωματίδια 25 Gev από το PS και τα επιταχύνει περαιτέρω για να τα μεταβιβάσει με ενέργεια 450 Gev στον LHC . O SPS έχει 1317 συμβατικούς ηλεκτρομαγνήτες μαγνήτες μαζί με 744 μαγνητικά δίπολα για να κατευθύνουν τα σωματίδια και την αντίστοιχη δέσμη σε ΚΥΚΛΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ. Έχει σοβαρό βιογραφικό δεδομένου ότι στο παρελθόν – στα 26 χρόνια της ζωής του- επιτάχυνε ποικίλα σωματίδια και σε μια απ τις καλύτερες αναμνήσεις του είναι η ανακάλυψη των μποζονίων W και Z από τον Carlo Rubia

Ο LHC, ο οποίος προσφέρει το τελευταίο ταξίδι στα σωματίδια των σωματιδίων είναι ένας δακτύλιος 27 km με υπεραγώγιμους μαγνήτες και με ποικίλες διατάξεις που μεταβιβάζουν ενέργεια στα σωματίδια τα οποία έχουν μεταφερθεί από το SPS. Στο εσωτερικό του συνυπάρχουν δύο δέσμες σωματιδίων με αντίθετες κατευθύνσεις και με ταχύτητες κοντά σε εκείνη του φωτός τα οποία θα συγκρουστούν, τα μεν με τα δε. Οι δύο δέσμες διακινούνται σε δύο ξεχωριστούς σωλήνες υψηλού ΚΕΝΟΥ. Κατευθύνονται σε απόλυτα κυκλικές τροχιές από μαγνητικά πεδία υπεραγώγιμων ηλεκτρομαγνητών τα πηνία των οποίων διατηρούνται σε θερμοκρασίες γύρω στο - 271 ⁰C Και δεν είναι μόνο αυτοί.

Χιλιάδες μαγνήτες με μεγάλη ποικιλία στα μεγέθη τους πρωταγωνιστούν ως ΟΡΑΤΆ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ, στη διαμόρφωση του επιδιωκόμενου. Ανάμεσά τους α . πάνω από 1200 μαγνητικά δίπολα καθένα μήκους 15 μέτρων έχουν τον ρόλο να «κάμπτουν» τις τροχιές των σωματιδίων συμβάλλοντας στο να δημιουργείται η ακριβής κεντρομόλος για να επιτυγχάνεται η απόλυτη η κυκλική τροχιά β. 400 περίπου τετραπολικοί μαγνήτες με τον ρόλο να εστιάζουν τη δέσμη αλλά γ. και μαγνήτες άλλων τύπων με σκοπό να «συμπιέζουν» τη δέσμη, να διατηρούν δηλαδή τα σωματίδια ΚΟΝΤΑ ώστε να αυξάνονται οι πιθανότητες των συγκρούσεων

Ποια είναι η θέση του LCH στο παγκόσμιο επίπεδο έρευνας του σήμερα ;

Αν από την άποψη της ευαισθησίας τα πρωτεία σε παγκόσμιο επίπεδο ανήκουν στο LIGO και στο LISA, τα σκήπτρα της ισχύος ανήκουν στον LHC Είναι αρκετές φορές μεγαλύτερη από το TEVATRON του Fermilab το οποίο μέχρι πρόσφατα ήταν η ισχυρότερη διάταξη για τη Φυσική Υψηλών Ενεργειών

Πώς θα βλέπουν τον LHC οι αρχαιολόγοι του μέλλοντος ;

Με τον LHC οι φυσικοί προσεγγίζουν τα ανώτατα όρια ενέργειας με τους σημερινούς επιταχυντές, οι οποίοι καταλαμβάνουν την έκταση μιας πόλης. Το «ιερό δισκοπότηρο» όμως της σωματιδιακής Φυσικής είναι η δημιουργία ενός ΕΠΙΤΡΑΠΕΖΙΟΥ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗ, ικανού να παράγει δέσμες κοντά σε Tev παρόλο που σε μέγεθος θα είναι πολύ μικρότερος από τους συμβατικούς επιταχυντές. Στην προσπάθεια αυτή οι φυσικοί πειραματίζονται με ριζικά διαφορετικούς τρόπους τροφοδότησης της δέσμης σωματιδίων όπως είναι οι ισχυρές δέσμες Laser.

Οι επιταχυντές με Laser που έχουν κατασκευαστεί προς το παρόν είναι σχετικά αδύναμοι, αλλά η πρόοδος είναι ραγδαία και ίσως η υλοποίηση του πρώτου επιτραπέζιου επιταχυντή να μην αργήσει.

ΟΤΑΝ ΓΙΝΕΙ ΑΥΤΟ, Ο LHC ΘΑ ΦΑΝΤΑΖΕΙ ΣΑΝ ΤΟΝ ΤΕΛΕΥΤΑΙΟ ΤΩΝ ΔΕΙΝΟΣΑΥΡΩΝ