Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων O επιταχυντής LHC

Εργασία για το CERNΣημεία

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

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.

Καθιερωμένο Πρότυπο

Θεωρητικό υπόβαθροΣωματιδιακή φυσικήΚβαντική θεωρία πεδίουΘεωρία βαθμίδαςΑυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίαςΜηχανισμός Χιγκς

Θεμελιώδη στοιχείαΗλεκτρασθενής αλληλεπίδρασηΚβαντική χρωμοδυναμικήΠίνακας CMK

Όρια της θεωρίαςΙσχυρή παραβίαση CPΠρόβλημα της ιεραρχίαςΤαλαντώσεις νετρίνωνΦυσική 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 αλληλεπιδράσεις. Δεν περιλαμβάνει καμία περιγραφή των βαρυτικών

αλληλεπιδράσεων.

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

Ολλανδία Νορβηγία

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.

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.

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.

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.

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.

Το CMS είναι ένας γιγάντιος ανιχνευτής

σωματιδίων, τοποθετημένος 100 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της Γης.

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.

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.

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.

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;

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