Ο σχεδιασμός για τον διάδοχο του πιο ισχυρού επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), βρίσκεται σε πλήρη εξέλιξη.
Ο νέος «πυρηνικός καταστροφέας», που ονομάζεται Future Circular Collider (FCC), θα είναι νανός του LHC σε μέγεθος και ισχύ. Θα συντρίψει σωματίδια με τόση ενέργεια που οι επιστήμονες λένε ότι θα μπορούσε να είναι σε θέση να μελετήσει τις πιο μυστηριώδεις οντότητες στο σύμπαν μας: τη σκοτεινή ενέργεια και τη σκοτεινή ύλη.
Οι φορείς εκμετάλλευσης LHC στο CERN ανακοίνωσαν στον Τύπο τη Δευτέρα (5 Φεβρουαρίου) τα αποτελέσματα μιας «ενδιάμεσης αξιολόγησης» της μελέτης σκοπιμότητας της FCC. Η μελέτη σκοπιμότητας ξεκίνησε το 2021 και αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2025. Τα μέχρι σήμερα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν τρία χρόνια εργασίας στα οποία επιστήμονες και μηχανικοί από όλο τον κόσμο έχουν καθορίσει την τοποθέτηση του νέου δακτυλίου επιταχυντή, την υλοποίηση της εγκατάστασης FCC, ιδέες για ανιχνευτές και πτυχές χρηματοδότησης.
Το FCC θα λειτουργεί υπό τη δικαιοδοσία της Γαλλίας και της Ελβετίας, όπως ακριβώς λειτουργεί ο LHC επί του παρόντος, αλλά ο μελλοντικός επιταχυντής θα εκτείνεται σε 56,5 μίλια (90,7 χιλιόμετρα), περισσότερο από τρεις φορές περισσότερο από τον τρέχοντα επιταχυντή σωματιδίων του CERN, ο οποίος έχει μήκος 16,8 μίλια. Ο LHC είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο.
Σχετίζεται με: Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να κρύβεται στις δέσμες σωματιδίων του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων
Το FCC θα λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως το LHC, επιταχύνοντας φορτισμένα σωματίδια γύρω από έναν βρόχο χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμους μαγνήτες και στη συνέχεια χτυπώντας τα μαζί καθώς πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός.
Οι επιστήμονες μπορούν να εξερευνήσουν τη θεμελιώδη φυσική παρατηρώντας βροχές από δευτερεύοντα σωματίδια που δημιουργούνται όταν σωματίδια όπως τα πρωτόνια συγκρούονται. Ωστόσο, ενώ ο LHC μπορεί να φτάσει σε ενέργειες περίπου 13 επίγειων ηλεκτρον βολτ (TeV) σε πλήρη ισχύ, το FCC θα πρέπει να μπορεί να φτάσει σε ενέργειες έως και 100 TeV, σύμφωνα με το CERN.
«Στόχος μας είναι να μελετήσουμε τις ιδιότητες της ύλης στη μικρότερη κλίμακα και στην υψηλότερη ενέργεια», δήλωσε η γενική διευθύντρια του CERN Fabiola Gianotti κατά την παρουσίαση της ενδιάμεσης έκθεσης την Τρίτη (6 Φεβρουαρίου) στη Γενεύη.
Γιατί οι επιταχυντές σωματιδίων χρειάζονται περισσότερη ισχύ;
Το κορυφαίο επίτευγμα του LHC μέχρι σήμερα είναι αναμφίβολα η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, του σωματιδίου που μεταφέρει τη δύναμη ενός πεδίου που ονομάζεται πεδίο Higgs, το οποίο διαπερνά το σύμπαν και καθορίζει τις μάζες των περισσότερων άλλων σωματιδίων.
Η πρωτοποριακή παρατήρηση του μποζονίου Higgs από δύο ανιχνευτές LHC ανακοινώθηκε στις 4 Ιουλίου 2012 και θεωρείται ότι ολοκληρώνει το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων, το οποίο αντιπροσωπεύει την καλύτερη περιγραφή της ανθρωπότητας για το σύμπαν, τα σωματίδια του και τις αλληλεπιδράσεις τους σε υποατομικό επίπεδο.
Ωστόσο, πρέπει να γίνουν κάποιες προσαρμογές στο Καθιερωμένο Μοντέλο – και από το 2012, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τον LHC για να αναζητήσουν φυσικούς παράγοντες πέρα από το μοντέλο και να κάνουν αυτές τις προσαρμογές. Η επιτυχία ήταν περιορισμένη. Αυτή η αναζήτηση θα ενταθεί όταν ολοκληρωθεί η αναβάθμιση του LHC σε υψηλή φωτεινότητα, που σημαίνει ότι ο επιταχυντής σωματιδίων θα είναι σε θέση να διεξάγει περισσότερες συγκρούσεις και να προσφέρει στους επιστήμονες περισσότερες ευκαιρίες να ανακαλύψουν εξωτική φυσική.
Τα δύο κύρια ακραία σημεία του Καθιερωμένου Μοντέλου (γνωστός και ως ο λόγος που ορισμένες από αυτές τις αλλαγές είναι απαραίτητες) είναι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια.
Αυτά τα φαινόμενα μερικές φορές αναφέρονται συλλογικά ως «σκοτεινό σύμπαν» και αντιπροσωπεύουν μεγάλους γρίφους για τους επιστήμονες, καθώς η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 68% της ενέργειας και της ύλης του σύμπαντος, ενώ η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 27% αυτών των ηπείρων. Αλλά κανένα από τα δύο δεν μπορεί να φανεί γιατί δεν αλληλεπιδρούν με το φως, ούτε έχει καταφέρει κάποιος να τα εντοπίσει μέσω άλλων μορφών άμεσης ανίχνευσης. Αυτό σημαίνει ότι η ύλη και η ενέργεια που μπορούμε να κατανοήσουμε και να εξηγήσουμε δεν αποτελούν περισσότερο από το 5% των περιεχομένων του σύμπαντος και έχουμε ελάχιστη ιδέα για το τι αποτελεί στην πραγματικότητα περίπου το 95% του σύμπαντος.
Και η εξερεύνηση αυτών των πτυχών του σύμπαντος μπορεί να απαιτεί συντριβή σωματιδίων με πολύ περισσότερη ενέργεια από ό,τι μπορεί να προσφέρει ο LHC υψηλής φωτεινότητας.
Πρώτα απ ‘όλα, η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να είναι «τυπική ύλη» όπως τα άτομα που αποτελούν τα πράγματα που βλέπουμε γύρω μας καθημερινά, όπως αστέρια, πλανήτες και το σώμα μας. Θυμάστε πώς δεν αλληλεπιδρά με το φως; Λοιπόν, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια – συλλογικά γνωστά ως “βαρυόνια” – το κάνουν αυτό. Άρα η σκοτεινή ύλη πρέπει να είναι κάτι άλλο.
Επί του παρόντος, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν την παρουσία της σκοτεινής ύλης μόνο μέσω της αλληλεπίδρασής της με τη βαρύτητα και της επίδρασής της στη βαρυονική ύλη και επομένως στο φως.
Η σκοτεινή ενέργεια είναι ακόμη πιο προβληματική. Οι επιστήμονες βλέπουν αυτό ως τη δύναμη που επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος.
Είναι μια περίοδος διαστολής ξεχωριστή από τον αρχικό πληθωρισμό του σύμπαντος που προκλήθηκε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αφού αυτή η πρώιμη διαστολή σχεδόν σταμάτησε, το σύμπαν άρχισε ανεξήγητα να διαστέλλεται ξανά σε μια μεταγενέστερη εποχή. Αυτός ο ρυθμός επέκτασης στην πραγματικότητα επιταχύνεται μέχρι σήμερα, χρησιμοποιώντας τη σκοτεινή ενέργεια για αυτή τη διαδικασία.
Αλλά όπως έχουμε ξανασυζητήσει, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν πραγματικά τι είναι η σκοτεινή ενέργεια.
Για να καταλάβετε γιατί αυτό είναι ανησυχητικό, φανταστείτε να σπρώχνετε ένα παιδί σε μια κούνια. Το Big Bang είναι σαν το πρώτο και μοναδικό σας σπρώξιμο που ξεκινά την ορμή. Η ορμή μπορεί να συνεχιστεί για λίγο χωρίς την παρέμβασή σας, μετά φτάνει στο μισό. Στη συνέχεια, φανταστείτε ότι ξαφνικά αρχίζει να κινείται ξανά παρόλο που απλά στέκεστε εκεί. Και όχι μόνο αυτό: ταλαντεύεται όλο και πιο γρήγορα και φτάνει όλο και πιο ψηλά σημεία. Αυτό είναι παρόμοιο με αυτό που κάνει η σκοτεινή ενέργεια στον ιστό του διαστήματος.
Το CERN ελπίζει ότι οι συγκρούσεις υψηλής ενέργειας της FCC θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τη φύση αυτής της συνεχιζόμενης, όψιμης έκρηξης του σύμπαντος και τα σωματίδια που συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη.
Ωστόσο, θα περάσει αρκετός καιρός μέχρι να είναι έτοιμος αυτός ο μελλοντικός επιταχυντής σωματιδίων να ξεκινήσει την εξερεύνηση του σκοτεινού σύμπαντος.
Το πρόγραμμα και το κόστος του Future Circular Collider
Το 2028, τρία χρόνια μετά την ολοκλήρωση της μελέτης σκοπιμότητας της FCC, τα κράτη μέλη του CERN θα συναντηθούν για να αποφασίσουν εάν θα δώσουν το πράσινο φως στην FCC. Εάν ο μελλοντικός επιταχυντής πάρει το πράσινο φως, η κατασκευή θα ξεκινήσει στα μέσα της δεκαετίας του 2030, σύμφωνα με το CERN.
Το FCC θα ολοκληρωθεί σταδιακά. Το πρώτο στάδιο είναι ένας επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (FCC-ee), ο οποίος εκτοξεύει μαζί αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, τα αντίστοιχα θετικά αντισωματίδια που ονομάζονται ποζιτρόνια και άλλα ελαφρά σωματίδια. Το CERN προσθέτει ότι η FCC-ee έχει προγραμματιστεί να αρχίσει να λειτουργεί το 2045.
Το δεύτερο μηχάνημα της FCC θα είναι ένας επιταχυντής σύγκρουσης πρωτονίων (FCC-hh), που βρίσκεται δίπλα στο FCC-ee στην ίδια εκκενωμένη σήραγγα κάτω από τις γαλλο-ελβετικές Άλπεις και τη λίμνη της Γενεύης. Σύμφωνα με το CERN, αυτό το τμήμα δεν θα κυκλοφορούσε το νωρίτερο μέχρι το 2070.
Παρόμοιες αναρτήσεις:
— Ένας τεράστιος γαλαξίας χωρίς σκοτεινή ύλη είναι ένα κοσμικό μυστήριο
— Οι ερευνητές σκάβουν βαθιά υπόγεια με την ελπίδα να μπορέσουν επιτέλους να παρατηρήσουν τη σκοτεινή ύλη
— Το τηλεσκόπιο του σκοτεινού σύμπαντος του Ευκλείδη καταγράφει τις πρώτες έγχρωμες όψεις του Κόσμου (Εικόνες)
Στη συνέντευξη Τύπου του CERN, ο Gianotti εξήγησε ορισμένα από τα κόστη της FCC, λέγοντας ότι μόνο το πρώτο στάδιο FCC-ee θα κόστιζε περίπου 17 δισεκατομμύρια δολάρια.
Ο γενικός διευθυντής του CERN δικαιολόγησε το κόστος λέγοντας ότι το FCC ήταν η μόνη μηχανή που θα επέτρεπε στην ανθρωπότητα να κάνει το μεγάλο άλμα στην εξερεύνηση της ύλης που απαιτείται για να ξεκλειδώσει τα μυστικά του σκοτεινού σύμπαντος.