ο την επιστήμη της σωματιδιακής φυσικής εξετάζει τα ίδια τα δομικά στοιχεία της ύλης - τα άτομα και τα σωματίδια που αποτελούν μεγάλο μέρος του υλικού στον Κόσμο. Είναι μια περίπλοκη επιστήμη που απαιτεί μετριοπαθείς μετρήσεις σωματιδίων που κινούνται σε υψηλές ταχύτητες. Αυτή η επιστήμη πήρε μια τεράστια ώθηση όταν ο Large Hadron Collider (LHC) άρχισε να λειτουργεί τον Σεπτέμβριο του 2008. Το όνομά του ακούγεται πολύ «επιστημονικά-μυθιστορηματικό» αλλά η λέξη «συγκρουστή» εξηγεί πραγματικά τι ακριβώς κάνει: στέλνει δύο δέσμες σωματιδίων υψηλής ενέργειας σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός γύρω από ένα υπόγειο έδαφος μήκους 27 χιλιομέτρων δαχτυλίδι. Την κατάλληλη στιγμή, οι δοκοί αναγκάζονται να "συγκρούονται". Τα πρωτόνια στα δοκάρια στη συνέχεια συνθλίβονται μαζί και, αν όλα πάνε καλά, δημιουργούνται μικρά κομμάτια - κομμάτια υποατομικά - για σύντομες στιγμές. Οι πράξεις και η ύπαρξή τους καταγράφονται. Από τη δραστηριότητα αυτή, οι φυσικοί μάθουν περισσότερα για τα πολύ θεμελιώδη συστατικά της ύλης.
LHC και σωματιδιακή φυσική
Ο LHC χτίστηκε για να απαντήσει σε μερικές απίστευτα σημαντικές ερωτήσεις στη φυσική, να ξεδιπλώσει από όπου προέρχεται η μάζα, γιατί ο κόσμος είναι κατασκευασμένος από ύλη αντί για το αντίθετο "υλικό" που ονομάζεται αντιύλη, και τι θα μπορούσε να είναι το μυστηριώδες "υλικό" που είναι γνωστό ως σκοτεινή ύλη. Θα μπορούσε επίσης να παράσχει σημαντικές νέες ενδείξεις για τις συνθήκες στο πολύ πρώιμο σύμπαν όταν βαρύτητα και οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις όλοι συνδυάστηκαν με τις αδύναμες και τις ισχυρές δυνάμεις σε ένα ενιαίο σύνολο δύναμη. Αυτό συνέβη μόνο για μικρό χρονικό διάστημα στο πρώιμο σύμπαν, και οι φυσικοί θέλουν να μάθουν γιατί και πώς άλλαξαν.
Η επιστήμη της σωματιδιακής φυσικής είναι ουσιαστικά η αναζήτηση τα πολύ βασικά δομικά στοιχεία της ύλης. Γνωρίζουμε για τα άτομα και τα μόρια που συνθέτουν όλα όσα βλέπουμε και νιώθουμε. Τα ίδια τα άτομα αποτελούνται από μικρότερα συστατικά: τον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας αποτελείται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αυτό όμως δεν είναι το τέλος της γραμμής. Τα νετρόνια αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ.
Υπάρχουν μικρότερα σωματίδια; Αυτό είναι που οι επιταχυντές σωματιδίων έχουν σχεδιαστεί για να μάθετε. Ο τρόπος με τον οποίο γίνεται αυτό είναι να δημιουργηθούν συνθήκες παρόμοιες με αυτές που ήταν αμέσως μετά το Big Bang - το γεγονός που ξεκίνησε το σύμπαν. Σε εκείνο το σημείο, πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν έγινε μόνο από σωματίδια. Ήταν διάσπαρτα ελεύθερα μέσω του νηπιακού κόσμου και περιπλανούσαν συνεχώς. Αυτά περιλαμβάνουν μεσόνια, πόνυ, βαρυόνια και αδρόνια (για τα οποία ονομάζεται ο επιταχυντής).
Οι φυσικοί των σωματιδίων (οι άνθρωποι που μελετούν αυτά τα σωματίδια) υποπτεύονται ότι η ύλη αποτελείται από τουλάχιστον δώδεκα είδη θεμελιωδών σωματιδίων. Διακρίνονται σε κουάρκ (αναφέρθηκαν παραπάνω) και σε λεπτόνια. Υπάρχουν έξι από κάθε τύπο. Αυτό αντιπροσωπεύει μόνο μερικά από τα θεμελιώδη σωματίδια στη φύση. Τα υπόλοιπα δημιουργούνται σε υπερ-ενεργειακές συγκρούσεις (είτε στο Big Bang είτε σε επιταχυντές όπως ο LHC). Μέσα από αυτές τις συγκρούσεις, οι φυσικοί των σωματιδίων παίρνουν μια πολύ γρήγορη ματιά σε ποιες συνθήκες ήταν όπως στη Μεγάλη Έκρηξη, όταν δημιουργήθηκαν αρχικά τα θεμελιώδη σωματίδια.
Τι είναι ο LHC;
Ο LHC είναι ο μεγαλύτερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο, μια μεγάλη αδελφή του Fermilab στο Illinois και άλλων μικρότερων επιταχυντών. Το LHC βρίσκεται κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας και κατασκευάστηκε και λειτουργεί από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών και χρησιμοποιείται από περισσότερους από 10.000 επιστήμονες από όλο τον κόσμο. Κατά μήκος του δακτυλίου, οι φυσικοί και οι τεχνικοί έχουν εγκαταστήσει εξαιρετικά ισχυρούς υπερψυγμένους μαγνήτες που καθοδηγούν και διαμορφώνουν τις δέσμες σωματιδίων μέσω ενός σωλήνα δέσμης). Μόλις οι δοκοί κινούνται αρκετά γρήγορα, οι εξειδικευμένοι μαγνήτες τους καθοδηγούν στις σωστές θέσεις όπου συμβαίνουν οι συγκρούσεις. Εξειδικευμένοι ανιχνευτές καταγράφουν τις συγκρούσεις, τα σωματίδια, τις θερμοκρασίες και τις άλλες συνθήκες τη δεδομένη στιγμή της σύγκρουσης και των ενεργειών σωματιδίων στα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου κατά τη διάρκεια των οποίων πραγματοποιούνται οι συντριβές θέση.
Τι ανακάλυψε ο LHC;
Όταν οι φυσικοί των σωματιδίων σχεδίασαν και έχτισαν τον LHC, ένα πράγμα που ελπίζουν να βρει αποδεικτικά στοιχεία είναι το Higgs Boson. Είναι ένα σωματίδιο που ονομάζεται μετά Peter Higgs, ο οποίος προέβλεψε την ύπαρξή του. Το 2012, η κοινοπραξία LHC ανακοίνωσε ότι τα πειράματα είχαν αποκαλύψει την ύπαρξη ενός μποζόν που ταιριάζει με τα αναμενόμενα κριτήρια για το Βόγκο Higgs. Εκτός από τη συνεχή αναζήτηση του Higgs, οι επιστήμονες που χρησιμοποιούν το LHC δημιούργησαν αυτό που ονομάζεται "πλάσμα κουάρκ-γλυκόνης", το οποίο είναι το πυκνότερο θέμα που πιστεύεται ότι υπάρχει έξω από μια μαύρη τρύπα. Άλλα πειράματα σωματιδίων βοηθούν τους φυσικούς να κατανοήσουν την υπερσυμμετρία, η οποία είναι μια συμμετρία διαστήματος που περιλαμβάνει δύο συναφή είδη σωματιδίων: μποζόνια και φερμιόνια. Κάθε ομάδα σωματιδίων πιστεύεται ότι έχει ένα σχετικό σωματίδιο υπερσυλλεκτών στο άλλο. Η κατανόηση μιας τέτοιας υπερσυμμετρίας θα δώσει στους επιστήμονες περαιτέρω εικόνα για αυτό που ονομάζεται "τυποποιημένο μοντέλο". Είναι μια θεωρία που εξηγεί τι είναι ο κόσμος, τι συγκρατεί την ύλη μαζί και τις δυνάμεις και τα σωματίδια που εμπλέκονται.
Το μέλλον του LHC
Οι λειτουργίες στο LHC περιλάμβαναν δύο σημαντικές διαδρομές "παρατήρησης". Ανάμεσα σε κάθε ένα, το σύστημα ανανεώνεται και αναβαθμίζεται για να βελτιώσει τα όργανα και τους ανιχνευτές του. Οι επόμενες ενημερώσεις (πλακόστρωτες για το 2018 και αργότερα) θα περιλαμβάνουν αύξηση των ταχυτήτων συγκρούσεων και πιθανότητα αύξησης της φωτεινότητας του μηχανήματος. Αυτό σημαίνει ότι ο LHC θα είναι σε θέση να δει ακόμα πιο σπάνιες και ταχείες διαδικασίες επιτάχυνσης σωματιδίων και σύγκρουσης. Όσο ταχύτερα μπορούν να συμβούν οι συγκρούσεις, τόσο περισσότερη ενέργεια θα απελευθερωθεί καθώς πρόκειται για μικροσκοπικά και πιο ανθεκτικά σωματίδια. Αυτό θα δώσει στους σωματικούς φυσικούς μια ακόμα καλύτερη ματιά στα ίδια τα δομικά στοιχεία της ύλης που απαρτίζουν τα αστέρια, τους γαλαξίες, τους πλανήτες και τη ζωή.