Το CERN ετοιμάζεται για την επόμενη περίοδο αναβαθμισμένης έρευνας για μεγαλύτερη διείσδυση στη γνώση

Ο LHC άρχισε να λειτουργεί με σύγκρουση σωματιδίων το 2010. Στο εσωτερικό του 27 km δακτυλίου του, πακέτα πρωτονίων ταξιδεύουν περίπου με την ταχύτητα του φωτός και συγκρούονται σε τέσσερα σημεία αλληλεπίδρασης. Οι συγκρούσεις αυτές γεννούν νέα σωμάτια, τα οποία μετριούνται από ανιχνευτές που περιβάλλουν τα σημεία αλληλεπίδρασης. Αναλύοντας αυτές τις συγκρούσεις, οι φυσικοί από όλο τον πλανήτη διευρύνουν την κατανόησή μας για τους νόμους της φύσης.

Το LHC μπορεί να παράγει μέχρι και 1 δισεκατομμύριο συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων ανά δευτερόλεπτο. Η έννοια φωτεινότητα (luminosity) μας παρέχει ένα μέτρο για το πόσες συγκρούσεις συνέβησαν σε έναν επιταχυντή σωματιδίων. Η φωτεινότητα δεν είναι – αυστηρά μιλώντας – ο ρυθμός των συγκρούσεων: μετράει πόσα σωματίδια μπόρεσαν να στριμωχτούν σε ένα δεδομένο χώρο σε μια δεδομένη χρονική διάρκεια. Αυτό δεν σημαίνει ότι όλα αυτά τα σωματίδια θα συγκρουσθούν, όμως όσο περισσότερα μπορούν να χωρέσουν σε ένα δεδομένο χώρο, τόσο περισσότερο πιθανό είναι να συγκρουσθούν.

Τώρα ο LHC αναδιοργανώνεται για να εισέλθει σε μια νέα περίοδο, σε αυτή του LHC υψηλής φωτεινότητας ή High-Luminosity LHC (HL-LHC): ένα νέο ορόσημο στην ιστορία του CERN. Μέχρι το 2026 αυτή η σημαντική αναβάθμιση θα έχει βελτιώσει σημαντικά την απόδοση του LHC, αυξάνοντας τον αριθμό των συγκρούσεων στα μεγάλα πειράματα ενισχύοντας έτσι την πιθανότητα της ανακάλυψης νέων φυσικών φαινομένων. Ο HL-LHC θα αυξήσει τον αριθμό του 1 δισεκατομμυρίου συγκρούσεων στον LHC, κατά έναν παράγοντα μεταξύ πέντε και επτά – για αυτό και η ονομασία υψηλή φωτεινότητα – επιτρέποντας να συγκεντρωθούν περίπου 10 φορές περισσότερα δεδομένα μεταξύ του 2016 και 2036.

Αυτό σημαίνει ότι οι φυσικοί θα μπορέσουν να ερευνήσουν σπάνια φαινόμενα και να κάνουν πιο ακριβείς μετρήσεις. Για παράδειγμα, ο LHC επέτρεψε στους φυσικούς να φέρουν στην επιφάνεια το μποζόνιο Higgs το 2012, κάνοντας έτσι ένα μεγάλο βήμα προς την κατανόηση του πώς τα σωμάτια αποκτούν τη μάζα τους. Η αναβάθμιση στον HL-LHC θα επιτρέψει να προσδιοριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια οι ιδιότητες του μποζόνιου Higgs και να μετρηθεί με μεγαλύτερη λεπτομέρεια πώς παράγεται, πώς διασπάται και πώς αλληλεπιδρά με άλλα σωμάτια. Αλλά και πέρα από αυτά: θα διερευνηθούν σενάρια πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model), που περιλαμβάνουν την υπερσυμμετρία (SUSY), θεωρίες σχετικές με τις επιπλέον διαστάσεις και την (πιθανή) εσωτερική δομή του κουάρκ (compositeness).

Το πρωτότυπο ενός τετράπολου μαγνήτη για το HL-LHC (Εικόνα: Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch)

Το πρόγραμμα HL-LHC άρχισε ως μια διεθνής προσπάθεια 29 ινστιτούτων από 13 χώρες. Ξεκίνησε το Νοέμβριο του 2011 και δυο χρόνια αργότερα προσδιορίστηκε ως μια από τις κύριες προτεραιότητες της Ευρωπαϊκής Στρατηγικής για τη Σωματιδιακή Φυσική, πριν το πρόγραμμα εγκριθεί επίσημα από το Συμβούλιο του CERN, τον Ιούνιο του 2016. Μετά την επιτυχή κατασκευή του πρωτότυπου, πολλά νέα στοιχεία του εξοπλισμού θα κατασκευαστούν και θα εγκατασταθούν την ερχόμενη χρονιά. Συνολικά, περισσότερα από 1,2 km της υπάρχουσας μηχανής θα χρειαστεί να αντικατασταθούν με πολλά νέα, υψηλής τεχνολογίας, εξαρτήματα όπως μαγνήτες, κατευθυντήρες και κοιλότητες ραδιοσυχνότητας.

Σύμφωνα με τον ορισμό της φωτεινότητας, που αναφέρθηκε στην αρχή του κειμένου, το μυστικό για την αύξηση του ρυθμού των συγκρούσεων είναι να στριμωχθεί η δέσμη σωματιδίων στα σημεία αλληλεπίδρασης έτσι που η πιθανότητα των συγκρούσεων μεταξύ των πρωτονίων να αυξηθεί. Για να επιτευχθεί αυτό, ο HL-LHC χρειάζεται περίπου 130 νέους μαγνήτες, ειδικότερα 24 νέα υπεραγώγιμα τετράπολα εστίασης για την εστίαση της δέσμης και 4 υπεραγώγιμα δίπολα. Τόσο τα τετράπολα όσο κα τα δίπολα φθάνουν σε ένα μαγνητικό πεδίο περίπου 11,5 tesla, σε σύγκριση με τα δίπολα των 8,3 tesla που είναι σε χρήση στον LHC.

Ένα άλλο συστατικό για την αύξηση της συνολικής φωτεινότητας του LHC είναι η βελτίωση της διαθεσιμότητας και αποδοτικότητας της μηχανής. Για να το πετύχει αυτό το πρόγραμμα HL-LHC περιλαμβάνει μετεγκατάσταση εξοπλισμού, πράγμα που απαιτεί να υπάρξει ένα κατασκευαστικό πρόγραμμα – στην Ελβετία και τη Γαλλία – που περιλαμβάνει την κατασκευή νέων κτιρίων, φρεατίων εξαερισμού, υπόγειων χώρων και υπόγειων γαλαριών. Στις σήραγγες και στις υπόγειες αίθουσες θα φιλοξενηθούν ο νέος κρυογενικός εξοπλισμός, τα συστήματα ηλεκτρικών πηγών ενέργειας και διάφορα μηχανήματα για ηλεκτρισμό, ψύξη και εξαερισμό.

Δείτε το video:

Πηγή: CERN