Το σύμπλεγμα των επιταχυντών του CERN
Το σύμπλεγμα των επιταχυντών του CERN είναι το πλέον περίπλοκο του κόσμου και είναι αποτέλεσμα σημαντικής οικονομικής επένδυσης. Περιλαμβάνει επιταχυντές καθώς και επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών και μεταχειρίζεται δέσμες ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων, πρωτονίων, και "βαρέων" ιόντων (πυρήνες ατόμων, π.χ. οξυγόνου, θείου και μολύβδου).
Κάθε είδος σωματιδίου παράγεται με διαφορετικό τρόπο, αλλά στη συνέχεια επιταχύνεται διαδοχικά με παρόμοιο τρόπο, κινούμενο από μία μηχανή σε άλλη. Τα πρώτα στάδια παρέχονται συνήθως από γραμμικούς επιταχυντές τους οποίους διαδέχονται μεγαλύτερες κυκλικές μηχανές. Το CERN διαθέτει συνολικά 10 επιταχυντές. Οι μεγαλύτεροι από αυτούς είναι ο μεγάλος επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών ηλεκτρονίων ποζιτρονίων (LEP) και το υπερσύγχροτρο πρωτονίων (SPS).
Ο επιταχυντής που λειτούργησε πρώτος στο CERN, το συγχρο-κύκλοτρο, κατασκευάσθηκε στα 1954, παράλληλα με το σύγχροτρο πρωτονίων (SP). Το (SP) αποτελεί σήμερα την σπονδυλική στήλη της μονάδας παραγωγής σωματιδίων του CERN, τροφοδοτώντας άλλους επιταχυντές με διαφορετικά είδη σωματιδίων. Η δεκαετία του '70 αντίκρυσε την κατασκευή του SPS, στο οποίο επιτεύχθηκε το βραβευμένο με Nobel έργο στη δεκαετία του '80. Το SPS συνεχίζει να παρέχει δέσμες σωματιδίων για πειράματα και αποτελεί επίσης τον τελικό συνδετικό κρίκο στην αλυσίδα των επιταχυντών που παρέχουν δέσμες σωματιδίων για την 27 χιλιομέτρων μηχανή LEP. Η επόμενη μεγάλη μηχανή του CERN, η οποία αναμένεται να λειτουργήσει το 2005, είναι ο μεγάλος επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών αδρονίων (LHC).
Αυτά τα σωματίδια παράγονται από πηγές ιόντων: τα πρωτόνια αποκτώνται από αέριο υδρογόνου χρησιμοποιώντας ένα "δυοπλάσματρο", τα ηλεκτρόνια αποσπώνται από τις επιφάνειες μετάλλων με "πυροβόλα ήλεκτρονίων" και από τις στοιβάδες ηλεκτρονίων των ατόμων μολύβδου με πηγές "συντονισμού ηλεκτρονίου κυκλότρου (ECR)".
Για δέσμες πρωτονίων και βαρέων ιόντων ακολουθεί ένας "προωθητής" συγχρότρου ενέργειας 1,0 GeV ώστε να αυξηθεί η ενέργεια που προηγείται της έγχυσης στον PS. Τα ηλεκτρόνια αρχικά αποθηκεύονται και επιταχύνονται περαιτέρω στον δακτύλιο του "συσσωρευτή ηλεκτρονίων - ποζιτρονίων (EPA)". Τα αντι-ηλεκτρόνια (ποζιτρόνια) παράγονται σε συγκρούσεις μιας δέσμης ηλεκτρονίων με στόχο βαρέως μετάλλου και κατόπιν αποθηκεύονται και επιταχύνονται επίσης στον EPA.
Το Υπερσύγχροτρο πρωτονίων είναι ένας κυκλικός επιταχυντής, περιμέτρου 6 km και βρίσκεται εγκατεστημένος κάτω από το έδαφος. Αρχικά, κατασκευάσθηκε για την επιτάχυνση πρωτονίων - την οποία και συνεχίζει να πραγματοποιεί - αλλά έκτοτε έχει λειτουργήσει ως επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων - αντι-πρωτονίων, ως επιταχυντής βαρέων ιόντων και ως τροφοδότης ηλεκτρονίων/ποζιτρονίων για τον LEP. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του ως επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων - αντι-πρωτονίων, στη δεκαετία του '80, χάρισε στο CERN μία από τις σπουδαιότερες στιγμές του - την πρώτη παρατήρηση των σωματιδίων W και Z, φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Το SPS μπορεί επίσης να επιταχύνει ιόντα μολύβδου σε ενέργεια 170 GeV ανά νουκλεόνιο. Ας σημειωθεί ότι στον πυρήνα του μολύβδου υπάρχουν 208 νουκλεόνια. Προς το παρόν, αυτή είναι η υψηλότερη ενέργεια που έχει επιτευχθεί στον κόσμο και βοηθά στην μελέτη του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων το οποίο ενδέχεται να σχηματίσθηκε αμέσως μετά την Μεγάλη Εκρηξη.
Σε τέσσερα συμμετρικά σημεία γύρω από τον δακτύλιο, οι δέσμες των σωματιδίων αποκτούν πάχος μιας τρίχας και εξαναγκάζονται να συγκρουσθούν στο κέντρο των τεσσάρων πειραμάτων του LEP. Κάθε δέσμη περιέχει περισσότερα από εκατό χιλιάδες εκατομμύρια σωματιδίων (1011), όμως, κατά μέσο όρο, μόνο μία ανά περίπου 40.000 συγκρούσεις μεταξύ των δεσμών παράγει το επιθυμητό αποτέλεσμα - μία κεντρική σύγκρουση ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Για αυτόν το λόγο, οι δέσμες εξαναγκάζονται να κινούνται κυκλικά για ώρες και κάθε δέσμη πραγματοποιεί στον δακτύλιο περισσότερες από 10.000 περιστροφές το δευτερόλεπτο. Ο LEP άρχισε να λειτουργεί το καλοκαίρι του 1989 και για έξι χρόνια η ενέργεια σύγκρουσης των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων του ήταν ρυθμισμένη ακριβώς στην τιμή που χρειαζόταν για την παραγωγή τον ουδέτερο φορέα της ασθενούς δύναμης, το Z0. Από τον Σεπτέμβριο του 1995, η ενέργεια σχεδόν διπλασιάσθηκε.Το καλοκαίρι του 1996, ο LEP λειτουργούσε στην ενέργεια ακριβώς που χρειαζόταν για την παραγωγή ζευγών των φορτισμένων φορέων της ασθενούς δύναμης, των σωματιδίων W+ και W-. Η ανίχνευση των εκατομμυρίων Z0 και των εκατοντάδων W έχει επιτρέψει στα πειράματα του LEP την πραγματοποίηση ελέγχων εξαιρετικής ακριβείας για το Καθιερωμένο Πρότυπο των σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων τους..
Υπάρχει γενική συνένεση εντός της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας ότι με την επίτευξη υψηλότερων ενεργειών θα είμαστε ίσως σε θέση να απαντήσουμε θεμελιώδη ερωτήματα που έμειναν αναπάντητα από τον LEP. Το πλέον σημαντικό από τα ερωτήματα αυτά αφορά τον μηχανισμό παροχής μάζας στην ύλη.
Το Δεκέμβριο του 1994 το διοικητικό συμβούλιο του CERN ενέκρινε επίσημα την κατασκευή του Μεγάλου Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (LHC) - έναν υπεραγώγιμο δακτύλιο με εκπληκτικές τεχνολογικές δυνατότητες, ο οποίος θα εγκατασταθεί στην ήδη υπάρχουσα σήραγγα του LEP - για την πραγματοποίηση συγκρούσεων πρωτονίων - πρωτονίων σε ενέργειες 10 φορές μεγαλύτερες από οποιαδήποτε προηγούμενη μηχανή.
Προκειμένου να διατηρηθεί η στρατηγική εξοικονόμησης πόρων του CERN η οποία βασίζεται στην χρήση προηγούμενων επενδύσεων, ο LHC είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να μοιρασθεί με τον LEP την 27 χιλιομέτρων σήραγγα και να τροφοδοτηθεί από ήδη υπάρχουσες πηγές σωματιδίων καθώς και από προ-επιταχυντές. Ως μηχανή υψηλών δυνατοτήτων, ο LHC θα χρησιμοποιεί τον πλέον προηγμένο υπεραγώγιμο μαγνήτη και τεχνολογία επιταχυντών η οποία δεν είχε εφαρμοσθεί ποτέ μέχρι τώρα.
Φυσικά, τα πειράματα του LHC έχουν σχεδιασθεί με σκοπό την αναζήτηση φαινομένων που έχουν προβλεφθεί θεωρητικά. Ωστόσο, οι επιστήμονες πρέπει να είναι όσο το δυνατόν προετοιμασμένοι για εκπλήξεις. Αυτό απαιτεί μεγάλη εφευρετικότητα από μέρους των φυσικών και των μηχανικών.
Πηγή
Κάθε είδος σωματιδίου παράγεται με διαφορετικό τρόπο, αλλά στη συνέχεια επιταχύνεται διαδοχικά με παρόμοιο τρόπο, κινούμενο από μία μηχανή σε άλλη. Τα πρώτα στάδια παρέχονται συνήθως από γραμμικούς επιταχυντές τους οποίους διαδέχονται μεγαλύτερες κυκλικές μηχανές. Το CERN διαθέτει συνολικά 10 επιταχυντές. Οι μεγαλύτεροι από αυτούς είναι ο μεγάλος επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών ηλεκτρονίων ποζιτρονίων (LEP) και το υπερσύγχροτρο πρωτονίων (SPS).
Ο επιταχυντής που λειτούργησε πρώτος στο CERN, το συγχρο-κύκλοτρο, κατασκευάσθηκε στα 1954, παράλληλα με το σύγχροτρο πρωτονίων (SP). Το (SP) αποτελεί σήμερα την σπονδυλική στήλη της μονάδας παραγωγής σωματιδίων του CERN, τροφοδοτώντας άλλους επιταχυντές με διαφορετικά είδη σωματιδίων. Η δεκαετία του '70 αντίκρυσε την κατασκευή του SPS, στο οποίο επιτεύχθηκε το βραβευμένο με Nobel έργο στη δεκαετία του '80. Το SPS συνεχίζει να παρέχει δέσμες σωματιδίων για πειράματα και αποτελεί επίσης τον τελικό συνδετικό κρίκο στην αλυσίδα των επιταχυντών που παρέχουν δέσμες σωματιδίων για την 27 χιλιομέτρων μηχανή LEP. Η επόμενη μεγάλη μηχανή του CERN, η οποία αναμένεται να λειτουργήσει το 2005, είναι ο μεγάλος επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών αδρονίων (LHC).
Το σύμπλεγμα του PS: ο τροφοδότης των μεγάλων επιταχυντών
Το σύγχροτρο πρωτονίων (PS) είναι ο παλαιότερος και πιο περίπλοκος επιταχυντής του CERN. Το PS ολοκληρώθηκε στα 1959 και έκτοτε λειτουργεί συνεχώς. Με διάμετρο 200 μέτρα και τελική ενέργεια 28 GeV, αποτελούσε κάποτε τον ισχυρότερο επιταχυντή του κόσμου. Εκτοτε το PS τροποποιήθηκε αρκετά και προσαρμόσθηκε στο αυξανόμενης περιπλοκότητας σύστημα επιταχυντών του CERN. Σήμερα, το σύμπλεγμα Ps μπορεί να επιταχύνει όλα τα σταθερά και ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια, πρωτόνια), τα αντι-σωματίδια τους (ποζιτρόνια, αντι-πρωτόνια) και διαφορετικά είδη βαρέων ιόντων (οξυγόνου, θείου, ή ακόμη και μολύβδου).Αυτά τα σωματίδια παράγονται από πηγές ιόντων: τα πρωτόνια αποκτώνται από αέριο υδρογόνου χρησιμοποιώντας ένα "δυοπλάσματρο", τα ηλεκτρόνια αποσπώνται από τις επιφάνειες μετάλλων με "πυροβόλα ήλεκτρονίων" και από τις στοιβάδες ηλεκτρονίων των ατόμων μολύβδου με πηγές "συντονισμού ηλεκτρονίου κυκλότρου (ECR)".
 | Το πρώτο στάδιο επιτάχυνσης πραγματοποιείται σε γραμμικό επιταχυντή (Linac). Κάθε είδος σωματιδίων διαθέτει το δικό του στάδιο επιτάχυνσης. Αυτό σιμβαίνει λόγω των διαφορετικών μαζών τους - ένα ιόν μολύβδου είναι περίπου 200 φορές βαρύτερο από ένα πρωτόνιο, και σχεδόν 400.000 φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. Οι τελικές ενέργειες είναι 500 MeV για τα ηλεκτρόνια, 50 MeV για τα πρωτόνια και 4,2 MeV/νουκλεόνιο για ιόντα μολύβδου (Mb). |
Το Υπερσύγχροτρο Πρωτονίων (SPS)
Το Υπερσύγχροτρο πρωτονίων είναι ένας κυκλικός επιταχυντής, περιμέτρου 6 km και βρίσκεται εγκατεστημένος κάτω από το έδαφος. Αρχικά, κατασκευάσθηκε για την επιτάχυνση πρωτονίων - την οποία και συνεχίζει να πραγματοποιεί - αλλά έκτοτε έχει λειτουργήσει ως επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων - αντι-πρωτονίων, ως επιταχυντής βαρέων ιόντων και ως τροφοδότης ηλεκτρονίων/ποζιτρονίων για τον LEP. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του ως επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών πρωτονίων - αντι-πρωτονίων, στη δεκαετία του '80, χάρισε στο CERN μία από τις σπουδαιότερες στιγμές του - την πρώτη παρατήρηση των σωματιδίων W και Z, φορέων της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Το SPS μπορεί επίσης να επιταχύνει ιόντα μολύβδου σε ενέργεια 170 GeV ανά νουκλεόνιο. Ας σημειωθεί ότι στον πυρήνα του μολύβδου υπάρχουν 208 νουκλεόνια. Προς το παρόν, αυτή είναι η υψηλότερη ενέργεια που έχει επιτευχθεί στον κόσμο και βοηθά στην μελέτη του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων το οποίο ενδέχεται να σχηματίσθηκε αμέσως μετά την Μεγάλη Εκρηξη.
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Ηλεκτρονίων Ποζιτρονίων (LEP)
 | Η μηχανή LEP του CERN είναι ο μεγαλύτερος επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών του κόσμου. Σε έναν δακτύλιο περιμέτρου 27 km, εγκατεστημένο σε βάθος 100m, δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων (αντι-ηλεκτρόνια) κινούνται κυκλικά σε αντίθετες διευθύνσεις καθώς επιταχύνονται σχεδόν μέχρι την ταχύτητα του φωτός. |
| Οταν ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο πλησιάσουν αρκετά, εξαφανίζονται σε μια πράξη αμοιβαίας καταστροφής με αποτέλεσμα την παραγωγή μεγάλης ποσότητας ενέργειας. Σχεδόν αμέσως, αυτή η ενέργεια μετατρέπεται και πάλι σε σωματίδια, όπως ακριβώς η ύλη πρέπει να σχηματίσθηκε από ενέργεια στο πρώιμο Σύμπαν. |  |
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (LHC)
 | Από τα μέσα της δεκαετίας του '80, άρχισε νέος γύρος συζητήσεων με σκοπό τον καθορισμό των διαφόρων επιλογών για την μετά τον LEP εποχή. |
Προκειμένου να διατηρηθεί η στρατηγική εξοικονόμησης πόρων του CERN η οποία βασίζεται στην χρήση προηγούμενων επενδύσεων, ο LHC είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να μοιρασθεί με τον LEP την 27 χιλιομέτρων σήραγγα και να τροφοδοτηθεί από ήδη υπάρχουσες πηγές σωματιδίων καθώς και από προ-επιταχυντές. Ως μηχανή υψηλών δυνατοτήτων, ο LHC θα χρησιμοποιεί τον πλέον προηγμένο υπεραγώγιμο μαγνήτη και τεχνολογία επιταχυντών η οποία δεν είχε εφαρμοσθεί ποτέ μέχρι τώρα.
Φυσικά, τα πειράματα του LHC έχουν σχεδιασθεί με σκοπό την αναζήτηση φαινομένων που έχουν προβλεφθεί θεωρητικά. Ωστόσο, οι επιστήμονες πρέπει να είναι όσο το δυνατόν προετοιμασμένοι για εκπλήξεις. Αυτό απαιτεί μεγάλη εφευρετικότητα από μέρους των φυσικών και των μηχανικών.
Πηγή
About Al.Ge
