Ο Mark Thomson ανέλαβε τα ηνία του CERN τη στιγμή που η σωματιδιακή φυσική βρίσκεται αντιμέτωπη με μερικά από τα βαθύτερα άγνωστά της και καλείται να πάρει δύσκολες αποφάσεις για το επόμενο βήμα.
Όταν ο Mark Thomson ήταν 13 ετών, διάβασε ένα βιβλίο για τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών, γνωστό ως CERN, ένα εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής με αποστολή να εξερευνά τον ιστό της πραγματικότητας. Το βιβλίο τον γέμισε θαυμασμό για τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί το σύμπαν, αλλά και απογοήτευση για το πόσες λεπτομέρειες έμεναν άγνωστες. Πάνω από 40 χρόνια αργότερα, ο Thomson είναι γενικός διευθυντής του CERN, αναλαμβάνοντας τη διοίκηση τη στιγμή που ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) κλείνει για αναβαθμίσεις και το ίδρυμα αποφασίζει πού θα τοποθετήσει το επόμενο πολυδισεκατομμυρίων στοίχημά του.
Στόχος αυτής της επιλογής είναι να δοθούν απαντήσεις σε μεγάλα, ανοιχτά ερωτήματα που παραμένουν. Με έναν τρόπο, η σωματιδιακή φυσική δεν έχει αλλάξει από τότε που ο Thomson ήταν παιδί: είναι εντυπωσιακή στο περίγραμμά της, αλλά αποκαρδιωτική στις λεπτομέρειες που ακόμη δεν μπορεί να δώσει. Το «στενότερο» επίτευγμά της, το καθιερωμένο πρότυπο, περιγράφει με εξαιρετική ακρίβεια τα σωματίδια και τις δυνάμεις που συνθέτουν τον ορατό σύμπαν. Και το 2012, η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs φάνηκε να είναι η κίνηση που ολοκλήρωσε την εικόνα της πραγματικότητας. Όμως, παρά την επιτυχία του, το καθιερωμένο πρότυπο δεν λέει τίποτα για τη σκοτεινή ύλη, μια αόρατη ουσία που θεωρείται ότι αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, και δεν δίνει βαθύτερη εξήγηση για τις μάζες των σωματιδίων που καταγράφει. Επίσης, δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν περιέχει καθόλου ύλη μετά το big bang.
«Έχουμε ανακαλύψει μια πόρτα προς ένα κρυμμένο κομμάτι της πραγματικότητας — τι υπάρχει μέσα;»
Με τον LHC να ετοιμάζεται να περάσει σε μεγάλες αναβαθμίσεις που θα ενισχύσουν την αναζήτησή του για σπάνια φαινόμενα, ο Thomson μίλησε στον ρεπόρτερ του New Scientist, Alex Wilkins, στο CERN στη Γενεύη της Ελβετίας, για τις απαντήσεις που μπορεί ακόμη να δώσει ο LHC και για το γιατί οι φυσικοί του οργανισμού ποντάρουν όλα τους σε έναν επιταχυντή 13 δισεκατομμυρίων λιρών ως διάδοχό του.
Alex Wilkins: Πόσο έχουν αλλάξει τα πράγματα από τότε που διαβάσατε πρώτη φορά για το CERN ως έφηβος;
Mark Thomson: Όταν διάβασα πρώτη φορά για το CERN, είχαμε τρεις βασικές θεμελιώδεις δυνάμεις, συν τη βαρύτητα. Γνωρίζαμε τον ηλεκτρομαγνητισμό και γνωρίζαμε το σωματίδιο που τον μεταφέρει [γνωστό ως φωτόνιο], αλλά δεν είχαμε δει ποτέ τα σωματίδια που συνδέονται με την ασθενή δύναμη [γνωστά ως μποζόνια W και Z]. Αυτά ανακαλύφθηκαν στο CERN το 1983. Επίσης, δεν ξέραμε ότι τα θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα έχουν μάζα. Λίγο πάνω από 25 χρόνια πριν, θεωρούσαμε ότι αυτά τα σωματίδια ήταν αβαρή. Και φυσικά, η πραγματικά μεγάλη ανακάλυψη ήταν η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012.
Το μποζόνιο Higgs είναι ριζικά διαφορετικό από οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο γνωρίζουμε. Δεν έχει spin και ηλεκτρικό φορτίο, μόνο μάζα, κάτι που ενδέχεται να το συνδέει με αρκετά ανοιχτά ζητήματα στο καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Είναι μοναδικό, τουλάχιστον όσο γνωρίζουμε. Έχει επίσης το πολύ παράξενο χαρακτηριστικό ότι, κατά κάποιον τρόπο, το κβαντικό πεδίο που συνδέεται με το μποζόνιο Higgs υπάρχει παντού στο σύμπαν. Αυτό το χαρακτηριστικό δίνει μάζα σε όλα τα άλλα σωματίδια. Χωρίς το πεδίο Higgs, όλα τα γνωστά σωματίδια θα ήταν αβαρή. Συνεπώς, το πεδίο Higgs καθορίζει πολλές ιδιότητες του σύμπαντος, για παράδειγμα τη μάζα του ηλεκτρονίου και, κατά συνέπεια, το μέγεθος των ατόμων. Υπάρχουν επίσης βαθιά ερωτήματα για τη φύση του μποζονίου Higgs, όπως αν είναι θεμελιώδες σωματίδιο και μοναδικό ή αν υπάρχουν και άλλα μποζόνια Higgs.
Πόσα μένουν ακόμη να ανακαλυφθούν;
Σίγουρα δεν έχουμε βρει τα πάντα. Αν κοιτάξει κανείς τις πραγματικά μεγάλες ανακαλύψεις που άλλαξαν τα δεδομένα — όπως η μάζα των νετρίνων, το μποζόνιο Higgs, τα βαρυτικά κύματα, η σκοτεινή ενέργεια — αυτές οι εξελίξεις έρχονται κάθε πέντε με δέκα χρόνια. Δεν γίνονται τέτοιες ανακαλύψεις συνεχώς, και δεν πρέπει να το περιμένουμε αυτό. Βρισκόμαστε πλέον σε ένα σημείο όπου κατανοούμε πολύ καλά το σύμπαν, αλλά επίσης ξέρουμε ότι υπάρχουν τόσα πολλά που δεν κατανοούμε και στα οποία μπορούμε να αρχίσουμε να δίνουμε απαντήσεις.
Ξέρουμε ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη εκεί έξω. Κάποια στιγμή, θα ανακαλύψουμε τι είναι. Δεν ξέρω πότε, αλλά θα το ανακαλύψουμε.
Ξέρουμε επίσης ότι τα σωματίδια που συνθέτουν το σύμπαν έχουν ένα πολύ παράξενο μοτίβο μαζών. Φαίνεται κάπως τυχαίο και δεν καταλαβαίνουμε αν υπάρχει κάτι θεμελιώδες κρυμμένο σε αυτό το μοτίβο, αλλά ξέρουμε ότι έχει σχέση με το μποζόνιο Higgs. Θα ήθελα πραγματικά να μάθω γιατί οι μάζες των σωματιδίων έχουν αυτό το μοτίβο.
Επίσης δεν ξέρουμε γιατί έχει απομείνει καθόλου ύλη στο σύμπαν μετά το big bang. Κατ’ αρχήν, στο big bang παράγεις ύλη και αντιύλη. Κάποια στιγμή έρχονται σε επαφή, εξαϋλώνονται και παίρνουμε ενέργεια. Αυτό δεν συνέβη [αφού παρατηρούμε ύλη στο σύμπαν]. Άρα υπάρχουν όλα αυτά τα πολύ μεγάλα ερωτήματα εκεί έξω και κάποια στιγμή χρειαζόμαστε απαντήσεις.
Ο LHC θα κλείσει σύντομα για την αναβάθμιση υψηλής φωτεινότητας. Μπορείτε να μας πείτε τι θα γίνει;
Το καλοκαίρι, στις 29 Ιουνίου στις 6 το πρωί, θα σβήσουμε τον LHC για τέσσερα χρόνια. Αντικαθιστούμε περίπου 1,2 χιλιόμετρα από τον δακτύλιο των 27 χιλιομέτρων με αυτή την πολύ εξελιγμένη τεχνολογία. Όταν τα σωματίδια κάνουν τον κύκλο τους [στον επιταχυντή], τα στρέφουμε το ένα προς το άλλο. Αν κάνεις τα πακέτα πρωτονίων ολοένα και μικρότερα, έχεις πολύ, πολύ περισσότερες συγκρούσεις. Συγκεντρώνεις τα πάντα στο ίδιο σημείο. Αυτό κάνουν αυτοί οι μαγνήτες υπερυψηλού πεδίου.
Έχουμε αυτό το απίστευτο υπεραγώγιμο καλώδιο που τροφοδοτεί αυτούς τους μαγνήτες. Η εγκατάστασή του είναι μια τεράστια αποστολή. Είναι μακράν το μεγαλύτερο έργο που έχει κάνει το CERN τα τελευταία 20 χρόνια — και, ταυτόχρονα, οι μεγάλες πειραματικές συνεργασίες ATLAS και Compact Muon Solenoid, που μερικές φορές τις αποκαλούμε ανιχνευτές γενικής χρήσης, αναβαθμίζουν τους γιγάντιους ανιχνευτές τους. Και αυτά είναι, ξανά, τα μεγαλύτερα έργα που έχουν γίνει από τα ίδια τα πειράματα από τότε που κατασκευάστηκαν οι ανιχνευτές.
Ο High-Luminosity LHC θα παράγει τεράστιο αριθμό μποζονίων Higgs, κάτι που είναι απαραίτητο για να μετρηθούν για πρώτη φορά κρίσιμες ιδιότητες, όπως ο τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρά με τον εαυτό του.
Οι σωματιδιακοί φυσικοί έχουν αρχίσει πλέον να κοιτούν το μέλλον πέρα από τον LHC και να σκέφτονται την κατασκευή ενός ακόμη ισχυρότερου επιταχυντή, όπως ο Future Circular Collider (FCC). Γιατί;
Περιστασιακά, γράφω τα 10 μεγάλα ερωτήματά μου στη σωματιδιακή φυσική και τα μισά έχουν να κάνουν με το μποζόνιο Higgs. Για παράδειγμα, αλληλεπιδρά το μποζόνιο Higgs με τη σκοτεινή ύλη; Ξέρουμε [ότι η σκοτεινή ύλη] υπάρχει, αλλά δεν ξέρουμε την απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Γιατί το μποζόνιο Higgs έχει τις ιδιότητες που έχει; Είναι το μποζόνιο Higgs μόνο του ή υπάρχουν πολλά μποζόνια Higgs;
Ο μόνος πραγματικός τρόπος να αρχίσεις να απαντάς σε αυτά τα ερωτήματα είναι να δημιουργήσεις αυτό που αποκαλούμε «εργοστάσιο Higgs», παράγοντας πολλά μποζόνια Higgs σε πολύ πιο καθαρά περιβάλλοντα, ώστε να μελετήσουμε τις ιδιότητες του μποζονίου Higgs. Αν δούμε αποκλίσεις από τις ιδιότητες που περιμένουμε, ίσως τότε μάθουμε κάτι για το άγνωστο σύμπαν.
Ένας κάποτε φανταστικός επιταχυντής θα μπορούσε να απαντήσει στα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής.
Ο επιταχυντής μιονίων κάποτε θεωρούνταν αδύνατος, αλλά πλέον κερδίζει έδαφος ως ο διάδοχος του Large Hadron Collider. Αν κατασκευαστεί, θα μπορούσε να ανοίξει ένα νέο παράθυρο προς την πραγματικότητα.
Από όσα γνωρίζουμε σήμερα, υπάρχει μια συγκέντρωση ενδιαφέρουσας φυσικής στην κλίμακα που ονομάζουμε ηλεκτρασθενή, η οποία αντιστοιχεί σε ενέργειες που πιστεύουμε ότι υπήρχαν περίπου στο εκατοστό του νανοδευτερολέπτου μετά το big bang. Εκείνη την εποχή, τα στοιχειώδη σωματίδια παύουν να είναι αβαρή. Ο μηχανισμός Higgs δίνει στα μποζόνια W, Z και Higgs, που βρίσκονται συγκεντρωμένα γύρω από την ηλεκτρασθενή κλίμακα, τη μάζα τους. Και το top quark έχει επίσης παρόμοια μάζα. Όμως όλα τα υπόλοιπα θεμελιώδη σωματίδια έχουν πολύ μικρότερες μάζες, κάτι που ίσως είναι ακόμη πιο παράξενο.
Πέρυσι, σε όλη την Ευρώπη, κάθε επιστημονική κοινότητα συνενώθηκε και ρώτησε τον εαυτό της: τι πρέπει να κάνουμε στη συνέχεια στο CERN; Υπήρξε μια τεράστια συναίνεση ότι ο FCC είναι μακράν η καλύτερη μηχανή για να γίνει η επιστήμη. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει τεράστιο κενό επιστημονικής ευαισθησίας ανάμεσα σε αυτό το συγκεκριμένο μηχάνημα και σε όσα άλλα θα μπορούσες να κάνεις. Είναι πολύ σπάνιο, ακόμη και σε μια συγκεκριμένη επιστημονική κοινότητα, να υπάρχει τόσο ισχυρή συμφωνία. Είμαστε, λοιπόν, πεπεισμένοι ότι είναι η καλύτερη μηχανή για την επιστήμη που θεωρούμε πως χρειάζεται για να συνεχίσουμε την εξερεύνηση του σύμπαντος.
Θα υπάρξει ποτέ ένας αρκετά μεγάλος επιταχυντής σωματιδίων; Είναι ο FCC το τέλος της διαδρομής;
Ένα από τα πλεονεκτήματα ενός έργου όπως ο FCC είναι ότι ξεκινά ως επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, αλλά ενδεχομένως σε 30 ή 40 χρόνια οι διάδοχοί μας να πουν ότι αυτό που χρειαζόμαστε τώρα είναι ένας Hadron Collider όπως ο LHC, αλλά μεγαλύτερος. Τότε θα έχουμε ήδη τη σήραγγα. Άρα ανοίγει τον δρόμο για την επόμενη φάση της εξερεύνησής μας.
Ο προτεινόμενος Future Circular Collider (με πράσινο χρώμα) θα είχε μήκος 80 έως 100 χιλιόμετρα, επισκιάζοντας τον Large Hadron Collider των 27 χιλιομέτρων (με λευκό χρώμα).
Τώρα είμαστε πολύ προσηλωμένοι στον FCC· αυτό προσπαθούμε να παρουσιάσουμε στα κράτη-μέλη, αλλά ταυτόχρονα χαράσσει, δυνητικά, μια πορεία πολύ, πολύ μακροπρόθεσμα. Θα σας επέτρεπε να εξερευνήσετε κλίμακα [ενέργειας] έως και 100 φορές μεγαλύτερη από αυτήν που μελετάμε τώρα. Άρα ουσιαστικά εξερευνούμε όλη αυτή την ηλεκτρασθενή κλίμακα, το Higgs και τα μποζόνια W και Z. Αν δεν δούμε τίποτα εκεί, τότε νομίζω ότι αρχίζεις να θέτεις αυτό το ερώτημα [αν χρειαζόμαστε έναν μεγαλύτερο επιταχυντή], αλλά εμείς εξερευνούμε το σημείο όπου πιστεύουμε ότι υπάρχει πιθανότητα να δούμε κάτι εντελώς νέο. Είμαι αρκετά αισιόδοξος ότι κάποια στιγμή μέσα στα επόμενα 10 και πλέον χρόνια θα σπάσουμε το καθιερωμένο πρότυπο που έχουμε. Θα βρούμε ένα ρήγμα στην άμυνά του. Ίσως να μην είναι εκεί όπου το περιμένουμε, αλλά με όλα τα μεγάλα επιστημονικά μας έργα ψάχνουμε στο σωστό μέρος ή στα σωστά μέρη. Κάνουμε στο σύμπαν τις σωστές ερωτήσεις.
Είναι ένα πολύ ακριβό έργο — 13 δισεκατομμύρια λίρες. Είναι πραγματικά η καλύτερη χρήση των χρημάτων;
Σε κάθε επιστημονικό οικοσύστημα, θα έχεις ένα εύρος πειραμάτων. Θα κάνεις κάποια μικρά πράγματα στη μία άκρη, αλλά πρέπει να έχεις και αυτά τα πολύ μεγάλα στοιχήματα και να κάνεις την πραγματικά φιλόδοξη επιστήμη. Ο FCC είναι αυτός που βρίσκεται στο απόλυτο άκρο. Δεν πιστεύω ότι εμποδίζει να συνεχιστεί η υπόλοιπη επιστήμη. Η ιατρική έρευνα, για παράδειγμα, θα συνεχιστεί ανεξάρτητα από τον FCC.
Βρισκόμαστε ίσως μπροστά στη λύση του μεγαλύτερου αινίγματος του ηλεκτρομαγνητισμού.
Βλέπουμε οικονομικές προκλήσεις σε όλη την Ευρώπη. Από την πλευρά του FCC, δεν ζητάμε χρήματα τώρα. Στην πραγματικότητα θα επενδύαμε τα χρήματα στις αρχές της δεκαετίας του 2030, οπότε δεν ξέρουμε πώς θα είναι η οικονομία τότε, αλλά πιστεύω ότι είναι καθήκον μας ως CERN όχι μόνο να παρουσιάσουμε το επιστημονικό επιχείρημα, αλλά και να διατυπώσουμε αυτό το ευρύτερο οικονομικό επιχείρημα. Και αυτό το επιχείρημα υπάρχει.
Μερικές φορές οι τεχνολογίες που αναπτύσσουμε εδώ στο CERN, ή στη μεγάλη επιστήμη, όντως αλλάζουν τον κόσμο, αλλά τον αλλάζουν 20 χρόνια αργότερα. Αν δεν έκανες την επένδυση από νωρίς, υπάρχουν πράγματα που απλώς δεν θα είχες στο τέλος. Ο Παγκόσμιος Ιστός αναπτύχθηκε 500 μέτρα μακριά από εδώ, σε ένα μικρό γραφείο μέσα στο CERN, ως τρόπος ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ φυσικών. Αυτό πραγματικά άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί ο κόσμος. Οι τεχνολογίες επιταχυντών που αναπτύσσουμε δεν είναι χρήσιμες μόνο για πράγματα όπως η προχωρημένη αντικαρκινική θεραπεία, η οποία χρησιμοποιεί πρωτόνια.
