Μάθετε για το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο CERN

Τί είναι το CERN;
Το CERN είναι το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο, το μεγαλύτερο κέντρο για τη Φυσική στοιχειωδών σωματιδίων στον κόσμο.
Οταν ιδρύθηκε, το 1954, ήταν ένα από τα πρώτα συλλογικά Ευρωπαϊκά εγχειρήματα και αποτελεί, ήδη, ένα λαμπρό παράδειγμα διεθνούς συνεργασίας.
Ο αρχικός αριθμός των 12 ιδρυτικών μελών, σήμερα, έχει αυξηθεί σε 20 κράτη μέλη.

Το CERN ερευνά τα συστατικά της ύλης και το είδος των δυνάμεων που την κρατούν ενωμένη.
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν όλες τις, υψηλού επιπέδου, επιστημονικές δυνατότητες που τους παρέχει το εργαστήριο.
Πρόκειται για επιταχυντές που επιταχύνουν τα μικροσκοπικά σωματίδια σε ταχύτητες λίγο μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός και ανιχνευτές που κάνουν τα σωματίδια αυτά "ορατά".

Γιατί μας ενδιαφέρουν όλα αυτά;
Από την αυγή ακόμα, του πολιτισμού, οι άνθρωποι προσπαθούσαν να μάθουν όλο και περισσότερα για τον κόσμο τους.
Ο αρχικός σκοπός είναι η γνώση, αλλά τελικά έπονται πολλά πρακτικά οφέλη.
Τον 19ο αιώνα, όταν ο Μάικλ Φάραντεϊ (Michael Faraday) ρωτήθηκε από ένα δύσπιστο μέλος της Βρετανικής κυβέρνησης για τη χρησιμότητα της εργασίας του στον ηλεκτρισμό, του απάντησε δείχνοντας μεγάλη προνοητικότητα: "Μια μέρα, κύριε," είπε, "μπορεί να την φορολογήσετε".
Οπως ο Φάραντεϊ καθοδηγήθηκε από την επιθυμία της γνώσης, η αναζήτηση καθαρής γνώσης στο CERN οδηγεί στην ανάπτυξη της τεχνολογίας.
Το CERN έδωσε στον κόσμο προοπτικές πολύ διαφορετικές μεταξύ τους όπως οι ιατρικές απεικονίσεις και το WWW. Αλλά οι επιστήμονες, στους οποίους χρωστάμε αυτές τις ανακαλύψεις, δεν ενδιαφέρονταν για την ιατρική ή τους υπολογιστές.
Το κίνητρό τους ήταν, απλά, η ανακάλυψη.

Το CERN παίζει, επίσης, σπουδαίο ρόλο στην ανώτερη τεχνική εκπαίδευση.
Ενα ευρύ πεδίο από εκπαιδευτικά προγράμματα και υποτροφίες προσελκύει στο εργαστήριο πολλούς ταλαντούχους νέους επιστήμονες και μηχανικούς.
Πολλοί ενδιαφέρονται να σταδιοδρομήσουν στη βιομηχανία, όπου η εμπειρία τους σε ένα υψηλής τεχνολογίας πολυεθνικό περιβάλλον απολαμβάνει ιδιαίτερης εκτίμησης.

Τί είναι αυτά τα πειράματα;
Τα πειράματα αυτά δεν μοιάζουν με άλλα στην ιστορία της επιστήμης.
Εχουν σχεδιαστεί και εκτελούνται από εκατοντάδες επιστήμονες και το μέγεθός τους είναι, συχνά, μεγαλύτερο από ένα σπίτι.
Είναι σε λειτουργία για αρκετούς μήνες, ή χρόνια, ενώ συχνά, χρειάζονται χρόνια για να ολοκληρωθούν.

Ποιοί δουλεύουν εκεί;
To CERN απασχολεί περίπου 3000 ανθρώπους, οι οποίοι καλύπτουν μια μεγάλη ποικιλία επαγγελμάτων και δεξιοτήτων, όπως μηχανικούς, τεχνικούς, τεχνίτες, διοικητικούς, εργάτες ...
Το προσωπικό του CERN σχεδιάζει και κατασκευάζει τα πολύπλοκα μηχανήματα, και εξασφαλίζει την ομαλή λειτουργία τους.
Βοηθά στην προετοιμασία, επίτευξη, ανάλυση και ερμηνεία των πολύπλοκων επιστημονικών πειραμάτων και επιτελεί τα διάφορα καθήκοντα που απαιτούνται ώστε να καταστεί ένας τόσο ιδιαίτερος οργανισμός επιτυχής στο έργο του.
Περίπου 6500 επιστήμονες, σχεδόν οι μισοί φυσικοί σωματιδίων του κόσμου, έρχονται στο CERN για τις έρευνές τους.
Εκπροσωπούν 500 Πανεπιστήμια και περισσότερα από 80 έθνη.

Πού βρίσκεται το CERN;
To CERN βρίσκεται στα σύνορα μεταξύ Γαλλίας και Ελβετίας, λίγο έξω από τη Γενεύη.
Η θέση του συμβολίζει το διεθνές πνεύμα συνεργασίας, που είναι και ο λόγος της επιτυχίας του εργαστηρίου.

Τί κάνουν οι φυσικοί στο CERN;
Οι δυο βασικοί τομείς εργασίας είναι να κατασκευάζουν και να θέτουν σε λειτουργία τους:

Επιταχυντές
πρόκειται για τεράστιες σε μέγεθος διατάξεις που επιταχύνουν σωματίδια σε ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός και μετά τα αφήνουν να συγκρουσθούν με άλλα σωματίδια.
Ο μεγαλύτερος επιταχυντής στο CERN ονομάζεται "LEP" (Large Electron Positron collider).
Εχει περίμετρο 27km και είναι εγκατεστημένος σε μία σήραγγα 100, περίπου, μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους.

Ανιχνευτές
είναι μεγάλες διατάξεις που παρατηρούν ό,τι συμβαίνει στις συγκρούσεις.

Ποιά σωματίδια επιταχύνονται;

Πρωτόνια / Ηλεκτρόνια
Στις περισσότερες περιπτώσεις είτε πρωτόνια είτε ηλεκτρόνια, Και τα δυο μαζί σχηματίζουν ένα άτομο υδρογόνου.
Μπορούν να διαχωριστούν π.χ. με μια ηλεκτρική εκκένωση.

Ιόντα
Είναι δυνατόν να επιταχυνθούν βαρύτερα άτομα, όπως του Θείου ή του Μολύβδου.
Στην πραγματικότητα επιταχύνονται οι θετικοί πυρήνες αυτών των ατόμων, αφού αποδεσμευτούν από όλα ή τα περισσότερα ηλεκτρόνιά τους.

Πώς επιταχύνονται τα σωματίδια;
Τα σωματίδια επιταχύνονται με τη χρήση ηλεκτρικών πεδίων.
Eνα θετικά φορτισμένο σωματίδιο όπως το πρωτόνιο έλκεται από ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο.
Στο πεδίο μιας μπαταρίας 1,5V θα αποκτήσει ενέργεια ίση με 1,5 ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Με αυτή την μονάδα μετράμε πόσο ισχυρός είναι ο επιταχυντής.
Η επιτάχυνση των σωματιδίων στους γραμμικούς επιταχυντές μοιάζει πολύ με την επιτάχυνση του σέρφερ πάνω στα κύματα.
Αυτό επιτυγχάνεται με την κατάλληλη μεταβολή της φοράς του ηλεκτρικού πεδίου κατά τη διάρκεια του χρόνου διάβασης από το ηλεκτρόδιο.

Ετσι, όταν το σωματίδιο εισέρχεται στον κενό χώρο μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων δέχεται πάντα επιτάχυνση και όχι επιβράδυνση από το πολύ ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο.
Χρησιμοποιώντας πολύ ισχυρές γεννήτριες τάσης, είναι δυνατόν να δώσουμε στα σωματίδια ενέργεια ίση, περίπου, με 1 εκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ (1 MeV) ανά μέτρο μήκους.

Γιατί οι ανιχνευτές είναι κυκλικοί και μεγάλοι;
Το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλει τη διεύθυνση ενός φορτισμένου σωματιδίου.
Τοποθετώντας πολλούς μαγνήτες κυκλικά, το σωματίδιο επανέρχεται στο αρχικό σημείο απ' όπου δέχεται άλλη μία "ώθηση" Σε κάθε περιφορά τα σωματίδια κερδίζουν ενέργεια στο παράδειγμά μας 1εκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ (1MeV) σε κάθε κύκλο.
Στο LEP τα σωματίδια μπορούν να επιταχυνθούν μέχρι 100 000 MeV.
Οσο αυξάνεται η ταχύτητα των σωματιδίων, τόσο δυσκολότερη γίνεται η μεταβολή της διεύθυνσης της κίνησής τους ακόμα κι αν χρησιμοποιηθούν τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία.
Επομένως, για να επιτευχθούν υψηλές ενέργειες χρειάζονται πολύ μεγάλοι επιταχυντές και πολλοί μαγνήτες.

Γιατί μελετούν τα σωματίδια;
Γιατί από αυτά αποτελούμαστε...
...όπως τα πάντα στο Σύμπαν.
Σήμερα, γνωρίζουμε πως μόνο τέσσερα είδη δομικών λίθων χρειάζονται για τη δημιουργία της γνωστής ύλης. Πρόκειται για τα σωματίδια:
Ανω κουάρκ και κάτω κουάρκ
Τα άνω (up, u) και κάτω (down, d) κουάρκ βρίσκονται στο εσωτερικό των πρωτονίων και των νετρονίων του ατομικού πυρήνα.
Είναι δεμένα τόσο σφιχτά μεταξύ τους ώστε σε κανένα πείραμα δεν έχει καταστεί δυνατόν να απελευθερώσουμε μόνο ένα από αυτά.

Ηλεκτρόνια
Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα και έτσι σχηματίζονται τα άτομα.
Τα άτομα ενώνονται μεταξύ τους και συνθέτουν μόρια από τα οποία αποτελούνται άλλα σύνθετα αντικείμενα για παράδειγμα ο άνθρωπος.

Νετρίνα ηλεκτρονίου
Είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνεύσουμε τα νετρίνα ηλεκτρονίου διότι αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη.
Ενα νετρίνο ηλεκτρονίου μπορεί να διαπεράσει τη γη τόσο εύκολα σαν αυτή να μην υπήρχε καν.

Οι δυνάμεις που συνενώνουν τα σωματίδια
Η "συγκολλητική ουσία" είναι οι δυνάμεις. Αυτές διαδίδονται μέσω σωματιδίων διαφορετικών από εκείνα της ύλης.
Είναι φορείς των δυνάμεων και έχουν εφήμερη ύπαρξη καθώς μεταφέρουν πληροφορίες από το ένα σωματίδιο στο άλλο.
Οι τέσσερις δυνάμεις που συναντάμε στη Φύση είναι οι εξής :

Βαρύτητα
Η Βαρύτητα, η γνωστότερη δύναμη, είναι η ασθενέστερη από όλες.
Φορέας της βαρύτητας είναι το βαρυτόνιο το οποίο ακόμα δεν έχει ανακαλυφθεί.

Η ισχυρή δύναμη
Η ισχυρή δύναμη μεταδίδεται μέσω των γλουονίων.Συνενώνει τα κουάρκ μεταξύ τους τα οποία σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια του ατομικού πυρήνα.

Ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς δυνάμεις
Η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής δύναμη είναι δυο διαφορετικές όψεις μιας και μόνης δύναμης: της ηλεκτρασθενούς.
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη συγκρατεί τα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα και συνενώνει τα μόρια στη Χημεία και στη Βιοχημεία.
Η ασθενής δύναμη κάνει τους αστέρες να λάμπουν και είναι η αιτία κάποιων μορφών φυσικής ραδιενέργειας.

Οι Σέλντον Γκλάσοου (Sheldon Glashow), Στήβεν Ουάινμπεργκ (Stephen Weinberg) και Αμπντους Σαλάμ (Abdus Salam) τιμήθηκαν με το βραβείο Νoμπέλ (Nobel) για την πρόβλεψη της ενοποίησης των ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών δυνάμεων.
Η πειραματική απόδειξη που επιτεύχθηκε στο CERN απέφερε το βραβείο Νομπέλ σε δυο φυσικούς του CERN, τον Κάρλο Ρούμπια (Carlo Rubbia) και τον Σάιμον βαν ντερ Μέερ (Simon van der Meer).

Γνωρίζατε ότι;
• η αντι-ύλη παράγεται καθημερινά στο CERN (παράγονται περισσότερα από 10 εκατομμύρια σωματίδια το δευτερόλεπτο.)
• ο μεγαλύτερος μαγνήτης στον κόσμο βρίσκεται στο CERN και ζυγίζει περισσότερο από τον πύργο του Eiffel.
• το κενό των εργαστηριακών επιταχυντών είναι καλύτερο από αυτό μεταξύ της Γης και της Σελήνης.
• ο μεγαλύτερος επιταχυντής του CERN έχει περίμετρο 27 km. Τα σωματίδια που κινούνται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός εκτελούν περισσότερες από 11.000 περιστροφές το δευτερόλεπτο.
• οι ανιχνευτές του CERN έχουν μέγεθος όσο ένα τετραόροφο κτίριο.