Τι είναι οι “κοσμικοί επιταχυντές”;

Η πρόταση “όλοι γνωρίζουμε ότι στο CERN επιταχύνουν σωματίδια” μάλλον δεν είναι υπερβολική. Η πειραματική διάταξη που έχει τη βάση της στη Γενεύη, πιθανά είναι το πιο γνωστό εν εξελίξει πείραμα των ημερών μας, καθώς κάπως όλοι έχουμε ακούσει κάτι για αυτό.  Στο σχολείο μαθαίνουμε ότι επιτάχυνση είναι η μεταβολή της ταχύτητας ενός αντικειμένου στο χρόνο. Μπορεί να είναι θετική ή αρνητική και αναλόγως  μιλάμε για επιτάχυνση ή επιβράδυνση. Στην περίπτωση των σωματιδίων στο συγκεκριμένο πείραμα αναφερόμαστε σε θετική επιτάχυνση, επομένως αυτά αποκτούν υψηλότερες ταχύτητες και κατά συνέπεια μεγαλύτερες ενέργειες. Όσον αφορά το είδος τους, στο CERN αναφερόμαστε κυρίως σε πρωτόνια αλλά και σε πυρήνες ατόμων, δηλαδή πυρήνες στοιχείων όπως ο μόλυβδος, το αργό και το ξένο. Με τη χρήση μαγνητικών πεδίων και κατάλληλων διατάξεων η ενέργεια των πρωτονίων αυξάνεται. Όμως, ποια είναι η μεγαλύτερη ενέργεια που έχουμε καταγράψει ότι αποκτούν τα σωματίδια;

Η μάζα ηρεμίας ενός πρωτονίου είναι περίπου 1GeV (δηλαδή 1 δισεκατομμύριο eV) και στο CERN μπορεί να φτάσει σε ενέργεια 6.5 TeV (δηλαδή 6.5 τρισεκατομμύρια). Παρόλα αυτά στη Γη έχουμε ανιχνεύσει πρωτόνια (κοσμικές ακτίνες)  με ενέργειες της τάξης των 10²⁰ eV, δηλαδή περίπου ένα τρισεκατομμύριο φορές τη μάζα ηρεμίας του πρωτονίου. Με ποιον τρόπο τα πρωτόνια “κατακτούν” αυτές τις υπερ-υψηλές τιμές ενέργειας; 

​​

Η απάντηση στην προηγούμενη ερώτηση είναι απλή: Μέσω των “κοσμικών επιταχυντών” που βρίσκονται στο Σύμπαν. Και αν ακούγεται απλή, η μελέτη της είναι ιδιαιτέρως περίπλοκη. Πού βρίσκονται αυτοί οι επιταχυντές; Σε αστέρες νετρονίων, κοντά σε μαύρες τρύπες, σε διπλά συστήματα ακτίνων Χ, σε εκρήξεις υπερκαινοφανών, σε σχετικιστικούς αστροφυσικούς πίδακες όπως αυτούς των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων και των εκλάμψεων ακτίνων γάμμα. Η φύση μας προσφέρει απλόχερα μοναδικά εργαστήρια για τη μελέτη της φυσικής που οδηγεί τα σωματίδια (πρωτόνια, ηλεκτρόνια, βαρύτερους πυρήνες¹ κ.α.) να φτάνουν σε ταχύτητες πολύ κοντά σε αυτήν του φωτός, (για παράδειγμα 0.99999999999 αυτής). Οι συνθήκες που επικρατούν σε αυτές τις πηγές είναι ακραίες και αδύνατο να πραγματοποιηθούν στα εργαστήρια που έχουμε στη Γη. Επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια, καθώς  και ανιχνευτές “ρίχνονται στη μάχη” της ανίχνευσης της υπογραφής των υπερ-σχετικιστικών σωματιδίων². Η ανίχνευση αυτή μπορεί να είναι άμεση, αλλά και έμμεση μέσω της ακτινοβολίας που παράγεται όταν αλληλεπιδρούν με την ύλη και τα μαγνητικά πεδία. Εκτός από φως, είναι πιθανό να παραχθούν και δευτερογενή σωματίδια³, όπως τα νετρίνα. Έτσι, σωματίδια και φως μπορούν να χαρακτηριστούν ως “κοσμικοί αγγελιοφόροι” που μας μεταφέρουν την πληροφορία των επιταχυντών του Σύμπαντος. 

Οι μηχανισμοί που οδηγούν τα σωματίδια σε αυτές τις υψηλές τιμές ταχύτητας είναι ακόμη υπό έρευνα. Προκειμένου να κατανοήσουμε τη φυσική της επιτάχυνσης, δημιουργούμε αριθμητικές προσομοιώσεις με χρήση υπερ-υπολογιστών⁴ εφαρμόζοντας βασικές αρχές φυσικής, όπως για παράδειγμα ο ηλεκτρομαγνητισμός. Ο “κυρίαρχος πρωταγωνιστής” αυτών των προσομοιώσεων είναι το μαγνητικό πεδίο. Για παράδειγμα, ένας από τους πιο βασικούς μηχανισμούς είναι η επιτάχυνση Fermi⁵, όπου μπορούμε να φανταστούμε τα σωματίδια σαν μπαλάκια του Πινγκ-Πονγκ και το μαγνητικό πεδίο ως ρακέτες. Καθώς οι ρακέτες χτυπάνε αλλεπάλληλα τα μπαλάκια, αυτά κινούνται ολοένα και με πιο μεγάλη ταχύτητα. Σε αντιστοιχία, τα σωματίδια κερδίζουν ενέργεια καθώς ανακλώνται πάνω σε μαγνητικά νέφη ή καθώς περνάνε από τη μία και την άλλη πλευρά ενός ωστικού κύματος το οποίο ταυτόχρονα κινείται. Υπάρχουν όμως και άλλοι μηχανισμοί και το γεγονός ότι δεν μπορούμε να πραγματοποιήσουμε επιτόπιες μετρήσεις και παρατηρήσεις, θέτει την επιτάχυνση σωματιδίων στο Σύμπαν ως ένα καίριο και καυτό θέμα μελέτης. Παρόλα αυτά, η καθημερινή εξέλιξη της τεχνολογίας συνεισφέρει στην κατανόηση των “κοσμικών επιταχυντών” και της αστροφυσικής υψηλών ενεργειών και το μέλλον διαφαίνεται λαμπρό! 

1. Πυρήνες οι οποίοι αποτελούνται από περισσότερα του ενός πρωτονίου. 
2. Σχετικιστικά ονομάζονται τα σωματίδια των οποίων η ταχύτητα πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός. 
3. Σωματίδια που παράγονται μετά τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων που επιταχύνονται και τα οποία ονομάζονται πρωτογενή. 
4. Οι υπολογισμοί που απαιτούνται χρειάζονται μεγάλη υπολογιστική ισχύ, αν θέλαμε να τους πραγματοποιήσουμε στους προσωπικούς μας υπολογιστές μπορεί να χρειαζόμασταν εκατοντάδες χρόνια. Για αυτό το λόγο, οι σχετικοί κώδικες χρησιμοποιούν τις αρχές του παράλληλου προγραμματισμού, προκειμένου να μπορούν να κάνουν τους υπολογισμούς ταυτόχρονα πολλοί επεξεργαστές. Αυτές οι διατάξεις που επιτρέπουν τη χρήση μεγάλου αριθμού επεξεργαστών την ίδια χρονική στιγμή, ονομάζονται υπερ-υπολογιστές.
5. Εισήχθη ως έννοια από τον Enrico Fermi το 1949 και συναντιέται και ως επιτάχυνση διάχυσης σε ωστικά κύματα.