Γιατί κατασκευάζονται επιταχυντές σωματιδίων; Υπάρχουν πολλές απαντήσεις σε αυτήν την ερώτηση. Διότι χρησιμοποιούνται στην ιατρική (βλέπε π.χ. ‘Κύκλοτρο εναντίον καρκίνου‘) ή σε βιομηχανικές εφαρμογές (βλέπε π.χ. ‘Industrial uses of accelerators‘). Σ΄αυτές τις περιπτώσεις οι επιταχυντές δημιουργούν έναν συγκεκριμένο τύπο δέσμης για να εκτελέσει μια συγκεκριμένη επωφελή εργασία και η χρησιμότητά τους είναι ξεκάθαρη.
Και όσον αφορά τους μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων, όπως αυτοί που λειτουργούν στο CERN, το Fermilab και το Brookhaven; Τι επιτυγχάνουν αυτοί οι επιταχυντές;
Μπορούμε να συνοψίσουμε τρεις σημαντικές δυνατότητές τους:
1. Μπορούν να δημιουργήσουν τρομερά υψηλές θερμοκρασίες
Οι συγκρούσεις μεταξύ μεμονωμένων σωματιδίων με την υψηλότερη ενέργεια στο Fermilab ήταν μεταξύ πρωτονίων και αντιπρωτονίων, ενώ στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN οι συγκρούσεις με την υψηλότερη ενέργεια ήταν μεταξύ ζευγών πρωτονίων.
Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των σωματιδίων. Αν κάνατε την απλουστευμένη μετατροπή από ενέργεια σε θερμοκρασία, χρησιμοποιώντας την γνωστή σχέση Ε~kT, όπου k η σταθερά του Μπόλτσμαν, θα καταλήξατε ότι η θερμοκρασία στις συγκρούσεις του Fermilab είναι 23∙1015Κ και σε εκείνες του CERN 160∙1015Κ. Αυτό είναι λάθος, καθώς μιλάμε για συγκρούσεις μεταξύ ζευγών σωματιδίων, ενώ η θερμοκρασία χρειάζεται μια μεγάλη συλλογή σωματιδίων για να έχει νόημα, αλλά ας κάνουμε λίγο τα στραβά μάτια κι ας βγάλουμε κάποια προσεγγιστικά συμπεράσματα. Αν χρησιμοποιήσουμε αυτόν τον υπολογισμό θερμοκρασίας για δυο σωματίδια, οι θερμοκρασίες που επιτεύχθηκαν στο Fermilab επικρατούσαν στο σύμπαν περίπου στο ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την την Μεγάλη Έκρηξη. Ο μεγάλος επιταχυντής CERN μπορεί να δει ακόμη πιο πίσω στο χρόνο – σε λιγότερο από το ένα δέκατο του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του σύμπαντος. Αν αντιμετωπίζουμε τα πρωτόνια όχι ως μεμονωμένα σωματίδια, αλλά ως συλλογές κουάρκ και γλοιονίων μέσα σε αυτά, οι θερμοκρασίες είναι χαμηλότερες και ο χρόνος που αντιπροσωπεύουν οι συγκρούσεις δεν είναι τόσο πολύ πίσω στο χρόνο. Αλλά αυτό δίνει μια αίσθηση για το ποια είναι η μέγιστη δυνατή θερμοκρασία που θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε.
Οι επιταχυντές του Brookhaven και του CERN μπορούν επίσης να πραγματοποιούν συγκρούσεις όχι μόνο με δέσμες πρωτονίων, αλλά με μεγάλους πυρήνες, συγκεκριμένα πυρήνες χρυσού στο Brookhaven και μολύβδου στο CERN. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες που επιτεύχθηκαν στο Brookhaven σε αυτές τις πυρηνικές συγκρούσεις ήταν 4∙1012Κ και στο CERN είναι πιο κοντά στους 5∙1012Κ. Η τελευταία φορά που αυτές οι θερμοκρασίες επικρατούσαν στο σύμπαν ήταν λίγο περισσότερο από το ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Κατά την επίτευξη αυτών των μεγάλων θερμοκρασιών τα πρωτόνια και τα νετρόνια λιώνουν στην κυριολεξία, δημιουργώντας μια νέα μορφή ύλης που ονομάζεται πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων.
Αυτός λοιπόν είναι ο πρώτος λόγος για να έχουμε έναν μεγάλο επιταχυντή – για την δημιουργία πολύ υψηλών θερμοκρασιών, την διερεύνηση νέων φάσεων της ύλης και την αναδημιουργία των συνθηκών που επικρατούσαν στο σύμπαν σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο μετά Μεγάλη Έκρηξη.
2. Μπορούν να δημιουργήσουν νέα σωματίδια
Υπάρχουν ασταθή σωματίδια, συνήθως πολύ βαριά, με πολύ μικρό χρόνο ζωής, και γι αυτό είναι αδύνατο να τα αντιληφθούμε. Δεδομένου ότι ισχύει η πασίγνωστη εξίσωση ισοδυναμίας μάζας-ενέργειας του Αϊνστάιν E=mc2, αν συγκεντρώσουμε αρκετή ενέργεια σε ένα συγκεκριμένο σημείο, τότε αυτή η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ασταθή σωματίδια μεγάλης μάζας. Έτσι οι επιστήμονες κατασκευάζουν σωματίδια που συνήθως δεν κυκλοφορούν ελεύθερα γύρω μας και τα μελετούν. Το βαρύτερο σωματίδιο που γνωρίζει η ανθρωπότητα είναι το κορυφαίο κουάρκ, με μάζα 173 GeV, που είναι 184 φορές βαρύτερο από ένα πρωτόνιο. Το κορυφαίο κουάρκ έχει μάζα ίση με ένα άτομο βολφραμίου. Τα κορυφαία κουάρκ κατασκευάζονται συνήθως σε ζεύγη μάζας 346 GeV. Το μποζόνιο Higgs βρέθηκε στο CERN με μάζα 125 GeV.
Για να δώσουμε μια αίσθηση κλίμακας, ο επιταχυντής Fermilab θα μπορούσε να παράγει μια ενέργεια 1.960 GeV και ο επιταχυντής CERN μπορεί να παράγει 13.600 GeV. Αυτό σημαίνει ότι ο επιταχυντής CERN είναι το κατάλληλο μέρος για να αναζητήσετε άγνωστα, μεγάλης μάζας ασταθή σωματίδια. Κι αυτός είναι ο βασικότερος λόγος για τον οποίο τον χρησιμοποιούμε.
3. Μπορούν να δουν πολύ μικρά πράγματα
Το τρίτο πράγμα που μπορούν να κάνουν οι επιταχυντές είναι να ψάχνουν για πολύ μικρά πράγματα. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική τα σωματίδια έχουν κυματικό χαρακτήρα. Ο πρίγκιπας Louis de Broglie το 1924 προσδιόρισε ότι το μήκος κύματος ενός σωματιδίου είναι ίσο με έναν αριθμό που ονομάζεται σταθερά Planck, διαιρούμενο με την ορμή του σωματιδίου (λ=h/p). Γιατί λοιπόν είναι σημαντικό αυτό το μήκος κύματος;
Όταν ανιχνεύουμε κάτι χρησιμοποιώντας ένα κύμα, είναι σαφές ότι δεν μπορoύμε να εντοπίσουμε τη θέση του με ακρίβεια καλύτερη από την τάξη μεγέθους του μήκους κύματος του κύματος. Γι αυτό το μήκος κύματος πρέπει να είναι μικρότερο από τις διαστάσεις του αντικειμένου. Τότε τα κύματα επηρεάζονται από το αντικείμενο. Κάτι που δε συμβαίνει, αν το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο από το αντικείμενο. Χρησιμοποιώντας αυτήν την ιδέα, μπορούμε να διερευνήσουμε ελάχιστα αντικείμενα χρησιμοποιώντας τον ισχρότερο επιταχυντή σωματιδίων του πλανήτη, που αυτή τη στιγμή βρίσκεται στο CERN. Η δέσμη σε αυτόν τον επιταχυντή έχει ενέργεια 6,8 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ. Ένα σωματίδιο με αυτή την ενέργεια μπορεί να δει ένα άλλο σωματίδιο με μέγεθος περίπου 2∙10-19 μέτρα – περίπου το 1/10.000 του μεγέθους ενός πρωτονίου!
Τρεις λοιπόν είναι οι βασικές χρήσεις των μεγάλων επιταχυντών:
πρώτον, δημιουργούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες, που μας επιτρέπουν να αναπαράγουμε τις συνθήκες που επικρατούσαν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, δεύτερον, δημιουργούν βαριά και ασταθή σωματίδια που διαφορετικά δεν θα βλέπαμε ποτέ, και τρίτον διακρίνουν υπερ-μικροσκοπικά αντικείμενα.
