Μέσα στην πρώτη παγκόσμια υπηρεσία μεταφοράς αντιύλης
Στην καρδιά του εργοστασίου αντιύλης του CERN, περιτριγυρισμένο από εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία και μέσα σε ένα κενό πιο αραιό από το διαστρικό διάστημα, βρίσκεται ένα από τα πιο ευαίσθητα υλικά στη Γη. Μέσα σε ένα κουτί μεγέθους ντουλαπιού αρχειοθέτησης, το οποίο ζυγίζει μερικές εκατοντάδες κιλά λιγότερο από ένα Ford Focus, βρίσκονται λίγα αντιπρωτόνια που έχουν παραμείνει για εβδομάδες σε ασυνήθιστη ηρεμία. Τα περισσότερα άλλα σωματίδια που παράγονται σε αυτό το κτίριο μπορεί να περιμένουν να δεχτούν ερευνήματα και πειραματισμούς, αλλά αυτά τα αντιπρωτόνια έχουν μόνο ένα καθήκον: να παραμείνουν ακίνητα και να περιμένουν τη μεταφορά τους.
Αυτά τα περίπου εκατό σωματίδια αντιύλης θα μεταφερθούν σύντομα στην πλάτη ενός φορτηγού σε έναν βρόχο δρόμου μήκους 4 χιλιομέτρων γύρω από την πανεπιστημιούπολη του CERN, κάτι που θα αποτελέσει την πρώτη επίδειξη μιας μελλοντικής υπηρεσίας μεταφοράς αντιύλης που μια μέρα θα βλέπει την αντιύλη να μεταφέρεται σε εργαστήρια σε όλη την Ευρώπη.
Έχω έρθει στην πανεπιστημιούπολη του CERN, κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, για να δω το πείραμα, που ονομάζεται Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons (STEP), στις τελικές του προετοιμασίες πριν από τη μεγάλη μέρα, καθώς ο επικεφαλής του έργου Christian Smorra με ξεναγεί στις εγκαταστάσεις. «Είναι πρωτοποριακό για την επιστήμη της αντιύλης», λέει. «Η ιδέα της μεταφοράς αντιπρωτονίων υπήρχε, κατ’ αρχήν, από την εποχή που άρχισε αυτή η εγκατάσταση, και τώρα είναι η πρώτη φορά που κατέστη δυνατό να γίνει πραγματικά».
Γνωρίζουμε από τη δεκαετία του 1920 ότι πολλά σωματίδια έχουν έναν σχεδόν πανομοιότυπο αντίστοιχο, εκτός από μια αντίθετη φόρτιση, που ονομάζεται αντιύλη. Αλλά χρειάστηκαν σχεδόν μισός αιώνας για να μπορέσουν οι επιστήμονες να παράγουν και να αποθηκεύσουν την απλούστερη αντιύλη – ένα αντιπρωτόνιο – σε σημαντικές ποσότητες, λόγω της τάσης της να εξαϋλώνεται και να εξαφανίζεται κατά την επαφή με το αντίστοιχο ύλης του, το άφθονο πρωτόνιο.
Τα πρώτα πειράματα περιορισμού αντιπρωτονίων πραγματοποιήθηκαν στο CERN τη δεκαετία του 1980, όπου παρήχθησαν συντρίβοντας πρωτόνια σε μεταλλικούς στόχους. Σήμερα, η αίθουσα επιβράδυνσης αντιύλης του CERN, γνωστή ως εργοστάσιο αντιύλης, είναι ο μοναδικός τόπος στον κόσμο που μπορεί να παράγει εκατομμύρια αντιπρωτόνια κατ’ απαίτηση και να τα αποθηκεύει για περαιτέρω μελέτη. Φιλοξενεί επτά διαφορετικά πειράματα αντιύλης, συμπεριλαμβανομένου του Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE), του οποίου το STEP αποτελεί μέρος.
Όλα αυτά τα πειράματα δοκιμάζουν τις θεμελιώδεις ιδιότητες της αντιύλης σε ακραία ακρίβεια για να δουν πώς μπορεί να αποκλίνει από την κανονική ύλη. Τυχόν διαφορές θα μπορούσαν να ρίξουν φως στο γιατί φαινόμαστε να ζούμε σε ένα σύμπαν που κυριαρχείται από την ύλη, με σχεδόν πλήρη απουσία αντιύλης.
Αλλά για να ερευνήσουμε πραγματικά την εξαιρετική ακρίβεια που απαιτείται, είναι απαραίτητο να φιλτράρουμε την θορυβώδη ακτινοβολία που θα μπορούσε να επηρεάσει τις μετρήσεις, κάτι που αποτελεί πρόβλημα για το εργοστάσιο αντιύλης. Όταν τα αντιπρωτόνια εισέρχονται στην αίθουσα, ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και πρέπει να επιβραδυνθούν χρησιμοποιώντας ισχυρά μαγνητικά πεδία, τα οποία είναι αδύνατο να μπλοκαριστούν πλήρως.
Το 2018, ο Smorra και η ομάδα του συνειδητοποίησαν ότι θα χρειαζόταν να μετακινήσουν την αντιύλη μακριά από το εργοστάσιο σε ένα πιο ήσυχο μέρος – και σκέφτηκαν ένα σχέδιο διαφυγής. «Είχαμε δει τον αντίκτυπο των διακυμάνσεων του μαγνητικού πεδίου, οπότε ήταν σαφές ότι θα χρειαζόταν τελικά να συνεχίσουμε τις μετρήσεις ακριβείας μας [αλλού]», λέει ο Smorra.
Αυτό δεν ήταν εύκολο έργο. Η συγκράτηση της αντιύλης απαιτεί συνήθως ισχυρά μαγνητικά πεδία που παράγονται από υπεραγώγιμους μαγνήτες, οι οποίοι πρέπει να διατηρούνται κοντά στο απόλυτο μηδέν, απαιτώντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Ο Smorra και η ομάδα του σχεδίασαν το STEP να χρησιμοποιεί μόνο μια δεξαμενή υγρού ηλίου 30 λίτρων για να ψύχει τους μαγνήτες, ώστε τα ηλεκτρονικά να μπορούν αντ’ αυτού να λειτουργούν με μια απλή γεννήτρια ντίζελ. Ωστόσο, για την επερχόμενη δοκιμαστική λειτουργία, θα χρησιμοποιεί μόνο μπαταρία.
Ο μαγνήτης πρέπει επίσης να είναι σχεδιασμένος για να αντιμετωπίζει τις επιταχύνσεις εκκίνησης-διακοπής που συμβαίνουν κατά την οδήγηση, καθώς και ένα προσαρμοσμένο σύστημα κενού για να διασφαλίσει ότι η απουσία προβληματικής κανονικής ύλης μπορεί να διατηρηθεί κατά τη φόρτωση και εκφόρτωση των αντιπρωτονίων από την παγίδα.
Το 2024, ο Smorra και η ομάδα του έδειξαν ότι το STEP λειτουργεί για κανονικά πρωτόνια οδηγώντας τη διάταξή τους γύρω από την πανεπιστημιούπολη του CERN σε ένα φορτηγό. Τώρα, ο Smorra και η ομάδα του είναι έτοιμοι να δοκιμάσουν το πραγματικό πράγμα.
Οι προετοιμασίες μέχρι στιγμής ήταν σχετικά απλές. Περίπου μία εβδομάδα πριν φτάσω, περίπου 100 αντιπρωτόνια επιβραδύνθηκαν και εισήλθαν στο πολύπλοκο σύστημα κενού και ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που θα τα συγκρατούν.
Από τότε, βρίσκονται εκεί αδρανή στο κέντρο ενός μπλεξίματος καλωδίων και σωλήνων υγρού ηλίου. Ο Smorra και η ομάδα του μπορούν να ελέγχουν τα ζωτικά σημεία της αντιύλης τους χρησιμοποιώντας μια μικρή οθόνη παλμογράφου προσαρτημένη στο μηχάνημα, όπου η χαρακτηριστική συχνότητα που δονείται το αντιπρωτόνιο παίρνει τη μορφή δύο υψωμάτων. Έχουν καρφιτσώσει στοργικά δύο γουργούρικα μάτια πάνω από κάθε κορυφή.
Νωρίς το πρωί της Τρίτης, ένας γερανός θα ανυψώσει ολόκληρη την παγίδα των 850 κιλών στην πλάτη ενός φορτηγού, το οποίο θα οδηγήσει κάποιος που θα έχει λάβει εξειδικευμένη εκπαίδευση για να οδηγεί ευαίσθητο εξοπλισμό του CERN, διασφαλίζοντας ότι δεν θα επιταχύνει ή θα σταματήσει απότομα.
Το φορτηγό θα κάνει στη συνέχεια έναν βρόχο 4 χιλιομέτρων γύρω από την πανεπιστημιούπολη του CERN, φτάνοντας πίσω στο εργοστάσιο αντιύλης από όπου ξεκίνησε.
Αν η δοκιμή τους είναι επιτυχής, ο τελικός στόχος για τον Smorra και την ομάδα του θα είναι να οδηγήσουν την κάψουλα αντιύλης τους σε δρόμους πέρα από το CERN, παραδίδοντάς την σε εργαστήρια σε όλη την Ευρώπη. Μια τέτοια εγκατάσταση βρίσκεται αυτήν τη στιγμή υπό κατασκευή στο Πανεπιστήμιο Heinrich Heine του Ντίσελντορφ στη Γερμανία, όπου η αντιύλη θα μελετηθεί απουσία σχεδόν οποιωνδήποτε εξωτερικών μαγνητικών πεδίων. Ωστόσο, αυτός ο στόχος μπορεί να πάρει αρκετά χρόνια, καθώς το CERN θα κλείσει σε μεγάλο βαθμό τον Ιούλιο για να αναβαθμίσει τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων για να λειτουργεί σε υψηλότερες ισχύς. Αυτή η αναβάθμιση δεν θα ολοκληρωθεί πριν από τα τέλη του 2028.
Αλλά μόλις η υπηρεσία μεταφοράς αντιύλης τεθεί σε λειτουργία, θα μπορούσατε να οδηγείτε σε έναν ελβετικό ή γερμανικό αυτοκινητόδρομο και να βρεθείτε δίπλα σε ένα φορτηγό γεμάτο αντιύλη. Θα μοιάζει με ένα κανονικό φορτηγό, αλλά το περιεχόμενό του δεν θα είναι καθόλου συνηθισμένο. Αυτό μπορεί να ακούγεται ανησυχητικό, δεδομένης της τάσης της αντιύλης να εξαϋλώνεται όταν συναντά κανονική ύλη, αλλά οι άνθρωποι δεν πρέπει να φοβούνται, λέει ο Smorra.
«Δεν υπάρχει τίποτα επικίνδυνο στη μεταφορά αντιύλης, επειδή η ποσότητα που μεταφέρουμε είναι τόσο μικρή», λέει ο Smorra. «Αν μεταφέρετε 1000 αντιπρωτόνια και χαθεί, ούτε καν θα το προσέξετε».
CERN και Mont Blanc, σκοτεινή και παγωμένη ύλη: Ελβετία και Γαλλία
Ετοιμαστείτε να σας εκπλήξει το CERN, το ευρωπαϊκό κέντρο φυσικής σωματιδίων, όπου οι ερευνητές λειτουργούν τον περίφημο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, nestled κοντά στη γοητευτική ελβετική παραλίμνια πόλη της Γενεύης.