Θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε σκοτεινή ύλη; - Ρολφ Λάντουα

Δείτε την σελίδα μας στο Patreon: https://www.patreon.com/teded

Δείτε ολόκληρο το μάθημα: https://ed.ted.com/lessons/could-we-create-dark-matter-rolf-landua

To 85% της ύλης στο σύμπαν μας είναι σκοτεινή ύλη. Δεν γνωρίζουμε από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη, και δεν την έχουμε ακόμη παρατηρήσει άμεσα, αλλά οι επιστήμονες εκτιμούν ότι ενδεχομένως να μπορούμε να την κατασκευάσουμε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Πώς θα μπορούσε να γίνει κάτι τέτοιο; Ο επιστήμονας του CERN Ρολφ Λάντουα εξηγεί πώς γίνεται η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου.

Μάθημα από τον Ρολφ Λάντουα, animation του Lazy Chief.

Το 85% της ύλης του σύμπαντός μας
παραμένει ένα μυστήριο.

Δεν γνωρίζουμε από τι αποτελείται
γι' αυτό και το ονομάζουμε σκοτεινή ύλη.

Όμως γνωρίζουμε ότι υπάρχει καθώς
παρατηρούμε τη βαρυτική της έλξη

σε γαλαξίες και άλλα ουράνια σώματα.

Απομένει να παρατηρήσουμε άμεσα
τη σκοτεινή ύλη,

αλλά οι επιστήμονες εκτιμούν
ότι ίσως μπορούμε να τη δημιουργήσουμε

στον ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων
του κόσμου.

Πρόκειται για τον μήκους 27 χιλιομέτρων
Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων ή LHC,

στη Γενεύη της Ελβετίας.

Πώς θα γινόταν αυτό;

Στον LHC, δύο δέσμες πρωτονίων
κινούνται σε αντίθετη φορά

κι επιταχύνονται ώστε να πλησιάσουν
την ταχύτητα του φωτός.

Σε τέσσερα σημεία σύγκρουσης, οι δέσμες
συναντώνται και τα πρωτόνια συγκρούονται.

Τα πρωτόνια αποτελούνται από μικρότερα
συστατικά, τα κουάρκ και τα γλουόνια.

Στις πιο κοινές συγκρούσεις, τα δύο
πρωτόνια διαπερνούν το ένα το άλλο

χωρίς κάποιο σημαντικό αποτέλεσμα.

Ωστόσο, σε περίπου
μια στο ένα εκατομμύριο συγκρούσεις

τα δύο συστατικά συγκρούονται
μεταξύ τους τόσο βίαια

ώστε το μεγαλύτερο μέρος
της ενέργειας απελευθερώνεται

παράγοντας χιλιάδες νέα σωματίδια.

Μόνο μέσα από τέτοιες συγκρούσεις,
μπορούν να παραχθούν ογκώδη σωματίδια,

όπως η υποτιθέμενη σκοτεινή ύλη.

Τα σημεία σύγκρουσης
περιβάλλονται από ανιχνευτές

που περιέχουν περίπου
100 εκατομμύρια αισθητήρες.

Σαν υπερμεγέθεις τρισδιάστατες κάμερες,

συλλέγουν πληροφορίες
γι' αυτά τα νέα σωματίδια,

για την τροχιά τους,

το ηλεκτρικό τους φορτίο

και την ενέργειά τους.

Κατόπιν επεξεργασίας, οι υπολογιστές
αποδίδουν τη σύγκρουση ως εικόνα.

Κάθε γραμμή αποτελεί την πορεία
ενός μεμονωμένου σωματιδίου

ενώ τα διαφορετικά είδη σωματιδίων
έχουν άλλο χρώμα.

Οι πληροφορίες αυτές
επιτρέπουν στους επιστήμονες

να προσδιορίσουν το είδος κάθε σωματιδίου,

αν π.χ. είναι φωτόνιο ή ηλεκτρόνιο.

Οι ανιχνευτές τραβούν στιγμιότυπα περίπου
ενός δις συγκρούσεων το δευτερόλεπτο

για να βρουν ίχνη από εξαιρετικά
σπάνια ογκώδη σωματίδια.

Για να γίνει πιο δύσκολο,

τα σωματίδια που αναζητούμε
μπορεί να είναι ασταθή

και να διασπώνται σε πιο γνωστά σωματίδια
πριν φτάσουν στους ανιχνευτές.

Για παράδειγμα, το μποζόνιο Χιγκς,

ένα επί μακρόν εικαζόμενο σωματίδιο
που δεν παρατηρήθηκε παρά το 2012.

Οι πιθανότητες μιας δεδομένης σύγκρουσης
να παράξει το μποζόνιο Χιγκς

είναι περίπου μια στις 10 δισεκατομμύρια,

και διαρκεί μόνο για ένα μικρό κλάσμα
του δευτερολέπτου

πριν διασπαστεί.

Αλλά οι επιστήμονες ανέπτυξαν θεωρητικά
μοντέλα που υποδεικνύουν τι να ερευνηθεί.

Για το Χιγκς πίστευαν ότι κάποιες φορές
διασπάται σε δύο φωτόνια.

Έτσι, αρχικά διερεύνησαν
μόνο τα γεγονότα υψηλής ενέργειας

που περιλάμβαναν δύο φωτόνια.

Αλλά εδώ προκύπτει ένα πρόβλημα.

Υπάρχουν αμέτρητες
αλληλεπιδράσεις σωματιδίων

που μπορούν να παράξουν
δύο τυχαία φωτόνια.

Οπότε πώς γίνεται να διαχωρίσουμε
το Χιγκς από τα υπόλοιπα;

Η απάντηση είναι η μάζα.

Οι πληροφορίες των ανιχνευτών
επιτρέπουν στους επιστήμονες

να κάνουν ένα βήμα πίσω

και να προσδιορίσουν τη μάζα
αυτού που παρήγαγε τα δύο φωτόνια.

Βάζουν την τιμή μάζας σ' ένα γράφημα

κι επαναλαμβάνουν τη διαδικασία
για κάθε συμβάν με δύο φωτόνια.

Η συντριπτική πλειοψηφία των γεγονότων
αποτελούν τυχαίες παρατηρήσεις φωτονίων,

αυτά που οι επιστήμονες αποκαλούν
γεγονότα υποβάθρου.

Αλλά όταν παράγεται ένα μποζόνιο Χιγκς
και διασπάται σε δύο φωτόνια,

η μάζα πάντα προκύπτει να είναι η ίδια.

Συνεπώς, το ενδεικτικό χαρακτηριστικό
του μποζονίου Χιγκς

θα ήταν ένα μικρό εξόγκωμα
στην κορυφή του υποβάθρου.

Απαιτούνται δισεκατομμύρια παρατηρήσεις
για να εμφανιστεί ένα τέτοιο εξόγκωμα,

και θεωρείται ουσιαστικό αποτέλεσμα

μόνο έαν αυτό το εξόγκωμα
γίνει σημαντικά ψηλότερο από το υπόβαθρο.

Στην περίπτωση του μποζονίου Χιγκς,

οι επιστήμονες στον LHC ανακοίνωσαν
το ρηξικέλευθο αποτέλεσμά τους

όταν υπήρχε μόνο μία πιθανότητα
προς 3 εκατομμύρια

το εξόγκωμα να οφειλόταν
σε σύμπτωση στατιστικής.

Ας επιστρέψουμε όμως στη σκοτεινή ύλη.

Αν οι δέσμες πρωτονίων του LHC
έχουν αρκετή ενέργεια να την παράξουν,

τότε πρόκειται για ακόμη πιο σπάνιο
γεγονός από το μποζόνιο Χιγκς.

Έτσι απαιτούνται τετράκις εκατομμύρια
συγκρούσεις μαζί με θεωρητικά μοντέλα

μόνο για την έναρξη της έρευνας.

Αυτό κάνει επί του παρόντος ο LHC.

Με την παραγωγή ενός μεγάλου
όγκου δεδομένων,

ελπίζουμε να βρούμε περισσότερα
μικρά εξογκώματα στα γραφήματα

που θα προσφέρουν αποδείξεις για άγνωστα
ακόμη σωματίδια, όπως η σκοτεινή ύλη.

Ή ίσως αυτό που θα βρούμε
δεν θα 'ναι σκοτεινή ύλη,

αλλά κάτι άλλο

που θα αναδιαμορφώσει την αντίληψή μας
για την λειτουργία του σύμπαντος ριζικά.

Αυτό αποτελεί μέρος της διασκέδασης τώρα.

Δεν έχουμε ιδέα για το τι πρόκειται
ν' ανακαλύψουμε.