Από το κυνήγι της καθαρής επιστημονικής. τεχνολογία αύριο. Μεγάλα πειράματα της σύγχρονης φυσικής: γνώσης σήμερα στην ευρείας χρήσης

Transcript

1 Μεγάλα πειράματα της σύγχρονης φυσικής: Από το κυνήγι της καθαρής επιστημονικής γνώσης σήμερα στην ευρείας χρήσης τεχνολογία αύριο Καθ. Ιωάννης Γκιάλας Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης Πανεπιστήμιο Αιγαίου Χίος, 23 Νοεμβρίου 2016

2 Με τι θα ασχοληθούμε; Μία γρήγορη ματιά σε ένα μεγάλο πείραμα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (ΦΥΕ), το ATLAS Ποιός είναι ο στόχος των πειραμάτων Ποιά είναι η συνεισφορά του Παν. Αιγαίου στο ATLAS Ποιές είναι οι επιπτώσεις από τις ανακαλύψεις των μεγάλων πειραμάτων στην καθημερινότητα; Αν η επιστημονική ανακάλυψη δεν μας πολυκαίει, υπάρχουν άλλα, πιο πρακτικά αποτελέσματα; Μία μικρή γεύση από τεχνολογίες που απορρέουν από τη ΦΥΕ Η χρονική υστέρηση των πρακτικών εφαρμογών 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 2

3 Ποιός είναι ο σκοπός των πειραμάτων; Ανακάλυψη καινούργιων σωματιδίων, αναμενόμενων (πχ. Higgs) και μη αναμενόμενων, πχ υπερσυμμετρικά σωματίδια.. Μελέτη ιδιοτήτων των σωματιδίων που είναι γνωστά σε υψηλότερες ενέργειες Μελέτη των δυνάμεων μεταξύ σωματιδίων Επιβεβαίωση ή απόρριψη διαφόρων θεωριών που ισχυρίζονται ότι περιγράφουν τον κόσμο (πχ. Υπερσυμμετρία) 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 3

4 Πώς γίνεται η ανίχνευση ενός σωματιδίου Event rate in ATLAS : N = L x (pp) 10 9 interactions/s Mostly soft ( low p T ) events Interesting hard (high-p T ) events 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 4

5 Διάμετρος 25 m Μήκος κεντρικού μαγνήτη 26 m Συνολικό μήκος 46 m Συνολικό βάρος 7000 Tons Μήκος καλωδίων 3000 km The ATLAS Detector 3000 φυσικοί 140 πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα 38 χώρες To 1994 έγινε η πρόταση για την κατασκευή του στην σημερινή μορφή και μπήκε στον προϋπολογισμό Ανάπτυξη τεχνολογίας Κατασκευή 2008 Έναρξη λειτουργίας Αναμενόμενη διάρκεια ζωής 25 χρόνια 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 5

6 Πού συνεισφέρει η ομάδα του Παν. Αιγαίου; ΜΙΚΡΟΙ ΤΡΟΧΟΙ είναι συστοιχία ανιχνευτών για να ανιχνεύουν μιόνια, μέρος του φασματοσκόπιου μιονίων (θαλασσί) Διάμετρος 10 m Συμμετέχουν με σημαντική συνεισφορά οι ελληνικές ομάδες Small Wheels 28 June 2016 I. Gkialas, U.Aegean, ATLAS-NSW, KAIST-CAPP 6

7 Ένας καινούργιος ανιχνευτής, MicroMegas Το Παν. Αιγαίου συμβάλλει σε: Ανάπτυξη καινούργιου τύπου ανιχνευτού, του MicroMegas. Οι μικροί τροχοί θα εξοπλισθούν με ΜΜ. (Καθοριστική συμβολή των ελληνικών ομάδων) Έλεγχος ηλεκτρονικού συστήματος ανάγνωσης των δεδομένων του ΜΜ Έλεγχος λειτουργίας των ΜΜ με την εφαρμογή HV 28 June 2016 I. Gkialas, U.Aegean, ATLAS-NSW, KAIST-CAPP 7

8 4 m Τελικό μέγεθος Κατασκευή πρωτοτύπου MicroMegas Ο πρώτος ανιχνευτής ΜΜ όπως θα χρησιμοποιηθεί στο ATLAS συναρμολογήθηκε και λειτούργησε σε μεγάλο βαθμό από την ομάδα του πανεπιστημίου Αιγαίου (2014) I. Gkialas, U.Aegean, ATLAS-NSW, KAIST- CAPP 28 June

9 Πώς συνεισφέρει η ομάδα ΦΥΕ του Παν. Αιγαίου; (2) Υπερσυμμετρία Θεωρία που προσπαθεί να λύσει κάποια προβλήματα που υπάρχουν στο Καθιερωμένο Πρότυπο Μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων. Μεταξύ άλλων, την ύπαρξη σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Είναι συνδεδεμένη με την ανακάλυψη καινούργιων σωματιδίων, αλλά προς το παρόν δεν έχουν ανακαλυφθεί. (Ολοκληρώθηκε και με Διδακτορική διατριβή 2015) Ιδιότητες σωματιδίου Higgs (πχ. Πιθανότητα παραγωγής, διάρκεια ζωής, σε τι σωματίδια του αρέσει να διασπάται, κλπ) Υπό μελέτη. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 9

10 Ένα υποψήφιο γεγονός παραγωγής Higgs που έχει διασπασθεί σε 4 μιόνια m_4l = GeV. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 10

11 Γιατί φτιάξαμε αυτά τα μεγαθήρια της megascience; Θέλουμε να μελετήσουμε το απειροελάχιστο. Υποατομικά σωματίδια που ζούν για μερικά δισεκαρομμυριοστά του δευτερολέπτου, τα περισσότερα δεν υπάρχουν υπό κανονικές συνθήκες στο σύμπαν σήμερα. Όμως, είναι αναγκαίο να τα μελετήσουμε γιατί εκεί μας σπρώχνει η περιέργεια μας. Για να τα μελετήσουμε, πρέπει να πάμε όλο και σε μεγαλύτερες ενέργειες, άρα πιο δυνατούς επιταχυντές, πιο προηγμένα ηλεκτρονικά, ανιχνευτές μεγάλης ακρίβειας. Το μόνο κίνητρο για τους εμπλεκόμενους φυσικούς Υψηλών Ενεργειών είναι η περιέργεια και η αγάπη για το άγνωστο. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 11

12 Αξίζει η προσπάθεια για τους υπόλοιπους; Τα πειράματα έχουν μεγάλο κόστος. Τα επωμίζονται οι φορολογούμενοι. Πάντως υπάρχουν μερικά πειράματα σε όλο τον πλανήτη Αλλά, που πάνε αυτά τα χρήματα; Θα μπορούσαν να ξοδευθούν με κάποιον πιο αποτελεσματικό τρόπο; (Ας μας απαντήσουν εδώ οι οικονομολόγοι) Πάντως, επιστρέφουν στην οικονομία με την μορφή παραγγελιών στις βιομηχανίες, μισθούς σε επιστήμονες και φοιτητές και προσωπικό, κλπ. Μέγιστο όφελος για την κοινωνία (κατά την άποψη μου) είναι η απόκτηση της καινούργιας γνώσης και η διάχυση της σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού. Όμως, δεν σκέφτονται όλοι με τον ίδιο τρόπο. Πολλοί άνθρωποι θα ήθελαν το προϊόν της έρευνας να κατευθύνεται αποκλειστικά σε πρακτικές καθημερινές εφαρμογές ευρείας χρήσης. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 12

13 Ο ρόλος της βασικής έρευνας Η τεχνολογία λειτουργεί μέσα σε συγκεκριμένα γνωστά όρια. Η βασική έρευνα ( ο στόχος δεν έχει πρακτική αξία εκτός από την γνώση που αποκτάται ή ακόμα δεν υπάρχει και συγκεκριμένος στόχος) σπρώχνει αυτά τα όρια και δημιουργεί ευκαιρίες για καινοτόμα τεχνολογία που δημιουργεί έναν ακόμα γύρο βασικής έρευνας. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 13

14 Δεύτερο κύμα θεμελιωδών τεχνολογικών εφαρμογών βασισμένων στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων Στα πρώτα στάδια, αρχή 20 ου αιώνα, ανακαλύφθηκαν οι ακτίνες-χ, το ηλεκτρόνιο (χρειάσθηκαν αντλίες κενού και φλάντζες στο τέλος του 19 ου Αιώνα) Εφευρέθηκε η κβαντική φυσική. Με την βοήθεια της ΚΦ ανακαλύφθηκε το νέφος ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, και μετά εξηγήθηκε όλη η χημεία, οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών, αναπτύχθηκαν τα ηλεκτρονικά. Τα ηλεκτρονικά αναπτύχθηκαν ραγδαία με την ανακάλυψη των ημιαγωγών. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 14

15 Walter Η. Brattain, εκ των εφευρετών του τρανζίστορ 1947 (Nobel 1954, Bardeen, Shokley, Brattain) «Το τρανζίστορ ανακαλύφθηκε επειδή η βασική γνώση είχε αναπτυχθεί στο επίπεδο όπου τα ανθρώπινα μυαά μπορούσαν να κατανοήσουν φαινόμενα που ήταν γνωστά από πολύ καιρό. Στην περίπτωση μίας συσκευής τέτοιων συνεπειών όπως το τρανζίστορ, αξίζει να σημειωθεί ότι η ανακάλυψη ήρθε από δουλειά αφιερωμένη στην κατανόηση θεμελιωδών φυσικών φαινομένων, και όχι με την μέθοδο «κόβω-και-ξαναπροσπαθώ» για την παραγωγή μίας χρηστικής συσκευής.» 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 15

16 Δεύτερο κύμα θεμελιωδών τεχνολογικών εφαρμογών βασισμένων στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων Θεμελιώδης τεχνολογική πρόοδος ήρθε από την μελέτη του πυρήνα του ατόμου. Εδώ βασικό ρόλο παίζει η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια μέσω της πυρηνικής σχάσης και σύντηξης. Προέκυψαν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες, τα πυρηνικά όπλα και η παραγωγή απεριόριστης καθαρής ενέργειας από το νερό (μελλοντικά). Είναι πολύ νωρίς για να δούμε την πιθανή τεχνολογική χρήση των κουάρκ και των μποζονίων που έχουν ανακαλυφθεί. Δυστυχώς η ανθρώπινη φαντασία δεν είναι κατάλληλη για να εκτιμήσουμε την πρακτική αξία των σημερινών ανακαλύψεων για το αύριο. Όμως, δεν θα ήταν συνετό να υποθέσουμε ότι αυτό δεν θα είναι ποτέ δυνατόν. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 16

17 Παράπλευρες τεχνολογικές εφαρμογές που απορρέουν από την ΦΥΕ 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 17

18 Εύρος εφαρμογών που απορρέουν από την ΦΥΕ Όλο και περισσότερο, οι ιδέες και η τεχνολογία της ΦΥΕ απλώνεται σε άλλους τομείς της οικονομίας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα: Ιατρική Εσωτερική Ασφάλεια Βιομηχανία Υπολογιστές Άλλες επιστήμες Εκπαίδευση ανθρώπινου δυναμικού 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 18

19 Ένας κατάλογος που γίνεται όλο και μεγαλύτερος Περισσότερα στην ομιλία του κου Κ. Παπαγεωργίου Αποστείρωση τροφιμων Παραγωγή ιατρικών ραδιοϊσοτόπων Προσομοίωση θεραπειών καρκίνου Σκανάρισμα κοντεϊνερ Συνδυασμός απεικονιστικών μεθόδων PET και MRI Parallel computing Έγχυση ιόντων για βελτίωση υλικών Data mining και προσομοίωση Μεταστοιχείωση πυρηνικών αποβλήτων Απομακρυσμένος έλεγχος πολύπλοκων βιομηχανικών συστημάτων 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 19

20 Χρονική καθυστέρηση εφαρμογών που απορρέουν από την ΦΥΕ Βιοϊατρική Υπολογιστές, www Υπεραγώγιμοι μαγνήτες MRI και ιατρική απεικονιστική Επιταχυντές, κυκλοτρόνια. Θεραπεία καρκίνου. Κάμερες ακτίνων-γ. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 20

21 Βιοϊατρική και ανάπτυξη φαρμάκων Με μεθόδους και τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν από τη ΦΥΕ, γίνεται η αποκρυπτογράφηση των πρωτεϊνών. Αυτή η πληροφορία είναι σημαντική για την κατανόηση των βιολογικών διαδικασιών και την ίαση ασθενειών. Η καλύτερη κατανόηση της δομής των πρωτεϊνών οδηγεί στην σχεδίαση πιο αποτελεσματικών φαρμάκων, όπως του Kaletra, που είναι το πιο συχνά συνταγογραφούμενο φάρμακο για το AIDS. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 21

22 Υπολογιστές: www και grid Οι φυσικοί στοιχειωδών σωματιδίων ανέπτυξαν το World Wide Web (www) σαν ένα εργαλείο για εύκολη επικοινωνία με συνεργάτες σε όλο τον κόσμο. Ο Berners-Lee and Cailliau του cern έκαναν την πρόταση τους το 1990 για να λύσουν το πρόβλημα των πολλών ασύμβατων μεταξύ τους λογισμικών που έκαναν πολύ δύσκολη την πρόσβαση σε πληροφορία. To GRID είναι η τελευταίο εργαλείο που αναπτύχθηκε για να εξυπηρετήσει τις ανάγκες αποθήκευσης και υπολογιστικής δύναμης των μεγάλων πειραμάτων ΦΥΕ (2000) Δίνει την δυνατότητα να συνδυασθούν πόροι σε σκληρούς δίσκους και υπολογιστική ισχύ σε αυθαίρετα μεγάλους αριθμούς ώστε να λυθούν προβλήματα ανάλυσης τεραστίων ποσοτήτων δεδομένων. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί από την ιατρική, την βιολογία, χρηματοοικονομική κλπ. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 22

23 Gamma Ray camera Ανιχνευτές σπινθηρισμού είναι από τις πιο παλιές τεχνολογίες ανίχνευσης στοιχειωδών σωματιδίων (1944-). Ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με το υλικό του ανιχνευτή και παράγει μία φωτεινή λάμψη που ανιχνεύεται από έναν φωτοπολλαπλασιαστή και καταγράφεται. Το σωματίδιο μπορεί να προέρχεται από το σύμπαν ή από ένα πείραμα φυσικής ή από το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος. (1960-) (σπινθηρογράφημα, SPECT, PET) 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 23

24 Επιταχυντές σωματιδίων κυκλοτρόνια και συγχροτρόνια Το κυκλοτρόνιο ήταν ο πρώτος επιταχυντής (O. Lawrence, 1931, Nobel 1939) για έρευνα στη φυσική. Επιτάχυνε πρωτόνια στην μέγιστη ενέργεια του 1 εκατ. Volt (1 MeV). Την ίδια περίπου εποχή κατασκευάσθηκε και ο πρώτος γραμμικός επιταχυντής. Σήμερα υπάρχουν 1200 κυκλοτρόνια σε ιατρική χρήση για την παραγωγή ραδιοϊσοτόπων. Τη δεκαετία 1950 πρώτες προσπάθειες για θεραπεία πρωτονίων Σήμερα χρησιμοποιούνται ευρύτατα κάθε είδους ακτινοβολία, ακτίνες-χ, πρωτόνια, νετρόνια, βαριά ιόντα Υπάρχουν 7000 ιατρικοί γραμμικοί επιταχυντές που έχουν βοηθήσει περίπου 30 εκατ. καρκινοπαθείς. Η θεραπεία πρωτονίων αναπτύσσεται ραγδαία τα τελευταί αχρόνια με την χρήση συγχροκύκλοτρων. 45 κέντρα θεραπείας παγκοσμίως, ασθενείς (με δεδομένα του 2012) Πάντως ακόμα δεν έχει καταδειχθεί εμφανώς πώς συγκρίνεται η θεραπεία με δέσμη πρωτονίων με τις κλασσικές μεθόδους 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 24

25 Magnetic Resonance Imaging (MRI) Θεμελιώδης τεχνολογία ιατρικής απεικονιστικής χρησιμοποιεί ισχυρούς υπεραγώγιμους μαγνήτες και το φαινόμενο πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) για την δημιουργία υψηλής ευκρίνειας εικόνων του εσωτερικού του σώματος. Δεκαετία Το NMR ανακαλύφθηκε από τον Isidor Rabi το 1938 (Nobel φυσικής 1944). Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες αναπτύχθηκαν την δεκαετία του Πρόταση του Robert Wilson, διευθυντή του Fermilab για να γίνει εφικτή η κατασκευή του επιταχυντή σωματιδίων Tevatron, του ισχυρότερου επιταχυντή του κόσμου μέχρι την έλευση του LHC το 2008, επίσης με υπεραγώγιμους μαγνήτες. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 25

26 Συμπεράσματα Τα μεγάλα πειράματα της σύγχρονης φυσικής αποσκοπούν στο ξεκλείδωμα των απαντήσεων στα μεγάλα ερωτήματα που απασχόλησαν το άνθρωπο από πολύ παλιά. Από που ερχόμαστε και πού πηγαίνουμε; Από το είναι φτιαγμένο το σύμπαν; Αν και η γνώση που εξάγεται δεν έχει άμεση επίπτωση στην καθημερινότητα των ανθρώπων, οι μέθοδοι και η τεχνολογία που αναπτύχθηκε βρίσκει εφαρμογή σε καθημερινά προβλήματα που απασχολούν τους πολίτες, στην υγεία, στην βιομηχανία, στους υπολογιστές, στο περιβάλλον, κλπ. Οι επαναστατικές εφαρμογές δεν μπορούν να προβλεφθούν. Προκύπτουν στην πορεία Οι πρακτικές εφαρμογές δεν αναπτύσσονται άμεσα αλλά απαιτούν δεκαετίες επώασης. 23 Νοεμβρίου 2016 Ι. Γκιάλας, Μεγάλα πειράματα και τεχνολογία, Χίος 26