Πανεπιστήμιο του Αιγαίου, Χίος, 24 Νοεμβρίου 2016

Πανεπιστήμιο του Αιγαίου, Χίος, 24 Νοεμβρίου 2016

Περιεχόμενα Εισαγωγή: οι νόμοι της Φύσης Περιήγηση στο (εγγύς) παρελθόν success stories στη θεμελιώδη έρευνα Η κατάσταση της θεωρίας της Φυσικής σήμερα Που πάμε τώρα;

Εισαγωγή

Η Φυσική Η επιστήμη της Φυσικής προσπαθεί να κατανοήσει το πώς λειτουργεί η φύση. Προσπαθεί να θεμελιώσει την πιο απλή, σωστή και όμορφη θεωρία. Η Φυσική του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου είναι μια και η αυτή. Μπορούμε να επεκτείνουμε τη γνώση μας βλέποντας μακριά (το Σύμπαν) ή το πολύ μικρό

Η Έρευνα Η θεμελιώδης έρευνα μας απαλλάσσει από τα δεσμά της άγνοιας (ψυχή) Η εφαρμοσμένη έρευνα μας βοηθάει να ζούμε πιο άνετα (σώμα) Και οι δυο μας κάνουν να ονειρευόμαστε Και οι δυο έχουν ένα πολύ σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας: η θεμελιώδης έρευνα είναι απαραίτητη για «αλλαγή επιπέδου»

Χρηματοδότηση Η θεμελιώδης έρευνα έχει πολύ καλή απόδοση επένδυσης! Όμως: Δεν ξέρουμε πότε Σεν ξέρουμε σε ποιο τομέα Άρα δεν μπορεί να χρηματοδοτηθεί από ιδιωτικούς φορείς λόγω ακριβώς αυτής της έλλειψης επιστροφών για ίσως - πολύ μεγάλο χρονικό διάσημα. Χρηματοδοτείται λοιπόν από τον κρατικό τομέα Η περίπτωση του CERN: σταθερή χρηματοδότηση (περίπου 1 δισεκατομμύριο ευρώ το χρόνο) από 21 χώρες-μέλη

Γιατί το κάνουμε; we chose these things not because they are easy, but because they are hard, because that goal will serve to measure and organize the best of our energies and skills, because that challenge is one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and one which we intend to win : J.F. Kennedy, president of the US, 1962 7

Η φύση γύρω μας

Η κατανόηση της φύσης σε πέντεέξι διαφάνειες Το υπόβαθρο Οι παίκτες Οι νόμοι

Οι τέσσερις διαστάσεις Ο χώρος Ο χρόνος Το τελάρο πάνω στο οποίο οικοδομείται ο κόσμος. Ο χρόνος είναι ειδική διάσταση. Οι τρεις χωρικές διαστάσεις δίνουν την κατάλληλη πολυπλοκότητα

Ενέργεια Το νόμισμα της φύσης Ισοτιμία με μάζα (= mc 2 ) Μηχανισμός δανειοδότησης (αρχή απροσδιοριστίας) δυνατότητα «δανεισμού» για πολύ μικρά χρονικά περιθώρια ΔEΔt=ћ/2, δηλαδή για όσο μικρότερο χρονικό διάστημα, περισσότερη ενέργεια είναι διαθέσιμη.

Οι κανόνες Οι νόμοι της φύσης δεν αλλάζουν με το χρόνο, ούτε με τη θέση (θεώρημα Noether, αρχή διατήρησης ενέργειας και ορμής) Η φύση είναι οκνηρή. (αρχή της ελάχιστης δράσης principle of least action) Η φύση είναι οκνηρή (2) Υπολογίζει κάτι μόνο όταν χρειαστεί (παράδοξο EPR) Α Β

Η θεωρία σήμερα Ονομάζεται, κάπως πεζά, το «καθιερωμένο Πρότυπο» Στη φύση (δυνητικά) υπάρχουν μια σειρά από θεμελιώδη σωματίδια ύλης (φερμιονια) και ένας αριθμός από θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ θεμελιωδών σωματιδίων, που επίσης συνδέονται με μια σειρά από σωματίδια- αγγελιοφόρους

Μποζόνια Σωματίδιο Higgs - υπόβαθρο Φωτόνιο (γ) - χημεία Σωματίδια W +, W +, Z - αλχημεία Γκλουόνια πυρήνες ατόμων (Βαρυτόνιο) - βαρύτητα

Φερμιόνια Τα σωματίδια που δίνουν στον κόσμο μας την υλική του υπόσταση [στατιστική Φέρμι: δυο σωματίδια δεν μπορούν να καταλάβουν την ίδια (ενεργειακή) θέση] Τρεις οικογένειες, μόνο η πρώτη έχει σωματίδια που συναντάμε σε ότι βλέπουμε γύρω μας (πάνω και κάτω κουαρκ, ηλεκτρόνιο)

Big science: Πρόσφατες επιτυχίες και δυσκολίες

Big science Όσο προοδεύουμε, οι ερωτήσεις που απομένουν είναι οι πιο δύσκολες Είναι πιο εύκολο να αυξήσεις το μέγεθος και πολυπλοκότητα μιας υπάρχουσας τεχνικής, παρά να εξελίξεις μια νέα τεχνική.

μέσα σε 100 χρόνια έχουμε πάει από αυτό Αντίγραφο της συσκευής που χρησιμοποίησε ο J.J.Thomson (επιταχυντής και ανιχνευτής) όταν ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο. Έτος: 1897

σε αυτό Ανιχνευτής Atlas του LHC. Ο μεγαλύτερος σε μέγεθος ανιχνευτής στον κόσμο (πρώτα δεδομένα: 2010)

και ο επιταχυντής από πίσω του: Ο επιταχυντής LHC Ο επιταχυντής LHC large Hadron Collider ένας υπεραγώγιμος επιταχυντής πρωτονίων

Success stories Μια θεωρία που αναπτύσσεται από έναν 35αρη φυσικό το 1964, αποδεικνύεται σωστή το 2012 με την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs μετά από 48 χρόνια Peter Higgs, lecturer, Edinburgh, circa 1964 Peter Higgs, Nobel laureate, CERN, 2014 Μηχανή: LHC επιταχυντής 27 χιλιομέτρων Αυτό, πιστεύω, είναι η επιτομή της επιστήμης του 20ου αιώνα: σταθερή βάση, συνέχεια, πρόοδος.

Success stories (2) Απόσταση από τη Γη:4.4 έτη φωτός Άλφα του Κενταύρου Alpha Centauri is a system of stars: Alpha Centauri A (α Cen A) (left) and Alpha Centauri B (α Cen B) (right). Proxima Centauri (α Cen C) although closest to the Sun, is not visible to the naked eye. Distance is 4.4 light years from the earth

Success stories (2) Ερώτηση: μια ανθρώπινη συσκευή ακριβείας, με πόση ακρίβεια μπορεί να μετρήσει διακυμάνσεις σε αυτή την απόσταση; (4.4 έτη φωτός = 42 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα) 40 εκατομμύρια χιλιόμετρα; (ακρίβεια 10-6 ) 40 χιλιάδες χιλιόμετρα; (ακρίβεια 10-9 ) 40 μέτρα; (ακρίβεια 10-15 ) 40 χιλιοστά; (ακρίβεια 10-18 ) Όχι. 40 μικρά (ακρίβεια 10-21 ) Μηχανή: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) δυο συμβολόμετρα των 4 χιλιομέτρων σε απόσταση 3000 χιλιομέτρων

LIGO gravitational wave detector

Success stories (2) Ανίχνευση βαρυδιακών κυμάτων. Το πρώτο γεγονός που καταγράφηκε: 1.3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά Έκλυση ενέργειας: 3 ηλιακές μάζες Οι συχνότητες των βαρυδιακών κυμάτων τυχαίνει να είναι παρόμοιες με τις ηχητικές συχνότητες. Έτσι, μπορούμε να κατεβάσουμε ring tone από ένα εξαιρετικά βίαιο κοσμικό γεγονός!

Δυσκολίες Τα πράγματα δεν είναι πάντα ρόδινα για την επιστήμη μεγάλων υποδομών

Superconducting Super Collider Επιταχυντής 87 χιλιομέτρων στην περιοχή του Waxahachie, Texas, ΗΠΑ. 17 κάθετες σήραγγες και 24 χιλιόμετρα τούνελ ανοίχτηκαν μέχρι το τέλος του 1993. Το κογκρέσο των ΗΠΑ ματαίωσε το εγχείρημα στις 21 Οκτωβρίου του 1993 μετά από δαπάνες 2 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Αρχικός προϋπολογισμός:4.4 δισεκατομμύρια. Τελική εκτίμηση για το συνολικό κόστος: 12 δισεκατομμύρια.

Ατύχημα του LHC On 19 September 2008, only 9 days after its successful startup, a test of a high power circuit of the LHC (the last of the series) resulted in catstrophic failure of ~4% of all LHC magnets It took 14 months of hard work to repair the accident, and five years until the LHC was able to run close to its design energy. Serendipidy: 15 September 2008: lehman brothers collapse

Που βρισκόμαστε;

Το καθιερωμένο Πρότυπο γύρω στο 2000

Το καθιερωμένο Πρότυπο σημερα Θα μπορούσαμε να πούμε πώς με την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs το τελευταίο κομμάτι του πάζλ έχει μπει στην θέση του. Με άλλα λόγια, ξέρουμε πλέον πώς δουλεύει η φύση. Αλλά δεν ξέρουμε το γιατί, που είναι και το πιο σημαντικό ερώτημα.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο Για πρώτη φορά στην ιστορία έχουμε μια θεωρία η οποία είναι αυτοσυνεπής και που ισχύει για εκθετικά υψηλές ενέργειες. Παραμένει όμως ένα «μοντέλο» και όχι μια θεωρία τα κεντρικά ερωτήματα σήμερα δεν αφορούν λεπτομέρειες, αλλά αφορούν πολύ βαθύτερα, διαρθρωτικά θέματα: η προέλευση του χωροχρόνου και του σύμπαντος στο οποίο ζούμε. Σήμερα μπαίνουμε σε μια περίοδο που τα επιστημονικά ζητήματα που διακυβεύονται στον τομέα μας είναι τα πιο δύσκολα και θεμελιώδη που έχουμε αντιμετωπίσει από το 1930 Nima Arkani-Hamed

Όμως: Παρ όλες τις επιτυχίες του, το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μπορεί να απαντήσει σε μια σειρά από σημαντικά ερωτήματα που έχουν να κάνουν με μετρήσεις που δεν επιδέχονται αμφισβήτηση: Από τι προέρχεται η σκοτεινή υλη; Ποιος είναι ο μηχανισμός ασυμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης; Τι είναι σκοτεινή ενέργεια; Το αντί-σωματίδιο του νετρίνου είναι ο εαυτός του;

Η επέκταση του καθιερωμένου Προτύπου Αν λοιπόν θεωρήσουμε πως αυτά τα αναπάντητα ερωτήματα θα απαντηθούν με μια επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου, βγαίνουμε στο επόμενο αδιέξοδο: Αυτή η (οποιαδήποτε) καινούρια φυσική προϋποθέτει μια σειρά από άλλα φαινόμενα. Όμως, κανένα από αυτά τα φαινόμενα δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι στιγμής, ακόμα και στο μεγαλύτερο επιστημονικό μηχάνημα που έγινε ποτέ, στον LHC. Αυτό σημαίνει πως η κλίμακα της καινούριας φυσικής (που ονομάζω ως είθισται Λ) είναι σε πολύ υψηλότερες ενέργειες από αυτές που έχουμε εξερευνήσει μέχρι στιγμής. Αυτό με τη σειρά του μας δημιουργεί το πρόβλημα της «φυσικότητας» της θεωρίας μας.

Θα έπρεπε ήδη να έχουν ανακαλυφθεί φαινόμενα στο LHC, κάτι που δεν ισχύει Μπρος γκρεμός και πίσω ρέμα Το Καθιερωμένο πρότυπο ισχύει για όλες τις ενέργειες όχι ναι Δεν εξηγούνται φαινόμενα και επιβεβαιωμένες μετρήσεις Η καινούρια φυσική έρχεται σε μια κλίμακα Λ Λ χαμηλό Λ υψηλό Η θεωρία είναι αφύσικη

Φυσικότητα Όπως αναφέραμε, πολλά από τα προβλήματα της θεωρίας σήμερα συνδέονται με την έννοια της «φυσικότητας» Δεν είναι καλό για μια θεωρία να έχει νούμερα πολύ μικρά ή/και πολύ μεγάλα που «κατά τύχη» μας δίνουν ανθρώπινα νούμερα Όμως πρέπει να είμαστε προσεκτικοί, γιατί έχουμε συναντήσει τυχαίες συμπτώσεις στην ιστορία της επιστήμης μέχρι σήμερα

Το πρόβλημα της φυσικότητας στην Υπερσυμμετρία, π.χ. Αν προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε την μάζα του Higgs μέσα από μια θεωρία πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο (όπως η Υπερσυμμετρια, παραδείγματος χάριν), η μάζα του περιέχει μια σειρά από διορθώσεις : οι διορθώσεις στη μάζα από την καινούρια φυσική (οι οποίες είναι πολύ μεγαλύτερες από την μάζα του Higgs που έχουμε μετρήσει) τυχαίνει να έχουν παρόμοιο μέγεθος και αντίθετη φορά από τις διορθώσεις από την γνωστή φυσική, ούτως ώστε το τελικό αποτέλεσμα να είναι η μικρή μάζα του Higgs που ξέρουμε

Τυχαίες συμπτώσεις Η στερεά γωνία του Ήλιου και της σελήνης όπως φαίνεται από τη γη είναι ίδια (σύμπτωση 1%) Πυρηνική φυσική (πολλά παραδείγματα): 2 Η δεν υπάρχει στη φύση για ~2MeV (20% σύμπτωση), δυο νετρόνια δεν μπορούν να φτιάξουν «πυρήνα» για ~60KeV (1% σύμπτωση). Το σύμπαν μας θα ήταν αγνώριστο αν συνέβαιναν τα παραπάνω

Οι αντίπαλοι του Αρίσταρχου Ο Αρίσταρχος ο Σάμιος (310-230 π.χ.) εξέφρασε την εμπεριστατωμένη θεωρία ότι η γη περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο και όχι το αντίθετο Οι πολέμιοι της θεωρίας του, του ζήτησαν να εξηγήσει γιατί, αν όντως η θεωρία του είναι σωστή, δεν βλέπουμε τα άστρα να αλλάζουν θέση ανάλογα με τις εποχές Η απάντηση του Αρίσταρχου ήταν πως τα άστρα που βλέπουμε είναι πολύ πιο μακριά από ότι η απόσταση γης-ήλιου. Για πιο λόγο όμως να υπάρχουν δυο τόσο διαφορετικά μεγέθη στο Σύμπαν; Δεν μπορούσε να δώσει μια πειστική απάντηση τότε. Η θεωρία του είχε πρόβλημα φυσικότητας Σήμερα βέβαια ξέρουμε πως όντως υπάρχουν διαφορές κλίμακας για αντικείμενα που είναι δεμένα βαρυτικά (ηλιακό σύστημα) ή έχουν να κάνουν με την εξέλιξη του σύμπαντος (απόσταση γαλαξιών)

Η θεωρία του Αρίσταρχου έμοιαζε αφύσικη μέχρι που είδαμε ολόκληρη την εικόνα (με τις θεωρίες του Νεύτωνα και του Big Bang) και πλέον έχουμε να κάνουμε με μια εντελώς «φυσική» θεωρία Μήπως αυτό θα συμβεί και με το καθιερωμένο πρότυπο;

Τι κάνουμε σε τέτοιες περιπτώσεις; Πέφτουμε στη δουλειά και μετράμε! Εξαντλούμε της δυνατότητες των μηχανημάτων που έχουμε στη διάθεσή μας σήμερα, και αν η φύση επιμένει να κρατάει μυστικά, φτιάχνουμε άλλα, πιο έξυπνα, πιο δυνατά μηχανήματα

Μελλοντικές μηχανές

Το επόμενο βήμα Κατ αρχάς πρέπει να δούμε τι αποτελέσματα θα πάρουμε από το LHC τα επόμενα δυο χρόνια (ο επιταχυντής δουλεύει σε καινούρια ενεργειακή περιοχή από το 2015) Πολλά μέρη του κόσμου έχουν εκφράσει το ενδιαφέρον να στεγάσουν την επόμενη μεγάλη μηχανή της φυσικής υψηλών ενεργειών Μια από αυτές τις μηχανές ίσως να κατασκευαστεί (κοντά στο 2035 )

Η Ιστορία επαναλαμβάνεται; Όταν η Lady Margaret Thatcher επισκέφθηκε το CERN το 1982, ρώτησε τον τότε γενικό διευθυντή Herwig Schopper πόσο μεγάλος θα ήταν ο επόμενος επιταχυντής του CERN. Ο Prof. Schopper απάντησε πως δεν θα υπάρξει μεγαλύτερος επιταχυντής στο CERN. Η Θάτσερ απάντησε πως είχε λάβει ακριβώς την ίδια απάντηση από τον Sir John Adams όταν ο επιταχυντής SPS είχε χτιστεί πριν από δέκα χρόνια, και άρα δεν τον πιστεύει. Herwig Schopper, private communication, 2013; curtesy F. Zimmermann Margaret Thatcher, British PM 1979-90 Herwig Schopper CERN DG 1981-88 Έφτειαξε το LEP John Adams CERN DG 1960-61 & 1971-75 Έφτειαξε το PS και SPS

Το μέλλον του CERN το CERN έχει στα σκαριά δυο πολύ καλές ιδέες για την επόμενη Μεγάλη Μηχανή: Το CLIC: γραμμικός επιταχυντής ηλεκτρονίων καινούριας τεχνολογίας που μπορεί να πέτυχει πολύ υψηλές ενέργειες Το FCC: κυκλικός επιταχυντής για ηλεκτρόνια και πρωτόνια, συμβατικής τεχνολογίας, με ιδιαίτερα υψηλή φωτεινότητα (ηλεκτρόνια) και ενέργεια (πρωτόνια)

CLIC (CERN) Ο επιταχυντής CLIC είναι ένα εγχείρημα του CERN Χρησιμοποιεί καινούρια τεχνολογία για την επιτάχυνση (μια δέσμη επιταχύνει μια δεύτερη) Μπορεί να φτάσει στις υψηλότερες ενέργειες για επιταχυντή ηλεκτρονίων Είναι μια φοβερά πολύπλοκη μηχανή M. Aicheler et al., A Multi-TeV Linear Collider Based on CLIC Technology : CLIC Conceptual Design Report, CERN-2012-007 P. Lebrun et al., The CLIC Programme: Towards a Staged e+e Linear Collider Exploring the Terascale : CLIC Conceptual Design Report arxiv:1209.2543 CERN- 2012-005 A. Miyamoto etal., Physics and Detectors at CLIC : CLIC Conceptual Design Report, arxiv:1202.5940 CERN-2012-003

CLIC κοντά στο CERN Tunnel implementations (laser straight) 48 Central MDI & Interaction Region

FCC-ee / FCC-hh (CERN) 80-100 χιλιόμετρα επιταχυντής στην ευρύτερη περιοχή της Γενεύης Έμφαση στις επιδόσεις Από την αρχή σχεδιασμός για επιταχυντή πρωτονίων 100TeV (χρονικά μετά τον επιταχυντή ηλεκτρονίων) M. Koratzinos et al., TLEP: A High-Performance Circular e+e- Collider to Study the Higgs Boson, arxiv:1305.6498 [physics.acc-ph]

Οι πρωτεργάτες FCC-ee (TLEP) A. Blondel F. Zimmermann M. Koratzinos J. Ellis P. Janot R. Aleksan

Η γεωλογία της περιοχής 20,800m PRELIMINARY J. Osborne & C. Cook 52

Ο υπόλοιπος κόσμος Η φυσική υψηλών ενεργειών δεν είναι μονοπώλιο της Ευρώπης Και άλλα μέρη του κόσμου, ιδίως η Ασία, έχει βλέψεις για να φιλοξενήσει το επόμενο μεγάλο εγχείρημα Το ILC στην Ιαπωνία, ένας συμβατικός γραμμικός επιταχυντής ηλεκτρονίων Το CEPC στην Κίνα, ένας συμβατικός κυκλικός επιταχυντής διπλάσιος σε μέγεθος από το LHC

ILC (Ιαπωνία) Το ILC είναι ένας γραμμικός επιταχυντής πιο συμβατικής τεχνολογίας σε σχέση με το CLIC, επιτυγχάνει χαμηλότερες ενέργειες αλλά είναι και πιο απλός. Η Ιαπωνία έχει εκφράσει ενδιαφέρον για την κατασκευή του 500GeV με 31 χιλιόμετρα C. Adolphsen et al., eds, The International Linear Collider Technical Design Report: http://www.linearcollider.org/ilc/publications/ Technical-Design-Report, 2013

ILC

CEPC (Κίνα) Κυκλικός επιταχυντής ηλεκτρονιων 60-90 χιλιομέτρων Έμφαση στην απλότητα και χαμηλή τιμή Μπορεί να στεγάσει αργότερα έναν επιταχυντή πρωτονίων

CEPC Προκαταρκτική τοποθεσία: Qinhuangdao ( 秦皇岛 )

Προκλήσεις

Πρόκληση Ν ο 1 Για όλους τους μεγάλους επιταχυντές που σχεδιάζονται τώρα, δεν υπάρχει «εγγύηση ανακάλυψης» Αυτό είναι κάτι καινούριο στον τομέα μας. Το LHC όταν εγκρίθηκε, π.χ. είχε την λύση του προβλήματος «σωματίδιο Higgs» εξασφαλισμένη Αυτό κάνει δύσκολη την εξασφάλιση χρηματοδότησης η προσέγγιση προς τις κυβερνήσεις είναι συνήθως προσέγγιση δημιουργίας εντυπώσεων Ίσως το επιχείρημα του «κύρους» να παίξει ρόλο (Ευρώπη εναντίον Ασίας)

Πρόκληση Ν ο. 2: η έλλειψη πρόκλησης Πολύ συχνά η καλύτερη, πιο αποδοτική, καινούρια μηχανή βασίζεται στην επιτυχημένη χρήση γνωστής τεχνολογίας, αλλά σε μεγαλύτερη κλίμακα. Π.χ. η έννοια του σύγχροτρου είναι γνωστή εδώ και πολλά χρόνια: ο Edwin McMillan σχεδίασε το πρώτο σύγχροτρο ηλεκτρονίων το 1945 (Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας). Ενέργεια: 350MeV... Τον 21ο αιώνα δεν θα έπρεπε να προχωρήσουμε σε μια νέα, καλύτερη ιδέα; Όχι πάντα! Το FCC, ένα συμβατικό σύγχροτρο, στα περισσότερα μελλοντικά σενάρια, είναι πιο αποδοτική μηχανή για το ίδιο κόστος από μηχανές τεχνολογικής καινοτομίας, όπως το CLIC και το ILC. 60

Πρόοδος εναντίον καινοτομίας Στην ιστορία, πολλές φορές η πρόοδος γίνεται με βαθμιαία βελτίωση μιας γνωστής τεχνολογίας, απλά αυξάνοντας την κλιμακα (και εξελίσσοντάς την) Το πιο γνωστο παραδειγμα: 1926 1967 61 Robert Goddard

Επίλογος Ξέρουμε πλέον πολλά για το πώς λειτουργεί η φύση, χρησιμοποιώντας μηχανήματα όλο και πιο μεγάλα, ακριβά και πολύπλοκα. Υπάρχουν πολύ ενδιαφέροντα αναπάντητα ερωτήματα που καλούνται να λύσουν οι επιστήμονες του μέλλοντος Ο δρόμος για την επόμενη μεγάλη μηχανή δεν θα είναι εύκολος αλλά θα είναι σίγουρα ενδιαφέρων

Σας ευχαριστώ