Κάνοντας τη σκοτεινή ύλη λίγο φωτεινότερη

Μετάφραση Θοδωρής Πιερράτος

Jenny List Image courtesy of DESY

Η Jenny List, μια νεαρή φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων η οποία εργάζεται στο DESY στη Γερμανία, καθοδηγεί την ερευνητική της ομάδα να ανακαλύψει πώς λειτουργεί το Σύμπαν. Μιλάει στην Barbara Warmbein. «Ανέκαθεν ήθελα να καταλαβαίνω πώς λειτουργούν τα πάντα – από τα εξαιρετικά μικρά μέχρι τα πολύ μεγάλα». Ως φυσικός με διδακτορικό και επικεφαλής μιας μικρής ομάδας προπτυχιακών και μεταπτυχιακών φοιτητών, η Jenny List βρίσκεται σε καλό δρόμο προκειμένου να επιτύχει αυτό ακριβώς που επιθυμεί.

Το αντικείμενο στο οποίο ειδικεύεται είναι η σκοτεινή ύλη, «ένα αντικείμενο που είναι της μόδας στις μέρες μας», χαμογελάει αλλά δεν ανησυχεί: οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η ανακάλυψη και η μελέτη της σκοτεινής ύλης θα δώσει απαντήσεις σε πολλές ερωτήσεις της φυσικής στις οποίες προηγουμένως η θεωρία μπορούσε να κάνει μόνο εικασίες. Εξάλλου, η σκοτεινή ύλη συνιστά το 22% του Σύμπαντος. Η σκοτεινή ενέργεια, μια έννοια ακόμη λιγότερο κατανοητή από ό,τι η σκοτεινή ύλη, πιστεύεται να αποτελεί το 74% και όλα τα άστρα και η ύλη συνιστούν μόνο το 4% του Σύμπαντος.

Η Jenny είναι 32 χρονών και εργάζεται στο Γερμανικό Ερευνητικό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής DESY^w1. Το DESY έχει το δικό του επιταχυντή σωματιδίων περιμέτρου 6 km, αλλά η Jenny θα πραγματοποιήσει την έρευνά της με μια μηχανή με περίμετρο 30 km που σχεδιάζεται να λειτουργήσει στο μέλλον για να επιταχύνει ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, το Διεθνή Γραμμικό Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών (ILC). “Ελπίζουμε ότι ο ILC δεν θα ανακαλύψει απλά τα σωματίδια που νομίζουμε ότι συνιστούν τη σκοτεινή ύλη, αλλά επιπλέον θα μας επιτρέψει να τα μελετήσουμε σε βάθος. Αυτό είναι πολύ σημαντικό προκειμένου να κατανοήσουμε το Σύμπαν», λέει.

Ο σχεδιαζόμενος ILC θα χρησιμοποιεί αυτές τις κοιλότητες επιτάχυνσης ώστε τα σωματίδια να αποκτήσουν εξαιρετικά μεγάλες ενέργειες και να συγκρουστούν μέσα σε τεράστιους υπόγειους ανιχνευτές
Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του DESY

Ο ILC θα συνεργαστεί με τον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (LHC) που προγραμματίζεται να ξεκινήσει τη λειτουργία του στο CERN^w2 στη Γενεύη αυτή τη χρονιά. Χιλιάδες φυσικοί στοιχειωδών σωματιδίων και επιταχυντών σε όλο τον κόσμο – συμπεριλαμβανομένης μιας πολύ ενεργής ομάδας στο Γερμανικό Εργαστήριο- ασχολούνται με το σχεδιασμό του νέου γραμμικού επιταχυντή και των ανιχνευτών του ώστε να εξασφαλίσουν ότι θα επιτύχει τις απαιτούμενες υπερβάσεις στις ενέργειες, την παραγωγή δεδομένων και την ακρίβεια των μετρήσεων.

Ένα σχέδιο του Διεθνούς Γραμμικού Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών: ένας σχεδιαζόμενος σωματιδιακός επιταχυντής περιμέτρου 31 Km ο οποίος μπορεί να δώσει απαντήσεις σε μερικές από τις πιο θεμελιώδεις ερωτήσεις στον κόσμο
Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του DESY

Το Γερμανικό σχολικό σύστημα επιτρέπει στους μαθητές να επιλέξουν δυο κύρια αντικείμενα κατά τα τελευταία δυο χρόνια στο σχολείο. Η Jenny, η οποία γεννήθηκε στο Αμβούργο, καταρχάς ήθελε να σπουδάσει μαθηματικά ως ένα από τα δυο αντικείμενα, αλλά δεν ήταν ευχαριστημένη με τον διδάσκοντα καθηγητή. Έτσι διάλεξε τελικά τη φυσική. «Ποτέ δεν μετάνιωσα για αυτή την απόφαση. Ο καθηγητής μου ήταν θαυμάσιος, και η φυσική είναι ένα ευρύ αντικείμενο!» Φοίτησε στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου και δυσκολεύτηκε να αποφασίσει σε ποιο από τα διάφορα πεδία ήθελε να εστιάσει: στην κοσμολογία, στη θεωρητική φυσική ή στην αστροφυσική; Τελικά επέλεξε την σωματιδιακή φυσική, όπου οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τεράστιες και εκπληκτικά ακριβείς μηχανές για να μελετήσουν τα στοιχειώδη σωματίδια και τις δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ τους. Η Jenny εργάστηκε στο πείραμα OPAL^w3 στο CERN και ολοκλήρωσε το διδακτορικό της εκεί το 2000. Καθώς την ίδια χρονιά έκλεισε ο μεγάλος επιταχυντής του CERN και δεν πραγματοποιούνταν πειράματα που να παράγουν δεδομένα, επέστρεψε στο Αμβούργο καταλαμβάνοντας μια θέση μεταδιδακτορικού συνεργάτη στο DESY.

«Αυτή ήταν η πρώτη φορά που ασχολήθηκα με την πόλωση, ένα από τα κύρια αντικείμενα της ομάδας μου εργασίας σήμερα», θυμάται. Όταν οι επιστήμονες οδηγούν δυο δέσμες σωματιδίων σε σύγκρουση, πρέπει να ξέρουν ακριβώς πώς μοιάζουν αυτές οι δέσμες ώστε να μπορούν να προσδιορίσουν με ακρίβεια τι καταγράφουν στον ανιχνευτή. Ένα από τα χαρακτηριστικά αυτών των δεσμών είναι η πόλωση η οποία υποδεικνύει πόσα σωματίδια έχουν σπιν προς την ίδια κατεύθυνση. Ο ILC θα χρησιμοποιεί δέσμες ηλεκτρονίων και των αντισωματιδίων τους, δηλαδή ποζιτρόνια. Οι ακτίνες επιταχύνονται καθώς διανύουν 15 km μέσα σε πεδία που ταλαντώνονται σε ραδιοφωνικές συχνότητες, μέχρι να καταλήξουν στο σημείο της σύγκρουσης, αλλά σε συγκεκριμένα σημεία κατά μήκος της τροχιάς τους, ομάδες παρατήρησης όπως της Jenny στοχεύουν τις δέσμες με κάποιο λέιζερ.

Η Jenny και δυο μέλη της ομάδας της ελέγχουν τη διευθέτηση των εργαλείων τους Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του DESY

Αυτό είναι για τους φυσικούς σωματιδίων μια σημαντική άσκηση προκειμένου να μελετήσουν τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των σωματιδιακών δεσμών. Μετά τη στόχευση τα συγκεκριμένα σωματίδια κατευθύνονται μέσα από μικρούς σωλήνες γεμισμένους με αέριο και κάτοπτρα στην εσωτερική τους επιφάνεια. Καθώς περνούν μέσα από τους σωλήνες εκπέμπουν γαλάζιο φως – ακτινοβολία Cherenkov- η οποία κατευθύνεται προς την έξοδο του σωλήνα λόγω διαδοχικών ανακλάσεων στα κάτοπτρα της εσωτερικής επιφάνειας. Ένας φωτοανιχνευτής μετράει το ποσό του φωτός που διέρχεται και το χρόνο που απαιτείται για να φτάσει εκεί. «Με τον τρόπο αυτό γνωρίζουμε τα ηλεκτρόνιά μας με μεγάλη ακρίβεια», συνοψίζει η Jenny. «Το πρόβλημα είναι το εξής: Το πολωσιμόμετρό μας απαιτεί διπλάσια ακρίβεια από αυτήν που υπάρχει διαθέσιμη σήμερα. Βασίζουμε το σχεδιασμό μας στο καλύτερο που υπάρχει (στον Γραμμικό Επιταχυντή του Στάνφορντ^w4 στην Καλιφόρνια) και προσπαθούμε να βρούμε τρόπους να το βελτιώσουμε και να το κάνουμε πιο ακριβές.

Το ερευνητικό κέντρο DESY στο Αμβούργο, Γερμανία Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του DESY

Αφού κατέλαβε δυο θέσεις σε διαφορετικά πανεπιστήμια στη Γερμανία, η Jenny επέστρεψε και πάλι στο DESY. Κέρδισε μια υποτροφία από το Πρόγραμμα Emmy Noether που διαχειρίζεται το Ίδρυμα για την Έρευνα στη Γερμανία (DFG)w5. Το πρόγραμμα υποστηρίζει νέους ερευνητές δίνοντάς τους ανεξαρτησία και εμπειρία διοίκησης σε ένα πρώιμο στάδιο της επιστημονικής τους σταδιοδρομίας οργανώνοντας ανεξάρτητες μικρές ομάδες.

Η υποτροφία έχει ισχύ για πέντε χρόνια και φέρνοντάς τους πίσω από το εξωτερικό, το DFG ελπίζει να ενθαρρύνει ταλαντούχους νέους επιστήμονες να μείνουν στη χώρα και να συνεχίσουν τις πανεπιστημιακές σταδιοδρομίες τους. Η ομάδα της Jenny αποτελείται από έναν μεταδιδακτορικό ερευνητή, έναν διδάκτορα και δύο πτυχιούχους φοιτητές. Όλοι μαζί στήνουν μια συσκευή για να ελέγξουν το πολωσιμόμετρό τους και γράφουν προγράμματα υπολογιστή για να προσομοιώσουν γεγονότα σκοτεινής ύλης στους ανιχνευτές του ILC.

Πέρα από την καθοδήγηση της ομάδας της, την έρευνα και τη διδασκαλία στο πανεπιστήμιο, η Jenny επίσης έχει μια πολυάσχολη κοινωνική ζωή. Της αρέσει το σκι, τραγουδάει σε χορωδία, παίζει πιάνο και κιθάρα, και συλλέγει οτιδήποτε έχει να κάνει με ελέφαντες. «Απλώς μου αρέσουν», λέει. Ο σύζυγός της είναι επίσης φυσικός ο οποίος εργάζεται στο DESY. Η Jenny εξηγεί: «Συνηθίζαμε να μετακινούμαστε μεταξύ Γενεύης, Αμβούργου, Βούπερταλ και Ζυρίχης για χρόνια, κάτι που ήταν αρκετά εξοντωτικό. Το να είσαι όμως παντρεμένος με έναν συνεργάτη επιστήμονα έχει πολλά πλεονεκτήματα: Γνωρίζουμε ο καθένας τις υποχρεώσεις του άλλου, μπορούμε να πηγαίνουμε σε συνέδρια μαζί και έχουμε αρκετή ελευθερία και ευελιξία στο να σχεδιάζουμε το χρόνο μας». Θα εκμεταλλευτούν σίγουρα αυτή την ευελιξία αυτή τη χρονιά: μόλις απέκτησαν το πρώτο τους παιδί.

Αναφορές στο δίκτυο

w1 – το DESY είναι το Γερμανικό ερευνητικό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής: www.desy.de

w2 – το CERN είναι το μεγαλύτερο εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής στο κόσμο: www.cern.ch

w3 – Το πείραμα OPAL, το οποίο αφορούσε τη μελέτη σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους συλλέγοντας και αναλύοντας δεδομένα από συγκρούσεις ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων, ήταν ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα σωματιδιακής φυσικής στο CERN: http://opal.web.cern.ch/Opal/

w4 - Γραμμικός Επιταχυντής του Στάνφορντ: www.slac.stanford.edu

w5 – Το Ίδρυμα για την Έρευνα στη Γερμανία, DFG: www.dfg.de

Πηγές

Περισσότερα σχετικά με τη σκοτεινή ύλη είναι διαθέσιμα από τη Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter

Για να βρείτε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το Διεθνή γραμμικό Επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών και τους ερευνητικού του στόχους, δείτε: www.linearcollider.org

Η BarbaraWarmbein εργάζεται ως υπεύθυνη δημοσίων σχέσεων στο DESYστο Γερμανικό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής. Είναι επίσης μέλος της εκδοτικής ομάδας του Science in School.