Snimak iz vazduha i polozaj LHC prstena, velicine 27km, u blizini Zeneve
Unutrasnjost LHC akceleratora. Cestice se ubrzavaju pomocu jakog magnetnog polja
Ovih dana ce proraditi najveci ubrazivac cestica na svetu, izgradjen blizu Zeneve, u okviru istrazivackog centra CERN. Ta masina, zvana Large Hadron Collider (LHC), je, sama po sebi, neverovatno inzenjersko i tehnolosko dostignuce, a napravljena je zahvaljujuci finansijkoj podrsci i naucnoj kolaboraciji desetina zemalja, i u tom smislu, LHC je istinski planetarni projekat. Troskovi izgradnje se mere u milijardama dolara, i LHC spada medju najskuplje, ako nije i najskuplji naucni projekat u istoriji covecanstva (nemam tacne podatke za cenu svemirskih projekata, na primer). U proslosti je izgradjeno vise ovakvih ubrzavaca cestica, tzv. akceleratora, ali ovaj danasnji visestruko nadmasuje sve njih po snazi i energiji koju ce cestice prilikom sudara imati. Mnogi tehnicki detalji se mogu naci na sajtu CERN instituta.
Razume se, sada, pred pocetak eksperimenata na LHC, novine i ostali mediji su puni spekulacija, komentara, procena i strahova vezanih za rad ovog uredjaja, i eventualnih opasnosti koje nam prete kad prvi put sudarimo cestice tako visokih energija. Vecina naucne javnosti, sa svoje strane, sa nestrpljenjem ocekuje prve eksperimentalne rezultate. Ljudi se nadaju da ce uskoro pronaci odgovore, ili makar delimicne odgovore, na mnoga fundamentalna pitanja o prirodi materije, gravitacije, pa cak i o nastanku kosmosa.
O cemu se ovde zapravo radi, i sta se postize izgradnjom i pustanjem u rad ovakvog eksperimentalnog uredjaja? O tome je ovaj blog.
Jos iz vremena Starih Grka se verovalo da se sva materija koju oko nas vidimo sastoji od atoma, ("nedeljivih cestica", na Grckom), koje se ne mogu dalje usitnjavati. Ta "atomska teorija" bi se, makar nacelno, mogla proveriti na sledeci nacin: ako bih uzeo komad krede, na primer, i udarao ga cekicem, kreda bi se najpre razbila u manje komadice krede, a zatim usitnila u zrnca krede. Ako bih dalje udaranjem usitnjavao ta zrnca dobio bih prah krede slican brasnu, i ako bih to dalje usitnjavao...jasno je u kom pravcu ide ovaj tok misli. Proces usitnjavanja mora da ima neki prirodan kraj, da se zaustavi kada dalje usitnjavanje nije vise moguce, tj. kada smo dobili "atom", koji se vise ne moze podeliti. U suprotnom, posle dovoljnog usitnjavanja, kad sam najmanje od najmanjih zrnaca razbio do beskrajno sitnih delova, dobio bih "nista"; i logicki apsurd da se moj originalni materijalni komad krede sastoji od "nematerije". Prema ovoj teoriji, dakle, atom je elementarna cestica koja se ne moze vise deliti, i celokupna materija je sastavljena od raznik vrsta atoma - krede, stakla, vode, itd.
Ova teorija je bila prihvacena, sa odgovarajucim izmenama, sve do pocetka XX veka. Naime, iz hemije smo kasnije naucili da se materijalni svet oko nas sastoji od elemenata - atoma vodonika, kiseonika, zlata, gvozdja, itd, ili njihovih kombinacija, molekula (vode, secera, i drugih organskih i neorganskih molekula). S tacke gledista hemije i hemijskih reakcija, atom je i dalje nedeljiv, u prirodi se pojavljuju 92. razlicita atoma (elementa), i sva materija je sastavljena od njih. Nedeljiv je zato sto se prilikom tipicnih hemijskih reakcija razvija energija koja je nedovoljna da atom razbije.
Pre oko 100 godina je utvrdjeno da se svi atomi sastoje od atomskog jezgra (nukleusa) i elektronskog omotaca, i "karaketer" nekog elementa se "odrazava" u jezgru atoma, njegovim naelektrisanjem (pozitivnim) i njegovom masom. Da bi se razbilo atomsko jezgro potrebne su energije oko milion puta vece od onih koje se razvijaju prilikom hemijskih reakcija. Energija hemijskih reakcija iznosi, tipicno, nekoliko elektron Volti (eV), dok su energije potrebne za razbijanje jezgra reda velicine mega elektron Volti (MeV). Proucavanje prirodnih nuklearnih reakcija (radioaktivni raspadi, na primer), i "bombardovanjem" materijala raznim projektilima (alfa cesticama, na primer), ustavnovljeno je da atomsko jezgro nije nedeljivo vec se sastoji od dve vrste cestica: protona (pozitivno naelektrisanih), i neutrona koji nisu naelektrisani. Aha! Celokupna materija se sastoji od kombinacija tri cestice (1) elektrona, negativno naelektrisanih, (2) protona, pozitivno naelektrisanih i oko 1800 puta tezih od elektrona, i (3) neutrona, elektricno neutralnih, teskih koliko i protoni. Atomska jezgra razlicitih elemenata su sagradjena odredjenom kombinaciom (brojem) neutrona i protona, a njihove fizicke i hemijske osobine su posledica odredjenog nacina "slaganja" elektrona oko jezgra (broj elektrona mora a bude jednak broju protona da bi, u celini, atom bio elektricno neutralan). Izmedju elektrona i jezgra, i izmedju elektrona i elektrona, deluju elektromagnetske sile (i jos neka pravila diktirana simetrijom). Tri cestice! Zivot je bio jednostavan i lep.
Medjutim, ako se u jezgru nalazi vise protona, sta ih drzi na okupu? Naime, istoimeno naelektrisani protoni se odbijaju, i prepusteni sami sebi bi se razleteli (sto se ne dogadja - jezgro je prilicno stabilno i potrebna je energija da se ono razbije), pa sledstveno mora postojati neka sila koja je jaca od tog odbijanja i koja ih drzi na okupu. Ispitivanjem ove "nuklearne sile" se bavila nuklearna fizika. Da bi se ona ispitala potrebno je bilo razbiti atomsko jzgro, a za to su potrebne velike energije. Takve energije su se postizale u ubrzavacima cestica (akceleratorima) koje su se sudarale velikim brzinama, razbijale jezgro i iz ostataka ovakvih sudara se zakljucivalo o prirodi nuklearnih sila. Ali, bez obzia, mantra je ostala - electron, neutron, proton, electron, neutron, proton - to su osovne cestice. U medjuvremenu, nazad u Kaliforniji:
1932. godine, Anderson otkrije anti-elektron. Cesticu iste mase kao i electron, ali suprotnog (pozitivnog) naelektrisanja, i nazove je pozitron. Hm, ovo se slagalo sa teorijskim predvidjanjem koje je Dirak napravio u to vreme. Naime, prema Dirakovoj teoriji, svaka cestica bi morala da ima svoju anti-cesticu. Da se ne upustam u relativisticku formulaciju kvantne teorije (Dirakovu jednacinu), ovo predvidjanje o postojanju anti-cestica (anti-elektrona = pozitron, anti-protona, itd.) - pa, dakle, i anti-materije! - sledi iz elementarne matematicke simetrije. Naime kvadratni koren iz 4 (na primer) je +2, ali je takodje i -2. Toliko prosto. U Dirakovoj jednacini se pojavljuje kvadratni koren iz neke velicine, te resenja mogu biti i pozitivna i negativna (kao +2 i -2 gore), podjednako i simetricno. Pozitivna resenja odgovaraju materiji, negativna anti-materiji, da tako kazem. Ali, osnovno naravoucenije je da se iz zakona simetrije mogu predvideti postojanja nekih cestica. OK, to smo razumeli. Mantra (electron, neutron, proton) i dalje ostaje na snazi, jedino ne razumemo zasto u prirodi ne vidimo istu kolicinu anti-materije kao materije ako je sve simetricno.
1938. godine, u svom detektoru kosmickih zraka, isti Anderson otkrije jos jednu cesticu, pozitivnog naelekrisanja, ali mase negde "izmedju" mase elektrona i mase protona, i nazove je mezon (oko 200 puta masivniji od elektrona) "Ko je ovo narucio!?" - pitao je Rabi kad je cuo za ovo otkrice (za koje je Anderson dobio Nobelovu nagradu). Svet od tri cestice je poceo da se osipa i rusi.
Ali, od Andersona smo naucili dve vazne stvari: prvo, na osnovu zahteva simetrija se moze predvideti postojanje jos nepoznatih cestica (slicno kao sto se iz periodnog sitema elemenata mogao predvideti jos neotkriveni element), i drugo, da je za otkrice takvih cestica potrebna velika energija kakva se postize u ubrzavacima cestica. Narednih 30-40 godina se fizika elementarnih cestica upravo ovim bavila. Sudaranjem raznih cestica velike energije u ubrzavacima, otkriveni su i anti-neutron, i anti-proton, ali jos i obilje drugih cestica. Jednostavan i lep svet "elementarnih cestica" je poceo da se komplikuje u beskraj. U jednom trenutku, takvih "elementarnih cestica" je bilo nekoliko desetina.
Ekperimenata u akceleratorima je bilo sve vise (videti PS na ovom blogu dole), teorije i modeli su se redjali, simetrije koristile, sa svakim otkricem nove cestice nova teorija ili novi model je pravljen, i sve su bile prilagodjene jednom fenomenu, ali drugi nisu umele da objasne. U tom stanju kreativnog haosa doslo se do ideje da protoni i neutroni nisu elementarne cestice vec da se sastoje od jos manjh cestica - kvarkova. Stavise, skoro sve novo-otkrivene cestice su neka kombinacija kvarkova. Kvarkove je nemoguce videti izolovane, zahvaljujuci tzv. confinement-u: potrebne su ogromne energije da se kvarkovi iz kombinacije razdvoje. Energije kakve nam za sada nisu dostupne. Kvarkovi se drze zajedno silom (nuklearnm silom) koju prenose gluoni (glue=lepak, na engleskom).
I najzad, posle svih eksperimenata i teoretisanja, napravljen je, tzv. Stadardni Model, prema kome postoje dve vrste elementarnih cestica materije: kvarkovi i leptoni. Kvarkova ima 6 i leptona ima 6. Pored ovoga, postoje i cestice koje prenose interakciju, kao sto je foton, ili gluon, ali o tome kasnije. Evo cele liste:
Razume se, svaka od ovih cestica ima i anti-cesticu, pa postoje anti-up kvarkovi, anti-down kvarkovi, itd., te anti-elektroni (pozitron), anti-neutrini, itd. Gluoni su odgovorni za prenos jakih interakcija ("nuklearnih sila"), fotoni za prenos elektromagnetnih interakcija, W i Z bozoni za prenos slabih interakcija (ove se pojavljuju u beta radioaktivnom raspadu na primer).
Od ranije price, ostao nam je samo elektron (medju leptonima). Elektron i ostali leptoni (muon i tau, kao i odgovarajuci neutrini, donji deo tabele) su "elementarni" i ne sastoje se od manjih konstituenata. A sta je sa nasim protonom i neutronom? Neutroni i protoni su slozene cestice i pripadaju grupi hadrona (cestice sastavljene od kvarkova) koji se dele dalje na barione (sastavljene od tri kvarka) i mezone (koji se sastoje od kvark/anti-kvark paova). Tako da je proton kombinacija uud kvarkova, a neutron kombinacija udd kvarkova, itd. Posle 40 godina eksperimentalnohg rada, sve cestice iz gornje tabele su eksperimentalno detektovane, i njihove osobine potvrdjene upravo kako su predvidjene u Standardnom Modelu. Uprkos relativno velikom broju ovih cestica u tabeli gore, sve druge cestice (od desetina koje su eksperimentalno detektovane) se mogu dobiti kombinacijama kvrakova i njihovih anti-parova sledeci zakone simetrije.
Stavise, Standardni Model objedinjuje u jednu jedinstvenu semu tri fundamentalne interakcije (sile) u prirodi: elektromagnetske (koje su odgovorne za atomske i molekularne pojave na hemijskom nivou, ili u cvrstim telima, na primer), slabe (vec pomenute), i jake, ili nuklearne, koje su odgovorne za nuklearne reakcije. Poslednje dve sile su kratkog dometa i deluju na veoma malim rastojanjima, dok elektromagnetne sile su dugodometne i opadaju sa kvadratom rastojanja izmedju naelektrisanih tela. Medjutim, zahvaljujuci ukupnoj elektricnoj neutralnosti u kosmosu (i ovo proizilazi iz zakona simetrije), elektromagnetska sila izmedju nebeskih tela ne postoji, i jedina preostala dugodometna sila koja vlada kosmosom je gravitacija.
Primetimo, medjutim, da gravitaciona sila, i hipoteticna cestica graviton kao njen nosilac, nije na gornjem spisku. Takodje, gravitaciona sila deluje izmedju tela koja imaju masu, pa se postavlja pitanje "Sta je to sto cesticama daje masu?" Pre oko 45 godina Higgs je uveo hipoteticno Higgsovo polje koje prozima ceo prostor i cestice, u interakciji sa ovim poljem, sticu masu. Osnovna ekscitacija ovog polja je bozon (kao i ostali nosioci interakcija), koji se zove Higgsov bozon. Ova cestica je razlicita od svih drugih na listi (ima spin = 0, na primer), a odgovorna je za mase svih drugih cestica, (pored drugih stvari, kao sto je razlikovanje izmedju elektromagnetskih i slabih sila). U literature je zovu "Bozja cestica", ali ona nikad nije detektvana. Ceo Standardni Model se zasniva na verovanju da ova cestica postoji. Uprkos svim naporima da se ova cestica detektuje, svi pokusaji su ostali bezuspesni. Poslednji ekeperimentalni rezultati, napravljeni pomocu ubrzavaca LEP (Large electron positron collider) su dali naznake da se Higgsov bozon moze detektovati, ali cvrstih rezultata nema. Najveca energija koju je LEP uspeo da postigne je 114.9 GeV (giga electron volti), kada je ugasen u novembru 2000. godine. LHC u Zenevi, koji je upravo zavrsen, ce da sudara cestice energija koje se mere u TeV (Tera electron volti, sto puta vece od onih koriscenih u LEP-u) i ocekuje se da u tim procesma moze da se detektuje Higgsov bozon.
Pored ovoga ocekuje se da ce u eksperimentima sa LHC (sada znamo sta ce se ogromnim brzinama sudarati u toj napravi - veliki hadroni, protoni, i joni metala ko sto je olovo) moci da se detektuje kvark/gluonska plazma - stanje materije gde su kvarkovi slobodni i formiraju plazmu sa gluonima, kao i druga egzoticna stanja materije.
Strahovanja d ace LHC proizvesti mini crne rupe ili "cudnu materiju" strange matter - strangelets) su uzimana u obzir I pokazala su se kao neopravdana. Najpre, d sudara cestica ovakvih energija dolazi u prirodi kada kosmicki zraci (cestice) ogromnih energija dolaze iz svemira, poneki sa energijama od 300EeV (exa electron volti) i nikakvog nastanka doomsday crnih rupa nije bilo. Ovakvi se procesi desavaju vec milijardama godina. Svet nece propasti pustanjem u rad LHC-a.
Ja se slazem sa kolegom Cirkovicem da covek sa ovakvim stvarima treba da bude oprezan, ali isti ljudi sa Havaja koji su podigli optuznicu protiv LHC projekta su takodje podizali optuznicu protiv LEP-a i slicnih projekata ranije. Takodje, primedba da ovako skupi projekti cesto ne donesu ocekivane rezultate je sasvim na mestu. Medjutim, ako se setimo da je cena LHC-a oko 6 milijardi dolara, a da cena dvonedeljnog trajanja rata u Iraku otprilike tolika, onda nema sumnje kome treba da poklonimo lojalnost. Ako uspemo da detektujemo Higgsov bozon, na pimer, ova godina ce za par vekova biti upamcena po tome, a svakako ne po ljudskom bezumlju, bez obzira koliko to bezumlje kostalo.
P.S. Izvinjavam se svim strucnjacima za elementarne cestice sto sam im "ukrao" temu posto ovo zaista nije moja uza struka. U svoju "odbranu" mogu da navedem samo sledece opravdanje. Pre mnogo vremena, po zavrsetku 3. godine studija fizike na BU, dobio sam letnji posao na Departmentu za Nuklearnu Fiziku na Oksfordu, u Engleskoj. Proveo sam tamo tri meseca analizirajuci snimke iz "bubble chamber-a" napravljene u CERN-u. Te slike izgledju ovako:
Na slici su tragovi cestica (sastavljeni od mehurica) koje one ostavljaju prolazeci kroz pregrejanu vodu. Naelektrisane cestice se krecu kruznim (spiralnim) putanjama, a spirala je leva ili desna vec od znaka naelektrisanja. Mnoge cestice prosto nestanu u interakciji, neke samo prolete. Mi smo tog leta trazili poseban "dogadjaj" i zanimale su nas energije relevantnih cestica, pa smo merili poluprecnik zakrivljene putanje. Za oko 3 meseca pregledao sam oko 10,000 ovakvih fotografija! Bilo je naporno, ali lepo, jer smo najzad pronasli tacno 101 takav "dogadjaj". Bio sam tada tek navrsio 21 godinu, bio sam mlad, pun entuzijazma i svaki dan mi je bio od cistog zlata. Mislio sam da cu u zivotu nastaviti da se bavim fizikom elementarnih cestica u Oksfordu, ali to se nije ostvarilo. Godinu dana kasnije, bio sam student u USA. I sada mislim da je to najbolje sto se moglo desiti. Ipak, tom lepom pocetnom secanju i zelji da budem fizicar elementarnih cestica dugujem ovaj blog.