Шта ћемо наћи у сржи атома?

Телескоп, који је направио Галилео Галилеј при крају 1550, имао је снагу увеличавања као јефтини двоглед који се може купити у Волмарту, али, био је сасвим довољан да отвори врата ка новом свету. Овим инструментом Галилео је могао видети Јупитер и четири месеца, као и да су на Сунцу пеге, што га је навело на закључак да се оно окреће. Најспектакуларније су биле Венерине фазе – моћни доказ за Коперниково гледиште о Сунчевом систему у коме је центар Сунце, а не Земља. Кад су направљени бољи телескопи, знање о комплексном и дивном новом свету космоса, постепено се повећавало. Постали смо свесни огромног свемира испуњеног бизарним објектима – пулсарима, кварковима, црним рупама – као и да смо ми становници на потпуно неважној тачки, на делу галаксије коју чине милијарде звезда са својим соларним системима.

Уз нешто мало техничких промена, телескоп је потпуно изокренут и усмерен ка свету малих ствари. Микроскоп је открио велики и комплексан свет микроба, тако мали да би хиљаду њих могло стати без икаквог гурања на тачку којом се завршава ова реченица. Тај свет нас је довео до генетике, микробиологије, вируса и бизарности која је стотинама пута мања од микроба – до атома. Да би се објаснио атом, научници су измислили квантну теорију која је довела до полупроводника и технологија увелико заслужних за економски напредак у XX веку. Ето, таква је била моћ доброг инструмента. Пошто је велики део природе сувише мали и сувише удаљен да би се могао видети, научна открића су увек зависила од измишљања алатки. Данас, научни свет присуствује почетку рада нове алатке, машине великог хадронског сударача или колајдера (ЛХЦ – Large Hadron Collider). То није јефтин двоглед. Од ове машине очекује се да побољша увеличање и распознавање особина објеката, досад највећи у историји физике честица – по неким тврђењима 500 пута више него досад. ЛХЦ је акцелератор честица – направа монструозних размера у кружном подземном тунелу, пречник јој је 4,3 км, лоцирана је у ЦЕРН-у, Центру европске организацији за нуклеарна истраживања, на швајцарско-француској граници, близу Женеве. Моћни суперпроводљиви магнети усмеравају протоне кроз тунел, а честице се убрзавају огромном волтажом све док се не створи задивљујућа количина енергије од 7 трилиона електрон-волти. Следећих месеци, када техничари доведу машинерију онлајн, протони ће са том огромном енергијом бити усмерени да се сударе с другим протонима, што ће довести до распадања на хиљаде мањих честица, чији ће кратак живот регистровати оближњи детектори. Иако ЛХЦ није први сударач који је до сада направљен, он ради под највећом енергијом. То значи да ће судари честица у њему у једној секунди бити много јачи, али и да ће акцелератор правити и сударе сто пута веће од било ког сударача у свету.

Као Галилеов телескоп, ЛХЦ даје научницима нови увид у свет малог и индиректно у свет врло великог. Шта ће научници видети уз помоћ ЛХЦ? Домашај и сензитивност те машине откриће нови свет, поклон XXI веку. Какав нови света? Утицај Галилеовог телескопа могао се одмерити за протеклих пет столећа, али за ЛХЦ ми немамо тај луксуз. Рачунајући на знање постигнуто помоћу алатки начињених после Галилеја, питамо се да ли ће ЛХЦ донети неко изненађење?
Било би добро да донесе. У овом времену, прилично ограничених финансијских средстава, ЛХЦ, резултат сарадње хиљада научника, инжењера и студената, коштао је осам милијарди долара, укључујући и добар део неких националних буџета. Да би се схватило какав ће ЛХЦ имати утицај на деценију која долази, потребно је бацити поглед на фундаментална питања због којих је машина направљена. Кад се мало упустимо у лавиринт физике малих честица, можемо схватити колико ће ова машина дубоко продрети у природу физичког света.

За сада, комплексност је главна одлика физике. Што више гледамо ствари изблиза, то су оне компликованије и физички свет изгледа неразумљивији. У протеклом столећу, физичари су тежили ка теорији свемира која је једноставна и лепа, али пронашли смо све више честица и физичких сила које никако нису могле да се кохерентно уклопе једна с другом. То је као кад имате неколико даљинских управљача: један за телевизију, други за ДВД плејер и трећи за дигитални видео-рикордер – ДВР. А треба вам један прост, универзални даљински управљач. За физичара, то је теорија о свему.

Нико не верује да ће ЛХЦ на магичан начин обезбедити такву теорију, али се надамо да ће омогућити да ствари мало приближимо тој теорији.

ЛХЦ ће донети упрошћавање, јер ће нас вратити на сам почетак. Он ће дати поглед на космос какав је био у моменту рађања. Ово је важно, јер су тада ствари биле много једноставније. Једина сигурна (за сада) теорија је да се свемир родио пре 13,7 милијарди година у космичкој експлозији, првобитном праску или биг-бенгу који је створио време и простор. У првој инстанци, све што видимо данас – укупна материја и енергија које ће увек постојати, биле су компримоване у незамисливо малу запремину. У том тренутку два јако различита домена – унутрашњи простор физике честица, приказан микроскопијом (акцелераторима за честице), и спољашњи простор космологије и астрофизике који су откривени телескопима на Земљи и онима који су у васиони, попут Хабловог, били су у том тренутку једно те исто. Кад је свемир у раном детињству почео да се шири и хлади стварајући звезде и галаксије, онда су простори малог и великог почели да се раздвајају. Ствари су постојале компликоване.

Да би се замислио принцип који стоји иза свемира, потребно је вратити се до тренутка биг-бенга и извести неке експерименте. На несрећу, то је лако као добити интервју од Исака Њутна или Александра Великог. Али ЛХЦ ће нам омогућити да поновимо услове који су владали у првим делићима секунде свемира. Не све услове одједанпут, наравно, али довољно услова да би нам омогућило почетак разумевања процеса у којима су се примордијалне честице сударале и стапале како би формирале једра и атоме од којих се састоје Сунце и његове планете. Теоретичари физике доћи ће до приче како су се најмање компоненте материје сјединиле да би начиниле најегзотичније облике на небу – црне рупе, пулсаре, експлозије звезда итд. Поновним стварањем услова у моменту после великог праска, ЛХЦ ће помоћи да створимо кохерентан опис васионе.

Било би много лакше објаснити садашње стање физике кад бисмо имали кохерентан преглед, али га немамо. Уместо тога, неопходно је говорити о питањима због којих је ЛХЦ и направљен – једно питање – један део слагалице. Како идемо даље, обриси слагалице почињу да добијају дефинитивни облик.

Због чега постоји толико много честица? До сада је у сударачима у Фермилабу као што је Тевартон у Чикагу или у ЦЕРН-у е+е- (знатно мањи него ЛХЦ), доказано да најмање и фундаменталне честице у свемиру нису атоми. Те још мање честице се називају кваркови и лептони. (Верује се да се укупна материја састоји од шест типова кваркова и шест типова лептона.) Али ово је само почетак – ту су неутрони, муони, W и З честице. Због чега је све то тако комплексно? Апсолутни оптимизам дела теоретских физичара довео је до убеђења да иза застрашујуће комплексности лежи дивна једноставност. Наде су појачане и концептом о симетрији, поготову кад се теоретске идеје испитују математичким путем. Калеидоскоп нам показује задивљујуће комплексну шему, али она се објашњава врло простим начином постављања огледала. ЛХЦ ће, бар се надају физичари, помоћи да се виде просте комбинације облика као у калеидоскопу.

Шта држи васиону да се не распадне? Гравитација је сила која ми држи ноге на тлу, али она је само једна од четири силе у свемиру. Ту је и електромагнетизам, добро познат сваком школском детету, јер је научило да га изазове кад увија жицу око ексера и крајеве споји са батеријом. Кључна је улога електромагнетизма у спајању кваркова и лептона, како би направили атом, а онда од атома – молекуле. Задатак атома је поједностављен постојањем двеју других сила: “јаке” и “слабе”, које делују у атомском језгру. Физичаре излуђује околност да се ове четири силе не мешају једна с другом: били смо у могућности да направимо теорију која би их све повезивала, али нисмо знали шта ћемо с гравитацијом. Имамо теорију о електромагнетској сили, која омогућава врло успешне претпоставке. Имамо теорију о слабој сили као и задовољавајућу теорију о јакој сили. Али оно што је за плакање, јесте теорија која сједињује све три силе, али укључује и гравитацију (то би била дуго тражена и незграпно названа теорија о свему – theory of everything). Иако гравитација изгледа као очигледна животна чињеница поготову за лаика, за теоријског физичара она је страшно компликована. Док три друге силе – јака, слаба и електромагнетска – очигледно имају исто порекло, гравитација упропашћује укупну теорију.

Да би се схватило зашто је гравитација проблем, мора се отићи дубоко, у лавиринт. Како нам каже квантна теорија, сила између два објекта, било да је то привлачење или одбијање, захтева размену честица које преносе силу. Замислимо два играча безбола на леду и са клизаљкама. Кад Јанко баца лопту Марку, он је одбачен уназад, а кад Марко хвата лопту, коју је упутио Јанко, он је, такође, одбачен уназад. Лопта је честица која преноси силу и можемо је назвати бозоном, и за сваку врсту и тип силе постоји различит бозон. Експерименти на малим сударачима открили су присуство бозона који носи јаку силу између кварка и електричних честица под напоном, и слабе силе. Међутим, сила која преноси Земљину тежу јесте честица звана гравитон и потпуно се разликује од осталих. У овом случају, акцелератори су бескорисни јер је сила гравитације фантастично слаба. Направите ову пробу: испустите комад папира и он ће пасти јер га привлачи укупна планета. Сада држите папир магнетом који користите за држање неке цедуље на фрижидеру. Сила којом земља привлачи папир, недовољна је да савлада мали магнет и он побеђује. Када је сила Земљине теже тестирана у односу на силу електрицитета, утврђено је да је слабија фактором јединице иза које стоји 40 нула.

Да ли је ЛХЦ довољно снажан да направи гравитацију? Није. То би захтевало много јачи акцелератор. Ипак, постоји нада да ће ЛХЦ помоћи разумевању Ајнштајновог концепта гравитације. То се мора учинити индиректно. Морамо гледати много других феномена и посматрати утицај на гравитацију.

Шта је то “божја честица”? Један од путева којим бисмо пошли да бисмо видели космички калеидоскоп, био би посматрање нарочитог типа бозона названог Хигсов бозон. Запамтимо да је бозон честица која је у вези са силом. Хигсов бозон је тај који даје масу другим честицама. Помислите на бозон као на блатњаво поље. Када корачате тим пољем, крећете се спорије као да на себи имате неки терет. По истом резону присуство Хигсовог бозона учиниће да честица буде тежа. Због разлога који су сувише компликовани да бисмо их овде објашњавали, Хигс је у оквиру могућности које поседује ЛХЦ и апсолутно је могуће да ћемо га ускоро открити. Његово проналажење решиће многе мистерије. То је разлог због чега неки људи воле да га називају “божјом честицом”.

Запитајте физичара због чега је било неопходно направити ЛХЦ и одговор ће увек бити: због Хигса. Разговори о Хигсовом бозону воде се деценијама. Његова моћ да кад га поменете, према вама окрене главе експериментатора из свих земаља, јесте импресивна. Он је на врху листе свих мотива којима се руководило у изградњи скупог акцелератора честица.

Ево објашњења: Хигсов бозон могао би бити узрок опште компликованости и комплексности честица и сила. Назовите то Хигсовим пољем (мислите на блато) и рецимо да он преовлађује у укупном простору. Без Хигсовог поља кваркови и лептони, као и друге честице, имали би нулту масу. Све четири силе биле би упрошћене и претворене у једну и теоретски физичари тражили би посао по огласима за запошљавање. Међутим, са Хигсовим пољем честице се извлаче из блата: електрони стичу мало масе, муони нешто више, лепи кварк постаје заиста тежак, а онај који је изнад њега прави дебељко. Честице назване W и З стичу велику масу, док фотон, једноставно, игнорише Хигсово поље. Али сада математика постаје комплексна, четири силе се поново појављују и физичари су запослени пуном паром. Хигсов бозон је кључ за разумевање система огледала, у нашем примеру калеидоскопа. Осим тога, Хигс делује лековито на извесну математичку патологију. До сада су обављене неплодне потраге за Хигсовим бозоном, али ће се дефинитивни докази за Хигсове феномене скоро сигурно појавити током истраживања на ЛХЦ-у.
 

Како помаже велики хадронски сударач у разрешавању ове мистерије? ЛХЦ је направљен да изазове колизију, судар честица и да физичарима омогући поглед на распаднути материјал који се при том добио. Честице које знамо из квантне теорије удружене су са постојањем малих поља силе, што значи да кад нађете једну честицу (као Хигсов бозон) ви сте онда нашли и силу која иде уз ту честицу (Хигсово поље). Ако је ниво енергије у сударачу довољно висок, а ЛХЦ је има највише, судари честица ће направити много масивније нове честице. То повећава изгледе да ће из милиона колизија које се догађају сваке секунде настати и Хигсов бозон. Онда ће он бити “покупљен” од стране детектора прикључених на моћне компјутере и изазваће огроман аплауз у контролној просторији. Ако се то догоди десет или двадесет пута, изазваће одушевљење у целом свету. То је начин на који су све досадашње честице – кваркови, лептони и бозони, откривени у старим акцелераторима. ЛХЦ страшно важним чини то да је његова енергија довољно велика да произведе Хигсов бозон. Потреба за унификацијом не завршава се Хигсовим бозоном. Један од кључних знакова о јединственој “теорији о свему” било би нешто што се назива суперсиметријом. То је математичка теорија која сугерише да све до сада познате честице – кваркови и лептони – морају имати близанце. Ниједан од ових близанаца није до сада откривен. Али то није био разлог да им се не надену поетичка имена: скваркс, слептон. ЛХЦ ће, међутим, променити све.

Вратимо се до тренутка од пре 13,7 милијарди година када су укупан свемир и његов садржај представљали запремину која је била скоро једнака нули. Од тада, свемир се ширио; све галаксије су се кретале удаљавајући се једна од других. Али гравитација привлачи. Она вуче галаксије ближе једна другој, што би требало да успори експанзију. У 1998. две групе експериментатора покушале су да измере степен којим се успорава експанзија свемира, али одговор је деловао као шок: експанзија није била успорена, била је све бржа и бржа. Нешто је морало деловати мистериозно, јер је укупна материја потискивана у страну. То називамо црном или тамном енергијом. Тамна енергија вероватно највише збуњује, али је вероватно и најважније откриће о свемиру. Кад израчунамо количину енергије која је потребна да би удаљавала галаксије једну од друге, бројка је огромна: она износи 75 одсто од укупне енергије у свемиру.

Како ће ЛХЦ помоћи у идентификацији тамне енергије? Тамна енергија има важније задатке него да збуњује теоретске астрофизичаре. Она доприноси укупној количини енергије у свемиру и компензује појаву кривина које су проузроковане материјом. (Ајнштајн нам је говорио да материја проузрокује кривљење простора, али када су енергија и материја уравнотежени, кривина се не јавља – свемир остаје плочаст.) Али као и неке друге врсте енергије могуће је да црна енергија има честице које су у вези са честицама из саме тамне материје. Пошто је ЛХЦ направљен да тражи честице, замисливо је да би могао пронаћи и те специфичне честице црне енергије (уколико уопште постоје).

Постоји још једна нерешена мистерија о кретању галаксија и кретању звезда у оквиру галаксија. Када астрономи рачунају како би требало да се галаксије и звезде крећу сходно законима гравитације, они виде да им једначине дају погрешан закључак. Осматрања показују да се звезде и галаксије понашају као да у галаксији има много више материје него што се може израчунати сабирањем звезда, тј. процењивањем масе сваке звезде и добијањем укупне количине. Да би се разумела стабилност звезда у галаксији, мора се рачунати на десет пута већу количину материје него што је она виђена. Шта би могло да проузрокује ову несагласност? Закључак је да су галаксије окружене материјом која надмашује гравитационе силе, али која се не да регистровати јер се не види – због тога је зовемо тамна материја.

Од чега је направљена тамна материја? Били су разматрани многи, многи кандидати. Да ли би то могле бити већ мртве звезде које не емитују никакву светлост? Црне рупе? Гигантске планете? Данас је порекло тамне материје непознато. Ипак, да није било тамне материје, галаксије се не би образовале и ми не бисмо постојали. Теорија суперсиметрије, уколико је истинита, предвиђа постојање огромног броја нових честица близанаца кварковима, лептонима и бозонима које смо већ срели, укључујући и неке изванредне кандидате. Они ће се показати после анализе резултата судара у ЛХЦ-у.

Где одлази антиматерија? У 1930-им годинама теоретичари су предвидели да свака наелектрисана честица има близанца антиматерију – електрон има свој позитрон; протон има антипротон. Међутим, у нашим галаксијама и онолико докле можемо допрети нашим чудесним алаткама, све што можемо видети јесте материја. Њено одсуство приписује се безначајној асиметрији: кад је васиона створена, било је нешто више материје него антиматерије. Кад се она једна с другом сударе, оне се међусобно уништавају стварајући фотоне – честице светлости. Тако је укупна материја “конзумирана” од стране материје, а оно што је преостало јесте светлост. Природа асиметрије још није добро схваћена, али ће нам ЛХЦ помоћи да је разумемо.

Да ли има само четири димензије (три у простору и једна временска)? Једна од најузбудљивијих могућности коришћења ЛХЦ јесте налажење онога што се назива екстрапросторним димензијама, не рачунајући оне уобичајене: ширина, висина и дубина. Екстрадимензије су оно на чему се заснива теорија струне, једна од најузбудљивијих спекулација у науци и један од приступа претпостављања могућности сједињења земљине теже и осталих сила. Теорија струне говори да је свет састављен од финих вибрирајућих струна, при чему су те вибрације у суштини низови честица. (Уколико ово не разумете, не брините. Врло мало људи нешто зна и нешто разуме о овоме.)

Постојање екстрадимензија је једна од најважнијих предвиђања из теорија струне. Највећи број ових димензија је увијен, тако густо да се не могу препознати. У неким верзијама ове теорије, енергија гравитације губи се, цури из тродимензионалног система и одлази у скривене димензије, чиме се обезбеђује механизам за слабљење силе гравитације. Коришћењем ЛХЦ могли бисмо открити скривене екстрадимензије и то проучавањем реакција на местима где изгледа да енергија цури. (Енергија се креће дуж димензија које се не виде.) Овакво откриће увелико би охрабрило и стимулисало такозване теоретичаре струне.

Кратки сажетак није ни близу декларације о очекивањима која би испунио ЛХЦ у решавању загонетке свемира. Иако је та огромна машина тек почела с радом, оштрина и снага ЛХЦ, као неког метафоричког телескопа за свемир, неће бити тако очигледна у следећих неколиког година и његова магична моћ испољиће се тек око 2020. године. Извесно је да ћемо имати одговоре на питања која знамо да поставимо, и уколико је историја неки водич, наћи ћемо одговоре и на питања за која нисмо ни сањали да ћемо их поставити. Заправо, онако као што смо урадили са Галилеовим телескопом. 

Леонид Ледерман (Аутор је добитник Нобелове награде за физику 1988.)

Newsweek (Preuzeto iz magazina NIN, br. 3012, 18. 9. 2008.)