LHC: Odlaze se smak sveta

Pogled na CERN iz vazduha – (C) CERN

Još od nastanka ljudske civilizacije, čovek je želeo da sazna od čega je izgrađen svet koji ga okružuje. Svaki period u istoriji, svaka civilizacija, imala je neku sliku sveta. Vremenom te slike su se spajale i dopunjavale, od filozofije i razmišljanja nastajala je nauka, nastajala je jedna jedinstvena teorija. Sve je počelo u doba filozofa iz Stare Grčke. Svet je tada bio izgrađen od četiri elementa: zemlja, vatra, voda i vazduh (Aristotel). Bila je to opšte prihvaćena slika sveta, ali još tada postojale su i napredne ideje. Demokrit je imao ideju o atomima, sitnim i nevidljivim „ciglama“ koje izgrađuju svet oko nas. On je imao mnogo bolju ideju od Aristotela. Smatrao je da materija može da se seče na sve sitnije i sitnije komadiće, što je nož oštriji komadići će biti sve manji i manji, ali na kraju koliko god imali oštar nož, doćićemo do najsitnijih delova materije – atoma, koje više nije moguće preseći.

Godine su prolazile, Demokritova ideja je živela, ljudi su gradili sve oštrije i oštrije noževe i sekli materiju na sve sitnije delove. Prvi „noževi“ bile su epruvete hemičara, našli su molekule i atome, ali dalje nisu mogli. Tada su na scenu stupili fizičari. Njihovi noževi bili su drugačiji – oni su materiju „sekli“ tako što su je bombardovali česticama. U početku su korišćene čestice nastale u radioaktivnim raspadima, bile su dovoljne da se otkrije atomsko jezgro. Ali, dalje nije moglo – bile su spore. Za dalji napredak bilo je potrebno ubrzati čestice. Prvi akceleratori bili su linearni, a kasnije su došli kružni (ciklotroni i sinhrotroni), a na kraju kolajderi. Čestice su razbijane sve više i sve snažnije – otkriveni su protoni i neutroni, ali kasnije su i oni razbijeni, pojavili su se kvarkovi. Demokritova priča nastavljala je da živi, svet je izgrađen od sitnih čestica, njih 12 (šest kvarkova i šest leptona) i još četiri bozona – prenosioca interakcije. Svi sastojci za „čorbu“ zvanu Univerzum bili su tu, ali nedostajala je još jedna – da sve njih veže.

Najmoćniji akceleratori (Fermilab, DESY, LEP) koji su radili 2000. godine nisu bili dovoljno moćni za dalje traganje. Bilo je potrebno nešto novo, još moćnije, još „oštrije“. Došlo je vreme za LHC. Izgradnja LHC-a počela je 2000. godine u CERN-u, blizu Ženeve, na granici između Švajcarske i Francuske. Plan je bio da se postojeći tunel, u kome je do tada radio LEP iskoristi i u njemu sagradi nov akcelerator.

Princip rada svih akceleratora – kolajdera je isti. U dve akceleratorske cevi ubrzavaju se, u suprotnim smerovima čestice. Na nekoliko mesta snopovi se ukrštaju i sudaraju. To su mesta na kojima se nalaze ogromni detektori – eksperimenti. Različiti akceleratori sudaraju različite čestice: DESY sudara elektrone i protone, Fermilab – protone i antiprotone, a LEP je sudarao elektrone i antielektrone. LHC će sudarati protone i protone. Vrsta čestica određuje energiju koja se oslobađa prilikom sudara – što su čestice masivnije veća je i energija, pošto je njihova brzina približno ista.

Superprovodni magneti – (C) Maximilien Brice, CERN

Tunel u kome je LHC izgrađen nalazi se na oko 100 metara ispod zemlje i ima obim od 27 kilometara. Na njemu su izgrađena četiri eksperimenta: ATLAS, CMS, LHCb i ALICE. Protoni će biti ubrzavani do energije od 7 TeV (u LEP-u energija je bila oko 100 GeV) i imaće brzinu veću od 99.9% brzine svetlosti. Da bi protoni ovih energija i brzina ostali u akceleratorskoj cevi potrebna su snažna magnetna polja. Magneti koji će ovo omogućiti konstruisani su na bazi superprovodnika, radiće na temperaturi od 1.8K (hladnije od prostora između galaksija). U prstenu je montirano oko 6000 magneta, prosečne dužine 13 metara i oni će pokrivati obim od nekih 24 kilometara. Kroz magnete će proticati struja jačine 6500 do 9500 hiljada Ampera a jačina magnetnog polja iznosiće oko 8.5 T.

Detektori su ogromne i još složenije mašine od samog akceleratora. Dimenzije CMS ima dužinu od 22m i prečnik od 15m, a ATLAS je još veći – 26 metara dužina i 20 metara prečnik. Masa svakog od njih prelazi 12000 tona. Ova dva detektora, pojedinačno, sigurno su najkompleksnije mašine koje je čovek ikada sagradio. Rade na različitim principima ali njihova namena je ista. Posao im je da hvataju i beleže sve što nastane u sudarima čestica.

Fizika čestica je čudna nauka. Jedini način da saznamo kako nešto radi je da to nešto uništimo. To je otprilike kao kad bi želeli da saznamo kako radi automobil iz sudara dva automobila. Deluje komplikovano, ali ako pokupimo sve delove i lepo ih složimo – to funkcioniše. Posao detektora je upravo da pokupe sve delove koji nastanu nakon sudara protona.

Poznato je da se proton sastoji od tri kvarka. Prilikom sudara protoni se razbijaju, međusobno se sudaraju kvarkovi i… ako ste pomislili da nove čestice nastaju kombinacijom kvarkova, pogrešili ste. Prilikom sudara dolazi do oslobađanja energije, skoro sva masa prelazi u energiju prema čuvenoj formuli E=mc2. Ogromna je to energija, 14 TeV… ogromna… tu energiju ima avion koji poleće, ali ovde je ta energija koncentrisana na samo dve čestice. Energije koje će LHC proizvoditi omogućiće nam da istražimo svet dimenzija 10E-18 metara, a to odgovara vremenu od 10E-12 sekunde nakon Velikog praska i temperaturi od 10E+16 stepeni. Iz nastale energije u slučajnom procesu kreacije nastaju parovi čestica i antičestica, gomila različitih, novih čestica koje ranije nisu postojale. To je ono što detektori sakupljaju, beleže njihove mase, naelektrisanja, brzine i putanje; sve to skladište moćni računari i posle obrađuju. U svakom sudaru detektori zabeleže 10 miliona informacija, a svake sekunde dogodi se 800 miliona sudara. Sve to detektori snimaju i pamte. Svake godine, u proseku treba uskladištiti oko 1 PB (petabyte) podataka, to treba filtrirati i izdvojiti bitne događaje iz šume poznatih i nezanimljivih.

Kompjuterski centar u CERN-u / (C) Maximilien Brice; Claudia Marcelloni, CERN /

Da bi sve to bilo moguće u CERN-u su instalirani jedni od najmoćnijih računara na planeti, razvijene su nove tehnologije klastera i gridova. Deo podataka iz LHC-a obrađivaće se i u Srbiji, u okviru projekta SEEgrid, koji predvodi kompjuterska laboratorija Instituta za fiziku u Zemunu a u kome učestvuje Elektronski fakultet.

Detektori su ogroman projekat, projekat u kome učestvuje više od 150 institucija iz preko 30 zemalja. Tu se nalazi i Srbija – „Zastava alati“ iz Kragujevca proizvela je neke manje delove za detektore, a kod nas je takođe napravljen i jedan od dva „mala točka“ za eksperiment ATLAS. Bez obzira što ime kaže da je ovaj točak mali, on ima prečnik od skoro 10 metara i masu od 100 tona, služiće za detektovanje čestica koje se zovu muoni.

Spustanje malog tocka AtlasNa LHC-u postoje još dva eksperimenta: ALICE i LHCb. Ova dva eksperimenta su manjih dimenzija, angažovano je manje ljudi, ali njihov značaj nije manji. Posao ALICE-a je izučavanje sudara teških jona (olovo) koji će omogućiti stvaranje materije gustine jednake onoj koja je vladala neposredno posle Velikog praska. Posao LHCb je izučavanje simetrija u prirodi, tačnije narušavanje CP simetrije i traganje za objašnjenjem odsustva antimaterije.

Spustanje malog točka – ATLAS / (C) Claudia Marcelloni, CERN)

LHC je sigurno, do sada, najveći, najskuplji i najsloženiji naučni projekat na planeti. U njemu učestvuju gotovo sve Evropske zemlje, a tu su još i SAD, Kanada, Japan i Rusija. Ovo je sigurno najkomplikovanija mašina koju je čovek napravio. Za konstrukciju LHC-a bilo je neophodno razviti mnoge nove tehnologije u građevinarstvu, mašinstvu, elektronici i informatici. Gotovo da ne postoji oblast naučnih istraživanja koja nije direktno ili posredno uključena u projekat LHC-a.

Deo unutranjosti CMS detektoraOsnovni zadatak LHC-a, tj. eksperimenata CMS i ATLAS, je traganje za tzv. Božijom česticom, ili kako se u nauci naziva – Higsova čestica. To je čestica koja „veže“ sve ostale u onoj „supi“ sa početka ovog teksta – to je čestica koja daje masu ostalim česticama. Osim potrage za Higsom, LHC će istraživati fiziku na energijama od 1 TeV. Mnoge tajne kriju se u ovom područiju, možda su tu supersimetrične čestice, sumersimetrije, leptokvarkovi, možda nešto što ne možemo ni da naslutimo, a možda… možda su tu i opasne crne rupe, o kojima se toliko priča.

Poslednjih meseci u javnosti se dosta polemiše o tome da li će LHC uništiti svet, da će nastati crna rupa koja će progutati celu planetu.

Neki zagovornici ovih katastrofičnih teorija išli su čak i dotle da tuže CERN. I ako nije imao obavezu prema tim malim sudovima, CERN je uvek odgovarao na tužbe. Odgovor je uvek bio isti i jasan. U fizici koju većina nas poznaje, u svetu kome živimo sa 3+1 jednom dimenzijom, LHC ne može da kreira crnu rupu. Da bi crna rupa nastala potrebna je ogromna energija, energija koju bi mogao da stvori jedino akcelerator dužine 1000 svetlosnih godina. Ipak, u savremenoj fizici i teoriji superstruna postoje uslovi i ideje o prostoru sa 11 ili čak 26 dimenzija. Ako su te teorije tačne postoji mala verovatnoća da crna rupa ipak nastane. Ta verovatnoća je zanemarljivo mala, jednaka je verovatnoći da tri puta za redom dobijete glavnu premiju na lutriji.

Jedan deo unutrasnjosti CMS detektora / (C) Maximilien Brice, CERN /

Izgleda da je najveći problem izazvalo to što fizičari ne umeju da kažu „ne“ a uvek postoje oni koji veruju u beskonačno male verovatnoće. Ista ta teorija koja omogućava formiranje crnih rupa daje još jedan rezultat – čak i ako crna rupa nastane ona će biti mala, živeće kratko i ispariće (Hokingovo zračenje) pre nego što uspe da zarobi i najbliži atom. Opasnosti sigurno nema, čak suprotno od toga – ako bi crne rupe nastale bila bi to odlična potvrda ispravnosti teorije.

LHC je gotov, testiranje je krenulo 10. septembra. Mnogi su mislili da je to dan D, naravno ponovo su pogrešili. Sve je prošlo savršeno, čak i bolje nego što su inžinjeri u CERN-u očekivali. Neočekivano, oba snopa protona formirana su i održana iz prvog pokušaja. Sudara još uvek nije bilo, nisu ni planirani. Na žalost, 19. septembra došlo je do banalnog kvara – kontakti na kablovima su popustili, to je dovelo do pregrevanja magneta i curenja tečnog helijuma. Jednostavan kvar i jednostavna popravka, ali ne kada je temperatura sistema 1,8K. Da bi ovaj kvar bio otklonjen potrebno je sve zagrejati, popraviti a zatim ponovo ohladiti do iste temeprature. Sve to trajaće dva meseca, a posle dolazi zima – tada je planiran prekid u radu, zbog ogromne potrošnje struje u Evropi.

Odlučeno je da LHC krene sa radom na proleće 2009. godine i to punom snagom. Testovi koji su planirani za ovaj period su otkazani, posle zimske pauze sve će krenuti onako kako je planirano. Ponovo svi čekaju, novinari i protivnici LHC-a će ponovo čekati smak sveta a armija fizičara i drugih naučnika čekaće prve rezultate. Možda su ovo poslednji dani slave Standardnog modela elementarnih čestica, možda će CERN začeti kraj fizike koju učimo, a možda (što je najverovatnije) biće to samo potvrda onoga što znamo, i otvaranje vrata jednog novog sveta, sveta o kome još uvek pojma nemamo.

Ovaj tekst je je pisan za sajt ELEF Web Magazina, gde je i izvorno objavljen.