Sto metara ispod zemlje: Odgonetanje tajni svemira u CERN-u

Kosmodrom je ovog leta bio u poseti CERN-u. Kakvim se misterijama kosmosa bave naučnici u najvećem eksperimentalnom postrojenju za istraživanje elementarnih čestica, 100 metara ispod površine Zemlje, u tunelu dugom 27 kilometara?

Piše: Marko Veljković

Foto: Kosmodrom

Od čega je napravljen Svemir? Na ovo pitanje ljudi pokušavaju da daju odgovor još od osvita nauke. Danas, jedan od najvećih i najskupljih eksperimenata u ljudskoj istoriji, i dalje pokušava da odgovori na njega.

Naravno, reč je o CERN-u (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), Evropskoj organizaciji za nuklearno istraživanje.

Iako se o ranim počecima CERN projekta može govoriti već nakon Drugog Svetskog rata, za tačnu godinu osnivanja uzima se 1951. U decembru te godine je potpisana prva rezolucija o osnivanju “Evropskog udruženja za nuklearna istraživanja”. Nakon samo dva meseca, 11. zemalja je potpisalo sporazum, i akronim CERN je rođen.

Među zemljama potpisnicama koje su osnovale Evropsku organizaciju za nuklearno istraživanje, bila je i tadašnja Jugoslavija. Iz finansijskih razloga, napustila je članstvo u ovoj organizaciji 1961. godine. Decenijama kasnije, u decembru 2018, Srbija je ponovo pristupila CERN-u i postala punopravna članica.

CERN je vremenom proširivan novim naučnim laboratorijama i postrojenjima. U njemu, evropski naučnici nastoje da otkriju procese i zakone koji se dešavaju prilikom sudara elementarnih čestica, kako bi objasnili samu prirodu svemira i kako on funkcioniše.

Elementarne čestice su, kao što im samo ime kaže, čestice koje izgrađuju sve oko nas. Prostije rečeno, malo više njih na jednom mestu – i dobiće se atom; malo više atoma – molekul; malo više molekula, i eto nekog organskog jedinjenja, materijala i sl. Od jedinjenja se potom gradi sva živa i neživa priroda.

Zašto je baš sudaranje tih čestica toliko važno? Da bismo uprostili stvari, poslužimo se analogijom. Sećate li se kada ste bili mali kako ste voleli da rasturate igračke na delove? Zašto ste to radili? Prosto – da bi radoznala, dečja mašta videla od čega se one sastoje, šta je osnova u igračci.

Isto to rade i naučnici. Oni su kao deca, a CERN je njihova “velika mašina za razbijanje”. Uz njenu pomoć, nastoje da saznaju od čega se sastoje elementarne čestice, i da razumeju interakcije koje postoje između njih.

U CERN-u se odvija nekoliko velikih eksperimenata, a mi ćemo dati mali osvrt na njih i na najvažnija istraživanja kojima se oni bave.

LHC

Veliki hadronski sudarač (Large Hadron Collider) je zapravo posebna laboratorija koja je izgrađena u okviru CERN-a. Nalazi se čitavih 100 metara ispod zemlje, na granici Francuske i Švajcarske. Izgleda kao ogroman kružni tunel dužine 27 km.

Kroz ovaj tunel, elementarne čestice (konkretno, u pitanju su hadroni) se na apsolutnoj nuli posebnim magnetima ubrzavaju do neverovatnih brzina – koje su gotovo jednake brzini svetlosti – u suprotnim smerovima. Kada dođe do sudara, specijalni uređaji to detektuju, i šalju podatke posebno izgrađenim kompjuterima na obradu.

O kakvoj količini podataka je reč govori to da je trebalo izgraditi posebnu mrežu superkompjutera koja bi mogla da obrađuje povratne informacije. LHC generiše 15 petabajta podataka godišnje (1 petabajt = 1 milion gigabajta). Primera radi, jedan prosečni današnji hard disk ima od 1000 do 2000 GB.

ATLAS i CMS

U okviru LHC-a, sedam eksperimenata koristi detektore koji analiziraju veliki broj čestica. Ovi eksperimenti se odvijaju zahvaljujući saradnji između brojnih naučnika i instituta širom Sveta.

Najveći od tih eksperimenata su ATLAS i CMS, koji koriste detektore opšte namene da istražuju široku lepezu fizike elementarnih čestica – od potrage za Higsovim bozonom do ekstra dimenzija i čestica koje mogu da izgrađuju tamnu materiju. Sa 46 m dužine, 25 m visine, 25 m širine i težinom od 7000 tona, ATLAS je najveći detektor elementarnih čestica koji je ikada konstruisan.

“Kompaktni Muon Solenoid” (CMS) se koristi za istraživanje Standardnog modela (uključujući i Higsov bozon), u potrazi za ekstra dimenzijama i česticama koje mogu da izrađuju tamu materiju. Iako ima iste ciljeve kao ATLAS, koristi drugačija tehnička rešenja i drugačiji dizajn magneta.

MEĐU NAUČNOM ELITOM: SRBIJA POSTALA PUNOPRAVAN ČLAN CERN-A

Njegova forma cilindričnog navoja od superprovodnog kabla generiše polje od 4 Tesle, što je oko 100.000 puta jače od magnetnog polja naše planete. Polje je ograničeno čeličnim „jarmom“, koji čini najveći deo težine detektora od neverovatnih 14.000 tona.

Neobična karakteristika CMS detektora je ta što je umesto da je izgrađen na licu mesta kao drugi džinovski detektori, on izgrađen u 15 sekcija na nivou zemlje, pre nego što je spušten u podzemne tunele. CMS eksperiment predstavlja jednu od najvećih naučnih internacionalnih saradnji u istoriji, uključujući 5.000 fizičara, inženjere, tehničare, studente i propratno osoblje iz 200 instituta iz 50 različitih zemalja.

ALICE i LHCb

ALICE i LHCb poseduju detektore specijalizovane za traženje specifičnih fenomena. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) je zapravo dizajniran da istražuje fiziku ekstremnih gustina, energija i formu materije koja se zove kvark-gluon plazma.

Kako bi se ispitali ovakvi fenomeni, LHC generiše temperature više od 100.000 puta toplije nego u centru Sunca. Da, dobro ste pročitali – najvrelija tačka u Svemiru se nalazi upravo ovde. LHCb je fokusiran na istraživanje razlika između materije i antimaterije, kao i njihove interakcije.

Ova četiri detektora su smeštena u podzemlju, u velikom tunelu LHC prstena.

TOTEM, LHCf i MoEDAL

Najmanji eksperimenti na LHC-u su TOTEM i LHCf, koji su fokusirani na naknadne čestice – protone, ili teške jone koji ostaju nakon sudara (otuda i naziv forward particles). One se radije “očešu” jednu o drugu, nego što se frontalno sudaraju.

TOTEM koristi deketore postavljene sa obe strane CMS-a, dok je LHCf napravljen od dva detektora koji su raspoređeni uzduž LHC tunela, 140 m sa obe strane tačaka sudara ATLAS-a. LHCf se koristi za simulaciju kosmičkih zraka u laboratorijskim uslovima.

U svakom slučaju, dva nezavisno dizajnirana detektora su ključni za upoređivanje bilo kojih novih oktrića.

MoEDAL koristi detektore raspoređene blizu LHCb-a, koji su u potrazi za hipotetičkim česticama zvane magnetni monopoli.

Čemu sve to služi?

Objašnjenje celokupnog procesa detekcije elementarnih čestica i sila koje postoje između njih bi zahtevalo mnogo više prostora od okvira ovog teksta (autor predlaže knjigu Stivena Hokinga, “Kratka Povest Vremena”). Opet ćemo kompleksno pitanje pojednostaviti već pomenutom analogijom – pričom o rasklapanju igračaka. Upravo rastavljanjem elementarnih čestica, uspećemo da objasnimo njihovo postojanje i zakone njihovog nastanka.

Pri ovim sudarima dolazi gotovo do iščezavanja nekih čestica, a kao rezultat se na mestu sudara razvija snažno zračenje, koje je u stanju da proizvede 30 do 50 novih čestica. Neke od tih čestica ne možemo da nađemo nigde drugde nego u CERN-u.

Po jednoj, danas opšte prihvaćenoj, naučnoj teoriji, ceo Svemir je nastao pre oko 15 milijardi godina, u ogromnoj eksploziji koja se zove Veliki prasak (Big Bang). Tada nije nastala samo materija i energija, već i samo vreme i prostor.

Koliko je ovo teška i neshvatljiva rečenica za razumevanje jednom prosečnom modernom čoveku, toliko je i jednom modernom naučniku koji se bavi tom problematikom decenijama, upravo zbog toga jer je dokazivanje ove teorije kroz eksperiment gotovo nemoguće. Ili je bilo, do sad.

Naime, u LHC-u je moguće na kratko, i u veoma malim razmerama (10^-15 m), stvoriti uslove kakvi su vladali tokom Velikog Praska. Iako je taj epski događaj bio makrokosmičkih razmera, stvoriti delić njega u laboratoriji je koliko fascinantno – toliko i zastrašujuće otkriće.

Zaviriti u elementarne čestice i vratiti se u trenutak nastajanja Svemira – tako nešto se ne dešava u stilu nekih modernih, bombastičnih naučnofantastičnih filmova, već tiho i strpljivo, skriveno duboko ispod Zemlje, gde grupa naučnika, najvećih umova današnjice, pokušava da otkrije neke od najskrivenijih tajni prirode.

Jer na samom početku, pre 15 milijardi godina, kada je nastao Univerzum, sa njim je nastalo i beskraj mogućnosti, od kojih si jedna TI.