Razdejanje za znanje

Po Velikem hadronskem trkalniku (angl. Large hadron collider oz. LHC), zgrajenem v Evropskem centru za jedrske raziskave (CERN) v bližini francosko-švicarske meje, je prejšnji teden zakrožil prvi roj protonov. Po 27-kilometrskem krožnem predoru je zakrožil 11-tisočkrat v sekundi. Pri temperaturi, ki je le malenkost nad absolutno ničlo in celo nižja kot v vesolju. V znanstvenem smislu ni to pomenilo še nič, razen olajšanja, da vse deluje vsaj približno tako, kot bi moralo, in da s stropa ni odpadel omet. Šele v začetku prihodnjega leta, po številnih potovanjih protonov brez nasprotnega prometa in kasneje trkih pri nižjih hitrostih, bodo znanstveniki pripravljeni na izpolnitev trkalnikovega namena. V vakuum znotraj trkalnika bodo vstavili dva roja protonov, ju v nasprotnih smereh pognali do tako rekoč svetlobne hitrosti in pustili, da na mikro- ali, bolje rečeno, na nanoravni trčijo in povzročijo nepopisno razdejanje. Kajti v tem razdejanju se bodo, tako vsaj predvidevajo in upajo znanstveniki, pokazali novi, doslej nedokazani ali pa celo povsem neznani delci, ki so bili v vesolju prisotni prve trenutke po nastanku.
Ker bodo ti delci izredno težko opazni, njihov obstoj pa milo rečeno kratkotrajen, si bodo znanstveniki pri zaznavanju pomagali s štirimi velikanskimi detektorji delcev. Njihovo delovanje bi lahko, kot so zapisali v reviji Wired, primerjali z digitalnimi kamerami z ločljivostjo 150 milijonov točk, ki posnamejo 600 milijonov slik na sekundo. Največja od njih se imenujeta Atlas in CMS. Ta bosta oprezala za vsakršno zanimivo stvarjo, ki bo izšla iz čelnega trčenja protonov. Tretji detektor, manjši od obeh omenjenih, nosi ime LHCb in je usmerjen v iskanje razlage odsotnosti antisnovi v vesolju. Četrti, imenovan ALICE, ima nalogo poustvariti razmere, ki so v vesolju vladale trilijoninko sekunde po velikem poku. V nasprotju z drugimi tremi detektorji, ki bodo spremljali trke vodikovih protonov, bo ALICE svojo nalogo opravljal z opazovanjem trkov svinčevih ionov.
Razlog za optimizem, povezan z morebitnimi novimi odkritji, je zmogljivost trkalnika. LHC pospeši protone do sedemkrat višjih energij kot do zdaj najzmogljivejši trkalnik Tevatron, ki stoji v bližini Chicaga v ZDA. In za tolikokrat bo tudi presegel največjo koncentracijo energije, kadarkoli ustvarjeno v laboratoriju. Pri trkih se bo sprostilo do 14 bilijonov oziroma 14 milijon milijonov elektronvoltov. Elektronvolt je enota za količino energije, ki jo elektron pridobi pri preletu napetostne razlike enega volta. Če vzamemo elektron in mu pustimo, da odleti iz enega pola navadne (AA) baterije v drugega, pridobi 1,5 elektronvolta. Štirinajst bilijonov pomeni, da smo protone pospešili skozi nekaj manj kot 10 bilijonov takih baterij.

Božji delec

Namen, ki je najpogosteje naveden kot najpomembnejši pri gradnji trkalnika LHC, je iskanje Higgsovega bozona. Ta je v standardnem modelu teorije delcev tisti, ki delcem podeljuje maso. Kot pojasnjuje dr. Peter Križan, profesor fizike delcev na Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani ter raziskovalec na Inštitutu Jožef Stefan in inštitutu KEK v Tskubi na Japonskem, je bilo vprašanje, kako delci pridejo do mase, zelo dolgo brez odgovora. »Šele Higgsovemu (škotski fizik Peter Higgs) mehanizmu je to uspelo konsistentno pojasniti. V standardnem modelu osnovnih delcev je masa odvisna od tega, kako močno se delec sklaplja s Higgsovim poljem. Higgsovo polje je povsod okoli nas. Če bi bila sklopitvena konstanta 0, delec ne bi imel mase, takoj ko je večja od 0, pa jo ima.« Ker ta razlaga povprečnega bralca, pa tudi novinarja milo rečeno bolj zmede kot zadovolji, je ponudil tudi poljudnejšo razlago. »Higgsovo polje si lahko razložimo približno takole. Predstavljajmo si veliko dvorano, polno ljudi. Ko v to dvorano vstopi neka znamenita osebnost, se okoli nje nabere ogromno ljudi. In ta znana osebnost se ne more več prosto premikati po prostoru, ker ima okoli sebe grozd ljudi. Če pa stopi v dvorano nekdo, ki ga nihče ne pozna, se bolj ali manj svobodno giblje.« V tej primerjavi je socialna pomembnost človeka, njegova »teža«, prispodoba za maso.
Nikakor ni nujno, da bodo Higgsov bozon detektorji res zaznali, in to iz dveh razlogov. Prvi je, da Higgsov bozon (bog ne daj!) morda sploh ne obstaja. To bi bila huda nočna mora za številne znanstvenike, ki bi se morali zaradi tega usesti nazaj za svoje mize in iskati drugo razlago za maso delcev. Vendar pa, četudi Higgsovega bozona detektorji ne zaznajo, kljub temu ni mogoče z gotovostjo sklepati, da ga ni. »Lahko so delci tako masivni, da jih tudi v trkalniku LHC ne bo videti. Če hočemo ustvariti težek delec, potrebujemo veliko energije, za to pa potrebujemo velik pospeševalnik,« pravi Križan. Ker Higgsovega bozona za zdaj v drugih trkalnikih po svetu niso zaznali, so lahko znanstveniki na podlagi ob trku ustvarjene energije z gotovostjo ugotovili le to, kakšna je njegova najmanjša možna masa. »Vsak proton je sestavljen iz treh kvarkov. Ko se dva zaletita, se kvarki med seboj pomešajo. Če imamo nizko energijo, se bosta protona odbila. Če je energija večja, lahko iz protona ob trku nastane več delcev, na primer dva protona in dva lažja delca. Ko povečujemo energijo, je možnih vedno več procesov. Vedno več novih reakcijskih kanalov se odpira in nazadnje, ko imamo dovolj energije, se odpre tudi kanal za proizvodnjo Higgsovega bozona,« razlaga Križan. Poljudno razlago tega je ponudil dr. Andrej Čadež, profesor astronomije na ljubljanski FMF in strokovnjak za astrofiziko. Po njegovem si je treba vakuum predstavljati kot neskončno ravnino neprekinjeno zloženih lego kock vsega, kar v naravi obstaja. Kocke so zložene tako, da je vsaka točka enaka drugi, ničesar ni mogoče razločiti in zato to zaznamo kot prazen prostor. »Iz vakuuma pa je mogoče potegniti njegove sestavine, če dovedemo energijo trka. Kot bi v kocke vakuuma nekaj vrgli z vso močjo, zaradi česar se posamezne kocke odkrušijo. Več energije uporabite, več kock bo odletelo. In čim večje kocke želite odkrušiti, tem več energije potrebujete.« Z gotovostjo torej za zdaj ni mogoče trditi niti, da Higgsov bozon res obstaja, niti da ga bo v trkalniku LHC res mogoče zaznati. Gre pa vsekakor za največjo možnost doslej.
Za tiste, ki bi še vedno radi vedeli, kaj Higgsov bozon sploh je, pa še dodatno pojasnilo dr. Križana: »Higgsov delec ima podobno naravo kot svetloba. Svetloba je elektromagnetno polje, hkrati pa je poslana v paketih, ki jim rečemo fotoni. Higgsov bozon lahko prav tako obravnavamo kot polje ali kot take pakete

.«

Po velikem poku

Detektor ALICE je, kot smo že omenili, zasnovan z namenom poustvariti razmere, ki so obstajale v trenutku po velikem poku. S trkanjem svinčevih ionov naj bi skušali poustvariti snov, znano kot kvark-gluonska plazma. Kvarke, iz katerih so sestavljeni protoni in nevtroni, povezuje močna sila, za katero so zaslužni gluoni. »Kvark-gluounsko plazmo iščejo v jedrih, sestavljenih iz več protonov in nevtronov. Ti protoni in nevtroni so bolj kot kroglice, v katerih so spravljeni kvarki in gluoni. Ideja je v tem, da bi se, če bi v tak sistem dovedli dovolj energije, zgodilo nekaj podobnega, kot če bi kocko ledu dali na kuhalno ploščo. Da se bodo jedra stalila, ne zdrobila. Da bo namesto kristalčkov nastala tekočina,« razlaga dr. Križan. Kot je zapisano na CERN-ovi spletni strani, se bodo ob trkih v trkalniku LHC ustvarile temperature, stotisočkrat višje od tistih v središču sonca. ALICE naj bi to snov preučeval v trenutkih, ko se ta ohlaja in razširja ter se oblikuje v delce, ki danes sestavljajo vesolje.

Antimaterija

Za razčiščevanje vprašanja, zakaj je v vesolju skoraj sama snov in nič antisnovi, čeprav je bilo razmerje na začetku vesolja enako, je namenjen detektor LHCb. Gre za zelo natančne meritve, pri katerih opazujejo majhno razliko med delci in antidelci in preučujejo različne vidike teh majhnih razlik. »Na začetku vesolja naj bi bila količina delcev in antidelcev enaka. Potem pa naj bi na 10 milijard delcev en antidelec razpadel, še preden se je v paru z delcem uničil. In delci, ki jih zdaj vidimo, so potemtakem ostanek te množice,« pojasnjuje dr. Križan. So torej tisti, ki niso dobili soplesalca za vzajemno uničenje. »Lahko rečemo, da je imel vsak delec, ki danes obstaja, izrazito srečo, da obstaja. Razlika med delci in antidelci je res izredno majhna. Ampak očitno je pomembna, saj nas v nasprotnem primeru ne bi bilo.« Težava pa je v tem, da poskusi, ki so bili do zdaj že opravljeni (in je pri njih pomembno vlogo odigrala tudi ljubljanska raziskovalna skupina), kažejo, da je asimetrija med delci in antidelci najmanj tisočkrat manjša kot asimetrija, ki bi bila potrebna, da bi ostalo toliko snovi, kot je danes poznamo. »V zadnjih letih smo se pri naših raziskavah precej naučili o asimetriji med delci in antidelci, vendar pa mora obstajati še neki drug mehanizem, ki povzroča to asimetrijo. Zato so potrebni dodatni poskusi.«

Temna snov in temna energija

Po sedanjem prepričanju temna snov in temna energija sestavljata 96 odstotkov vesolja. Temna energija sama naj bi imela 26-odstotni delež. Pri razumevanju temne snovi so astrofiziki še zelo na začetku. »Pojma nimamo, kaj naj bi bila temna snov. Niti temna energija. To je nekaj, kar teoretično potrebujemo, da lahko razumemo številne pojave v vesolju,« razlaga Čadež. Po Križanovih besedah je ena od možnosti ta, da so temna snov delci, ki zelo šibko interagirajo in so zelo masivni. A kako jih zaznati? »En način odkrivanja je ta, da opazuješ proces, za katerega veš, koliko energije je prisotne na začetku, nato pa preveriš, koliko energije je prisotne na koncu procesa. Če energija manjka, je morala nekam iti. To je posreden dokaz. In če vedno zmanjka enaka količina enegije, potem pač to ni stvar napak v meritvah, temveč znak, da je očitno nastal delec ali več delcev nekega tipa, katerih vsota energije ali mase je ravno enaka tej manjkajoči energiji.«

Nevarnosti in obeti

Ob zagonu trkalnika LHC so se pojavljala opozorila, da bi utegnili visokoenergijski trki protonov ustvariti črno luknjo, ki bi lahko celo ogrozila naš obstoj. Znanstveniki v CERN-u to kategorično zanikajo. Pritrjuje jim tudi dr. Čadež. »Ta črna luknja, če bo nastala, bo tipična kvantna luknja.« Kako majhna in neobstojna bo, če bo nastala, pa je opisal zelo slikovito: »Črna luknja z maso zvezde ima polmer približno 3 kilometre. Če bi bila Zemlja črna luknja, bi imela polmer 5 milimetrov. Če bi bila Šmarna gora črna luknja, bi bila velika ravno toliko kot en proton. Taka črna luknja bi razpadla v nekaj milijardah let. V CERN-u nimajo niti približno toliko energije, da bi naredili tako črno luknjo.« Energija črne luknje velikosti protona bi namreč zadostovala za to, da bi 20 sekund svetilo sonce, črna luknja, ustvarjena v trkalniku LHC, pa ne bi imela niti toliko energije, da bi lahko zasvetila žarnica. Še največja »nevarnost« naj bi se tako skrivala v možnosti, da se znanstveniki motijo v svojih predvidevanjih o obstoju nikoli videnih delcev. Nekateri pa si kot najhujši scenarij predstavljajo celo odkritje Higgsovega bozona, ki mu ne bi sledilo nič drugega, saj bi bil to najmanj razburljiv razplet dogodkov.
Kot rečeno, bodo prvi protoni v trkalniku trčili v nekaj tednih. Vendar pa to še ne bodo trki s polno močjo 14 bilijonov elektronvoltov. Ti pridejo na vrsto šele nekje v začetku prihodnjega leta (prej bodo hitrosti protonov nižje in zato njihove energije manjše, večali pa jih bodo le postopno). In tudi ko se bo to zgodilo, si noben resen znanstvenik še nekaj časa ne bo upal oznaniti velikega odkritja, saj bo hotel izsledke temeljito preveriti in opraviti dovolj poskusov. Le tako bo mogoče izključiti možnost, da je domnevni na novo odkriti delec zgolj posledica napake v meritvah ali napake v razumevanju meritev. Prva navdušena oznanila iz CERN-a v reviji New Scientist napovedujejo za konec prihodnjega leta. Kako bodo ta odkritja vplivala na naše vsakdanje življenje (če ga zaradi ustvarjene črne luknje ne bo konec), je težko napovedati. Nejverjetneje še dolgo ne bodo. Prej bodo vplivala na naše razumevanje sveta. Vendar pa, kot opozarja dr. Čadež, so možna tudi presenečenja. »CERN se rad pohvali, da je tam nastal internet. Pa to nima nobene zveze z njihovim osnovnim poslanstvom.« Da bi, kot napovedujejo nekateri, poskusi v trkalniku LHC razkrili obstoj vzporednih vesolj, pa močno dvomi. »Kar se tiče vzporednih vesolj, sem skeptičen. Nerad napovedujem, prav tako pa mislim, da se znanost ne bi smela oglaševati enako kot pralni praški.«