Anul trecut, prin iulie, citeam despre planurile savantilor din lumea intreaga, legate de un experiment ce cauta sa aduca la lumina modul in care a luat nastere universul.M-a bantuit o vreme ideea, insa grijile cotidiene au reusit s-o ascunda prin colturile mintii.
Zilele trecute, dupa ce mass-media a facut cunoscut majoritatii acest plan, m citit pe net cum toti analfabetii si agramatii isi dau cu parerea despre acest experiment.
Ce vrea sa dovedeasca experimentul LHC ( Large Hadron Collider) ?
Poate cea mai mare realizare a oamenilor de stiinta implicati in proiectul LHC este dovedirea existentei particulei Higgs, asa numita „particula a lui Dumnezeu”, element ipotetic, imposibil de dovedit pana in prezent, despre care se crede ca ar inzestra cu masa toate particulele din Univers, exceptie facand fotonii si neutrinii (a nu se confunda cu neutronii – particulele din nucleul atomic).
Se stie astazi ca materia, in totalitatea sa, – planete, stele si galaxii – nu reprezinta decat maxim 4% din intregul Univers. O cantitate de aproape 26% este reprezentata de materie neagra, in timp ce restul de 70% din Cosmos este format din energie intunecata, asa numita „energie noire”, cea „vinovata”, printre altele, de continua expansiune a Universului si de accelerarea galaxiilor in directii opuse uneia fata de cealalta. Ceea ce nu si-au putut explica oamenii de stiinta este modul in care acestea s-au format si modul in care ele interactioneaza. Un mister ce nu poate fi descifrat in teorie si a carui rezolvare poate veni in urma uriasului experiment LHC.
O alta expectanta a cercetatorilor CERN ( Organizatia Europeana de Cercetare Nucleara ) este cea legata de dovedirea existentei unor alte dimensiuni decat cele cunoscute. Daca experimentul care va avea loc la Geneva va functiona la parametrii astepati, oamenii de stiinta spera sa confirma teoria superstringurilor, cea care sustine ca quarcurile, particule subdivizionare atomilor, sunt corzi vibrante infime.
Cum functioneaza LHC?
S-a spus, pe buna dreptate, ca experimentul LHC este cel mai mare din istoria de pana acum a omenirii. Peste 10.000 de persoane au lucrat timp de 14 ani pentru a putea pune in functiune uriasul mecanism, aflat la aproape 100 de metri adancime, si care se intinde pe nu mai putin de 29 de kilometri. Giganticul accelerator de particule este format din circa 5000 de magneti superconductori, si va accelera protoni in ambele sensuri ale tunelului cu o viteza egala cu 99,9999991 din viteza luminii ( 299.792.458 m/s ). Energia dezvoltata in timpul acestui experiment va fi de 100.000 de ori mai mare decat cea existenta in centrul Soarelui, motiv pentru care superconductorii LHC vor fi raciti pana la temperatura de –271,25 C, temperatura minima admisa de natura. Se incearca, astfel, recrearea conditiilor existente in microsecunda imediat urmatoare ipoteticului Big Bang, o situatie de la care oamenii de stiinta asteapta raspunsuri legate de aparitia a tot ceea ce reprezinta astazi Universul.
Pericolul LHC
In ciuda tuturor dezmintirilor date de cercetatorii implicati in proiectul LHC, conform carora sansele ca acesta sa produca o catastrofa globala ar fi de 1 la 50 de milioane, echivalenta cu cea a castigarii unui bilet la loterie, exista inca multi contestatari ai proiectului.
Una dintre teoriile criticilor prevede aparitia in timpul experimentului a ipoteticelor particule numite strangeleti, fapt ce ar putea duce la o conversie nucleara a atomilor, si la transformarea Pamantului intr-un corp lipsit total de viata. Un alt risc semnalat de cercetatorii contestatari este cel legat de crearea unor microscopice gauri negre, gauri negre ce vor traversa planeta dintr-o parte in alta, absorbind materia din jurul lor, pana in momentul in care vor fi suficient de puternice pentru a inghiti intregul Pamant.
Desi nu neaga posibilitatea, destul de mare, ca astfel de gauri negre sa apara in timpul experimentului, oamenii de stiinta de la CERN sustin ca acestea, datorita marimii lor infime, se vor dezintegra de la sine. „Natura a generat pe Terra, de-a lungul miliardelor de ani, milioane de astfel de reactii, iar planeta continua sa existe. Nu trebuie sa ne temem de aparitia unor noi particule sau a unor forme necunoscute de materie care sa duca la distrugerea Pamantului. Astfel de teorii tin, mai degraba, de domeniul SF”, sustine Brian Cox, profesor in cadrul Universitatii din Manchester si unul dintre oamenii de stiinta implicati in proiectul LHC.
De ce materia are masa?
Când se face dimineaţa, vă urcaţi pe cântar şi speraţi ca acesta să indice un număr mai mic decât în ziua precedentă. Speraţi că aţi scăzut în greutate. Greutatea este dată împreună de cantitatea de masă din dumneavoastră şi de forţa de atracţie gravitaţională a Pământului.
Dar oare ce dă masă corpului dumneavoastră?
Aceasta este una din întrebările cele mai importante din fizica contemporană, pentru care se caută răspunsuri cu cea mai mare ardoare.Multe experimente de la acceleratoare de particule caută să investigheze mecanismul care dă masă materiei. Atât cercetătorii de la CERN (Geneva, Elveţia), cât şi cei de la Fermilab (lângă Chicago, SUA), speră să descopere ceea ce ei denumesc „bozonul Higgs”. Aceştia denumesc „Higgs” particula sau particulele care oferă masă celorlalte particule.
Ideea aceasta că o particulă dă masă altor particule este un pic contra-intuitivă … Nu este masa o caracteristică intrinsecă materiei?Dacă nu este, atunci cum poate o particulă să ofere masă altor particule doar plutind pe lângă ele şi apoi ciocnindu-se cu ele?
O analogie foarte cunoscută descrie foarte bine această situaţie. Imaginaţi-vă că sunteţi la o petrecere de la Hollywood.Mulţimea este foarte numeroasă, răspândită uniform în cameră, discutând. Însă atunci când la petrecere soseşte o persoană foarte celebră, oamenii de lângă uşă se adună în jurul ei. Pe măsură ce ea parcurge încăperea, ea atrage spre ea persoanele cele mai apropiate. În acelaşi timp, cele lăsate în urmă se întorc la discuţiile lor. Având mereu persoane în jurul ei, ea are un impuls, o indicaţie a masei. Acum este mai greu ca persoana să fie încetinită decât ar fi fost dacă nu ar fi avut mulţimea în jurul ei. Pe de altă pate, odată ce se opreşte, este mai greu să pus iarăşi în mişcare.
Acest efect de aglomerare poartă numele în ştiinţă de „mecanismul Higgs” şi a fost postulat în anii 1960 de fizicianul britanic Peter Higgs. Teoria lui emite ipoteza că în întregul Univers se află un fel de reţea căreia i se zice „câmpul Higgs”. Acest câmp prezintă o asemănare cu un alt câmp care ne este mai familiar, câmpul electromagnetic, căci şi acesta influenţează particulele care îl străbat; dar aspecte ale câmpului Higgs sunt asemănătoare şi unor aspecte din fizica materialelor. Mai precis, oamenii de ştiinţă ştiu că atunci când un electron străbate o reţea cristalină de atomi (un solid), atunci masa electronului poate să crească chiar şi de 40 de ori. Un fenomen similar ar putea fi adevărat şi pentru câmpul Higgs: o particulă ce se mişcă prin el creează o mică distorsiune, asemenea mulţimii adunate în jurul persoanei celebre la petrecerea de mai sus, iar această conferă masă particulei.
Când a apărut modelul bosonului Higgs?
La începutul anilor ’60, fizica particulelor a făcut un progres imens printr-o aprofundare a cunoştinţelor despre natura Universului, realizând unificarea teoretică a forţei electromagnetice şi a forţei slabe. În ciuda faptului că este un model extrem de exact în unele cazuri, formularea modelului de unificare a întâmpinat la început serioase probleme experimentale şi matematice. Formularea iniţială presupunea că toate particulele sunt lipsite de masă, lucru care generează ulterior alte probleme. Era nevoie de un mijloc nou de a introduce masa particulelor în model. Prof. Peter W. Higgs a propus în 1966 o soluţie care dezvoltată ulterior, sugerează că în primele momente ale universului, toate particulele erau lipsite de masă.
De ce este acest model atât de important/interesant?
La scurt timp după naşterea Universului prin Big-Bang, datorită expansiunii, temepratura a scăzut sub o anumită valoare critică, moment în care un nou tip de câmp şi-a făcut apariţia în întregul Univers. Comparaţi acest câmp cu un câmp magnetic din jurul unui magnet: fiecare punct din spaţiu are o proprietate, o forţă magnetică măsurabilă şi o direcţie a forţei. Acest câmp care ar fi apărut la câteva momente după Big-Bang a fost numit câmp Higgs. Unele particule se cupleză cu câmpul Higgs şi proprietatea pe care o dobândesc este masa. Particulele nu sunt considerate sfere solide, ci mai degrabă nişte unde pe suprafaţă unui lac. Deşi undele pe suprafaţa unui lac nu mută apa dintr-o parte în alta a lacului, ele transportă totuşi destulă înformaţie: energie, impuls, amplitudine, lungime de undă, etc. Pentru particule, masa este doar una dintr-un număr mai mare de proprietăţi care se obţin prin interacţiunea cu omniprezentul câmp Higgs. Unele particule interacţionează cu acest câmp (format sub o temperatură critică), altele nu. Faptul că masa este “dată” particulelor printr-un mecanism extern rezolvă problemele care apar în teoria modelului discutat anterior. Poate părea ciudat că acest câmp apare brusc sub o anumită temperatură, însă acest tip de fenomene pot fi întâlnite frecvent în jurul nostru. De exemplu, un feromagnet încălzit până la o anumită temperatură mai ridicată decât temperatura Curie specifică, îşi pierde magnetizarea. Răcindu-l sub această temperatură, feromagnetul va forma din nou un câmp magnetic cu o anumită orientare. Acest fenomen se numeşte „rupere spontană de simetrie”. După cum se ştie, interacţiunea dintre particule este mediată de un anumit tip de particule. În acelaşi fel, câmpul Higgs are mediatorul său, bosonul Higgs.
A fost detectat bosonul Higgs?
Ceea ce este fascinant este faptul că teoria descrisă mai sus, împreună cu explicatia mecanismul Higgs este una de succes. A fost testată în experimente dintre cele mai variate în ultimii 30 de ani şi descrie realitatea cu o precizie foarte bună. Cu toate acestea, până în prezent, nu a fost detectat bosonul Higgs. De aceea, detectarea, şi implicit confirmarea lui, reprezintă unul din cele mai fierbinţi subiecte ale fizicii contemporane. Cum am putea explica altfel succesul teoriei electroslabe?
Ce masă are bosonul Higgs?
Una din probleme este că nu putem estima masa bosonului Higgs. Asta înseamnă că suntem obligaţi să scanăm întregul segment de mase în care se speră că se încadrează masa bosonului Higgs. Până în prezent putem afirma cu certitudine că bosonul Higgs este mai greu decât 120 de mase protonice. Cu noul accelerator care s-a construit la CERN (Large Hadron Collider – LHC), ar trebui să fie posibilă acoperirea întregului spectru de mase necesar. Pe de altă parte, dacă bosonul Higgs nu va fi găsit, cu siguranţă că la energii atât de înalte vor fi descoperite fenomene interesante.
Care este mecanismul de atribuire a masei?
Această întrebare este interesantă dintr-un număr mai mare de motive: în primul rând, există particule cu masa zero. Aşa că vrem să înţelegem de ce unele particule au masă şi altele nu. Rolul bosonului Higgs este acela de a atribui masă particulelor elementare. Că anumite partiule au masă, este un lucru observat experimental. Pentru a încerca să se înţeleagă acest mecanism, s-a inventat aşa-numitul „mecanism Higgs”. Acest mecanism intruduce o nouă particulă, bosonul Higgs, unde cuvântul „boson” indică faptul că spinul intrinsec al particulei este număr întreg, în cazul de faţă zero, motiv pentru are bosonul Higgs se mai numeşte şi „scalarul Higgs”. Această particulă interacţionează cu toate particulele care trebuie să aibe masă. Interacţia este de aşa natură încât particulele se comportă ca şi cum ar avea masă. Vă puteţi imagina câmpul Higgs ca o substanţă care „impregnează” Universul (vom numi acest lucru „câmp”). Când o particulă se mişcă prin acesct câmp, va interacţiona cu el. Această interacţiune va cauza o întârziere în mişcarea particulei, ca şi cum s-ar deplasa printr-un mediu vâscos. Nu este chiar frecare, deoarece prin frecare se pierde energie, iar în cazul mecanimsului Higgs nu se pierde energie, dar se introduce o proprietate numită „inerţie” adică rezistenţă la deplasare. Aşadar, chiar dacă particula nu are iniţial masă, interacţia cu câmpul Higgs o face să se somporte ca şi cum ar avea (aşa se explică, de exemplu, şi problema bosonului W al interacţiei slab descrisă anterior).
Cum va fi detectat bosonul Higgs?
Nu putem determina direct prezenţa câmpului Higgs din moment ce este distribuit uniform în Univers. Putem postula că acesta există pentru că particulele au masă. Dar dorim mai mult, dorim o confirmare directă a faptului că acest câmp există. Dorim să putem „vedea” şi „atinge” acest câmp. Acest lucru poate fi realizat concentrând suficientă energie într-un punct din spaţiu, energie care va perturba câmpul Higgs continuu şi va genera unde (aşa cum o piatră aruncată într-un lac va creea unde, perturbând forma plată iniţială). Aceste unde pot fi detectate şi astfel existanţa bosonului Higgs va fi confirmată. Undele sunt asociate cu particula Higgs şi din moment ce aceasta va interacţiona şi ea, la rândul ei, cu câmpul Higgs, va primi masă. Pentru a produce bosoni Higgs, energia care trebuie concentrată trebuie să fie cel puţin egală cu masa bosonului Higgs. Acest număr este destul de mare, motiv pentru care nu am văzut până în prezent un boson Higgs.
Continuând analogia cu lacul, dacă am trăi într-o lume acvatică infinită, nu am realiza că ne înconjoară un mediu apos. Am putea la fel de bine să considerăm ca ne aflăm în vid, singura diferenţă fiind că atunci când încercăm să ne mişcăm vom întâmpina o rezistenţă (pe care o vom numi inerţie). Dacă vom face o mişcare bruscă, cu o energie suficient de mare, vom putea genera unde subacvatice care se vor deplasa şi care vor putea fi detectate de un observator subacvatic, acesta putând înregistra presiunea exercitată de unde. În cazul bosonulu Higgs, noi nu vom simţi nici o presiune, dar vom detecta rezultatul descompunerii bosonului Higgs creat.
Cum se manifestă bosonul Higgs într-o coliziune de particule?
Nu va trăi foarte mult şi se va descompune în fotoni (energie) şi alte particle care vor avea energia însumată egală cu energia bosonului Higgs. Se va observa un jet de particule care vor ţâşnesc dintr-un punct, din locul de unde Higgs se va descompune. Modul de descompunere va fi specific, el reprezentând o amprentă a particulei, putând fi astfel recunoscut. Masa bosonului Higgs este de ordinul GeV (gigaelectronvolţi) iar durata de viaţă de aproximativ 10-22 secunde.
Asadar, modul în care înţelegem Universul este pe care de a se schimba. În ultimile câteva decenii fizicienii au putut descrie din ce în ce mai amănunţit particulele fundamentale care alcătuiesc Universul şi interacţiunile care acţionează asupra acestor particule. Acestă înţelegere este încapsulată în ceea ce este cunoscut drept Modelul Standard al fizicii particulelor. Cu toate acestea, fizicienii recunosc că modul lor de înţelegere este incomplet. Pentru a afla ce este necesar să fie adăugat sunt necesare date experimentale, iar următorul mare pas pentru a vedea direct ce se ascunde în spatele Modelului Standard este Large Hadron Collider (LHC, Marele Accelerator de Hadroni), care si-a inceput deja activitatea la CERN, laboratorul european de fizica particulelor, situat la graniţa franco-eleveţiană de lângă Geneva.
Fizicienii sunt încântaţi de LHC.Este cel mai puternic accelerator de particule din lume, ciocnind protonii unii de alţii la o energie de 14 TeV (tera-electonvolţi) şi dând acces la fenomene fizice ce au loc la energii de zece ori mai înalte decât cele ce fuseseră deschise explorării până acum. Fiecare coliziune de protoni, în timp ce aceştia călătoresc în direcţii opuse în jurul unui inel situat adânc în pământ, cu o circumferinţă de 27 de kilometri, va dezvălui mai multe informaţii despre cele mai fundamentale părţi ale Universului.
Fizicienii cred că părţi cruciale care lipsesc din modelul nostru actual pentru Univers vor fi dezvăluite prin intermediul celor aproximativ un miliard de coliziuni de protoni pe secundă. De exemplu, procesul care dă masă particulelor ar trebui să fie lămurit. Acest proces s-ar putea anunţa prin intermediul producţiei a unuia sau a mai multor tipuri de aşa-numite «particule Higgs», iar tema principală pentru LHC este aceea de a le căuta şi de a le studia.
O particulă Higgs trebuie să existe pentru ca Modelul Standard ( acesta descrie trei din cele patru forţe fundamentale prezente în natură: forţa electromagnetică, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă ) să rămână cea mai bună teorie a particulelor pentru gama de energie pe care LHC o examinează. Fie Higgs-ul va fi descoperit, ducând la o mai bună înţelegere a Modelului Standard, fie Higgs-ul nu va apărea în modul în care fizicienii se aşteaptă, iar ceva chiar mai interesant se va ivi.
O întrezărire a unui Univers mai exotic?
De asemenea, LHC ar trebui să dezvăluie şi fenomene fizice noi dincolo de Modelului Standard, cum ar fi supersimetria sau dimensiuni suplimentare ale spaţiului. Supersimetria ar putea furniza o modalitate de a unifica forţele electomagnetică, slabă şi tare, însă ea de asemenea prezice o suită de particulele încă neobservate. Cele mai uşoare din aceste particule supersimetrice ar putea fi o parte principală a materiei cosmice întunecate despre care ştim că există, însă pe care nu o putem caracteriza încă.
Dimensiuni suplimentare ale spaţiului ar putea furniza o nouă direcţie către o teorie fizica dincolo de Modelului Standard. Ele ar fi invizibile nouă în viaţa de zi cu zi, tot aşa cum o a treia dimensiune nu ar fi percepută de o furnică care se târăşte pe o coală netedă de hârtie. Însă dacă dimensiunile suplimentare există, ele ar putea produce efecte măsurabile la LHC. Acesta ar putea permite LHC-ului să pătrundă în domeniul gravitaţiei cuantice, contribuind astfel la mult căutata reconciliere a mecanicii cuantice şi relativităţii generale.
LHC-ul este o maşină a superlativelor. Este cea mai mare instalaţie din lume ce foloseşte superconductoari. Este mai rece decât spaţiul cosmic. Conţine un vid « mai perfect » decât oriunde între Pământ şi Staţia Spaţială Internaţională. Va produce aproape un miliard de coliziuni proton-proton pe secundă. Toate acestea fac din LHC nu doar o maşină ce va testa limitele fizicii, dar şi o maşină care foloseşte limitele tehnologiei.
Doi magneţi într-unul
Găzduit într-un tunel circular, LHC este un adevărat uriaş. Este cel mai complex instrument ştiinţific construit vreodată. Centrul său este reprezentat de nişte magneţi superconductori extrem de eficienţi, bazaţi pe bobine făcute din fire de niobiu şi titan care conduc electricitatea fără a impune rezistenţă la temperaturi joase. Magneţii LHC-ului vor funcţiona la o temperatură de aproximativ 1.9 grade peste 0 absolut (în jur de -271° C), fiind răciţi de heliu superfluid.
Fiecare magnet are o arhitectură doi în unul pentru a ghida ambele fascicule într-o singură structură. LHC-ului foloseşte 1232 magneţi bipolari pentru a ghida fasciculul, împreună cu aproximativ 400 de magneţi cu patru poli pentru a focaliza fasciculele şi alţi câteva mii de magneţi suplimentari pentru a direcţiona bine orbitele. Cu totul, LHC-ul foloseşte suficiente filamente superconductoare pentru a se întinde până la Soare şi înapoi de cinci ori, rămânând suficiente pentru a face încă şi câteva călătorii pe Lună.
Înalta intensitate a fasciculelor LHC-ului, care dă naştere enormei rate de coliziune, prezintă propriile sale provocări. De exemplu, la intensitate maximă fiecare fascicul deţine aproape acceaşi cantitate de energie ca şi un tren TGV aflat în viteză. Acesta înseamnă de 200 de ori mai mult decât energia cea mai mare obţinută de un accelerator precedent.
Culturi diferite, scop comun
LHC este situat la aproximativ 100 metri sub pamânt, nefiind vizibil de la suprafaţă, cu excepţia clădirilor de deasupra coloanelor care conduc către inel, unele din ele duc către cavernele experimentale care conţin detectoarele de particule care vor captura rezultatele coliziunilor de particule din LHC.
Patru experimente principale – ALICE, ATLAS, CMS, şi LCHb – se pregătesc la LHC. De asemenea, două experimente mai mici, TOTEM şi LCHf au fost aprobate şi alte propuneri sunt în discuţie. ATLAS şi CMS sunt detectoare cu scop general, construite pentru a « vedea » orice ar putea LHC dezvălui. Fiecare înconjoară un punct în care protonii se ciocnesc şi măsoară energiile şi traiectoriile particulelor apărute. Fiecare a fost construit de o colaborare a aproximativ 2000 de cercetători din toată lumea, un prim exemplu de culturi diferite care lucreazâ pentru a îndeplini un scop comun. Particulele Higgs şi supersimetria sunt capul listei de priorităţi pentru a fi descoperite în aceste detectoare. ALICE şi LHCb sunt experimente mai mici care se concentrează într-o singură direcţie de cercetare. ALICE va studia materia aşa cum era ea în primele clipe ale Universului într-o încercare de a înţelege cum a evoluat în materia pe care noi o cunoaştem astăzi. LHCb va studia de ce Natura preferă materia mai mult decât antimateria.
De fiecare dată când protoni se ciocnesc în interiorul unui detector de particule, sute sau milioane de particule vor apărea. Din moment ce vor fi aproape un miliard de coliziuni pe secundă, rezultă că se va produce o cantitate enormă de date experimentale. Sisteme electronice performante vor selecta coliziunile interesante, respingându-le pe acelea care sunt neinteresante şi înregistrând datele rămase. Chiar şi în urma acestei selecţii riguroase, volumul de date care va fi înregistrat de fiecare experiment va umple în fiecare an o stivă înaltă de 20 km de CD-ROM-uri.
La graniţa fizicii
Adevarul?
Cei care conduc LHC nu sunt foarte dornici să vorbească despre lucrurile care ar putea să dea greş, poate şi pentru că publicul are tendinţa să-şi imagineze că nişte savanţi demenţi ar putea crea din greşeală o gaură neagră care să înghită Pământul. O temere mai plauzibilă e aceea că acceleratorul nu va reuşi să găsească lucrurile despre care fizicienii tot spun că pândesc în substratul realităţii.
Dintr-o maşină atât de mare, trebuie să iasă o ştiinţă pe măsură, răspunsuri majore, ceva care să dea naştere la titluri pe prima pagină, nu doar la particule interesante. Dar chiar o întreprindere de această anvergură nu va da răspunsuri la toate întrebările importante legate de materie şi energie. Nici vorbă. Asta pentru că un secol de fizică a particulelor ne-a învăţat un adevăr fundamental: realitatea nu-şi dezvăluie cu uşurinţă secretele.
Altfel spus, universul nu se lasă citit cu una, cu două. Să ne întoarcem în timp cu mai bine de o sută de ani, la sfârşitul secolului al XIX-lea, şi să ne uităm cum arăta fizica: o ştiinţă matură, destul de mulţumită de sine. Mulţi credeau că n-au mai rămas decât de şlefuit unele asperităţi din măreţul plan al naturii. Existau o ordine logică a lucrurilor, un univers ca un ceasornic guvernat de forţe newtoniene, în care atomii erau fundamentul materiei.
Atomii erau indivizibili prin definiţie – termenul vine de la cuvântul grecesc însemnând „imposibil de tăiat”. Dar apoi, în laboratoare au început să apară tot felul de lucruri ciudate: raze x, raze gama, un fenomen misterios numit radioactivitate. Fizicianul J. J. Thomson a descoperit electronul. Până la urmă, atomii nu erau indivizibili, ci alcătuiţi din componente. Era într-adevăr vorba, aşa cum credea Thomson, de o plăcintă în care electronii stau ca nişte stafide? Nu.
În 1911, fizicianul Ernest Rutherford anunţa că atomii constau în principal din spaţiu gol, iar masa lor se concentrează într-un nucleu minuscul, în jurul căruia orbitează electroni. Fizica a trecut dintr-o revoluţie în alta. Teoria relativităţii restrânse a lui Einstein (1905) a dat naştere teoriei relativităţii generalizate (1915) şi, brusc, chiar şi concepte atât de solide precum spaţiul absolut şi timpul absolut au fost aruncate la coş, în favoarea unei texturi aiuritoare spaţiu-timp, în care nu se poate spune niciodată dacă două evenimente sunt simultane.
Materia face spaţiul să se curbeze; spaţiul determină felul în care se mişcă materia. Lumina este şi particulă, şi undă. Energia şi masa sunt interschimbabile. Realitatea este probabilistică, şi nu deterministă: Einstein nu credea că Dumnezeu joacă zaruri cu universul, dar aceasta avea să devină dogma ştiinţifică dominantă. La începutul anilor 1930, Ernest Lawrence inventa primul accelerator circular de particule, sau „ciclotron”.
Îl putea ţine în palmă. Astăzi, guvernul american are un accelerator ascuns sub câţiva kilometri pătraţi de prerie şi o mică cireadă de bizoni în complexul Fermilab, la vest de Chicago. Dacă mergi cu maşina pe autostrada Junipero Serra, în apropiere de Palo Alto, California, treci chiar peste un accelerator liniar de trei kilometri. LHC traversează graniţa dintre două ţări.
Mai există şi acum fizicieni care fac ştiinţă pe colţul mesei – încercând să obţină răspunsuri majore cu mijloace modeste -, dar trebuie ştiut că, pentru a scoate la iveală dedesubturile realităţii, e nevoie de echipamente gigantice, de mare putere.
Ştim lucruri pe care Einstein, Rutherford, Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg şi ceilalţi mari fizicieni de acum un secol nici nu şi le imaginau. Dar suntem încă departe de a avea o teorie finală a realităţii fizice. Moleculele sunt formate din atomi; atomii sunt formaţi din particule numite protoni, neutroni şi electroni; protonii şi neutronii (ei sunt „hadronii” care dau numele acceleratorului LHC) sunt făcuţi din lucruri ciudate, numite quarcuri şi gluoni, dar deja suntem într-o zonă ceţoasă.
Sunt quarcurile particule elementare sau sunt formate din ceva şi mai mic? Despre electroni se crede că sunt elementari, dar nimeni n-ar băga mâna-n foc. Şi totuşi savanţii care se ocupă cu fizica teoretică tânjesc după simplitate. Ar vrea un model al realităţii elegant alcătuit.
Modelul standard elaborat în anii 1960 şi ’70 este considerat greoi, o făcătură cu prea multe fire înnodate sau care nu duc nicăieri. Cuprinde 57 de particule elementare, dar lucrurile nu rimează, iar multe dintre numerele care descriu interacţiunea lor n-au nicio noimă. „Aveam o teorie care la început era frumoasă şi elegantă – spune Joe Lykken, teoretician la Fermilab -, şi apoi cineva a dat cu ea de pământ şi a urâţit-o de tot.”
Modelul standard e incapabil să explice câteva enigme persistente despre univers, care îşi au rădăcinile în lumea minusculă a particulelor şi forţelor. Un concept cu adevărat extraordinar, reieşit din ultimul secol de cercetări, este acela că universul pe care îl vedem a fost odată mai mic decât un atom. De aceea, savanţii preocupaţi de fizica particulelor vorbesc despre cosmologie, iar cosmologii vorbesc despre fizica particulelor: existenţa noastră, întregul nostru cosmos s-au născut din lucruri petrecute la cea mai mică scară imaginabilă.
Teoria Big-Bangului ne spune că, odată, universul cunoscut nouă nu avea deloc dimensiuni – nu exista sus sau jos, stânga sau dreapta, nu exista trecerea timpului, iar legile fizicii de atunci ne depăşesc imaginaţia. Cum se transformă un univers infinit de dens într-unul foarte mare şi întins? Şi cum se umple cu materie? Teoretic, pe măsură ce universul începuturilor se extindea, energia ar fi trebuit să se condenseze în cantităţi egale de materie şi antimaterie, care, întâlnindu-se, s-ar fi anihilat reciproc, redevenind energie pură.
Pe hârtie, universul ar trebui să fie gol. Dar în realitate este plin de stele şi planete şi sate franţuzeşti fermecătoare şi aşa mai departe. Experimentele de la LHC i-ar putea ajuta pe fizicieni să înţeleagă cum de-am avut norocul ca universul să aibă exact atâta materie în plus, câtă era necesară.
Mai e şi enigma materiei întunecate. Cercetarea mişcării galaxiilor îndepărtate arată că acestea sunt supuse unei gravitaţii mai mari decât ar rezulta din materia lor vizibilă. Trebuie să existe pe undeva o exotică materie ascunsă. Aşa-numita teorie a supersimetriei ar putea explica acest lucru: la începutul universului, fiecare particulă elementară avea un corespondent mult mai masiv.
Se poate ca electronul să fi avut o pereche mai zdravănă, pe care fizicienii o numesc selectron. Muonul ar fi avut un smuon. Quarcul ar fi avut un… squarc. Multe dintre aceste perechi supersimetrice ar fi fost instabile, dar se poate şi ca una dintre ele să fi fost suficient de stabilă, încât să fi supravieţuit de la începutul timpurilor. Şi s-ar putea ca aceste particule să gonească prin corpul nostru chiar în acest moment, fără să interacţioneze cu carnea şi oasele noastre. S-ar putea ca ele să fie materia întunecată.
Făcând să se ciocnească bucăţi de materie, creând astfel energii şi temperaturi nemaiîntâlnite de la primele momente ale universului, LHC ar putea descoperi particule şi forţe care au dat tonul pentru tot ce a urmat. S-ar putea răspunde la una dintre întrebările fundamentale ale oricărei fiinţe raţionale din universul nostru: Ce este locul acesta?
Există o anumită piesă a acestui puzzle pe care fizicienii speră s-o culeagă din resturile coliziunilor de mare energie din LHC. Unii o numesc particula lui Dumnezeu (bosonul Higgs).
Dar, la fel ca toate particulele supradimensionate, particula Higgs ar fi instabilă. Nu e genul care rămâne prin preajmă ca să o putem detecta – într-o fracţiune de fracţiune de fracţiune de secundă se descompune în alte particule. Ce poate face LHC e să creeze un mănunchi minuscul şi compact de energie, din care un Higgs ar putea apărea suficient de intens şi de persistent încât să poată fi recunoscut.
Să construieşti o maşinărie ca LHC pentru a găsi particula Higgs e ca şi cum te-ai apuca să spui glume pe scenă, în speranţa că, la un moment dat al carierei, o să-ţi iasă o poantă care nu numai că o să facă publicul să leşine de râs, ci o să se citească la fel şi de la coadă la cap.
Undele electrice dintr-un aparat, propulsează particulele prin tunelul circular si peste 1.600 de magneţi, cei mai mulţi lungi cât jumătate dintr-un teren de baschet şi cântărind peste 30 de tone fiecare, vor direcţiona fluxurile de particule pentru a se curba prin inel. Mulţimea de particule deplasându-se aproape cu viteza luminii are o singură dorinţă: să meargă drept înainte.
De aceea, curba trebuie să fie lină – făcând necesară circumferinţa de 27 de kilometri a inelului. Când particulele intră în coliziune, energia lor se transformă în masă şi rezultă o pulbere de resturi. Fizicienii nu pot vedea particula Higgs în acea pulbere, dar două din cele patru experimente majore pe care le va realiza LHC sunt capabile să înregistreze rămăşiţele unui Higgs dezintegrat – dovada că un Higgs se descompune.
Şi se presupune că doar o coliziune foarte rară – una din multe mii de miliarde – va produce un Higgs. Cele mai multe coliziuni nu vor produce nimic interesant. Particula – sau mai degrabă rămăşiţele ei – va apărea în calculatoarele detectorului după analizarea unei cantităţi uriaşe de date, măsurate în petabyţi – milioane de miliarde de biţi. O problemă esenţială pentru cei de la CERN este cum să fie siguri că au găsit un Higgs.
Câte dovezi sunt necesare? Au loc două experimente care încearcă, ambele, să descopere aceeaşi particulă. Se poate anunţa că unul dintre experimente a făcut descoperirea chiar dacă celălalt nu a confirmat încă? Relaţia între experimentele ATLAS şi CMS e ca aceea dintre Coca-Cola şi Pepsi. Fac acelaşi lucru, dar cu tehnici diferite. Iar concurenţa între ele e foarte mare.
Când magneţii sunt porniţi – avertizează savantul Richard Jacobsson -, cineva care mânuieşte un ciocan prin apropiere ar face bine să poarte cască de protecţie. Când LHC va începe să izbească particulele, Europa va deveni deodată centrul fizicii particulelor, iar Statele Unite se vor chinui să găsească o modalitate de a rămâne în cursă. Probabil că e o îngrijorare minoră, dată fiind importanţa descoperirilor pe care le-ar putea face LHC, dar oamenii vorbesc despre asta.
De la Proiectul Manhattan încoace, percepţia generală a fost că S.U.A. domină lumea fizicii. Până acum, frontiera energetică se situa la Fermilab, gazda Tevatronului. Acel accelerator a găsit o serie de particule importante, dar s-ar putea să n-aibă destulă forţă ca să prindă un Higgs. În LHC au intrat şi bani americani. Proiectul va costa miliarde de dolari: cinci, poate zece – numărul exact scapă estimărilor (ştiinţa e exactă, dar contabilitatea pare să urmeze Principiul incertitudinii).
Dar cea mai mare parte a muncii de inginerie e făcută de firme europene. Jürgen Schukraft, conducătorul experimentului LHC denumit ALICE (care va recrea condiţii similare celor de după Big-Bang), a declarat: „Exodul creierelor, îndreptat în trecut dinspre Europa către Statele Unite, şi-a schimbat clar cursul.”
Cinicii ar putea spune că toată tevatura nu are nicio utilitate practică şi că toţi banii şi energia intelectuală investite în aceste tunuri de particule ar putea fi folosite în altă parte. Dar civilizaţia în care trăim e clădită pe fizică. Ştim că forţele din interiorul atomului sunt atât de puternice, încât, dacă sunt dezlănţuite şi îndreptate împotriva umanităţii, pot spulbera oraşe întregi într-o clipă.
Cinicii ar putea spune că toată tevatura nu are nicio utilitate practică şi că toţi banii şi energia intelectuală investite în aceste tunuri de particule ar putea fi folosite în altă parte. Dar civilizaţia în care trăim e clădită pe fizică. Ştim că forţele din interiorul atomului sunt atât de puternice, încât, dacă sunt dezlănţuite şi îndreptate împotriva umanităţii, pot spulbera oraşe întregi într-o clipă.
Laptopul pe care scriu acum foloseşte microprocesoare care nu ar fi existat fără descoperirea fizicii cuantice şi a comportamentului capricios al electronilor. Acest articol o să fie postat pe internet – inventat, în caz că nu ştiţi, la CERN, de către informaticianul Tim Berners-Lee. Poate că, în timp ce citiţi, ascultaţi muzică la iPod, care n-ar exista fără ceva numit „magnetorezistenţă gigantică”.
Doi fizicieni au descoperit-o independent la sfârşitul anilor 1980, fără să se gândească prea mult cum ar putea fi folosită. A devenit esenţială pentru construirea de mici dispozitive electronice care folosesc hard diskuri magnetizate. Fizicienii au câştigat Premiul Nobel în 2007, iar tu te-ai ales cu un sistem audio foarte şmecher, mai mic decât un baton de ciocolată.
Acum, vieţi întregi de muncă sunt prinse în noua maşinărie, la care fizicienii visează din anii ’80. La CERN, mulţi speră că vor obţine mai mult decât nişte răspunsuri: ar dori să descopere mistere noi. John Ellis a mărturisit că nu l-ar deranja prea tare dacă LHC n-ar reuşi să găsească un Higgs. „Pentru mulţi dintre noi, teoreticienii, un astfel de eşec ar fi mult mai interesant decât dacă am descoperi încă o particulă anostă, pe care alţi teoreticieni au prezis-o acum 45 de ani.”
Pare sigur că se vor ivi noi enigme. La urma urmei, universul nu pare făcut ca să ne fie nouă uşor să-l cercetăm. Suntem nişte creaturi greoaie, făcute din carne şi oase, care nici n-am reuşit încă să numărăm ca lumea toate speciile de bacterii din corpul nostru.
Bibliografie :
*Articol de pe pagina de popularizare a fizicii particulelor pentru profesori de liceu de la CERN, tradus de Claudiu Tănăselia.
*Articol scris de Joel Achenbach pentru revista National Geographic.
*www.descopera.ro
*Clubul fizica particulelor
*Wikipedia
Azeem
Azeem 
Cele mai recente comentarii