Pospeševalnik LHC, najdaljši sveder za raziskovanje skrivnosti narave

0
Peter W. Higgs

V evropskem raziskovalnem središču CERN v Ženevi, Švica, so 30. marca pognali v tek svetovno najzmogljivejši pospeševalnik. LHC (Large Hadron Colider, Veliki hadronski trkalnik) ima v primerjavi z ameriško napravo TEVATRON za približno 50 odstotkov višjo energijo. Z njim bo mogoče preverjati različne teoretične modele,  v katerih nastopajo doslej nedosegljivi osnovni delci, ob tem pa tudi modele razvoja vesolja takoj po velikem poku.

Novi evropski pospeševalnik LHC bo dal človeškemu duhu nove peruti. V svetovnem merilu bo omogočil raziskave skrivnosti snovi, ki so bile doslej nedosegljive.

Fiziki se že več kot pol stoletja ukvarjajo z vprašanjem o sestavi atomskih jeder. Večino podatkov so pridobili z opazovanjem delcev, ki se sprostijo iz snovi ob bombardiranju s pospešenimi jedri vodika, to je s protoni in drugimi delci. Tako so ugotovili, da so jedra vseh snovi sestavljena iz protonov in nevtronov. Kmalu pa se je pojavilo vprašanje, ali so tudi ti delci sestavljeni. Za odgovor so zgradili vse zmogljivejše pospeševalnike, katerih projektili naj bo bili sposobni razbiti tudi protone oziroma nevtrone. Danes vemo, da so ti delci sestavljeni iz kvarkov. Med seboj jih povezuje jedrska sila. Njene posrednike so teoretiki poimenovali gluoni. Razumemo jih kot delce, ki v mirujočem stanju nimajo mase, silo pa prenašajo s preskakovanjem od enega kvarka do drugega.

Za kvarke vemo že kar nekaj časa, vendar prostih, letečih, kvarkov pri poskusih z dosedanjimi pospeševalniki niso mogli odkriti. Pospeševalnik LHC je oživil upanje, da bo z njim mogoče opazovati nevezane kvarke.

V LHC-ju vbrizgajo že močno pospešene delce (načrtujejo protone in jedra svinca) iz manjših zaporednih pospeševalnikov v dve pospeševalni obročasti cevi dolžine 27 km, v globini 175 m pod zemljo, na meji med Švico in Francijo. Ob njih je nameščenih nad 1200 dvopolnih magnetov, ki prisilijo delce v kroženje, in okrog 1600 superprevodnih magnetov, ki preprečujejo, da bi se curek delcev razlezel narazen. Za hlajenje teh magnetov potrebujejo okrog 100 ton tekočega helija, s čimer je trkalnik postal tudi največji hladilni sistem na svetu.  Postopek ohlajanja do delovne temperature traja skoraj mesec dni. Ni čudno torej, da naj bi trkalnik deloval brez zaustavitve okrog 20 mesecev.

Protoni, ali pa jedra svinca krožijo po vsaki cevi v drugo smer. Na štirih mestih, kjer se cevi prekrižata, se med seboj zaletijo z (maksimalno) energijo 14.000 milijard elektronskih voltov (14 TeV) in je njihova hitrost samo za milijoninko manjša od svetlobne hitrosti. Približno tolikšno kinetično energijo ima muha, ki leta po zraku.

Dogodke opazujejo in registrirajo v dveh velikanskih magnetnih analizatorjih ATLAS in ALICE, ki vsak zase, po masi presega celo 9.000 ton težki Eifflov stolp v Parizu.

Raziskovalnih problemov ob odprtju pospeševalnika ne manjka. Kot na drugih področjih velja tudi tu, da čim več o nečem vemo, tem več novih vprašanj se nam odpre. Za naš primer naštejmo nekatere:

  1. Kot smo že omenili, bi raziskovalci radi zasledili proste kvarke.
  2. Z novim pospeševalnikom bi radi odkrili tako imenovane Higgsove bozone, ki jih napoveduje  Higgsov model. Če se bo upanje izpolnilo, bomo zvedeli, da vesolje ni napolnjeno samo z radijskimi valovi, ki so ostanek velikega poka, ampak obstaja poleg njih še Higgsovo polje, ki naj bi posredovalo maso vsem nesestavljenim delcem.
  3. V vesolju lahko neposredno (optično) zaznamo samo 4 odstotke snovi. Za obstoj ostale (manjkajoče) mase vemo posredno po tem, ker drži npr. skupaj galaksije in njihove jate. Imenujejo jo temna snov. Nekaj te snovi predstavljajo električno nevtralni delci nevtrini, ki jih poznamo iz preučevanja jedrskih razpadov. Vendar je zaradi majhne mase njihov prispevek verjetno zanemarljiv. Morda pa bodo pri poskusih ob LHC odkrili nove težje nevtrine, ki jih teoretiki imenujejo nevtralini in bodo z njimi pojasnili vsaj del temne snovi v vesolju.
  4. Ob trku dveh jeder svinca, ko naj bi bila sproščena energija približno 40 krat višja, kot pri trku dveh protonov, bodo pogoji zelo podobni tistim, ki so vladali milijoninko sekunde po velikem poku. Tedaj kvarki še niso bili povezani v protone in nevtrone ali druge delce. Teoretiki govorijo o plazmi kvarkov in gluonov. Upanje, da bodo tako plazmo odkrili ob trkih svičenih jeder v okviru projekta ALICE je veliko in kaže na to, da za raziskovanje skrivnosti vesolja niso dovolj teleskopi, ampak so potrebni tudi pospeševalniki. Tako preučevanje sledi delcev v detektorskem sistemu ALICE kot opazovanje vesolja s teleskopi je usmerjeno v isto uganko.
  5. V mikro svetu predstavlja poseben problem gravitacija. Čeprav imamo opravka z njo vsak dan, je za znanost velika uganka. Med tem, ko za podobno električno silo vemo, da jo med telesi posredujejo fotoni, za gravitacijsko silo česa podobnega ne poznamo. Teoretiki gravitacijske »fotone« imenujejo gravitoni, vendar jih, morda zaradi prevelike mase še niso odkrili. Morda pa čakajo v vrsti, da jih odkrijejo pri poskusih z LHC?