Put u središte CERN-a

Što se to danas događa u CERN-u, vjerojatno je poznato i manje upućenim čitateljima.

Prije petnaestak godina ovdje je započela izgradnja trenutno najvećeg ubrzivača/akceleratora čestica na svijetu – Velikog hadronskog sudarača ili samo LHC-a (Large Hadron Collidera). Zbog tog su događaja porezni obveznici država članica CERN-a - istoimene organizacije koja se brine za funkcioniranje Centra u cjelini, samo u 2008. pokrili troškove njezina budžeta u visini od čak 1,1 milijarde švicarskih franaka. Čemu, onda, služi taj LHC? Kratko i jasno, tomu da razotkrije posljednje tajne prirode, a koje se konkretno odnose na materiju; nadalje, i kako funkcionira svijet u cjelini, uz prešutnu pretpostavku, da to još uvijek značajan broj ljudi na svijetu zanima… To nije suvišno spomenuti s obzirom na sve učestaliju trivijalizaciju javnog medijskog prostora svakodnevnim politikantstvom i nebrojenim glupostima koji danas plijene pažnju običnog čovjeka.

Doista, čini se da ne postoji i nije postojalo nikada manje zanimanje javnosti za istraživanje stvarnosti odnosno prirode tog tipa danas u svijetu… ili je to samo dojam autora ovih redaka? Općenito, život u postmodernom dobu obilježen je nezanemarivom skepsom prema znanosti u cjelini. Ali, bilo kako bilo, sudarač čestica još uvijek je "u pogonu" (upravo se prije koji mjesec ponovno "upalio" nakon stanke od dvije godine); osim toga, u dogledno vrijeme planira se i njegova dogradnja – sa sadašnjeg LHC-a u VLHC (Very Large Hadron Collider), pa je za očekivati da znanstveni entuzijazam i nužna financijska podrška za provedbu ovakvog tipa istraživanja, barem u dogledno vrijeme, ipak neće izostati.

Četiri fundamentalna istraživačka pitanja

Ako fanatična vjera još ponegdje opstaje u svom nepatvorenom obliku, onda se jedan njen oblik nalazi u vjeri jednog fizičara u opstojnost Standardnog modela fizike čestica pomoću kojega on ponosno tvrdi da poznaje srce same materije. Hoćete li dalje nastaviti čitati ovaj tekst umnogome ovisi o tome hoće li vas zaintrigirati četiri fundamentalna pitanja na koja znanstvenici u CERN-u danas traže odgovor:

1. Od čega se konkretno sastoji materija? Dakako, od atoma, protona, neutrona, elektrona, kvarkova, a možda i preona ili sićušnih superstruna; međutim, uvijek ostaje mogućnost da je u igri nešto još sitnije i nedohvatljivije, a što se upravo sudarima čestica želi razotkriti.
2. Nadalje, kakvo je bilo stanje, te i takve "čestične", materije na samom početku stvaranja svemira? Ovdje ne možemo zaobići pridjev "čestični" uz pojam materije, jer zapravo još uvijek ne znamo što je materija. Mogli bismo, primjerice, govoriti o materiji kao valu, energiji, svjetlosti i tome slično, međutim, fizičari to uglavnom izbjegavaju. Oni su uvjereni da se materija može rastaviti na svoje sastavne dijelove. U sudaraču se, tako, simuliraju uvjeti s početka stvaranja svemira te se pošto-poto želi doći do recepta te primordijalne "juhe svijeta".
3. Što tako definiranoj "čestičnoj" materiji daje masu? Odgovor na ovo pitanje, možemo to slobodno reći, eksperimentalno je potvrđen detekcijom Higgsove čestice 2012. Higgsova čestica, zapravo, bozon, reprezentant je manifestacije u svemiru sveprisutnog, ali teško uočljivog Higgsovog polja, čije prisustvo, a zapravo otpor, doživljavamo kroz osjećaj mase/težine materije. Pa tako, otpor Higgsova polja našemu kretanju doživljavamo kroz osjećaj težine našeg tijela. Higgsovo polje ujedno je i znamen Velikog praska, događaja koji je obilježio početak svemira kakav znamo. Sâm Higgsov bozon predvidjele su jednadžbe škotskog fizičara Petera Higgsa, još davnih 1960-ih, za koje je, uostalom, i dobio Nobelovu nagradu (zajedno s François Englertom koji je sa svojim timom neovisno razvio istu teoriju). Zanimljivo, u suvenirnici CERN-a, osim zbirke magnetića s antropomorfiziranim likovima čestica Standardnog modela, šljemova radnika na održavanju detektora, knjiga o "accelerating science" i sl., možete kupiti i majice s motivom ključne jednadžbe Standardnog modela u različitim bojama.

4. I napokon, kuda odlazi antimaterija? Očito da se radi o pomalo egzotičnoj i običnom čovjeku teško shvatljivoj vrsti materije koja se u interakciji s običnom materijom čudesno poništava. Znanstvenike kopka pitanje zašto u svemiru kakav poznajemo prevladava materija, a ne antimaterija. Prema matematičkim jednadžbama sve u svemiru mora biti u ravnoteži, ali da bi se dobila željena "nula" s druge strane jednakosti, potrebno je svu materiju anhilirati (ili narodski rečeno: poništiti) s antimaterijom. Na svu sreću, to se ne događa pa imamo neobjašnjivi "višak materije" i odatle svijet kakav već imamo i u kojem živimo.

Mehanička izvedba i način rada LHC-a

Kada govorimo o Velikom hadronskom sudaraču u mehaničkom smislu, mislimo na dvocijevnu konstrukciju u obliku nepravilna prstena obujma 27 kilometara, koja se proteže kroz dvije države – Švicarsku i Francusku i koju, na nepravilnim udaljenostima, "presijecaju" četiri divovska detektora. Ono što sada slijedi odnosi se na pokušaj najkraćeg mogućeg opisa rada LHC-a, a koji se u ilustriranom video obliku može pronaći na linku s CERN-ovog Document servera.

Najprije valja reći da se u LHC-u sudaraju protoni, a ne elektroni te ih je na početku potrebno izdvojiti iz atoma tekućeg vodika; nakon toga, slijedi njihovo ubrzavanje. To se postiže kako djelovanjem električnog, tako i djelovanjem polja magneta kojim su cijevi akceleratora obložene; pritom, glavna funkcija magneta odnosi se ipak na usmjeravanje protona po kružnoj putanji prstena akceleratora.

Na početku, protoni se ne kreću velikim brzinama, međutim, kako ih se prebacuje iz manjeg u sve veće prstene akceleratora (Proton Synchrotron, Super Proton Synchrotron itd.) kojim nastavljaju kružiti, raste i njihova brzina. Pazite, govorimo o 11 milijardi protona u jednoj sesiji sudara (podatak se odnosi na prethodni ciklus rada; danas se na CERN-ovim stranicama spominje vrtoglava brojka od 1.2 x 10¹¹ protona u svakom prolazu.), koji su unutar akceleratora podijeljeni na manje skupine, razmaknute točno sedam metara (ako sam dobro zapamtio podatak). Nakon prstena ciklotrona u kojem dosegnu brzinu 99,9 posto brzine svjetlosti, protoni prelaze u najveći prsten sudarača – LHC, u kojem nastavljaju primati energiju.

Međutim, ovoga puta, a što je ključno za cijelu stvar, primljena energija više ne može utjecati na njihovu brzinu nego još samo na masu, pa dolazi do drastičnog povećanja mase ovih čestica. Masa/energija protona mjeri se posebnom mjerom koju fizičari nazivaju elektronvolt (eV). Ako, uvjetno rečeno, mirujući proton ima masu/energiju od 1 eV, onda ubrzani proton pri brzini približno svjetlosnoj mogu posjedovati mnogo veću masu/energiju, koju mjerimo u jedinicama od nekoliko stotina GeV-a (gigaelectronvolta) do nekoliko TeV-a (teraelectronvolta). U današnjem, poboljšanom LHC-u, znanstvenici očekuju da će biti moguće ostvariti masu/energiju protona od 7 TeV-a (u prvim sudarima nakon pokretanja u mjesecu lipnju ostvarili su 6,5 TeV-a) koji će u međusobnom sudaru razviti ukupnu energiju od 14 TeV-a (zasada 13 TeV-a), a koja je već ravna energijama koje su možebitno, prema tvrdnjama fizičara, postojale vrlo kratko, u prvim trenucima svemira.

Sudar samih čestica događa se na mjestu ispreplitanja cijevi, u sklopu, za tu namjenu posebno izgrađenih detektora, koji, osim što detektiraju sudare, podatke o tim događajima šalju na računalnu obradu. Ono što je s informacijskog stajališta fascinantno odnosi se na činjenicu da se i doslovno radi o petabytima podataka (1 000 000 000 000 000 byta). U svom normalnom radu, između 2011. i 2013. godine, LHC je svakog dana proizvodio 1 petabyte podataka o sudarima čestica. Nakon obimnog posla filtriranja podataka, opet bi u računalnom podatkovnom centru CERN-a ostajalo 25 petabyta podataka na godišnjoj razini. Doista, kad je riječ o LHC-u, uvijek se radi o ogromnim vrijednostima. (O "LHC Season 2" iscrpnije se možete informirati na ovom linku.)

Čudesna znanstvena dostignuća prošlog stoljeća, za koja se govorilo da nikada neće naći svoju primjenu, u CERN-u je bez ikakvih problema pronalaze. Primjerice, svojstvo supravodljivosti materijala, za koje je čak i njen pronalazač sumnjao da će ikada naći svoju primjenu, ovdje se rabi za dovođenje iznimno jake struje u magnete "supersudarača". Kada govorimo o iznimnoj jakoj struji, mislimo na struju "od nekih" 20 000 Ampera. Možete samo misliti koliko su morali biti visoki CERN-ovi "računi za struju" u Švicarskoj, prije nego što su u Centru odlučili promijeniti distributera električne energije. Danas je to jedna nuklearka u Francuskoj čije ¾ proizvodnje električne energije zadovoljava potrebe samo ovog laboratorija. Ali vratimo se na priču o supravodljivosti.

Kao što je poznato, supravodljivost se odnosi na svojstvo materijala da pri iznimno niskim temperaturama provodi električnu struju takoreći bez ikakva otpora. A kada govorimo o iznimno niskim temperaturama, onda mislimo na stvarno niske temperature od tek nekoliko Kelvina koje nisu zabilježene ni u najvećim dubinama svemira (1 K = -272,15⁰C). Da bi se supravodljivo svojstvo materijala aktiviralo, potrebno ga je, između ostalih mogućnosti, potopiti u tekući helij čija se "radna temperatura" i kreće negdje oko tih vrijednosti.

Rijedak element niobij koristi se kao supravodljivi vodič (naravno, kad je uronjen u tekući helij). Dakle, putem niobija jaka struja dolazi do magneta kojim su obložene cijevi LHC-a, stvarajući iznimno snažno magnetsko polje. Zanimljiv podatak predstavlja i činjenica da 90 posto proizvodnje tekućeg helija u svijetu zadovoljava isključivo potrebe CERN-a.

Really big, big data

Zašto struja mora biti tako jaka? Naime, protoni, koji se u LHC-u vrte u skupinama (svaka broji oko sto tisuća), u sudaru s protonima druge, iste takve skupine, u pravilu i dalje ne bi prouzročili nijedan sudar. I dalje bi između njih vladao "ogroman" prazan prostor u atomskim razmjerima te bi se čestice međusobno mimoilazile. Zbog toga se snažnim magnetskim poljem, koji može prouzročiti jedino struja iznimne jakosti, protoni svake skupine prije samog mjesta sudara, sabijaju u prostor veličine 4 kvadratna centimetra. I tek pod takvim okolnostima može doći do sudara. Međutim, od nekoliko stotina tisuća protona, tek njih – 10 do 20 (prema statističkim pokazateljima) - stvarno se sudari u svakom prolazu. Ipak i tako mala brojka, kad se sve zbroji, osigurava ogroman broj sudara u svakoj sekundi (u prethodnom ciklusu rada: nekoliko stotina milijuna; danas, čak jednu milijardu), jer ne zaboravimo, protoni se gibaju gotovo brzinom svjetlosti. Sve su to vrijednosti od kojih vam se mora zavrtjeti u glavi. LHC u svakom trenutku proizvodi really big, big data. Ipak, čini se da svega stotinjak sudara zbog svojih osobitosti zavrjeđuje pažnju znanstvenika. To znači da se 99.99 posto podataka dobivenih sudarima slobodno može izbrisati. Premda znanstvenici ne znaju što traže, vrlo su svjesni toga što su već vidjeli, pa je odluka pala da se "već viđeni" podaci sudara čestica neće ponovno pohranjivati na CERN-ovim serverima.

Atlas

Detektor Atlas predstavlja trenutno najveće tehnološko dostignuće čovječanstva. Smješten 93 metra ispod površine zemlje, u razini cijevi LHC-a, odlikuje se uobičajenim cvjetolikim izgledom detektora čestica, te je prekriven, više nego ijedan drugi detektor, sa senzorima najrazličitije namjene.

Što, zapravo, detektira čestice materije nastale u sudaru protona? Odgovor bi neupućene čitatelje možda mogao iznenaditi: radi se o izvanredno gustom materijalu (najčešće čeliku) koji sačinjava kalorimetar detektora. Detekcija se zapravo svodi na doslovno zadržavanje čestica koje nastaju u sudaru u samom kaloritmetru. To se postiže zahvaljujući njihovoj izvanrednoj gustoći. Svi kvarkovi tu padaju na bojnom polju, uključujući i većinu leptona. Pa ipak, postoje čestice kojima i ta izvanredna gustoća kalorimetra ne predstavlja problem te bi neopažene odjezdile u svemir da se u sklopu detektora ne nalazi poseban prsten detektora - spektrometar, konstruiran upravo za tu namjenu - da ih može registrirati. Radi se o muonima koji zbog toga, dakako, značajno poskupljuju mehaničku izvedbu detektora. S neutrinima situacija je još gora. Njih ništa ne može zaustaviti. Ni čelik, ni vaše tijelo, ni čitav planet. Proći će kroz njih kao da se ništa nije dogodilo i samo na osnovi izračuna "nedostajuće energije" u jednadžbama sudara, njihov trag će ipak ostati zabilježen.

Znanstvena mistika ovdje je na svom vrhuncu. Misteriozni "Higgs" detektiran je u detektorima ATLAS i CMS na 125 GeV-a, ali što bi se dogodilo, pita se moj spekulativni um, kad bismo povisili energije? Je li moguće da bi se materija u svojoj konačnici raspadala još samo… na fotone? I da li bismo nakon toga mogli zaključiti kako je čitava materija samo dobro zgusnuta svjetlost i ništa više...? Naravno, u tom slučaju i mi bismo bili samo dobro zgusnuta "živa svjetlost" i ništa više… Ako ništa, znanstveni misticizam, popraćen s, ničim usporedivom, spekulacijom, u meni izvrsno funkcionira.

Svoju frišku teoriju izlažem kolegama u cafeteriji CERN-a, poznatoj upravo po tome da se u bilo koje doba dana ovdje događaju neformalne rasprave o najnovijim znanstvenim teorijama. Posebno uzbuđenje, predmnijevam, vladalo je u cafeteriji CERN-a u vrijeme otkrića Higgsova bozona. Cijeli svijet morao je čekati dva tjedna na objavu otkrića, dok su kuhari i svi gosti cafeterie to saznali isti dan. Važnost CERN-ove cafeterie ističu i svi fizičari i ostali znanstvenici koji redovito pohode Centar u sklopu svojih projekata. Tek tu, na pamet im mogu pasti ideje, koje nerijetko predstavljaju ideje njihovih znanstvenih karijera, a koje onda mogu podijeliti s kolegama izlažući ih njihovoj nesmiljenoj, ali dobronamjernoj kritici. Je li i mojoj malenkosti pala na pamet jedna takva ideja? Dok je izlažem, u očima svojih kolega vidim nevjericu… Možda će ipak biti bolje da se zadržim na proučavanju načina filtriranja really big, big data koje LHC-ovi detektori generiraju u svom radu…

Osim toga, na ovom, ipak samo turističkom putovanju, pošlo mi je za rukom shvatiti način funkcioniranja ovog laboratorija u cjelini. Najbitnija stvar odnosi se na činjenicu da u CERN, u načelu, može doći svaki znanstvenik kojemu je neka druga znanstvena institucija u svijetu odobrila i osigurala sredstva za njegov znanstveni projekt a koji, između ostalog, predviđa i obavljanje istraživanja putem opreme Centra, uključujući tu i sâm LHC. Drugim riječima, sami fizičari, u načelu, nisu zaposlenici CERN-a – oni su njegovi korisnici. Prema današnjim podacima CERN pohodi preko 10 000 fizičara iz cijelog svijeta. Osim toga, svaki doktorand, koji se okvirno bavi temama usko vezanim uz fiziku čestica, ovdje u CERN-u, može provesti svoje istraživanje. Otvorenost instituta podršci znanstvenom radu, tako, vrijedi i za znanstvenike zemalja koje nisu članice ove ugledne organizacije, u koje, nažalost, spada i Hrvatska (premda se to, po najnovijim saznanjima, može u najskorije vrijeme promijeniti.). Najbolje su to mogli osjetiti i naši fizičari Ivica Puljak, sa splitskog Sveučilišta (FESB-a) i Vuko Brigljević s Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu, koji su i sami, sa svojim timovima, prije tri godine bili uključeni u potragu za Higgsovom česticom. Uostalom, radi se o dugogodišnjoj suradnji hrvatskih fizičara sa švicarskim laboratorijem.

Za sâm kraj, prisjetio sam se kako je jedan znanstvenik, uoči otkrića Higgsova bozona, izjavio kako je misteriozna čestica možda "praktički već otkrivena", ali da se "nalazi skrivena u podacima istraživanja"… To mi je bilo dovoljno da prioritete vezane uz LHC, u njegovu budućem periodu rada (koji je započeo u lipnju 2015), barem u svojoj glavi, prebacim na napore vezane uz načine organizacije, filtriranja, ali još i više - interpretacije podataka dobivenih radom njegovih detektora na koje je pričvršćeno nevjerojatnih 150 milijuna senzora… I da sljedeći posjet najvećem laboratoriju na svijetu, ako ne prije, svakako planiram za dvije-tri godine kad će se LHC ponovno podvrći redovitom održavanju, sa samo jednim ciljem: kako bih se spustio u "utrobu" laboratorija i najveće tehnološko dostignuće čovječanstva danas – detektor ATLAS - vidio vlastitim očima.