Potraga za Božjom česticom

U kružnom tunelu dugom 27 kilometara, koji se nalazi na dubini od 100 metara ispod kamenitog planinskog tla nedaleko od Ženeve u Švajcarskoj, više od sedam hiljada fizičara već više od šest godina gradi najmoćnije naučno postrojenje koje su ljudi ikada podigli. Možda baš i niste znali da je to novi evropski akcelerator koji će verovatno odgonetnuti neke od najvećih tajni savremene nauke, ali gotovo je nesumnjivo da ste za o tome bar jednom čuli u kakvom razgovoru ili pročitali u nekim novinama, bilo u „Vremenu“ bilo drugde.

Onaj ko je prošle nedelje pažljivo pratio medije mogao je saznati da su naučnici u taj akceleratorski tunel na švajcarsko-francuskoj granici upravo spustili jedan izuzetno masivan i značajan deo opreme, kao i da se privodi kraju gradnja velikog instrumenta kojim će se otkriti „šta je bilo na početku Velikog praska“.

Ako među rodbinom imate fizičara, profesionalca ili amatera, može biti da vas je na ovu vest on usplahireno zvao i oduševljeno obavestio kako konačno počinje lov na „Božju česticu“ i štošta drugo, manje-više nerazumljivo. S druge strane, neko od prijatelja sklonih paranoji mogao je posle vesti iz Ženeve zbunjeno upitati: „Zašto ti naučnici troše četiri milijarde dolara da bi usred Alpa izazvali Veliki prasak?“

UZBUDLJIVO DOBA: To pitanje možda ne zvuči sasvim neopravdano, ali zaista nema razloga za brigu, novi akcelerator sigurno neće izazvati Veliki prasak. Ova gigantska mašina, nazvana veliki sudarač hadrona (LHC – Large Hadron Collider), ušla je 2003. u finalnu fazu izgradnje u Evropskoj laboratoriji za nuklearna istraživanja poznatoj kao CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), samo sa ciljem da se otkriju dosad neviđene elementarne čestice koje bi rasvetlile razne nedoumice o Univerzumu, pa tako i o njegovom nastanku.

„Grubo govoreći, to je slično pokušaju da se po tragu koji za njim ostaje odredi tip proletelog mlaznog aviona“, napisao je pre više decenija fizičar Ford u knjizi Svet elementarnih čestica, što se i danas na raznim stranama citira kao najpogodnije objašnjenje koliko je složen zadatak detekcije novih elementarnih čestica i otkrivanja zakonitosti na subatomskim skalama. Uz to, taj zadatak nije nimalo jeftin i prevazilazi mogućnosti bilo kog nacionalnog budžeta za nauku.

Kako bi se dublje istražio svet elementarnih čestica i strukture materije, u Ženevi je 1953. godine osnovan CERN, organizacija koja je objedinila napore naučnika i finansijska ulaganja iz više evropskih zemalja. Tokom prethodnih decenija, u CERN-ovim laboratorijama došlo je do mnogih epohalnih otkrića koja su utemeljila standardni model, teoriju koja opisuje strukturu sveta oko nas. Prema ovom eksperimentalno potvrđenom modelu, u svetu postoje četiri interakcije (elektromagnetna, slaba, jaka i gravitaciona), a svu gradivnu materiju čini šest leptona i šest kvarkova, od kojih su okvirno govoreći izgrađene masivnije čestice, a od njih atomi.

Pre početka gradnje LHC-a, u CERN-u je više od decenije vrlo uspešno radio akcelerator LEP, ali je on zatvoren kako bi se deo njegovih postrojenja iskoristio za rad novog, moćnijeg akceleratora. Kao jedan od najskupljih projekata u istoriji nauke, LHC je okupio 20 zemalja članica i šest zemalja posmatrača koje su uložile znatna sredstva i angažovale svoje vodeće fizičare na ovom poslu. No, u projektu delimično učestvuju i druge, uglavnom siromašnije zemlje, a priliku da rade na izgradnji LHC-a imaju i fizičari iz Srbije (vidi okvir).

U CERN-u najavljuju da će akcelerator biti dovršen i pokrenut u novembru 2007. godine. Fizičari očekuju da će LHC odgonetnuti problem mase, postojanje Higsovog bozona, pitanje antimaterije, tamne materije i teorije supersimetrije. „Ovo je vrlo uzbudljivo doba za fiziku“, rekao je prošle nedelje portparol CERN-a Tejinder Virdee, dodajući kako će LHC omogućiti jedan novi nivo spoznaje sveta.

SUDARI U TUNELU: Međutim, čemu će zapravo služiti ova sprava? Kao i svaki drugi akcelerator, LHC će ubrzavati čestice. Konkretno, ovaj veliki sudarač hadrona će ubrzavati sigurno najpoznatije čestice među hadronima – protone, i ne samo to – sudaraće ih. U kružni tunel će biti uvedena dva snopa protona, koja će se ubrzavati magnetnim poljem tako da u svakoj rotaciji kruže sve brže i brže.

Kad se snopovi protona dovoljno ubrzaju, oni će se sudariti i osloboditi energiju neophodnu da nastanu mnoge vrlo poznate čestice, poput elektrona i pozitrona, ali i retke, egzotične čestice koje do sada nisu viđene i čije će osobine mnogo toga reći naučnicima. Pažljivo projektovani detektori snimaće sve ove sudare i loviti nastale čestice.

Količina podataka koja će na detektorima pritom biti prikupljena nezamisliva je za analizu – godišnje će samo jedan detektor proizvoditi nekoliko pentabajta, što je oko milion milijardi bajta (1 PB = 1015 byte). Pošto je toliko podataka nemoguće obraditi na jednom mestu, to je dovelo do razvoja nove informacione tehnologije. Kao što je internet nastao u CERN-u, tako je zbog obrade podataka LHC-a sada razvijen GRID. Ovaj novi tip mreže omogućiće skladištenje i obradu podataka distribuiranih na računare u celom svetu.

Mada izgleda kao da je tu reč samo o jurcanju protona kroz skoro tridesetak kilometara dug tunel, o njihovim potonjim sudarima i pratećem snimanju nećete pogrešiti ako na LHC počnete da gledate kao na svojevrstan gigantski mikroskop, mada ga je najbolje doživeti kao prozor u svet čestica koji će uvećati sliku o njima kao nijedan akcelerator dosad.

Najveće dostupne energije na prethodnom CERN-ovom akceleratoru LEP iznosile su samo oko 1 GeV. Kad se ubrzaju u LHC-u, energije sudarajućih protona biće hiljadu puta veće, oko 7 TeV, što pri svakom sudaru daje 14 TeV energije. No, zbog unutrašnje strukture protona, pri svakom sudaru na raspolaganju će biti oko 1 TeV energije za proučavanje novih fizičkih procesa i potragu za novim česticama, pre svega za Higsovim bozonom.

LOV NA NEUHVATLJIVE: „To bi trebalo da bude sasvim dovoljno da se Higsov bozon ili otkrije ili dokaže da ne postoji“, rekao je eksluzivno za „Vreme“ doktor Jovan Puzović sa Fizičkog fakulteta u Beogradu koji se trenutno nalazi u CERN-u i u okviru našeg tima učestvuje u izgradnji LHC-a. Inače, ni u jednom dosadašnjem eksperimentu nije potvrđeno postojanje ove čestice.

Nazvani Božjim česticama, Higsovi bozoni su odavno predviđeni teorijom kao čestice odgovorne za masu. „Higsovi bozoni daju masu česticama. Mase su utoliko veće ukoliko je jača njihova interakcija sa drugim česticama“, napisao je Lev Borisovič Okunj u knjizi Fizika elementarnih čestica, prognozirajući da njihova minimalna masa odgovara energiji oko 7 GeV, ali da bi mogla biti velika i do 1 TeV. Pošto će LHC biti prvi akcelerator sa tako velikom dostupnom energijom, logično je zašto Higsov bozon ranije nije bilo moguće uloviti.

„Otkriće Higsovog bozona ne bih nazvao revolucionarnim“, istakao je Puzović. „Oko 99 odsto fizičara je ubeđeno da on postoji. Revolucionarno će biti ako ga ne nađemo. Kad bismo znali kakva nas otkrića očekuju, onda ne bi ni bilo potrebe da se pravi jedan ovako velik akcelerator. S jedne strane, pravimo ga zato da raščistimo neke nepoznanice u standardnom modelu, a s druge zato što ne znamo šta nas sve čeka u tom domenu energija“, objasnio je Puzović dodajući da standarni model radi izuzetno dobro i precizno. „Rekao bih da ne postoji nikakva opasnost da se on dovede u pitanje. Eventualno može da se proširi na sličan način kao što je i Njutnova mehanika proširena Anštajnovom teorijom relativnosti“, naglasio je Puzović.

Detektor koji će loviti Higsov bozon nazvan je CMS. To je ogroman instrument, dugačak 22 metra, prečnika 15 metara i mase 12.500 tona. Pošto ga nije bilo moguće u jednom delu spustiti u 100 metara dubok akceleratorski tunel, izgrađen je u 15 glavnih delova od kojih je do sada spušteno sedam. Osmi deo je centralni točak koji je težak kao pet džambo-džet aviona, oko 2000 tona. U složenoj operaciji koja je trajala 12 sati, ovaj deo je zajedno sa superprovodnim magnetom spušten u tunel prošle nedelje.

„CMS je složen detektor, ali se može reći da je sastavljen od nekoliko detektorskih celina“, objasnio je Puzović dodajući kako ga čine podsistemi tracker detektor, elektromagnetski i hadronski kalorimetar, kao i mionske komore, a da se kombinovanjem podataka iz svih ovih sistema „tumače fizički procesi koji su se desili tokom sudara“.

Kad se LHC pokrene u novembru, negde u tim procesima možda će se bar nakratko pojaviti i dugoočekivani Higsov bozon. Možda vas takva kratkotrajna lovina, nastala sudarom protona i snimljena sofisticiranim detektorima u dubokom alpskom tunelu, neće previše uzbuditi, ali će, kao i svako fundamentalno otkriće, ona sigurno izvršiti silan uticaj na svet u budućnosti. Kao, uostalom, i sam veliki sudarač hadrona.

Intervju – Dr Jovan Puzović, CERN: Srbi u mikrokosmosu

Poslednji osigurač u lovu na Higsov bozon

Uz više hiljada naučnika iz celog sveta, fizičari iz Srbije takođe učestvuju u izgradnji najvećeg i nasloženijeg naučnog instrumenta na svetu, gigantskog akceleratora, velikog sudarača protona poznatog po svom akronimu LHC koji se podiže u CERN-u kod Ženeve. Mada nije članica Evropske organizacije za nuklearna istraživanja, Srbija nekim čudom aktivno učestvuje u jednoj od najvećih i najskupljih avantura civilizacije. Srbija, naravno, nije u CERN-u zato što je uložila milione dolara u otkrivanje velikih tajni Univerzuma, već, kako to biva, pre svega zahvaljujući entuzijazmu i naporima pojedinaca.

Međutim, ne može se reći da je učešće srpskih naučnika u izgradnji LHC postrojenja sporadično i slučajno. Ministarstvo za nauku i životnu sredinu pružilo je izvesnu podršku, a u CERN-u su vrlo aktivno angažovani fizičari iz više domaćih naučnoistraživačkih ustanova. Jedna manja grupa naučnika sa Instituta za fiziku u Zemunu razvija softverska rešenja, dok zajednički tim sa Instituta za nuklearne nauke „Vinča“ i Fizičkog fakuleta u Beogradu gradi važan sigurnosni sistem za jedan od detektora, poznat kao CMS (Compact Muon Solenoid). Kad veliki akcelerator bude pokrenut u novembru 2007. godine, to će biti sistem od izuzetnog značaja za planirane eksperimente, poput lova na famozni Higsov bozon.

Pored mladih istraživača Predraga Milenovića i Dimitrija Maletića, predvođenih doktorom Petrom Adžićem kao koordinatorom projekta, o kojima je „Vreme“ već pisalo, deo tima sa Fizičkog fakulteta čine profesori Dragomir Krpić i Snežana Drndarević, kao i profesor Jovan Puzović koji se trenutno nalazi u CERN-u gde se testiraju delovi sistema izgrađenog u Beogradu.

„Naši postdiplomci i tehničari daju znatan doprinos realizaciji ovog projekta“, rekao je za „Vreme“ doktor Jovan Puzović. „Rad je koncipiran tako da se što je moguće više uradi u domaćim institutima, a da se u CERN ide po potrebi na testiranja i ugradnju opreme. U našem slučaju, to podrazumeva da ovde boravimo po nekoliko meseci godišnje. Sav hardver potreban za ECAL sigurnosni sistem napravljen je u Beogradu i već je donet u CERN na konačnu ugradnju. Ona je nešto pomerena jer drugi sistemi kasne. Nadam se da ćemo krajem leta imati naš sistem potpuno operativan i instaliran u podzemlju.“

VREME: Vaša grupa pravi sigurnosni sistem za ECAL, jedan od kalorimetara na CMS detektoru. Čemu će služiti ovi uređaji kad akcelerator bude pokrenut?

Dr Jovan Puzović: Kalorimetar ovakvog tipa pravi se prvi put. Ostali poddetektorski sistemi u okviru CMS detektora, kao što su mionske komore i hardronski kalorimetar, već su pravljeni i korišćeni na mnogo mesta u svetu. Inače, ECAL je elektromagnetski kalorimetar. On je prvenstveno namenjen detekciji gama kvanata (fotona) koji su nastali tokom sudara protona ili su posledica raspada čestica nastalih u sudaru. Pouzdana detekcija gama kvanata sa što boljim prostornim i energetskim razlaganjem vrlo je bitna za otkrivanje Higsovog bozona. U oblasti masa gde očekujemo Higsov bozon (do 500 GeV) najveći su izgledi da se on detektuje baš preko svog raspada u gama kvante.

Kakva je uloga sigurnosnog sistema koji razvijate?

Laički rečeno, mi smo poslednji osigurač ako nešto krene po zlu. To podrazumeva merenje parametara rada ECAL-a preko temperaturnih senzora i senzora za vlagu, integraciju sa ostalim sistemima koji služe za hlađenje, integraciju sa sigurnosnim sistemima ostalih poddetektorskih sistema, potpunu kontrolu nad jedinicama koje generišu visoke i niske napone potrebne za rad ECAL-a. Sve to se obavlja u uslovima visoke radijacije, gde normalna elektronika posle nekog vremena prestaje sa radom. Naš sistem se za sada na mnogim testovima pokazao kao izuzetno pouzdan i robustan – svi delovi su duplirani, tako da u slučaju otkaza bilo kog dela, paralelni sistem preuzima dalji rad na sebe.

Da li je već bilo situacija u kojima se sigurnosni sistem aktivirao?

Dobili smo nekoliko pohvala za pouzdanost našeg sistema baš zato što smo u par navrata sprečili velike štete koje bi nastale zbog kvarova u drugim sistemima. Pre dve godine, tokom testiranja ostalih sistema, otkazao je sistem za hlađenje. Naš sistem je detektovao taj kvar i odmah poslao signale za gašenje generatora visokih i niskih napona za detektor. Međutim, zbog fabričke greške u generatoru niskog napona on se nije isključio, pa je temperatura u detektoru nastavila da raste. Tada je naš sistem odmah poslao SMS-ove odgovornim ljudima da je došlo do kritične situacije u detektoru i da preti opasnost od pregrevanja. Iako je bio petak uveče, jedan od njih je srećom bio par stotina metara od zgrade gde se nalazio test sistem, pa je došao i ručno ga isključio.

Da li će svi ti ostali sistemi proraditi do pokretanja LHC–a?

U CERN-u je doneta čvrsta odluka da se učini sve da LHC bude pušten u pogon sredinom novembra ove godine i ja verujem da će se to ostvariti. S druge strane, tokom projektovanja LHC-a i, naravno, detektora mnoge stvari su zamišljene ne na granici tehnoloških mogućnosti, već i iza nje. To je učinjeno sa očekivanjem da će se tokom konstrukcije tehnološke granice pomeriti – bilo razvojem u CERN-u, bilo u nezavisnim kompanijama. Mora se priznati da je par podsistema CMS-a na takozvanoj kritičnoj stazi – jednostavno, nije se stiglo zbog problema tokom razvoja. Ako ne budu gotovi do novembra, ovi podsistemi će biti ostavljeni da se ugrade početkom sledeće godine tokom redovnog održavanja detektora. Dobra je vest da oni neće uticati na ukupnu operativnost CMS-a, već samo na nešto lošije perfomanse detektora gledano sa fizičarskog aspekta.

Koliko u ovoj fazi može da se doprinese uspehu budućih eksperimenata?

Tehnološki gledano LHC sigurno predstavlja veliki izazov, ali daleko od toga da je pre petnaestak godina, kada je napravljen prvi projekat, fizika završila s njim sve do trenutka kada bude proradio. Sve vreme tokom konstrukcije vršene su intenzivne kompjuterske simulacije procesa koji će se odvijati prilikom sudara snopova i prilikom detekcije čestica. Te simulacije su omogućavale da se unaprede odgovarajući podsistemi detektora i da se poboljšaju njegove perfomanse, kao i da se bolje shvati način na koji će detektor raditi kao celina. Da bi budući eksperimenti bili što uspešniji, potrebno je da detektor ima što bolje perfomanse i da bude što je moguće pouzdaniji. Ljudi koji su radili na njemu dali su sve od sebe da to tako i bude. Malo me plaši veliki pritisak kome su sada izloženi da se akcelerator pusti u pogon u novembru. To za posledicu može da ima ugradnju nekih podsistema koji nisu dovoljno provereni i testirani. Veoma je teško kasnije otvarati ceo detektor da bi se nešto popravilo ili zamenilo. Međutim, setite se Habl teleskopa, tadašnjeg tehnološkog čuda – i on je morao da bude popravljan, i to na orbiti.