Eksperiment za novo tisočletje

    Ljudje se že od nekdaj sprašujemo, kakšen je naš svet? Neprestano nas, podobno kot pred dvesto leti Goethejevega Fausta, muči vprašanje: “Kaj svet v najglobljem drži skupaj?” Odgovor nikakor ni preprost! Pravzaprav ga še ne poznamo natančno. Fiziki zato pripravljamo eksperiment, za katerega upamo, da nam bo probleme končno razjasnil. V Evropskem laboratoriju za fiziko delcev (prej Evropski center za jedrsko fizko – Centre Europeéne pour la Recherche Nucléaire – CERN) v bližini Ženeve pripravljajo enega najzahtevnejših eksperimentov v fiziki osnovnih delcev. To bo veliki hadronski trkalnik (Large Hadron Collider – LHC). V njem bodo pospeševali protone do visokih energij, kakršne do danes še niso bile dosežene. Pri postavitvi tega eksperimenta uspešno sodelujemo tudi fiziki z Inštituta Jožef Štefan in Univerze v Ljubljani.

    Iz česa je narejeno vesolje?

    Fiziki se želimo prepričati o pravilnosti teorije, ki na enoten način opisuje vse do danes poznane osnovne gradnike snovi in interakcije med njimi. To teorijo fiziki imenujemo standardni model. Teorija je še daleč od popolnosti, je pa trenutno edina, ki je eksperimentalno preverjena in daje zelo dobro ujemanje med teorijo in eksperimentom. Za svoj prispevek k standardnemu modelu so leta 1979 Glashow, Salam in Weinberg prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

    Če bodo rezultati eksperimenta v skladu z napovedmi, bo to krona prizadevanja fizikov dvajsetega stoletja, ki se sprašujejo, kakšno je vesolje, ki nas obdaja in katerega del smo. Rezultati, ki bi se razlikovali od napovedi, pa bodo pomenili, da bo potrebno temeljito spremeniti poglede na svet. V vsakem primeru pa je ta eksperiment gotovo eden od najresnejših kandidatov za Nobelovo nagrado po letu 2005. V šali pravijo, da so v CERN-u leta 1982/83 pripravili eksperimenta UA1 in UA2, ker so končno želeli prejeti Nobelovo nagrado. Za LHC najbrž lahko rečemo nekaj podobnega.


    Pogled na CERN (Centre Europeéne pour la Recherche Nucléaire) z zraka.

    Kako je nastal CERN in zakaj potrebujemo taka znanstvena središča?

    Čas po koncu druge svetovne vojne ni bil ravno naklonjen razvoju znanosti v srednji Evropi, ki si je morala šele opomoči od vojne vihre. Vrhunski znanstveniki so takrat večinoma odhajali v ZDA ali Sovjetsko zvezo. Da bi zaustavile beg možganov, so srednjeevropske države dale pobudo za ustanovitev centra za jedrske raziskave. Uspešnost njihovega projekta dokazuje dejstvo, da danes v CERN prihajajo znanstveniki iz celega sveta – tudi iz ZDA in bivše Sovjetske zveze.

    Prvotni namen raziskovalnega centra je seveda samo še spomin. CERN je danes nekakšna znanstvena multinacionalka. (Naslov tega članka bi lahko bil tudi: “CERN – The Coca-Cola Company v znanosti!”) Z njim sodelujejo praktično vsi pomembni inštituti in univerze. Zakaj? Kot sem že omenil, v CERN-u pripravljajo projekt LHC, ki je že samo po finančni plati prezahteven za eno samo državo. Ta projekt bo pripravljen do leta 2005 in njegovi izvedbi je namenjena večina CERN-ovega proračuna, ki znaša približno eno milijardo švicarskih frankov letno. Za primerjavo: Sloveniji toliko denarja porabi Ministrstvo za znanost in tehnologijo v petih letih! V to vsoto je zajeta samo postavitev eksperimenta – materialni stroški, stroški izgradnje, vzdrževanje in plače tehničnega osebja. Ko bo LHC zgrajen, bo približno enaka vsota namenjena obratovanju in vzdrževanju. Poleg tega vsak inštitut oz. univerza plačuje še svoje znanstvenike, ki delajo na projektih. Pri tem projektu namreč sodeluje več kot 5000 znastvenikov, ki prihajajo z več kot 200 ustanov. Z mirno vestjo lahko rečemo, da ni države, ki bi si sama lahko privoščila podoben projekt. Celo CERN-u bo uspelo le zato, ker bodo lahko uporabili veliko že obstoječih naprav. Novi LHC bo npr. zgrajen v predoru, kjer je sedaj pospeševalnik elektronov. V ZDA, kjer so pred nekaj leti začeli podobni projekt, so po nekaj mesecih gradnje odnehali in se raje priključili k izdelavi LHC.

    Denarja ni težko zapraviti

    Kaj fiziki počnemo z vsem tem denarjem? Kakšni eksperimenti so to? Oglejmo si, kako so videti eksperimenti v fiziki osnovnih delcev. Kot sem že omenil, nas zanima zgradba snovi. Iz svoje mladosti se najbrž vsak spominja kakšne igrače, katere notranjost je bila tako zanimiva� Če se igrača ne da odpreti zlepa, jo je potrebno vreči na tla. Če se še vedno upira, vzamemo pač kladivo. Nato poskusimo še z večjim kladivom. V fiziki osnovnih delcev se ravnamo po podobnem načelu – če po snovi zadosti močno udariš, se bo razletela. Žal pa nimamo dovolj velikih kladiv (morda se kdo še spominja odlomka iz serije “Top lista nadrealista”, kjer so prikazali naše strokovnjake v jedrski elektrarni Krško, ki so “cjepali atome”), zato se moramo zateči k nekoliko bolj domiselnim načinom. Ponavadi si pripravimo delce, ki jih želimo preučevati. Nato jih močno pospešimo (z napravo, ki ji rečemo pospeševalnik – kako pa drugače) in jih pustimo, da se zaletijo v tarčo (temu rečemo eksperiment s “fiksno” tarčo – primer Citroenova reklama za Xsaro) ali pa druge nasproti drveče delce (takemu pospeševalniku rečemo trkalnik – na primer čelno trčenje dveh avtomobilov). Ko pospešeni delci trčijo, se produkti reakcije razletijo naokrog. Detektorji morajo zaznati te delce, izmeriti njihove poti in energije, mi pa iz teh meritev ugotoviti, kakšni so delci in kako so nastali. Da je delo še bolj oteženo, nekateri produkti reakcij razpadejo, še preden jih zaznamo, tako da dostikrat izmerimo šele produkte produktov. Nekateri delci pa se za detektor sploh ne zmenijo. To so nevtrini, ki reagirajo tako šibko, da se ne zaustavijo niti v nekaj tonah snovi. Dejansko so nevtrine odkrili zato, ker je med produkti reakcij “nekaj manjkalo”.

    Trkalnik LHC bo največji do sedaj zgrajeni pospeševalnik. To bo vakuumska cev, dolga približno 30 km, položena v predor 130 do 150 m pod zemljo. Zakaj tako globoko? Nikakor ne zato, ker bi bil njen vpliv škodljiv za okolje, temveč obratno. Inštrument je tako občutljiv, da ga motijo vplivi iz okolice. Navedel bom nekaj primerov, ki kažejo na občutljivost že obstoječega pospeševalnika elektronov. Njihova energija je med drugim odvisna od:

    • deževja. Ob obilnem dežju se gladina Ženevskega jezera (oddaljeno je približno 5 km) zviša, poveča se pritisk na kamnine in rov (z njim tudi vakuumska cev) se malenkostno raztegne ali skrči, kar vpliva na energijo elektronov v pospeševalniku. Če se vsak meter cevi raztegne npr. za 1/1000 mm, se celotna cev raztegne za 30 mm, kar ni tako malo.
    • luninih men. Sliši se neverjetno, vendar je res! Ko so opazili nenavadna nihanja energije, so pomislili že na vse mogoče, vendar motnje niso mogli odpraviti. Ko vse ostalo odpove, tudi znanstveniki rečejo: “To je pa gotovo zaradi lune!” V tem primeru je bilo to celo res. Luna namreč povzroča plimovanje, ki je različno močno – odvisno od luninih men. Na morju je posledica tega različna višina vode, na celinah pa se kamnine nekoliko raztegnejo oz. skrčijo. To pa spet vpliva na dolžino cevi in seveda na energijo. Temu pojavu lahko torej rečemo plimovanje kamnin. Prav tako, kot je na morju višina plime odvisna od medsebojne lege Sonca, Zemlje in Lune, tako je tudi raztezanje/krčenje kamnin odvisno od medsebojne lege teh teles.
    • hitrega vlaka med Ženevo in Parizom (francoski TGV). Ko vlak pelje mimo pospeševalnika, del električnega toka steče v zemljo in po cevi, ter spet spremeni energijo. Kako so to opazili? Začelo se je z motnjami v energiji elektronov, vsak dan ob 6:30 zjutraj. Motnje so ostale nepojasnjene do splošne stavke francoskih železničarjev. Takrat vlak ni vozil in motnja energije, ki je odvisna od stavke železničarjev je bila hitro pojasnjena.

    Vakuum v tej cevi je boljši kot v vesolju. To pomeni, da je v enaki prostornini več delcev v vesolju kot pa v tej vakuumski cevi. Takšen vakuum je potreben zato, ker imajo delci nečistoč v cevi pospeševalnika približno takšen vpliv na delce, ki jih pospešujemo, kot bi jih imel za nas betonski zid sredi avtoceste (priznam, primerjavo sem pobral iz Štoparskega vodnika po galaksiji).

    V pospeševalniku bodo pospeševali protone do energije 7 TeV (TeV = 1.000.000.000.000 eV). Naj prevedem te čudne enote iz fizike osnovnih delcev v nekoliko bolj razumljiv jezik. Vzemimo, da želimo pospešiti en gram protonov do energije 7 TeV. Za to težaško opravilo potrebujemo toliko energije, kot jo proizvede naša jedrska elektrarna v Krškem v 15 letih! Pri tem pa sploh še niso upoštevane izgube pri prenosu enrgije. Najbrž ste že vsi slišali za Einsteina in njegovo enačbo E=mc2. No, en gram protonov, ki bi jih pospešili na energijo 7 TeV, bi imel maso 7 kg in se gibal skoraj s svetlobno hitrostjo. Če bi priredili dirko svetlobe in protonov, bi zmagala sicer svetloba (največja možna hitrost je svetlobna in nič je ne more preseči), vendar pa bi na 30 km protoni zaostali le za debelino papirja ali po domače povedano: za mišjo dlako.

    Veliki pospeševalniki so ponavadi bolj ali manj okrogli. Razlog za to je preprost. Pri tako veliki hitrosti se dosti delcev, ki drvijo drug proti drugemu, zgreši. Zelo potratno bi ravnali, če bi zavrgli vse delce, ki so preživeli bližnje srečanje (spomnimo se, koliko energije porabimo za njihovo pospeševanje). Zato jih peljemo naokoli in jim damo novo možnost, da se zaletijo. To najlažje naredimo z magneti. Nekaj podobnega se dogaja tudi v vaši televiziji. Tam z magneti vodimo žarek elektronov, ki riše sliko na zaslonu. Seveda za vodenje 7 TeV protonov potrebujemo “nekoliko močnejše” magnete. Njihova moč bo kar 8-9 T (T – tesla, enota za magnetno poljsko gostoto). Ker v vsakdanjem življenju nimamo dosti opravka z merjenji magnetnih polj, ta številka najbrž ne pove dosti. Naj povem samo to, da so nas med študijem štiri leta učili, da je 1 T zares ogrooomno polje. Magnetno polje v pospeševalniku LHC bo skoraj 100.000-krat večje od zemeljskega naravnega magnetnega polja. Da bodo v CERN-u lahko ustvarili tako velika polja, bodo morali celotno cev obdati s superprevodnimi magneti, saj le superprevodniki omogočajo dovolj velike tokove. Žal pa so navadni superprevodniki super le tedaj, kadar jih ohladimo na -269oC, zato bo 30 km dolga cev v kopeli tekočega helija. Moč, potrebna za delovanje takega hladilnega sistema, bo približno 140 kW.

    Protoni se bodo zaleteli z res ogromno energijo. Zato ni čudno, da pričakujejo veliko število reakcij, do katerih bo prišlo ob vsakem trku. Do trkov pa bo prišlo 40-milijonkrat na sekundo. Skozi dele detektorja, ki bodo zelo blizu mesta trka, bo predvidoma vsak dan priletelo 100 milijard delcev na kvadratni centimeter. To bo prvi eksperiment, pri katerem bodo poškodbe detektorjev zaradi sevanja pomemben parameter pri načrtovanju in obratovanju detektorja. V vsej tej goščavi izhajajočih delcev pa bodo pri analizah meritev morali poiskati delec, za katerega teorija napoveduje, da nastane približno vsaki dve minuti, torej 700 do 800 na dan. Iskanje igle v kopici sena je še najprimernejši opis tega početja.

    Prispevek slovenskih fizikov

    Za začetek povejmo, da je bila bivša SFRJ leta 1954 celo med ustanovnimi članicami CERN-a. Iz političnih razlogov je kasneje izstopila, češ, da ni dovolj razvita, da bi mogla v celoti izkoristiti članstvo v CERN-u. Kljub temu je v začetku sedemdesetih letih prof. dr. Gabriel Kernel z Odseka za eksperimentalno fiziko na IJS dobil povabilo, naj se s svojo skupino pridruži načrtovanju in gradnji spektrometra Omicron. Seveda ni šlo brez težav, saj sodelovanje z Zahodom tedaj ni bilo ravno nekaj, nad čimer bi bili politiki navdušeni. Kljub vsemu od takrat dalje fiziki z IJS uspešno sodelujejo s CERN-om, in so bili člani kar nekaj pomembnih fizikalnih skupin. Poleg CERN-a sodelujejo tudi z nemškim centrom za raziskave osnovnih delcev v Hamburgu. Žal pa se današnja Slovenija kljub povabilu iz CERN-a še ni odločila za polnopravno članstvo – vabilo pa najbrž ne bo trajalo za vedno.

    Dolgoletno uspešno sodelovanje je pripomoglo k temu, da je bila ljubljanska skupina fizikov sprejeta v delovno skupino, ki bo zgradila detektor (spektrometer) ATLAS in z njim opravljala meritve na trkalniku LHC. Beseda zgraditi še najbolje opisuje te dejavnosti. Po velikosti bo detektor spominjal na petnadstropno zgradbo. Poleg ATLAS-a bodo na LHC delovali še trije detektorji: CMS, ALICE in LHC-B.

    Slovenski fiziki sodelujejo pri izdelavi sledilnika delcev (tracker), ki bo v neposredni bližini mesta trkov. Sestavljen bo iz silicijevih detektorjev in bo namenjen natančnemu določanju tirov delcev, ki se bodo po trku razleteli na vse smeri. Zaradi neposredne bližine je še posebej pomembno, da bo dovolj odporen na radiacijske poškodbe. Prav to pa je tudi predmet študije ljubljanskih raziskovalcev. V Brinju pri Ljubljani v okviru IJS deluje jedrski reaktor. V njem obsevamo detektorje in nato preučujemo, kakšne so poškodbe, kako so odvisne od materialov in kako se obnašajo s staranjem detektorja. Ob tem se včasih lahko naučimo tudi raznih kuharskih spretnosti. Zanima nas, kako se obnašajo poškodbe detektorja v daljših časovnih razdobjih. Ker pa raziskovalci ponavadi ne moremo čakati deset let, da bi opazovali obnašanje detektorja, ga segrejemo na 60oC, kar pospeši proces staranja. Za to uporabljamo kar običajno kuhinjsko pečico (z nekaj dodatne elektronike, ki stabilizira temperaturo). Poleg študija poškodb detektorja se ukvarjamo tudi s študijem poškodb elektronike, s katero beremo podatke z detektorjev. Ljubljanska skupina je zadolžena še za razvoj in proizvodnjo kablov, ki bodo uporabljeni v ATLAS-u, ukvarja pa se tudi s simulacijo eksperimentov in načrtovanjem analize eksperimentalnih podatkov.

    Zakaj potrebujemo bazične raziskave

    Znanstvene raziskave lahko približno delimo na aplikativne in bazične. Pri aplikativnih raziskavah ponavadi poznamo konkreten problem in želimo poiskati rešitev zanj. Torej vemo že vnaprej, koga bo zanimal rezultat raziskave in kdo jo bo financiral. Pri bazičnih raziskavah gre ponavadi za čisto potešitev človeške radovednosti in povečevanje človeškega znanja. Ker bazične raziskave nimajo konkretnega naročnika in kratkoročno ne prinašajo dobička, je zanje tudi težje zbrati finančna sredstva. Pojavljajo se celo mnenja, da so nepotrebne. Vendar temu nikakor ni tako.

    Pri aplikativnih raziskavah najprej poznamo problem in nato iščemo rešitev. Pri bazičnih raziskavah je ravno obratno: poznamo rešitev (nova spoznanja), nato pa se pokaže problem, ki potrebuje ravno to rešitev. Bazične raziskave so namreč neizčrpen vir zamisli in znanja, ki ga s pridom izkoriščamo v aplikativnih raziskavah. Rentgen v medicini, razne radioterapije, pri katerih uporabljajo tudi manjše pospeševalnike, novi detektorji in nove preiskovalne tehnike so samo nekatere aplikacije, ki prihajajo neposredno iz jedrske fizike in fizike osnovnih delcev. Za študij osnovnih delcev je bilo potrebno razviti tudi kvantno mehaniko, ki je danes glavno orodje pri preučevanju materialov (superprevodniki, razne površine, polprevodniki). Trikrat lahko ugibate, kje je rojstni kraj svetovnega spleta (world wide web): prav v CERN-u.

    Poleg neposrednih aplikacij, ki se porodijo iz bazičnih raziskav, deluje CERN tudi kot nenehen vzpodbujevalec razvoja v industriji. Visoke zahteve, ki jih CERN postavlja svojim dobaviteljem, so pomembno gonilo razvoja. Neka študija je pokazala, da vsak frank, ki ga CERN plača industriji, prinese še tri franke prihodka od tretjih strank. Kako? Oglejmo si primer. Za obdelavo ogromnega števila meritev bodo v CERN-u potrebovali računalnike, kakršnih danes še ni, vendar trendi v računalniški industriji kažejo, da bodo čez pet let mogoči. Kdo si ne bi želel pridobiti naročnika z letnim proračunom milijardo švicarskih frankov? Ko bodo izdelali takšen računalnik, pa CERN gotovo ne bo edini, ki ga bo kupil. Kdor se lahko pohvali, da je dobavitelj CERN-a, temu ne bo težko prodati svojih izdelkov.

    Nenazadnje pa je CERN tudi ustanova, kjer se izšola mnogo mladih strokovnjakov. V CERN-u se zbirajo vrhunski fiziki, strojni in gradbeni inženirji ter strokovnjaki za računalništvo in elektroniko. Neprenehen stik teh strokovnjakov močno poveča pretok znanja, idej in omogoča mladim, da si pridobijo svoje prve delovne izkušnje pod vodstvom izkušenih vrhunskih strokovnjakov.

    Za konec tega razmišljanja naj povem še tole. Michael Faraday je raziskoval pojav električne indukcije, ki je osnova za delovanje elektromotorjev. Na vprašanje, ali so njegove raziskave sploh uporabne, je odgovoril: “V dvajsetih letih boste od tega pobirali davke!”

    Moderna podoba fizika

    Kadar komu povem, da sem po poklicu fizik, po navadi zaviha nos in pove, da fizike nikoli ni maral. To je pač ena od neprijetnosti, s katero se srečujemo fiziki dandanes. Druga od njih je predstava, da smo fiziki nekakšni nesocialni čudaki, zaprti v laboratorijih, kjer nekaj kracljamo po tablah, prekladamo instrumente, na katerih utripajo lučke in iz njih visijo gore žic. Pred dvema letoma nas je neka študentka Filozofske fakultete celo prosila, naj zanjo izpolnimo anketo kot primer deviantne populacije! Kdor si je vsaj enkrat ogledal CERN ali prebil nekaj časa v njem, bi se vsekakor moral odpovedati takim predstavam.

    V CERN-u se srečujejo ljudje s celega sveta in vsak seveda govori svoj jezik in svojo verzijo angleščine. Uradni jezik je polomljena angleščina: “Here at CERN, the official language is broken english!” Včasih si je treba pomagati tudi z rokami in s slovarji. Naletiš celo na tehnika, ki zna samo francosko in nekaj angleških besed, tako da je “pogovor” z njim prava umetnost. Kljub vsemu pa stvari delujejo in to dobro.

    Kjer se zbere velika množica ljudi, tam je tudi dosti različnih interesov, tako da ni stvari, ki je ne bi mogel početi; od vseh mogočih športov (nogomet, košarka, odbojka, frizbi, potapljanje, plavanje, celo kroket) do glasbe (rockovska skupina, klasični instrumenti, celo vokalna skupina, v kateri prepevajo tajnice) in plesa (standardni plesi, vsako poletje priredijo tudi rockovki festival). Nekaj več o značaju fizikov pa povedo tudi imena, s katerimi smo fiziki poimenovali kvarke. Namesto pustih izpeljank iz grških besed smo kvarka prve generacije poimenovali preprosto gor in dol (up, down – u in d kvark). Za drugo generacijo smo si izmislili nekoliko bolj pesniški imeni: čuden in očarljiv kvark (strange, charm – s in c kvark). V tretji generaciji pa sta zgornji in spodnji kvark (top, bottom – t in b kvark), ki jima rečemo tudi resnica in lepota (truth, beauty). Zlobni jeziki pa pravijo, da je b kvarku v resnici ime ritka (bottom = dno, ritka).

    Namesto zaključka…

    Ali bo z LHC konec eksperimentalne fizike osnovnih delcev? Tega ne vemo. Poučen pa je naslednji primer:

    “Mladi mož, zakaj bi si radi uničili življenje? Teorijska fizika je praktično gotova, vse diferencialne enačbe so rešili. Kar je ostalo, je, da obravnavate posamezne primere, ki zadevajo spremembe začetnih pogojev. Ali se je vredno lotiti posla, ki ne daje nobenih obetov za prihodnost?”

    To je odlomek iz pisma Maxu Plancku, ki ga je napisal profesor Philip Jolly pred dobrimi sto leti. Max Planck je bil kasneje eden od očetov kvantne mehanike in moderne fizike dvajsetega stoletja.


    Tadej Mali: Eksperiment za novo tisočletje
    kvarkadabra.net – številka 1 (oktober 1999)