Pogled v prihodnost: Fizika visokih energij čez deset let

    Področje fizike visokih energij je ravno sedaj v obdobju velikih sprememb, ki ga bodo zaznamovale za vsaj naslednjih deset let. Na eni strani je tu optimizem, ki ga prinaša gradnja velikega hadronskega trkalnika (angl. LHC=Large Hadron Collider) v evropskem središču CERN blizu Ženeve v Švici. LHC je hadronski trkalnik zato, ker bodo v njem trkali hadrone, to je delce, ki interagirajo prek močne jedrske sile. Veliki trkalnik pa je zato, ker bo resnično velik – obseg njegovega trkalnega obroča bo namreč kar 27 km. LHC bo z začetkom obratovanja v letu 2007 namreč za en velikostni red dvignil nivo dosegljivih energij in tako tudi najverjetneje znatno povečal naše védenje o svetu na najmanjših razdaljah. Kot nekakšna protiutež temu silnemu optimizmu in pričakovanjem pa sta tu nelagodje in pesimizem, ki ga prinaša zapiranje laboratorijev in ukinjanje poskusov v ZDA.

    A pojdimo lepo po vrsti. Najprej, kaj se sploh skriva za imenom “fizika visokih energij”? Pojem sam je kar ohlapen, takole v grobem pa zajema poskuse, ki jih lahko opravljamo pri najvišjih dosegljivih energijah. Motivacija za opravljanje poskusov pri visokih energijah je preprosta. Ob čelnem trku delca in antidelca, na primer pri anihilaciji elektrona in pozitrona, se vsa kinetična energija, ki jo nosita delca, spremeni v razpoložljivo energijo za tvorbo novih delcev. Slavna Einsteinova enačba E=mc2 pove, da lahko težke delce tvorimo le z dovolj veliko razpoložljivo energijo. Da bi lahko tvorili težje delce, moramo tako pri poskusih zagotoviti trke z višjo energijo. Poleg tega ob višjo energiji trkov lahko tudi razločimo morebitno strukturo delcev, ki bi se sicer zdeli v trkih pri nižjih energijah nesestavljeni – osnovni. Zato fiziko visokih energij pogosto imenujemo tudi fizika osnovnih delcev.

    V fiziki visokih energij uporabljamo posebne enote, ki so posebej pripravne za procese, ki jih opazujemo. Osnovna enota energije je tako elektronvolt (eV). To je kinetična energija, ki jo delcu podeli električno polje z napetostno razliko enega volta, in znaša 1 eV=1.6 10-19 J. Energija 1 eV je primerno velika energijska enota za procese v atomih, medtem ko so za jedrske reakcije značilne približno milijonkrat večje energije, torej nekaj MeV. Za visokoenergijske procese so tipične energije še vsaj tisočkrat večje, od nekaj GeV pa tja do nekaj 100 GeV. V LHC bodo trkali protone s protoni, pri čemer se bo v trku sprostilo 14 TeV energije (TeV preberemo kot teraelektronvolt in zaznamuje 1012 eV). Da so to res skrajno visoke energije trkov, pričajo tehnični podatki trkalnika. Kot sem že omenil, bo imel trkalnik obseg kar 27 km. Zaradi znižanja stroškov ga gradijo v istem krožnem tunelu 100 m pod površjem ob robu Ženevskega jezera, ki ga je uporabljal že prejšnji trkalnik LEP. Temeljna razlika med trkalnikoma LHC in LEP je, da so v trkalniku LEP trkali elektrone in pozitrone, medtem ko bodo v trkalniku LHC trkali protone (kasneje pa tudi atomska jedra). Velikost trkalnika LEP so narekovale izgube zaradi sinhrotronskega sevanja, medtem ko bi bil LHC resnici na ljubo lahko tudi precej manjši. Ob ukrivljanju tira namreč nabiti delci sevajo, vendar ob enaki kinetični energiji težji delci sevajo manj. Ker imajo elektroni in pozitroni približno dvatisočkrat manjšo maso od protonov, so bile sinhrotronske izgube na trkalniku LEP ogromne – v sevanje se je vsako sekundo izgubil nekajkratnik kinetične energije delcev. Na trkalniku LHC, ki bo za obratovanje porabil približno 120 MW moči (za primerjavo: celotna moč JE Krško znaša okoli 700 MW), bo zaradi precej večje mase delcev na sinhrotronsko sevanje odpadlo le 3.7 kW moči.


    Pogled na CERN l. 1994. Z rdečo je označen potek obroča trkalnika pod površjem. V ozadju vidimo Ženevsko jezero in Alpe.

    Do sedaj največji hadronski trkalnik Tevatron, ki stoji v Fermilabu blizu Chicaga, ima recimo obseg približno 6 km. V njem trkajo protoni in antiprotoni, energija, ki se sprosti pri enem trku, pa je okoli 2 TeV. LHC bo torej povečal razpoložljivo energijo ob trku za približno sedemkrat. Poleg tega bo tudi kar za stokrat povečal število trkov. Velikansko je tudi število raziskovalcev, ki sodelujejo pri eksperimentih na trkalniku LHC. Pri največjem poskusu bo tako sodelovalo več kot dva tisoč fizikov in povsem mogoče je, da bo ob objavi pomembnega članka o novem odkritju spisek avtorjev daljši od samega opisa odkritja …


    Tabela osnovnih delcev in interakcij med njimi.

    In zakaj so tovrstne raziskave zanimive? V zadnjih tridesetih letih se je izoblikovala slika sveta na najmanjših razdaljah, ki jo morda nekoliko neposrečeno imenujemo “standardni model osnovnih delcev in interakcij med njimi”. Po tej sliki sveta lahko osnovne delce razvrstimo v tri generacije (glej sliko). Pri tem je vsaka od generacij skoraj natančna kopija prejšnje. Vsako generacijo sestavlja par kvarkov (delcev z necelim električnim nabojem, ki občutijo močno silo) in par leptonov (delcev, ki ne občutijo močne sile). V prvi generaciji imamo kvarka u in d, medtem ko sta predstavnika leptonov na primer elektron in elektronski nevtrino. Elektrone poznamo še iz osnovne in srednje šoli kot tiste delce, ki sestavljajo elektronski oblak v atomu. Precej domača sta tudi kvarka u in d, saj so iz teh kvarkov sestavljeni protoni in nevtroni, ki gradijo jedra vseh atomov: dva kvarka u in en kvark d sestavljajo proton, en kvark u in dva kvarka u pa nevtron. Elektron ter kvarka u in d so torej sestavni del našega vsakdanjega sveta. Nevtrino je že nekoliko bolj eksotičen, nastane pa recimo pri radioaktivnem razpadu beta. Poleg delcev vsebuje standardni model tudi osnovne interakcije med njimi: elektromagnetno, šibko jedrsko, močno jedrsko in gravitacijsko. Šibka interakcija povzroča že omenjeni radioaktivni razpad beta, medtem ko je močna interakcija tista, ki veže kvarke v jedra.

    Glavni namen raziskav v visokoenergijski fiziki je ugotoviti v kolikšni meri in do katerih energij standardni model predstavlja pravilno sliko sveta. Povsem pravilen ne more biti, ker ne vsebuje kvantne teorije gravitacije. Kljub tej očitni pomanjkljivosti, pa se dosedanji poskusi v laboratorijih odlično ujemajo s standardnim modelom kot smo ga orisali zgoraj. Edini manjkajoči delec v standardnem modelu, ki ga do sedaj še nismo odkrili, je tako imenovami Higgsov bozon. Iskanje signalov o obstoju Higgsovega bozona bo nedvomno eno od torišč raziskav na trkalniku LHC, saj je s Higgsovim bozonom povezan izredno pomemben del standardnega modela. Osnovni delci namreč ravno prek sklopitve s Higgsovim poljem dobijo svojo maso. Ali je takšna razlaga mase delcev pravilna, je za sedaj še odprto vprašanje, vsekakor pa lahko ob meritvah, ki jih bodo opravili na trkalniku LHC, pričakujemo pravi razcvet tega področja. Zaradi posrednih meritev namreč lahko s precejšnjo gotovostjo pričakujemo, da bodo na trkalniku LHC odkrili Higgsov bozon ali pa razkrili kakšen drug mehanizem za tvorbo mas osnovnih delcev.


    Simulacija razpada Higgsovega bozona na prihodnjem eksperimentu CMS na trkalniku LHC.

    Poleg novih smeri raziskovanja, ki jih bodo omogočile meritve, povezane s Higgsovim poljem, lahko pričakujemo napredek tudi na področjih fizike okusa in nevtrinske fizike. Naj se najprej lotim prve. Pojem “okus” nima nikakršne zveze z našimi čutilnimi zaznavami, temveč malce zavajajoče zaznamuje vrsto kvarkov. Omenil sem že kvarka u (angl. up) in d (angl. down) iz prve generacije. Poleg njiju sta tu še dva iz druge generacije, c (angl. charm) in s (angl. strange), ter dva iz tretje generacije, t (angl. top) in b (angl. bottom). Šibka interakcija omogoča prehode med vrstami kvarkov različnih generacij; tako lahko na primer kvark b razpade na kvark c, elektron in elektronski nevtrino, poleg tega najpreprostejšega primera pa obstaja še cela množica redkejših razpadov. Še posebno zanimivi so tisti razpadi, ki so v standardnem modelu prepovedani ali skoraj prepovedani, lahko pa bi potekali, če standardni model ni povsem pravilen.

    Fizika okusa je bila v zadnjem času zelo v ospredju zaradi dveh konkurenčnih eksperimentov, enega v ZDA in drugega na Japonskem. Zaradi velike količine razpadov mezonov B (to so hadroni, ki jih sestavlja en kvark b in en antikvark u, d ali s), ki so jih raziskovalci na eksperimentih izmerili, sta si prislužila poimenovanje tovarni mezonov B. Prva tovarna mezonov B, s posrečenim imenom BaBar, stoji pri univerzi Stanford blizu San Francisca v Kaliforniji, konkurenčni eksperiment Belle pa v Tsukubi na Japonskem. No, v resnici sta oba eksperimenta mednarodne narave. Pri eksperimentu Belle tako sodelujejo tudi slovenski znanstveniki z odseka za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev na Institutu Jožef Stefan pod vodstvom prof. Petra Križana. Slovenci smo udeleženi tudi pri teoretičnih raziskavah v fiziki okusa, saj nas nekaj sodelavcev IJS v skupini pod vodstvom prof. Svjetlane Fajfer na odseku za teoretično fiziko deluje prav na tem področju.


    Del detektorja BaBar, ki je najbližje mestu trka, tako imenovani silicijev verteks detektor.

    Še pred letom ali dvema se je zdelo, da ima fizika mezonov B svetlo prihodnost, saj so bili v načrtu eksperimenti v Fermilabu pri Chicagu, eksperiment LHCb na trkalniku LHC, pa tudi nadgradnje že omenjenih eksperimentov BaBar in Belle. Zdaj vemo, da gradnje eksperimenta v Fermilabu ne bo, na kar je prav gotovo vplivalo zmanjšanje ameriškega proračuna za znanost zaradi vojne v Iraku. Leta 2008 bodo zaprli tudi celotno središče okoli linearnega pospeševalnika pri Stanfordski univerzi (s tem pa tudi BaBar). Poslej bo to središče namenjeno le še proizvajanju sinhrotronske svetlobe, ki je izredno pomembna predvsem za raziskave v biologiji in kemiji ter pri preučevanju materialov. Dodaten udarec bo eksperimentalna visokoenergijska fizika v ZDA doživela, ko bodo ob zagonu trkalnika LHC zaprli njegovega tedaj že nekoliko opešanega tekmeca Tevatron. Prihodnost nadaljevanja eksperimenta Belle na Japonskem je bolj optimistična, saj se zdi nadgradnja v eksperiment SuperBelle dokaj verjetna. Kaže namreč, da se bodo sprostila sredstva, ker so za gradnjo velikega fuzijskega eksperimentalnega kompleksa ITER izbrali Francijo in ne Japonsko. Zaradi velikih vsot, ki so potrebne za tovrstne znanstvene projekte, je pri odločitvah pač vedno vpletena tudi politika. Takole za oceno: tvorba enega mezona B v tovarni mezonov stane okoli 500 SIT (ta številka vsebuje tudi ceno gradnje pospeševalnika), celotno ceno eksperimentov pa lahko bralec izračuna iz podatka, da je vsaka od obeh tovarn do sedaj proizvedla približno 100 milijonov teh mezonov. Za raziskave v fiziki okusa bosta tako v naslednjih desetih letih bržkone ostala le Belle (pozneje verjetno SuperBelle) in eksperiment LHCb na trkalniku LHC.


    Detektor eksperimenta Belle na Japonskem.

    Pravi razcvet nasprotno doživlja nevtrinska fizika. Vseh eksperimentov, ki že obratujejo, jih gradijo ali šele načrtujejo, ne bom niti skušal našteti. Zanimanje za nevtrinsko fiziko se je skokovito povečalo leta 1998, ko so po dobrih treh desetletjih iskanj v poskusu SuperKamiokande na Japonskem končno le izmerili oscilacije nevtrinov med različnimi okusi. Te oscilacije kažejo, da imajo nevtrini maso, medtem ko v najenostavnejši obliki standardnega modela nevtrini nastopajo kot delci brez mase. Resnici na ljubo je treba povedati, da neničelna masa nevtrinov ni bila tako veliko presenečenje, saj so jo teoretični fiziki že dlje časa pričakovali. Pri poskusih v nevtrinski fiziki so bile do sedaj najuspešnejše Japonska, ZDA in Kanada, kljub temu da ima Evropa v Italiji sorazmerno velik laboratorij za nevtrinsko fiziko Gran Sasso. Laboratorij je globoko pod površjem, saj s tem zmanjšajo vpliv ozadja, ki ga ustvarjajo kozmični žarki. Za to so zvito izkoristili že razvito infrastrukturo, tako da do eksperimentalnih dvoran pridemo kar iz avtocestnega tunela, ki poteka skozi visok gorski masiv. Pri enem od dveh eksperimentov v Italiji sodelujejo tudi raziskovalci z IJS, tako da tudi tu držimo korak s svetom. Ker je nevtrinski program šele na začetku svoje poti, lahko v prihodnjih letih na tem področju pričakujemo precej novih odkritij in razburjenj.


    Pot nevtrinskega curka skozi zemljo od laboratorija CERN, kjer bodo curek proizvajali s trki protonov na grafitno tarčo, do laboratorija Gran Sasso.

    Naj takole ob koncu osvetlim še eno nenavadnost iz sociologije visokoenergijske fizike. Raziskovalci s tega področja se delijo na eksperimentalne fizike, teoretične fizike in fenomenologe. Če je vloga eksperimentalnih fizikov jasna (opravljajo pač poskuse), pa je ta manj jasno pri teoretičnih fizikih in fenomenologih. Oboji dejansko opravljajo teoretične raziskave, a je zaradi zanimive folklore danes pojem teoretične fizike visokih energij pridržan skoraj izključno za teorijo strun, medtem ko so fenomenološki teoretični fiziki tisti, katerih teoretične raziskave so pomembne na področju energij, ki jih je dandanes mogoče eksperimentalno preučevati. Energije, o katerih govori teorija strun, so od današnjih eksperimentalnih preizkusov oddaljene tudi do petnajst velikostnih redov (z drugimi besedami, da bi lahko eksperimentalno preizkusili napovedi teorije strun, bi morali energije na trkalnikih povečati tudi do 1015-krat). Kljub tej odmaknjenosti od eksperimentov je teorija strun v zadnjih dveh desetletjih zelo napredovala, še posebej v ZDA. Vsaj v zadnjem letu pa se zdi, da je zašla v (morda začasno) krizo. S približevanjem dokončanja izgradnje trkalnika LHC se težišče visokoenergijske fizike nedvomno nagiba na bolj eksperimentalno stran, zato ni pretirano reči, da bo središče dogajanja v visokoenergijski fiziki naslednjih deset let v Evropi ob Ženevskem jezeru, nedaleč stran od Slovenije. Zanimivo vprašanje ob tem je, zakaj so med članicami CERN-a številne manj razvite države iz Vzhodne in Srednje Evrope, s katerimi se tako radi primerjamo (Bolgarija, Češka, Madžarska, Poljska, Slovaška), Slovenije pa na tem spisku ne najdemo. Zaradi tega trpi predvsem slovenska industrija, saj iz CERN-a ni nikakršnih visokotehnoloških naročil, medtem ko so slovenski fiziki kljub vsemu že tradicionalno prisotni v CERN-u, nečlanstvu v brk. Na srečo namreč znanstveno sodelovanje pri eksperimentih ni vezano na članstvo države …

    (Jure Zupan)