Veliki hadronski trkalnik (Large Hadron Collider, LHC) je kompleks pospeševalnika električno nabitih osnovnih delcev, namenjen trkanju nasprotnih tokov delcev z zelo veliko kinetično energijo. Trkalnik je zgradila Evropska organizacija za jedrske raziskave (CERN) pod Ženevo, na meji med Švico in Francijo. Celotni stroški LHC-ja so ocenjeni na med 3,2 do 6,4 milijarde evrov. V to sta všteta strošek izgradnje kot tudi strošek delovanja v naslednjih letih.
PREDOR STO METROV GLOBOKO
V povprečju sto metrov pod površino, globina variira med 50 in 175 metri zaradi razgibanosti terena na površju, so izkopali krožni predor premera 3,8 metra in skupne dolžine 27 km. V njem sta cevi, znotraj katerih je skoraj popoln vakuum. Ti cevi se križata na štirih mestih (točke možnih trkov), po njih pa pospešujejo žarke (gruče) delcev v nasprotnih smereh do skoraj svetlobne hitrosti. Žarke drži v središču cevi, s tem pa na krožni poti, 1232 dipolnih magnetov (dolžine 15 m), naloga 392 štiripolnih magnetov (dolžine med 5 in 7 m) pa je preprečiti interakcijo med delci znotraj curka. Tik pred trkom posebni magneti zgostijo gručo delcev in s tem povečajo možnost trka. Ker so delci, večinoma bo šlo za protone, tako majhni, je doseči trk med dvema približno tako, kot če bi izstrelili šivanki drugo na drugo na razdalji 10 km, ti pa bi trčili natanko na sredini poti.
Skupaj je v sistemu1600 supermagnetov, ki za optimalno delovanje zahtevajo izredno nizko temperaturo, natančneje 1,9 stopinj K (malce nad absolutno ničlo -271 stopinj C). Magnete hladijo s tekočim helijem.
POVEČEVANJE KINETIČNE ENERGIJE
Če malce poenostavimo, ampak res zelo poenostavimo, lahko dogajanje v trkalniku opišemo z naslednjo prispodobo. Imamo dve krogli, na kateri lahko vplivamo in jima povečujemo hitrost. Predpostavljamo, da sta krogli sestavljeni iz manjših kroglic, vendar ne vemo natančno, kakšnih. Kaj storimo? Krogli pospešimo z veliko hitrostjo eno proti drugi da pride do trka. Pri tem se sprosti energija in krogli razpadeta na kroglice. Tako nekako vse skupaj poteka tudi v pospeševalniku, le da so krogle protoni. Teh sicer ne moremo opazovati, lahko pa jih z magnetnim poljem pospešujemo do skoraj svetlobne hitrosti. Ker je kinetična energija produkt mase in hitrosti, imajo pred trkom protoni energijo 7 TeV, energija trka torej znaša 14 TeV. Hitrost, ki jo v trkalniku dosežejo, je 99,999999 odstotka svetlobne hitrosti, kar, če povemo malce razumljiveje, pomeni, da curek elektronov prepotuje dolžino predora v 90 mikrosekundah oziroma ga v eni sekundi 11 tisočkrat obkroži. Pozneje bodo v trkalniku pospeševali tudi težke svinčeve ione (energija trka 1,175 TeV).
Karkoli bo pri trku že nastalo, bo tako blazno majhno, da ga bodo opazili le detektorji, pa še ti bodo zaznali zgolj sledi. V naslednjih letih bo potekalo več eksperimentov, za vsakega od njih pa so zgradili poseben detektor delcev.
Prevelika pričakovanja?
Osnovni cilj projekta je torej potrditi Higgsov bozon, edini še nepotrjeni osnovni delec, ki ga predvideva standardni model fizike. Niso pa vsi tako optimistični. Svetovno znani teoretik fizike Stephen Hawking stavi simboličnih 70 evrov, da ga ne bodo našli. Omenjeni bozon pa je bistven za model, saj zgolj ta razjasni, kako drugi »potrjeni« osnovni delci dobijo maso. Napovedi so še bolj optimistične. Pričakujejo tudi odkritje novih osnovnih delcev, ki bi standardni model razširili. Kaj se bo res izcimilo iz vsega tega, bomo videli v prihodnjih letih. Vsekakor pa so cilji, bolje rečeno vprašanja, na katera bodo iskali odgovori znanstveniki iz 80 držav, naslednja:
• Ali je Higgsov mehanizem za oblikovanje mase delcev v standardnem modelu resničen (se to dogaja v naravi)? Če da, koliko je Higgsovih bozonov in kakšna je njihova masa?
• So elektromagnetna, šibka in močna jedrska sila le različne manifestacije enotne sile, ki jo predvideva teorija velike združitve?
• Zakaj je sila gravitacije nekajkrat šibkejša od drugih treh sil?
• Obstaja v naravi supersimetrija? Potrditev standardnega modela, ki predvideva, da ima vsak delec supersimetričnega partnerja.
• Kje je »manjkajoča« antisnov?
• Kakšna je narava temne snovi in energije? Ali obstajajo dodatne dimenzije prostora- časa, ki jih napoveduje več modelov, izvedenih iz teorije strun, in ali jih lahko zaznamo?
JUHA DELCEV
Pri eksperimentu Alice bodo drug v drugega zaganjali svinčeve ione in v laboratoriju ustvarili razmere, ki so v vesolju obstajale nekaj trenutkov po velikem poku. Znanstveniki bodo lahko preučevali stanje snovi, imenovano QGP (qvark-gluon plasma – tekoče stanje, ki nastane pri izredno visoki temperaturi in gostoti). Tisto, kar razumemo kot snov, sestavljajo atomi, jedra iz protonov in nevtronov okoli katerih so oblaki elektronov. Protoni in nevtroni niso elementarni delci, saj jih sestavljajo kvarki, ki jih med seboj vežejo gluoni (nosilci močne jedrske sile). Ta sila je tako močna, da do zdaj v naravi še niso opazili samostojnega kvarka. Pri trku svinčevih ionov bo temperatura 100-tisočkrat višja od temperature v jedru Sonca. Znanstveniki upajo, da bo to dovolj, da se bodo protoni in nevtroni iz jedra iona stopili in sprostili kvarke in tako za kratek časa oblikovali plazmo QGP. Odkritje, kako se nato kvarki in gluoni ponovno vežejo v protone in nevtrone, kako se plazma hladi in širi, pa bo morda dalo odgovor, kako je nastalo vesolje, kot ga poznamo danes.
ISKANJE BOŽJEGA DELCA
ATLAS in CMS sta imeni eksperimentov, s katerimi bodo »lovili« Higgsov bozon, če pa bo sreča mila, preverjali še druge nepotrjene hipoteze fizike, kot so dodatne dimenzije in delci, ki sestavljajo temno snov. Cilja obeh eksperimentov sta podobna, vendar njuna detektorja uporabljata različne tehnične rešitve za merjenje poti, energije in tipa delcev, ki nastanejo pri trku.
KJE JE ANTISNOV?
Po predvidevanju fizikalnih modelov naj bi pri velikem poku, ko je nastalo vesolje, nastala enaka količina snovi in antisnovi. Ker vemo, da se obe med seboj izničita, dejansko tega članka ne bi imel ne kdo napisati ne kdo prebrati. Naloga eksperimenta LHCb, ki v primerjavi s prejšnjimi nima enega samega detektorja, ampak jih je več razporejeno okoli mesta trka, je, odgovoriti na vprašanje, kam je šla antisnov. To bodo poskušali odgovoriti s preučevanjem tako imenovanega b-kvarka.
ODGOVOROV ŠE NE BO KMALU!
Iskanje Higgsovega bozona je kot iskanje igle v ogromnem kupu slame. Trkalnik so prejšnji mesec šele pognali in ga kmalu zaradi napak tudi ustavili. Po zadnjih sporočilih ga bodo znova zagnali šele spomladi prihodnje leto, polno obratovanje pa je predvideno še pozneje. Če je standardni model pravilen, potem lahko pričakujejo, da bo nastal po en Higgsov bozon vsakih nekaj ur. Taka so vsaj pričakovanja znanstvenikov. Sliši se zanimivo, vendar bodo pri teh hitrostih potrebovali tri leta neprekinjenega delovanja (pospeševanje – trk), da bodo pridobili statistično jasne podatke, ki bodo potrjevali obstoj tega delca. Podobno velja tudi za iskanje drugih delcev in odgovorov na zastavljena vprašanja. To kaže, da ne gre za hiter eksperiment, ki bi dal takojšne rezultate, temveč za dolgotrajno temeljno raziskovanje, brez neposrednih takojšnih vplivov na razvoj tehnologije.
NOVO OMREŽJE?
Morda ne veste, vendar so splet, natančneje protokol HTTP, ki je danes najbolj prepoznavna storitev interneta, razvili ravno v CERN-u (izumil ga je Tim Berners-Lee). Hoteli so omogočiti znanstvenikom po vsem svetu kar se da hiter oziroma preprost dostop do podatkov in raziskav, ki so jih izvajali takrat. Podobno je tokrat. V okviru projekta LHC bo letno nastalo 15 petabajtov podatkov, za dostop do tega pa so morali razviti novo omrežje. Gre za porazdeljeno omrežje (infrastrukturo) računalnikov in skladišča podatkov, razprostranjeno prek 33 držav, imenovano LCG (LHC Computing grid). Podatki eksperimentov se shranijo lokalno na tračno enoto (vozlišče ničelnega reda) znotraj CERN-a ter sočasno pošljejo v 11 računalniških centrov po svetu (večina jih je v Evropi) z zadostno kapaciteto za hranjene velikih količin podatkov in s hitrimi podatkovnimi povezavami. To so tako imenovana vozlišča prvega reda, ki zagotavljajo podatke 120 vozliščem drugega reda. Tudi ti lahko hranijo velike količine podatkov, hkrati pa zagotavljajo procesorsko moč za njihovo obdelavo in izdelavo analiz. Znanstveniki lahko do podatkov pridejo prek vozlišč tretjega reda, ki so lahko omrežja univerz oziroma inštitutov oziroma njihovi osebni računalniki.
Ravno novo omrežje, pri čemer so znanstveniki napisali vse potrebne programe zanj, bi bil lahko prvi konkretni rezultat trkalnika. Namreč, so še drugi primeri, kjer je v igri veliko podatkov in kjer bi bila ta topologija uporabna.
Bo LHC povzročil konec sveta?
Splet je poln tudi bolj ali manj strokovno podkrepljenih trditev, da bo trkalnik povzročil konec sveta. Največkrat se omenja možnost nastanka stabilne črne luknje, ki bi posrkala celotno osončje. Je črni scenarij sploh možen? Po prepričanju znanstvenikov ne, saj se to, kar bodo izvajali v trkalniku, ves čas dogaja v naravi. In ker tja ne morejo postaviti velikih detektorjev in ne morejo vplivati na čas in pogostost trkov, so zadevo zgolj prestavili v laboratorij.
Kozmični žarki
Kozmični žarki so delci z visoko energijo, ki nastanejo v vesolju in stalno »bombardirajo« zemljo. Kozmični žarki že zaradi definicije nastajajo v vsakem pospeševalniku delcev, tako tudi v LHC-ju, kjer jih lahko znanstveniki podrobno preučujejo. Vendar gre tukaj za okolje, kjer so trki nadzorovani, in dober odgovor skeptikom je, da trki kozmičnih žarkov proizvedejo 100-krat več energije kot LHC. Takih trkov je bilo v zgodovini planeta 100- tisočkrat več, kot jih bodo izvedli znanstveniki, pa Zemlja še vedno obstaja.
Mikroskopska črna luknja
V vesolju črna luknja nastane, ko se ravno prav velika zvezda sesede sama vase, gostota snovi na majhnem prostoru pa je tako velika, da začne vase vleči vso okoliško snov in celo svetlobo. Bojazen je, da bi se pri trku dveh protonov zgodilo nekaj podobnega. Nastala bi mikroskopsko majhna stabilna črna luknja, ki bi zaradi svoje teže potonila v središče planeta in čez čas posrkala ne zgolj planet, temveč celotno osončje. Einsteinova teorija relativnosti tega ne dopušča, dopuščajo pa to nekatere špekulativne teorije. Vendar tudi te predvidevajo, da mikro črna luknja, ki bi nastala v trkalniku, ne bi bila dovolj stabilna in bi izginila prej, kot bi lahko začela vsrkavati okoliško snov.
Trki delci v trkalniku niso primerljivi s trkom kozmičnih žarkov in planeta. Novi delci, ki nastanejo po trku v trkalniku, se gibljejo počasneje od tistih, ki jih povzročijo kozmični žarki. Čeprav teorija ne dopušča nastanka mikro črnih lukenj, pa raziskovanje morebitnih posledic njihovega nastanka po trku kozmičnih žarkov kažejo, da bi bile te popolnoma nenevarne. Bila bi električno nabita ali pa nevtralna. V prvem primeru bi luknjo onemogočila že električna sila med delci (ne bi se mogla gibati), v drugem primeru pa bi luknja brez večjih posledic prešla planet in odplavala v vesolje. Spet je obstoj planeta, planetov in zvezd dokaz, da do katastrofalnih posledic ne more priti. Kajti v nasprotnem primeru bi bile v vesolju zgolj črne luknje.
»Čudna snov«
Angleško »strangelet« je naziv za hipotetično snov, ki jo imenujejo tudi čudno oziroma kvarčno snov. Obstajala naj bi v jedru »težke« zvezde (nevtronske zvezde), drugod pa je še niso potrdili, čeprav jo iščejo že več let. Če poenostavimo, ne gre za črno luknjo, temveč za snov s tako veliko gostoto, da bi se pogreznila v planet in tam ostala. Hipoteza je, da bi lahko takšna snov s svojim gravitacijskim poljem spreminjala normalno snov v sebi enako in tako uničila vse okoli sebe. Kot pravijo znanstveniki, je možnost, da bi v trkalniku nastajala »čudna« snov, zaradi visoke energije delcev enaka možnosti, da bi led nastal v kozarcu z vročo vodo.
Še bolj čudne bojazni
Nekateri pravijo, da vesolje ni v stabilnem stanju in da bi lahko delovanje trkalnika to pahnilo v stabilno stanje, imenovano tudi vakuumski mehurček, v katerem mi ne bi mogli obstajati. Črne scenarije zaključimo z magnetnim enopolom. Šlo naj bi za magnetne delce, ki bi imeli zgolj en pol (severni ali južni). Tak delec, če obstaja, bi lahko povzročil razpad protona in s tem razpad vse snovi, ki nas obdaja. Če trkalnik lahko naredi kaj takega, potem bi zagotovo to lahko storili tudi kozmični žarki. Obstoj planeta je spet dokaz, da do tega, karkoli naj bi to že bilo, ne more priti.
Moj mikro, Oktober 2008 | Marjan Kodelja
