Construirea acceleratorului de particule elementare de la CERN (Centrul European de Cercetari Nucleare) numit Large Hadron Collider (LHC) s-a incheiat si au inceput experimentele pentru care aceasta instalatie a fost gandita. Ionut Purica vorbeste despre particule elementare, despre LHC si despre conceptele implicate in marele experiment de la Geneva.
Text de Ionut Purica
Cum, s-a discutat relativ mult despre acest eveniment, cred ca este bine sa mentionam cateva aspecte care sa creeze o minima baza de intelegere pentru une le notiuni ce sunt vehiculate cu voluptate in media noastra.
Vom vorbi intai despre particule elementare, apoi despre obiectivele urmarite de LHC, incercand sa cream o idee despre conceptele implicate. Nu va asteptat i la un curs de fizica, pentru ca nu este locul aici pentru asa ceva, ci numai la cateva idei si analogii care sa le dea unora dintre dumneavoastra curiozitatea de a cunoaste mai mult.
Un accelerator de particule este un instrument destinat sa "taie" materia pana la ultimii sai constituenti. Asa cum se intampla cand vrem sa taiem ceva (ex. paine), cu cat taietura este mai adanca cu atat trebuie sa apasam mai tare pe cutit. Similar, cu cat acceleratoarele ajung la constituent i mai mici, mai "elementari" ai lu mii, cu atat energia necesara este mai mare.
La CERN functiona un accelerator de electroni si pozitroni (antiparticula electronului avand sarcina pozitiva) LEP, care producea coliziuni cu energie de 180 GeV. LHC are circa 10 TeV si este mai mare si decat acceleratorul Teva tron de la FermiLab din Statele Unite.
Va trebui sa facem aici o intrerupere pentru terminologie:
i) electron volt – eV – este energia pe care o capata un electron care trece printr-o diferenta de potential de 1 Volt; aceasta este produsul intre sarcina electronului (1,6 10-19 Coulomb) si diferenta de potential (1 Volt), rezultand in 1,6 10- 19 Joul (Watt secunda). Este o diferenta intre 10 TeV (10.1012 eV) care este energia ciocnirilor din LHC si cei circa 10 Megawatiora (MWh) pe care ii consuma o locuinta pe an. De altfel, consumul calculat de energie al LHC este de 800.000 MWh, comparabil cu un consumator industrial mare sau cu cantonul Geneva. Mentionam si ca LHC costa 2,6 miliarde de euro.
ii) particulele elementare care au inceput a fi descoperite odata cu electronul (Milikan), neutronul (Rutherford) etc. sunt asociate cu materia si cu fortele care actioneaza asupra ei. Exista astfel fermioni – particule de materie care nu se pot gasi doua in acelasi loc si in acelasi timp – si bosoni – particule asociate cu campurile de forte care se pot suprapune una cu alta. Fermionii sunt particule grele (barioni, ex. protonul, neutronul), formati, la randul lor, din quarks (particule cu sarcina electrica fractio nara si alti parametri specifici) care au interactii tari si leptoni (electronul, muonul si tau cu neutrino asociati) care au interactii slabe. Bosonii sunt caracteristici celor 4 tipuri de interactii intalnite in natura: graviton pentru interactia gravitat ionala; foton pentru interactia electromagnetica; Z, W+ si W- pentru interactia slaba, gluoni de 8 tipuri pentru interactia tare intre quarks, si Higgs – boson neobservat inca care aduce masa pentru bosonii Z si W si pentru quarks si leptoni.
iii) modelul de descriere standard a interactiilor bazat pe ruperea de simetrie care descrie fiecare interactie asociindu-i una sau mai multe particule de tip bosoni. Pentru a intui ruperea de simetrie a naturii vom da exemplul lui Abdus Salam (Premiul Nobel pentru unificarea interactiilor electromagnetice si slabe).
Savantul arata ca in jurul unei mese rotunde pe care sunt asezate tacamurile, inclusiv farfuriile cu paine, pentru fiecare comesean exista o simetrie care se rupe in momentul in care primul comesean alege sa ia paine din farfuria din dreapta sau din stanga sa; apoi ceilalti se adapteaza in consecinta.
In modelul de descriere a interactiilor din natura, fiecare interactie are simetrii specifice care sunt rupte si pentru care se introduc diverse feluri de bosoni. Ei bine, si pentru bosonul Higgs (introdus de Peter Higgs acum circa 45 de ani) se poate imagina existenta unor alte particule care il compun. (Aduceti-va aminte ce spuneam mai sus: cu cat mai multa energie folosim cu atat mai adanc ajungem in componentele lumii.)
Mai mult, modelul de supersimetrie arata ca se poate ca un fermion sa se transforme intr-un boson si sa redevina un fermion cu o translatie spatio-temporala – materia trece in camp si inapoi in materie (seriale TV de tip "Star Gate" nu au aparut din nimic). Mai mult, la scara astronomica s-a introdus notiunea de materie neagra care sa compenseze efecte de deplasare a galaxiilor diferite de rezultatele calculelor facute cu ce stim
azi despre materie si energie.
Ei bine, cu cele cateva precizari de mai sus putem sa enuntam obiectivele experientelor de la LHC.
1. Confirmarea modelului standard de descriere a particulelor elementare si a interactiilor, precum si testarea unor ipoteze ale supersimetriei.
2. Determinarea bosonului Higgs fie ca particula singulara, fie chiar ca o combinatie de alte particule.
3. Cautarea unor noi forte ale naturii asociate cu simetrii nedescoperite inca.
4. Observarea particulelor generate in coliziuni poate conduce la intelegerea istoriei universului si, implicit, a materiei negre.
5. Explorarea unor noi dimensiuni ale spatiului care se manifesta la energiile si scala de marime posibil de atins cu LHC; si generarea de noi intrebari despre natura.
Sa nu credeti ca LHC este sfarsitul, deja se proiecteaza International Linear Collider, care are 11,3 km lungime eliminand unele efecte nedorite ce apar in acceleratoarele circulare (LEP are 27 km in circumferinta), iar LHC si mai mult, dar accelereaza particule grele (protoni).
Trebuie mentionat ca datele pe care le va genera LHC sunt foarte multe, circa 200.000 de DVD-uri, si achizitia lor se face de catre o serie impresionanta de detectori proiectati special, dintre care unii cantaresc 7.000 t sau 12.500 t. Este clar ca va trebui tinut cont si de faptul ca exista un efect cuantic al sistemelor observate in care se simte faptul ca sunt observate si comportamentul este diferit.
Exista si aplicatii concrete de folosinta in afara CERN-ului. Se pare ca webul s-a nascut aici pentru a facilita
comunicarea intre cercetatori, iar ideea de a folosi retele de calculatoare intre care sa se repartizeze calculele este pornita tot din CERN. Alte procedee tehnologice legate de ultra vid, supraconductivitate, electronica rapida, campuri magnetice etc. sunt si ele dezvolta te de intreprinderile care au contribuit la constructia LHC cu efecte colaterale deosebite.
Pe langa cele de mai sus, incheiem cu un comentariu asupra pericolelor folosirii acestui instrument. Este evident ca miscarea de particule genereaza efecte radioactive in zona detectorilor si in alte zone adiacente, dar adancimea de 100 m este suficienta sa protejeze supra fata Pamantului in cadrul CERN. S-a mention at posibilitatea aparitiei unor gauri negre mici care pot inghiti portiuni de spatiu inconjurator. Este putin probabil sa apara si sa dureze in timp atat de mult incat efectele sa se manifeste in vreun fel. De altfel, energia radiatiei cosmice din galaxie si sistemul solar este mai mare decat aceea a LHC si nu se observa efecte ale unor posibile mini gauri negre.
In final, putem spune pe un ton sinistru ca daca va fi inghitit Pamantul (total improbabil) nu trebuie sa ne ingrijoram pentru ca nu vom mai fi deloc, iar daca nu va fi inghitit, atunci acumularea de cunoastere va merita toate eforturile pen tru ca va fi un inceput al unor noi salturi de dezvoltare, precum cele din secolul trecut de care beneficiem la scara planetara astazi.
