32 Aktuelno.indd

Транскрипт

1 Природне науке Natural sciences Eстественныe науки Ве ли ки ха дрон ски ко лај дер (ЛХЦ) у Европском цен тру за ну кле ар на ис тражива ња (ЦЕРН) 369 Увод У овом чланку намењеном широј академској пу бли ци дат је кра так пре глед основних праваца истраживања у савременој физици елементарних честица у контексту почетка рада највећег акцелератора на свету, Великог хадронског колајдера (ЛХЦ) 1. Овај ак це ле ра тор је део ком плек са Европског центра за нуклеарна истраживања (ЦЕРН), 2 ко ји се на ла зи у бли зи ни Женеве и простире се на територији двеју суседних држава: Швајцарске и Француске. Осим уво да и за кључ ка рад са др жи четири дела. У првом делу дефинисани су основни појмови везани за елементарне че сти це и фун да мен тал не ин тер ак ци је и њихову унификацију. Тема другог дела је екс пе ри мент у фи зи ци еле мен тар них честица, у трећем делу су дате техничке карактеристике ЛХЦ, док је те ма че твр тог дела физика на ЛХЦ. 1. Фи зи ка че сти ца Вероватно једну од најједноставнијих дефиниција физике елементарних че сти ца дао је Едвард Ви тен. Он ка же да је физика честица савремени назив за вековима старе напоре да се разумеју закони природе 3. Два глав на пи та ња на која би требало да одговори физика честица јесу: Ко ји су основ ни кон сти ту ен ти м а те ри ј е? Које силе делују међу њима? За да так екс пе ри мен тал не фи зи ке честица је да произведе интеракције 1) Скраћеница ЛХЦ по ти че из ен ле ског је зи ка од ре чи Large Hadron Collider. Иако се реч collider на срп ски мо же пре ве сти и као су да рач, уоби ча је но је да се ко ри сти тер мин колајдер када су акцелератори у питању. 2) Скраћеница ЦЕРН по ти че из фран цу ског је зи ка од ре чи Centre Européenne pour la Recherche Nucléaire. 3) У оригиналу Витенова дефиниција гласи: Particle physics is a modern name for centuries old effort to un der stand the laws of na tu re. 32 Aktuelno.indd :22:24

2 370 међу честицама, а да затим изучава производе тих интеракција. Под изучавањем се под ра зу ме ва иден ти фи ка ци ја че сти ца насталих у интеракцији и мерење (са највећом могућом тачношћу) њихове енергије и положаја у простору. Према стандардном моделу (владајућој теорији у физици елементарних честица) материја се састоји од фермиона, честица чији је спин 4 јед нак ½. Tи елементарни фермиони деле се на кваркове (има их укуп но шест) и леп то не, ко јих та ко ђе има шест. Квар ко ви не мо гу да егзистирају као слободне честице, већ улазе у састав тешких честица, хадрона, као што су на при мер про тон и не у трон, ко ји са чи ња ва ју је згро ато ма. Леп то ни су лаке елементарне честице, и у њих спада електрон, прва елементарна честица која је от кри ве на у екс пе ри мен ту ко ји је из вео Џ. Џ. Том сон. Честице материје се узајамно привлаче и одбијају (интерагују) размењујући бозоне, честице чији спин је цео број. Фун да мен тал не ин тер ак ци је, основ не силе којима честице узајамно делују, јесу гравитациона, електромагнетна, јака и слаба интеракција. Присуство првих двеју си ла, гра ви та ци о не и елек тро маг нет не, познато нам је из свакодневног живота, док јака и слаба интеракција делују у микросвету. Јака интеракција држи на окупу атомско језгро, док се под утицајем слабе, на пример, одвија бета радиоактивни распад 5. Савремена физика тежи да помоћу фун да мен тал них ин тер ак ци ја опи ше све до сада познате и предвиди нове феноме не. Та ко ђе, те жи се да се број раз ли читих ти по ва ин тер ак ци ја сма њи кон струисањем теорија које обједињују две или ви ше њих. Овај по сту пак на зи ва се унификација, који у физици траје већ више од три века. Прву унификацију извршио је још у се дам на е стом ве ку Исак Њутн, ко ји је ује ди нио не бе ску и зе маљ ску ме ханику, показавши да се јабука која пада на Земљину површину покорава истом уни вер зал ном за ко ну гра ви та ци је, као и пла не те ко је се кре ћу око Сун ца. Век и по касније Џејмс Кларк Максвел је објединио све до та да по зна те елек трич не, магнетне и светлосне законе у теорију која се данас зове Максвелова електродинамика. Максвелове једначине предвиђале су и постојање електромагнетних таласа, који су први пут детектовани Херцовим огле дом го ди не. Сле де ћи, и за са да последњи успешан, корак представља Стандардни модел електрослабих интеракција, који су године конструисали Вајнберг, Салам и Глешоу. Једина недостајућа карика за потврђивање ове теорије је Хигсов скалар, честица која игра кључну улогу у истоименом механизму и која још увек ни је от кри ве на. Де фи ни тив ни од говор, по твр дан или не га ти ван, на то да ли постоји Хигсова честица пружиће ЛХЦ. 2. Екс пе ри мет у фи зи ци еле мен тар них честица За савремени експеримент у физици елементарних честица неопходан је акцелератор, у коме ће се честице убрзавати до брзина блиских брзини светлости. Неопходни су и детектори помоћу којих ће се 4) Спин је појам чијом се прецизном дефиницијом нећемо бавити. За потребе разумевања овог чланка биће довољно да га читалац схвати као унутрашњи моменат импулса, својство које попут наелектрисања поседује свака честица. 5) У бе та рас па ду је згро ато ма еми ту је елек трон (по зи трон) и ан ти не у три но (не у три но). 32 Aktuelno.indd :22:30

3 идентификовати честице настале у интеракцији, потребни су и компјутери који ће об ра ди ти огром ну ко ли чи ну за бе ле же них података, али су наравно неизбежни и људи који ће интерпретирати добијене ре зул та те. Да бисмо пружили одговоре на нека од најчешћих питања која се постављају у вези са извођењем експеримената у физици честица, послужиће нам Радерфордов експеримент, изведен пре готово сто година, тачније године. Радерфорд је бомбардовао танку златну фолију ал фа-че сти ца ма 6 и при ме тио је да се сва ка десетохиљадита честица одбија од мете док оста ле про ла зе кроз њу. Овај ре зултат био је у су прот но сти са та да ва же ћим Томсоновим моделом атома, названим и гро жђе у пу дин гу, пре ма ко ме се атом састоји од помешаних позитивних и негативних делића. Радерфорд је закључио да је је згро ато ма ве о ма ма ло у од но су на његову укупну запремину: ако би атом имао преч ник 10 ме та ра, је згро би би ло ве ли чи не чи о ди не гла ве. Да кле, екс пе римент нам омогућава да потврдимо или одбацимо наше теорије. Радерфорд је недвосмислено утврдио да се атом са сто ји од си ћу шног је згра и елек трон ског омо та ча. Али он ни је от крио да се је згро са сто ји од про то на и неутрона. Зашто Радерфорд у свом историјском експерименту није видео кваркове? Одговор на ово питање даје нам Де Брољева релација, у чијој основи лежи дуална таласно-честична природа материје према којој се свакој честици придружује талас, чија је таласна дужина једнака количнику Планкове константе и импулса честице. Дакле, што је финија, сит ни ја струк ту ра ко ју же ли мо да из у- чавамо, потребно је да за то употребимо честицe што ма ње Де Бро ље ве та ла сне ду жи не. Но, што је Де Бро ље ва та ла сна ду жи на ма ња, то је им пулс, а са мим тим и енергија честице већа. Сходно томе, Радерфорд није видео кваркове због тога што није имао довољно енергије. Радерфордов експеримент је поставио стандарде у физици елементарних честица. Глав ни еле мент ни су и да нас исти: сноп честица, мета и детектор. Сазнања о елемен тар ним че сти ца ма цр пи мо из ме та детектор деловања. У основи шема експери мен та ни је мно го раз ли чи та од на чи на на који опажамо ствари у свакодневном животу: наше око опажа (детектује) светлост одбијену од предмета. 3. ЛХЦ Као што смо већ ре кли, же ли мо да до ведемо честице у интеракцију и да изучавамо производе тих интеракција. Али за то нам је по треб но до вољ но енер ги је. Што су че ти це те же, по треб но нам је ви ше енергије, јер је према Ајнштајновој релацији енергија једнака маси помноженој са квадратом брзине светлости. Улога акцелератора је да убрза честице до жељених енергија. Први модерни акцелератор био је Ло рен цов ци кло трон у Бер кли ју у САД, конструисан Његов пречник био је десет центиметара, а израда је коштала двадесет пет ондашњих долара. Убрзавао је елек тро не до енер ги ја од ми ли он елек трон вол ти ) Алфа (α ) честице представљају језгро атома хелијума и настају у истоименом радиоактивном распаду. 7) Електронволт (ev) је јединица за енергију која се користи у хемији, атомској физици, нуклеарној физици и физици елементарних честица. Између елентронволта и џула (Ј), јединице за енергију СИ система, важи следећа релација: 1 ev = 1, J 32 Aktuelno.indd :22:31

4 372 Данас свет располаже акцелератором обима двадесет и седам километара, чији преч ник из но си пре ко осам и по ки ло метара. У његову конструкцију је уложено десет милијарди долара, у изградњи је учествовало десет хиљада научника и ин же ње ра из сто зе ма ља. ЛХЦ убр за ва протоне који су готово две хиљаде пута те жи од елек тро на до енер ги ја од се дам билиона електронволти. Два највећа детектора који се налазе на супротним крајевима акцелераторског прстена теже више хиљада тона. За разлику од експеримената са фиксном ме том, као што је на при мер Ра дерфордов, у ЛХЦ ће се сударати снопови протона отуда и назив колајдер (сударач). На тај на чин по сти же се бо ље ис коришћење уложене енергије. За разумевање ове чињенице може нам послужити и пример из свакодневног живота: опасни ји су и ве ћу ма те ри јал ну ште ту иза зивају чеони судари возила него судар паркираног возила и возила које се креће. Про то ни ће се до бр зи не од 99, % бр зи не све тло сти убр за ва ти у не ко ли ко фа за, при че му ће у сва кој би ти ис коришћени стари акцелератори који су ра ни је би ли у упо тре би у ЦЕРН-у. Да би се про то ни кре та ли ово ли ком бр зи ном по кру жној пу та њи, по треб но је ве о ма ја ко маг нет но по ље. Ин тен зи тет маг нет ног поља које делује на протоне износи чак 8,4 Т 8, што је ми ли он пу та ја че од Зе мљиног маг нет ног по ља. Да би се то по сти гло, ко ри сте се ја ки су пер про вод ни маг не ти који се хладе помоћу течног хелијума. ЛХЦ троши тридесет две хиљаде литара теч ног хе ли ју ма на сат, па се с пра вом може назвати и највећим фрижидером на све ту. Сно по ви про то на се кре ћу бр зи ном бли ској бр зи ни све тло сти у тзв. бу ке ти ма и укрштају се четрдесет милиона пута у секунди. При сваком укрштању дешава се око двадесет и пет судара, односно како се то струч но ка же има мо око ми ли јар ду догађаја у секунди, од којих највећи број ни је ин те ре сан тан. 4. Фи зи ка на ЛХЦ Екс пе ри мен ти на ЛХЦ би тре ба ло да од го во ре на не ка од отво ре них пи та ња у физици елементарних честица. Поменућемо само неколико њих. Порекло масе. Стандардни модел не об ја шња ва по ре кло ма се честица, ни за што не ке че сти це има ју ма су, а не ке не. Могућ одговор даје Хигсов механизам по коме је цео простор испуњен Хигсовим по љем и че сти це сти чу ма су ин тер а гу ју ћи са тим пољем. Честице које јаче интерагују су теже и обрнуто. Хигсово поље подразумева постојање Хигсовог бозона. Неоткривене симетрије. Стандардни мо дел не да је је дин ствен опис свих основних сила које делују у природи. Могућ оквир за то уједињење даје суперсиметрија, која претпоставља да свака честица има свог су пер парт не ра, ма сив ну су персиметричну честицу. Поред тога, ова теорија предвиђа постојање најлакше суперсиметричне честице, које су добри кан ди да ти за там ну ма те ри ју. Ан ти ма те ри ја. Са свим је из ве сно да је велики прасак произвео једнаку количи ну ма те ри је и ан ти ма те ри је. Ме ђу тим, данашња посматрања указују да је наш универзум састављен готово само од материје. ЛХЦ би мо гао да од го во ри на пи та ње 8) Т (Тесла) је јединица за јачину магнетног поља. У савременој терминологији значење појмова магнетно поље и магнетна индукција је размењено. 32 Aktuelno.indd :22:31

5 како је настала асиметрија између материје и антиматерије, истражујући танану разлику која постоји између њих. Че сти це у Стан дард ном мо де лу. ЛХЦ ће изучавати понашање основних честица у Стан дард ном мо де лу: W и Z бо зо на, ко ји преносе слабе интеракције, као и топ и ботом кваркова. Било које неслагање са постојећим мерењима ће указати на слабост Стандардног модела. Постојање екстрадимензија. Ово питање је вероватно привукло највише пажње медија и узбуркало јавност када је об ја вље но да ће се то ком ра да ЛХЦ фор мирати црна рупа која ће прогутати најпре ЦЕРН, за тим Же не ву, Зе мљу и цео Сун чев си стем. На рав но, ни шта се од то га не ће догодити. Ипак, многи физичари који се баве теоријама гравитације предвиђају да ће се на ЛХЦ формирати мини црне рупе које ће испарити 9 за милијардити део милионитог дела секунде. Ипак, појава ових цр них ру па би мо гла да зна чи да осим четири за сада познате постоји још једна (екстра) пета димензија. Да б и с е од г о в о ри ло на поме н у т а пи та ња, фор му ли сан је тзв. ЛХЦ про грам, ко ји има не ко ли ко за да та ка, од ко јих су најзначајнији: Тражење Хигсовог бозона у целом домену масе; ако Хигсов бозон буде пронађен, вршиће се мерење његових параметара. По тра га за су пер си ме трич ним че сти ца ма и дру гим че сти ца из ван Стандардног модела (суперсиметрич не че сти це, леп то квар ко ви, но ви леп то ни и квар ко ви Прецизна мерења: маса W-бозона, топ кварка, константа јаке интеракције Фазни прелаз из хадронске материје у кварк-глуонску плазму. Закључак У закључку, или уместо њега, покушаћемо да одговоримо на питање да ли почетак рада ЛХЦ пред ста вља и по четак краја физике. Најбољи одговор нам пружа изјава Макса Борна са Седмог Солвејевог конгреса физике који је одржан го ди не и на ко ме су из ме ђу оста лих би ли при сут ни: П. Ди рак, Е. Ло ренц, В. Хајзенберг, М. Кири, Е. Радерфорд, Л. Мајт нер, Л. де Брољ и мно ги дру ги, без чи јих от кри ћа се не би мо гао за ми сли ти наш свакодневни живот. Понесен успесима науке на почетку прошлог века, а под се ти мо да се та да већ зна ло за електрон, фо тон, про тон, не у трон, по зи трон, теорију релативности, квантну механику, радиоактивност, Борн је изјавио: Физика ће, као што знамо, бити завршена за шест месеци. Данас, више од седамдесет година касније, тешко да би се ико усу дио да да ова ко сме лу из ја ву. Бра ни слав Цвет ко вић (Београд) 373 9) Чувени британски научник Стивен Хокинг је открио да су и црне рупе термодинамички објекти, да и оне губе енергију путем зрачења које носи његово име. 32 Aktuelno.indd :22:31