CC BY
35
ISTORIJSKI EKSPERIMENT SIMULIRANJA „VELIKOG PRASKA"
Potpukovnik mr Nebojša Gaćeša, dipl. inž.
Uprava za školstvo
U međunarodnoj laboratoriji Evropske organizacije za nuklearna is-traživanja (CERN - Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire), u blizini Ženeve, na francusko-švajcarskoj granici, 10. septembra 2008. go-dine, započeo je istorijski eksperiment simuliranja „Velikog praska", koji mnogi naučnici smatraju najvećim eksperimentom u ljudskoj istoriji.
CERN je smešten u oko hiljadu zdanja u Švajcarskoj i Francuskoj (nad-zemni objekti su većinom u Švajcarskoj, a podzemni uglavnom u Francuskoj). Okuplja oko 6 500 istraživača sa 500 univerziteta iz osamdesetak ze-malja, uključujući i Srbiju, koje opslužuje oko tri hiljade stalno zaposlenih. Osnovan je 1. juna 1953. godine, a jedan od osnivača bila je i naša zemlja. Osnivački akt u ime FNRJ potpisao je naš čuveni naučnik i bivši predsednik Srpske akademije nauka i umetnosti - akademik Pavle Savić, koji je bio i jedan od osnivača i prvi direktor Nuklearnog instituta Vinča.
Jugoslavija je 1961. godine istupila iz članstva u Evropskoj organiza-ciji za nuklearna istraživanja, a krajem oktobra ove godine predstavnici naše vlade podneli su molbu za učlanjenje Srbije u ovu organizaciju.
U najvećem naučnom poduhvatu u istoriji, sudaranjem snopova protona koji se kreću gotovo svetlosnom brzinom, naučnici će pokušati da dočaraju pr-vih nekoliko delića sekundi posle „Velikog praska" (Big Bang), strahovite eks-plozije u kojoj je pre oko 13 milijardi i 700 miliona godina nastao kosmos. Cilj je da se otkriju tragovi „neuhvatljive" ili „Božije čestice" koja je, kako se pretpo-stavlja, izvorište mase za sve ostale elementarne čestice, odnosno, da se ko-
111
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 08
načno dokažu takve dosadašnje naznake. Time bi čovečanstvo bilo blizu od-gonetanja ustrojstva čitavog kosmosa i najsićušnijih tvari. Ova čestica nazva-na je i Higsov bozon, prema škotskom istraživaču Piteru Higsu.
Simulacija lova na Higsov bozon Veliki hadronski sudarač - kcelerator
LHC (perspektiva pod zemljom)
U tu svrhu izgrađen je najveći, najsloženiji i najskuplji akcelerator -„Veliki hadronski sudarač" (LHC - Large Hadron Collider), koji predsta-vlja graditeljski poduhvat bez premca, s obzirom na to da je ova veoma skupocena mašina položena u 27 km dugačak kružni prsten, koji se nala-zi na dubini od sto metara ispod zemlje. Izgradnja tog kompleksa tajala je 14 godina i koštala 8 milijardi dolara^ Kružni tunel se većim delom prote-že ispod Francuske, a manjim ispod Švajcarske.
Akceleratori su, inače, veliki uređaji koji ubrzavaju elementarne če-stice (elektrone, protone). To se najčešće postiže tako što snop čestica kruži u jakom mangentnom polju koje mu dodaje energiju u svakom okre-tu. Osnovna ideja je da se tako ubrzanim snopovima gađa neka meta ili da se snopovi međusobno sudare, kako bi se oslobodila velika energija iz koje mogu da nastanu nove čestice. Pomoću njih LHC će omogućiti da se potvrde i razreše neke tajne standardnog modela, teorije koja opisuje strukturu materije, odnosno, onog od čega je čitav svet sačinjen.
Prema današnjoj najprihvaćenijoj teoriji standardni model kosmosa zasniva se na tri ključne pretpostavke:
- prva pretpostavka podrazumeva da je celokupna materija sačinje-na od dve grupe čestica - šest leptona i šest kvarkova. Imajući u vidu da svakoj odgovara po jedna antičestica, broj se udvostručuje, pa tako ima-mo 24 osnovne ili „gradivne ciglice";
- druga pretpostavka jeste da međudejstva (interakcije) čestica, opisana matematičkim zakonima, počivaju na tri sile - slaboj, elektromagnetskoj i jakoj. Pri tome se u malom svetu elementarnih čestica zanemaruje gravitaciona sila;
- treća pretpostavka je da se dejstvo ili prenošenje sila obavlja raz-menom čestica, pri čemu svakoj vrsti naboja odgovara određena čestica prenosilac (bozon).
U podzemlju CERN-a nalaze se četiri lanac-akceleratora: čestice kreću iz najmanjeg i, ubrzavajući se, prelaze u sve veće, a na kraju stižu u najveći - „veliki hadronski sudarač“.
Velika slika: Otisak u sudaru protonskih mlazeva Slika u levom okviru: izgled podzemnih tunela Slika u desnom okviru: deo najvećeg akceleratora na svetu
Takođe, zbog stvaranja ogromne temperature usled sudara čestica, nekoliko dana ranije otpočelo je i hlađenje tečnim helijumom kakvo do sada nije postojalo: do 270°C ispod nule (ili 1,8°K), što je veoma blizu apsolutne nule (to je jedna od najnižih temperatura u univerzumu, što je niže od temperature u otvorenom svemiru).
U ovom ogromnom akceleratoru ubrzavaju se snopovi protona gotovo do svetlosne brzine, poslednje poznate i priznate granice; svaki će projuriti 11.245 puta u sekundi. Zatim se proučavaju tragovi kako bi se stiglo do poslednjeg, krajnjeg, od kojeg je sve satkano, tj. do atomosa, kako ga je pre dve i po hiljade godina nazvao Demokrit iz Abdere.
Ako u sudaru ima dovoljno energije nastaju nove čestice i nove koli-čine energije, jer se energija i materija - prema čuvenoj jednačini Alberta Ajnštajna (E = mc2) - pretvaraju jedna u drugu. Što je energija ubrzanja veća, to se dublje prodire u materiju.
Većina do sada poznatih ubrzivača i sudarača ipak nije toliko velika i neobična, kao npr. televizor (koji to isto predstavlja u malom). Kod televi-zora elektrone ispušta zagrejana žica, ubrzava ih električno polje, usme-rava magnetsko, a elektroni se otkrivaju - detektuju kada pogode ekran.
„Veliki hadronski sudarač“ sastavljen je od podzemnog koluta sa dve cevi, u kojima se ubrzavaju „reke protona“, u suprotnim smerovima, svaki energije do sedam TeV, i četiri detektora, u kojima se posmatraju sudari. Snažnim magnetima, indukcije do 8 Tesla, postavljenim sa strane, mla-zevi čestica se savijaju da bi strujali kružnim tokom. Na mestima sudara njihova energija se udvostručuje na 14 TeV.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 08
Svaki proton dostiže gotovo svetlosnu brzinu koja je približno 300.000 km/s, a u tački sudara temperatura dostiže deset hiljada milijardi °C, i više. Zato se magneti hlade tečnim helijumom.
Akceleratori predstavljaju i svojevrsni džinovski mikroskop u kojem se kroz detektore - elektronske oči - posmatra sastav subatomskih čestica, toliko stisnutim da razmaci među njima ne prelaze jedan femtometar (bili-jarditi deo metra ili 10-15). Ovi detektori imaju i svoje nazive: ogromni de-tektor ATLAS, uporedo sa drugim LHC-ovim džinom od detektora CMS-om, pokušaće da u tom mnoštvu ulove pomenuti Higsov bozon, misterio-znu, teorijom predskazanu česticu koja je „odgovorna" za masu u svemiru.
Finalne pripreme u tunelu LHC-a Detektor ATLAS
U pratećim eksperimentima, veliki broj novonastalih raznovrsnih če-stica osvetliće i stanje u ranom univerzumu, neposredno posle Velikog praska, razrešiti dileme o teoriji supersimetrija i odgovoriti na pitanje zaš-to svet nije načinjen od antimaterije, već samo od materije. Zanimljivo je da su ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku japanski naučnici koji se bave problematikom materije i antimaterije. Nakoto Cobajaši, To-šihide Masakava i Joičiro Nambu su objasnili anomalije u prirodi materije i porekla univerzuma koji je nastao u „Velikom prasku".
Sudari, odnosno događaji, proučavaće se na četiri mesta (tri u Fran-cuskoj i jedno u Švajcarskoj), tamo gde su detektori postavljeni, radi sni-manja 800 miliona proton-proton sudara u sekundi. Iz svakog sudara sliva-će se po deset miliona podataka, što predstavlja do sada nezabeleženu
količinu izračunavanja. Stručnjaci su u tu svrhu predložili projekat i izradu specijalne računarske mreže, pošto nijedan postojeći superkompjuter nije u stanju da se uhvati u koštac sa tolikim izračunavanjima.
Eksperiment bi trebalo da da rezultate nakon jedne godine, kada bi progonjeni Higsov bozon trebalo da se uhvati u zamku. Kada on bude izmeren i izučen, razotkriće se jedna od najvećih tajni fizike i kosmologi-Detektor cms na LHC-u je: poreklo mase čestica. Naime, zamišlja se
114
da je kosmos ispunjen jednim poljem^Higsovim poljem, koje prožima sav va-kuum i koje postoji apsolutno svuda. Čestice pod dejstvom tih polja stiču ma-su, a to je masa mirovanja. Masa nije unutrašnja odlika čestica, već nastaje u njenom međudelovanju (interakciji) sa okolinom. Higsovo polje daje masu predmetima na svim mestima, i to bez ikakvog usmeravanja.
Pre ovog eksperimenta postojao je niz istraživačkih predradnji. Tako je npr. pre „velikog hadronskog sudarača" (LHC-a) postojala njegova pre-teča - „veliki elektronsko-pozitronski sudarač" (LEP). Pomoću njega za-beležena su dva događaja za koje se veruje da bi mogli da budu tragovi Higsovog bozona. Istraživanja su bila okončana, mašina rastavljena i sa-stavljen je novi akcelerator (LHC) koji će, kako se očekuje, biti uspešniji, jer će se čestice ubrzavati do većih energija nego ranije. Naime, CERN je 1994. godine odlučio da se budući LHC smesti u kanal prethodnog akce-leratora LEP-a. Zatim su obavljene razne administrativne i tehničke pri-preme za izgradnju. LEP je definitivno zatvoren 2000. godine i sva opre-ma je narednih godina podignuta na površinu i zamenjena novom.
U ovom najzamašnijem naučnom poduhvatu u ljudskoj istoriji uče-stvuju i srpski istraživači: jedna istraživačka grupa iz „Instituta za nuklear-ne nauke Vinča" na čelu sa dr Petrom Adžićem (radi na detektoru CMS) i druga iz „Instituta za fiziku" na čelu sa dr Draganom Popovićem (učestvu-je u eksperimentima na detektoru ATLAS).
Takođe, pojedine konstruktivne elemente ovog složenog sistema iz-radila su i srpska preduzeća. Tako je preduzeće Zastava Alati izradilo hidraulične držače za veliki detektorski sistem na akcelatoru.
Pripreme eksperimenta pratile su i neke sumnje. Tako je čuveni astro-fizičar Stiven Hoking javno izjavio da se tajanstvena čestica neće pronaći. Inače, Stiven Hoking se sa svojim kolegom Rodžerom Penrouzom, prosla-vio sa opisom „crne rupe". Pojedini naučnici idu i dalje, pa se tako već me-secima pre početka eksperimenta u javnosti podgrevalo nagađanje da će se pojaviti manja „crna rupa", koja bi vremenom narastala i nakon nekoliko godina usisala kompletnu Zemlju. Dvojica fizičara, Stiven Godings sa Kali-fornijskog univerziteta Santa Barbara, i Mikelanđelo Mangano iz CERN-a, nedavno su to opovrgli u uglednom časopisu „Fisical review", tvrdeći da bi, eventualna tako stvorena „crna rupa", isparila u deliću sekunde.
Ovakve katastrofične teorije nisu mnogo više od običnih spekulacija, ali ako bi na novom akceleratoru na kraju došlo do nezgode u kojoj bi nastala crna rupa, bilo bi to gore od svih postojećih opisa Sudnjeg dana. Objekat kao što je crna rupa bi mogao usisati ozbiljno parče prostor-vremena, veće od Sunčevog sistema. Prave astronomske crne rupe, kao jedno od mogućih stanja u kojima će masivne zvezde posle milijardama godina duge evolucije provesti svoju penziju, podrazumeva deo prostora gde je gravitaciono polje toliko jako da čak ni svetlost ne može da ga napusti. Međutim, crne rupe gu-be energiju tzv. Hokingovim zračenjem. Prema postojećim proračunima, mi-kroskopske crne rupe, čak i da nastanu pri maksimalnim energijama na LHC-u, bile bi nestabilne i iščezle bi za svega 10-100 sekundi.
115
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 08
U CERN-u veruju da, ako pak, i postoji mogućnost da nastanu mi-kroskopske crne rupe koje su stabilne i ne gube energiju, to znači da ta-kve objekte već stvaraju kosmički zraci koji inače padaju na planetu. Me-đutim, to se ne događa, a i ako se događa, u CERN-u smatraju da je oči-gledno bezopasno, jer planeta još uvek postoji.
Fizičari čak misle da bi nastanak takve crne rupe otvorio novo pogla-vlje u fizici čestica.
Uz ovaj bukvalno najcrnji scenario, novi akcelerator, kao i gotovo svako tehnološko čudo u istoriji, izaziva i čitav niz drugih strahova. Tako postoji zabrinutost da bi na njemu moglo doći do nastanka misterioznih strangeleta, magnetnih monopola, vakuumskih mehurova ili kosmičkog zračenja koje bi uništilo naš svet.
Određene kontroverze u vezi sa eksperimentom otklonili su nezavisni eksperti organizovanim uvidom i analizom studije o sigurnosti eksperimen-ta. Najpre je izveštaj sastavila Grupa za sigurnost LHC-a (LHC Safety Study Group), koju su činili naučnici iz CERN-a, sa Univerziteta u Kaliforniji i Instituta za nuklearne nauke Ruske akademije nauka. Njihov izveštaj pre-gledao je panel od pet nezavisnih naučnika, među kojima je i jedan nobe-lovac, da bi ga, konačno, predstavio Komitetu za naučnu politiku (SPC, Scientific Policy Committee). Dvadeset članova ovog komiteta je tajno gla-salo o izveštaju i usvojilo ga, posle čega je Savet CERN-a saopštio da ne-ma nikakve pretnje po čovečanstvo od novog akceleratora.
Ipak, na samom početku došlo je do nekih nepredviđenih teškoća. Ta-ko je tri dana nakon početka eksperimenta došlo do hakerskog upada u ra-čunar Evropske organizacije za nuklearna istraživanja, što je izazvalo zabrinutost u vezi sa bezbednošću najvećeg naučnog eksperimenta u istoriji. Grupa koja sebe naziva „Grčki bezbednosni tim" saopštila je da je samo želela da ukaže na slabosti u vezi sa bezbednošću računarske mreže veli-kog sudarača protona, a ne da nanesu štetu ovom multimilionskom ekspe-rimentu. Ipak, hakeri su uspeli da pronađu slabost u samo jednom javno dostupnom veb sajtu CERN-ove mreže, koji je odvojen od glavnog progra-ma za zaštitu od upada, ali bi, uprkos tome, posledice mogle biti ozbiljne.
Na žalost, posle nekoliko dana rada došlo je do prvog kraćeg isklju-čenja, a nakon tri nedelje do drugog. Kvar je nastao zbog isticanja heliju-ma u tunel. Ispostavilo se da je zastoj bio mnogo ozbiljnije prirode, pa je prema poslednjim informacijama nastavak eksperimenta odložen do pro-leća 2009. godine, nakon redovne zimske pauze.
Literatura
[1] Zvanična prezentacija CERN-a, http://www.cern. ch/
[2] Eksperiment ATLAS: http://atlas. ch/index. html
[3] Eksperiment CMS: http://cms. cern. ch/
[4] Stojiljković, S: Veliki lov na „Božiju česticu", Politika - kultura umetnost nauka, Beograd, 6. 9. 2008.
[5] Bubnjević, S.: CERN: Mašina sudnjeg dana?, www.b92. net
