CERN: Mašina sudnjeg dana?

Prošlog meseca je jedna holivudska filmska ekipa posetila gigantsko naučno postrojenje koje Evropska organizacija za nuklearna istraživanja, prepoznatljiva po skraćenici CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) gradi već 14 godina iznad Ženevskog jezera, na švajcarsko-francuskoj granici [1].

Detektor CMS na LHCu

Naime, poznati reditelj, producent i glumac Ron Hauard snima film “Anđeli i demoni” po bestseler romanu Dena Brauna, koji se inače izuzetno proslavio svojim potonjim delom “Da Vinčijev kod” [11]. Mada se u detektivskom zapletu, “Anđeli i demoni” uglavnom bave Vatikanom, deo radnje ovog romana i budućeg filma se odigrava u CERN-u, na novom akceleratoru čije je ime Veliki sudarač hadrona, odnosno LHC (Large Hadron Collider).

Deo Hauardove ekipe posetio je jedan od detektora akceleratora, poznat kao ATLAS i vrlo pažljivo snimio ovaj deo postrojenja. Samo snimanje filma još nije počelo, a snimci sa impresivnog detektora će se pomoću naročitog softvera dodati scenama koje tek treba da se odigraju u studiju. Zapravo, ovo je bila jedna od poslednjih prilika da se neka filmska ekipa spusti u kanal akceleratora, pošto najveća mašina koju su ljudi ikada napravili počinje sa radom [2].

Strepnja od crne rupe

Posle 14 godina iščekivanja, fizičari u CERN-u sa izuzetnim nestrpljenjem očekuju pokretanje LHC-a, uz najave da će novi kolajder razbistriti dosadašnji pogled na Univerzum, misteriju njegovog porekla i razne tajne sveta elementarnih čestica [1].

Sa druge strane, LHC izaziva i puno strepnje, o kojoj se ovog leta dosta piše i govori u medijima, zbog ne baš uverljivih, ali svakako zlosutnih najava da bi u njemu mogla nastati ni manje ni više nego – crna rupa. Prema nekim teorijama ekstra dimenzija, u sudarima čestica na LHC-u mogle bi da se pojave mini crne rupe, koje bi bile uporedive sa dimenzijama elektrona [više o tome u 8].

LHC

Ovakve teorije nisu mnogo više od običnih spekulacija, ali ako bi na novom akceleratoru na kraju došlo do prilično gadne 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 gube energiju takozvanim Hokingovim zračenjem. Prema postojećim proračunima, mikroskopske crne rupe, čak i da nastanu pri maksimalnim energijama na LHC-u, bile bi nestabilne i iščezle bi za svega 10-100 sekundi [4].

U CERN-u veruju da, ako pak, i postoji mogućnost da nastanu mikroskopske crne rupe koje su stabilne i ne gube energiju, to znači da takve objekte već stvaraju kosmički zraci koji inače padaju na planetu [4]. Međutim, to se ne događa, a i ako se događa, u CERN-u smatraju da je očigledno bezopasno, jer planeta još uvek postoji. Fizičari čak misle da bi nastanak takve crne rupe otvorio novo poglavlje u fizici čestica. Ako u međuvremenu, ne otvori novo poglavlje u istoriji galaksije.

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. O crnim rupama i ovim pretnjama više možete pročitati u poslednjem izveštaju Grupe za sigurnost LHC-a [4], ili u radu „Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC” [5].

GLASANJE O CRNOJ RUPI Pretnje da bi u eksperimentima na Velikom sudaraču hadrona, poznatom kao LHC, u CERN-u mogla nastati crna rupa nedavno je iznova analizirala 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 pregledao je panel od pet nezavisnih naučnika, među kojima je i jedan nobelovac, da bi ga, pre nekoliko nedelja, predstavio Komitetu za naučnu politiku (SPC, Scientific Policy Committee). Dvadeset članova ovog komiteta je tajno glasalo o izveštaju i usvojilo ga, posle čega je Savet CERN-a saopštio da nema nikakve pretnje po čovečanstvo od novog akceleratora.

Još standardniji model

Kakva je, zapravo, svrha ovakvog postrojenja? Akceleratori su, inače, veliki instrumenti koji ubrzavaju elementarne čestice – elektrone, protone ili šta već fizičari odaberu za ubrzavanje. To se najčešće postiže tako što snop čestica kruži u jakom mangentnom polju koje mu dodaje energiju u svakom okretu [više o tome u 10].

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 strutkuru materije, odnosno, onog od čega je čitav svet sačinjen.

Zavrzlama je u tome da proces posmatranja sve sitnijih gradivnih elemenata Univerzuma zahteva sve veće i veće oslobođene energije. Ako posmatrate običan atom, potrebno je da uložite neku energiju da biste ga podelili na pozitivne jone i elektrone. Takođe, za cepanje jezgra atoma potrebne su velike energije, što se postiže bombardovanjem jezgra neutronima. Kad se ide još dublje, ne može se govoriti baš o “cepanju” hadrona (kao što su protoni i neutroni), ali je izvesno da vam za “dublji uvid” treba sve veća energija, koja će stvoriti sve veće mnoštvo novih čestica.

Ulice u krugu CERNa

Pomenuti ogromni detektor ATLAS, uporedo sa drugim LHC-ovim džinom od detektora CMS-om, pokušaće da u tom mnoštvu ulovi Higsov bozon, misterioznu, teorijom predskazanu česticu koja je „odgovorna“ za masu u svemiru. U drugim eksperimentima, šuma čestica će osvetliti stanje u ranom Univerzumu, neposredno posle Velikog praska, razrešiti dileme o teoriji supersimetrija, kao i zašto svet nije načinjen od antimaterije, već od materije [2].

Da bi to postigao, Veliki sudarač hadrona je predviđen da ubrzava protone do zapanjujuće energije od 7 TeV. On je tako projektovan da će se ubrzanim snopovima upriličiti uzajamni sudar, što će oslobaditi energiju od 14 TeV i omogućiti nastanak procesa dosad neviđenih u eksperimentima. To je, po teoriji, dovoljno da se oslobode svakojake egzotične čestice [3].

U suštini, ove energije LHC-a, mada ogromne za kvantne objekte, u normalnim (makroskopskim) razmerama uporedive sa energijom koju ima jedan komarac u letu. Kad se to uporedi sa masom zvezde koja se urušava u crnu rupu, apsurdno je zamisliti da sudar protona na LHC-u generiše ikakvu veću crnu rupu, čak i da je to moguće [4]. No, sumnje su zaživele, dajući celom eksperimentu, uz inače velika pitanja kojima se bavi, jedan misteriozni ukus.

Anđeli i demoni

U suštini, mesto gde se događaju ovakve stvari zaista jeste zgodna lokacija za zaplet jednog trilera kao što su „Anđeli i demoni“. Mada fizičari često kritikuju ovu knjigu i čak postoji sajt sa fizički nemogućim situacijama iz knjige [12], Den Braun je njome puno promovisao CERN, a Ron Hauard najavljuje da će se film još više oslanjati na taj deo priče, i sam fasciniran Velikim sudaračem.

Inače, u filmu je predviđeno da se tokom akcionih scena, detektor ATLAS vidi kroz neprobojno staklo, što je naravno čista fikcija jer kad akcelerator proradi, niko mu neće smeti prići zbog opasnosti od zračenja [11]. Čitav akcelerator se zapravo nalazi u tunelu dugom 27 kilometara, na dubini od 100 metara ispod tla.

Finalne pripreme u tunelu LHCa

Detektori su raspoređeni na njegovom prstenu i do njih se silazi specijalnim liftovima. Kompleks laboratorija CERN-a zauzima znatno manji prostor od površine akceleratora, nad kojim se nalaze njive i šumarci, ali je i sam CERN velik kao omanji grad.

Kad smo, prošle jeseni, tokom posete koju je organizovalo Društvo fizičara Srbije, obišli akceleratorski tunel i detektore CMS i ATLAS, koji će loviti Higsov bozon, videli smo koliko je sam CERN složen sistem [više o tome u 9]. Mnoštvo naučnika iz oko 80 zemalja je organizovano po eksperimentima, sa konkretnim pojedinačnim zahtevima.

Projekat je toliko gigantski, da gotovo da ljudi iz susednih laboratorija nemaju predstavu šta rade njihove kolege i koji sistem ugrađuju na veliku mašinu. CERN je prava industrija sa jasnom hijerarhijom i birokratski uređenim zadacima, sasvim neuporediv sa klasičnom predstavom fizičkog eksperimenta.

Detektor ATLAS

U CERN-u je zaposleno više od 3000 naučnika i drugih radnika, a u njemu povremeno boravi više od 6500 gostujućih naučnika. Troškove rada ovih pojedinačnih timova i samog projekta snosi 20 evropskih zemalja, članica CERN-a, kao i zemalja posmatrača među kojima su SAD, Ruska federacija, Japan i Indija [1].

Inače, i Srbija ima svoje predstavnike u CERN-u – jedan tim sa Instutita za nuklearne nauke „Vinča“ koji predvodi doktor Petar Adžić radi na detektoru CMS [6], a drugi tim, sa Instituta za fiziku u Zemunu, pod rukovodstvom doktora Dragana Popovića, učestvuje u eksperimenti na detektoru ATLAS [7].

ŠTA JE VELIKI SUDARAČ HADRONA? Veliki sudarač hadrona, LHC, najveći je instrument koji je čovek napravio. LHC se u blizini laboratorija CERN-a kod Ženeve, na švajcarsko-francuskoj granici, u tunelu dugom 27 kilometara, na dubini od 100 metara ispod tla. LHC se razvija i gradi 14 godina. Ideja o gradnji ove mašine javila se još sredinom osamdesetih godina, a njen razvoj je oslonjen na prethodne akceleratore koje je CERN pravio. CERN je 1994. godine odlučio da se budući LHC smesti u kanal prethodnog akceleratora LEP-a. Zatim su obavljene razne administrativne i tehničke pripreme za izgradnju. LEP je zatvoren 2000. godine i sva oprema je narednih godina podignuta na površinu i zamenjena novom. LHC će ubrzavati protone pomoću više od 1600 superprovodnih magneta. Superprovodni magneti moraju da se ohlade na jednu od najnižih temperatura u Univerzumu koja iznosi svega -271ºC, odnosno 1,9 Kelvina, što je niže od temperature u otvorenom svemiru. Na početku će LHC u svom kružnom kanalu ubrzavati snopove protona do energija od 5 TeV, ali će sa vremenom podići snagu do 7 TeV. U svakom sudaru dva snopa oslobađaće se energija od 14 TeV. Prethodni CERN-ov akcelerator, LEP, dostizao je na „vrhuncu karijere“ energije koje su oko 100 puta niže. U svakoj sekundi će se dogoditi 800 miliona sudara ubrzanih snopova. To je, po teoriji, dovoljno da se na 14 TeV oslobodi čitavo mnoštvo egzotičnih čestica. U finalnoj fazi priprema, ljudi u CERN-u, trenutno hlade ovu mašinu do „radne“ temperatura akceleratora, a kad svi segmenti akceleratora budu ohlađeni, naučnici će obaviti više od 1400 testova kojim će proveriti da li svi delovi postrojenja rade kako je predviđeno.

Linkovi

Simulacija lova na Higsov bozon

[1] Zvanična prezenetacija CERN-a sadrži obilje informacija o novom akceleratoru: www.cern.ch

[2] Eksperiment ATLAS: http://atlas.ch/index.html

[3] Eksperiment CMS: http://cms.cern.ch

[4] Izveštaj o opasnostima koji je Grupa za sigurnost LHC-a pripremila za Savet CERN-a i Komitet za naučnu politiku: http://cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf

[5] Mogućnost nastanka mini crne rupe razmotrena je u radu “Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC” Bendžamina Koha, Markusa Blajhera i Horsta Stokera: http://lanl.arxiv.org/abs/0807.3349

[6] Grupa sa Instituta za fiziku u Zemunu učestvuje u ATLAS eksperimentu: http://atlas.phy.bg.ac.yu

[7]Grupa sa Instituta za nuklearne nauke u Vinči učestvuje u CMS eksperimentu: http://www.vin.bg.ac.yu

[8] “Crna rupa u domacoj radinosti”, tekst iz broja 917 nedeljnika VREME se može naći na: http://www.vreme.com/cms/view.php?id=687740

[9] Reportaža “Poslednji krug pred veliki prasak” iz broja 877 nedeljnika VREME: http://www.vreme.com/cms/view.php?id=518093

[10] “Veliki sudarac u CERN-u: Potraga za Božjom cesticom” iz broja 844 nedeljnika VREME: http://www.vreme.com/cms/view.php?id=490521

[11] Više o novom filmu “Anđeli i demoni” Rona Hauarda: http://www.imdb.com/title/tt0808151

[12] Analiza grešaka i fizički nemogućih pojava koje se pojavljuju u romanu “Anđeli i demoni” Dena Brauna: http://public.web.cern.ch/public/en/Spotlight/SpotlightAandD-en.html

[13] O CERN-u i novom akceleratoru možete diskutovati na jednom odličnom domaćem blogu: http://blog.b92.net/text/2738/Bi%C4%87e%20skoro%20propast%20sveta%3F%21