Uvod

Šta su zapravo akceleratori i čemu služe? Šta se u naučnim krugovima od njih zaista očekuje i kako su nam pomogli da zaronimo dublje u esencijalnu strukturu sveta oko nas? Šta je LHC i zašto je jednom takvom uređaju poklonjeno toliko medijske pažnje?

Sve su to pitanja na koja ovaj rad treba da odgovori i koja će služiti kao metodološki obrazac za naredno izlaganje. Kroz tekst data su objašnjenja ključnih pojmova iz oblasti fizike elementarnih čestica, astrofizike i klasične fizike, koje je neophodno poznavati ukoliko se želi odgovoriti na postavljena pitanja. Izabrani pristup podrazmeva teorijski uvod u modernu fiziku visokih energija tj. fiziku elementarnih čestica i upoznavanje sa Standardnim modelom čestica i fundamentalnih interakcija, zatim prikaz osnovnih principa akceleratorske tehnike, kao i tipova ovakvih uređaja, a potom i zašto je eksperiment koji treba da se izvrši posredstvom Large Hardon Collider-a najveći naučni poduhvat u istoriji čovečanstva.

Pri pisanju rada korišteni su podaci i navodi uglednog profesora dr. Đorđa Šijačkog sa Instituta za fiziku u Beogradu ( Zemunu ), sa njegovog predavanja održanog 15. aprila 2009. godine u Novom Sadu, na temu „ Veliki hadronski sudarač i savremena fizika elementarnih čestica”. Ovaj dopisni član SANU–a (Srpska akademija nauke i umetnosti) u svom izlaganju izneo je mnoštvo zanimljivih podataka koji su postali deo ovog rada.

Vaseljena

Moderna nauka sredinom 20 –tog veka izrodila je svojim teorijsko-eksprerimentalnim pristupom pojam i ideju „Velikog praska”. On predstavlja period, bolje reći fenomen kojim se naučnici služe da vernije dočaraju stanje naše Vaseljene u trenucima neposredno nakon njenog nastanka. Iako morfološki naispravno i zastarelo, ime za takav jedna vremenski interval u istoriji Kosmosa, još uvek je na snazi i koristi se u svakodnevnom govoru bez znanja šta sve teorija „Velikog praska” podrazumeva.

Prema teoriji- materija, vreme i prostor su nastali u kataklizmičnoj eksploziji koja se odigrala pre mnogo milijardi godina. U prvom trenu posle njenog Postanja, tek rođena Vaseljena bila je izuzetno vrela i zgusnuta supa praiskonskih gradivnih čestica: kvarkova i elektrona koje su se međusobno sudarali, raspolažući pritom nezamislivo velikim energijama. Milionitu sekundu nakon rođenja kvarkovi su se spojili i izgradili protone i neutrone. Nakon svega tri minute stvoreno je prvo jezgro. Kako je Vasiona nastavila da se širi i hladi, stvari su počele da se odvijaju sve sporije i sporije. Bilo je potrebno 380.000 godina da elektroni započnu svoje kretanje oko jezgra i na taj način stvore prve atome, atome vodonika i helijuma. Nakon 1,6 miliona godina u Kosmosu je počela da deluje gravitacija, koja je uzela pod kontrolu oblake gasa i počela da formira zvezde i galaksije. Iz zvezda putem niza procesa, relativno nedavno shvaćenim stvarane su i nastaju planete, i njihovi sateliti.

U jednoj galaksiji u jednom njenom ne tako velikom kraku zasija, nakon 8 milijardi godina od svojih prvih trenutaka, jedna nova zvezda. Ne beše ona tako velika i moćna, ali beše dovoljna da u njenom krilu na jednoj omanjoj planeti nastane nešto što do tad u Vaseljeni nije postojalo. Nastade Život, i to sve od a-tomosa...

Ali nije sve u atomima, tvrde naučnici...Kako astronomi i astrofizičari procenjuju mi smo u mogućnosti da posmatramo samo 4% od ukupne Vasione, ali taj procenat ne definiše i ne čine samo planete i galaksije već i praznina između njih. Najveći deo Univerzuma je sačinjen od nevidljive supstancije poznatije kao tamna materija (26%) i tamna energija ( 70% ). One ne emituju elektromagnetno zračenje i mi ih opažamo samo preko njihovog gravitacionog efekta. Uloga kao i poreklo te energije i materije još uvek je tajna, ali unutar ove tame leži neverovatna misterija i izazovi za beskrajno radoznale sa trećeg kamena od Sunca, čak i izvan njihovog ustanovljenog Standardnog modela.

Standardni model čestica i sila

Otkrića velikog broja naučnika proteklog veka su dovela do izvanrednog uvida u fundamentalnu strukturu materije: sve u Vaseljeni je izgrađeno od 12 gradivnih elemenata nazvanih elementarnim česticama, kojima vladaju 4 osnovne sile. Naše shvatanje na koji način deluju tih 12 čestica i 3 sile na njih, najbolje je objašnjeno kroz teoriju Standardnog modela čestica i sila. Razvijena ranih 70 – tih godina XX veka ova teorija je uspešno objasnila veliku većinu rezultata eksperimenata i precizno predvidela širok pojas fenomena. Vremenom, kroz ogroman broj ogleda izvedenih od strane mnogobrojnih fizičara, Standardni model je ustanovljen za potvrđenu naučnu teoriju.

Polovinom 60-tih godina izneta je hipoteza da je sva materija izgrađena od kvarkova ( eng. Quark – reč bez praktične upotrebne vrednosti, sem eto u fizici ) i leptona ( grč. Λεπτος – lak). Svaka grupa se sastoji od po 6 čestica koje se prikazuju u parovima, ili „ generacijama”. Najlakše i najstabilnije čestice čine prvu generaciju, dok ostalim generacijama pripadaju teže i nestabilnije čestice. Sva stabilna materija je izgrađena od čestica koje pripadaju prvoj generaciji, jer se ostale nestabilne čestice brzo raspadnu i pretvore u stabilne, tj. čestice prve generacije.

Osnovne razlike između kvarkova i leptona su: prvi su obojeni i imaju necelobrojni naboj, drugi su bezbojni i imaju celobrojan naboj. Po pravilu kvarkovske boje su: plava, crvena, zelena. Razume se, ova imena su stvar konvencije i nemaju veze sa običnim optičkim bojama. Njima fizičari označavaju specifične naboje elementarnih čestica, tj. boje kvarkova su samo jedan vid ispoljavanja osobina čestice. Ali oni imaju i neke zajedničke osobine: i jedni i drugi imaju spin¹ jednak 1/2, mereno u jedinicama ћ – Plankovom konstantom . Zato se leptoni i kvarkovi nazivaju fundamentalni fermioni ( za razliku od fotona čiji spin iznosi 1, i pripada fundamentalnim bozonima). Prema vrednosti spina, sve čestice možemo podeliti na fermione i bozone. Fermioni imaju polucelu vrednost spina ( 1/2, 3/2, 5/2...) i pokoravaju se Fermi-Dirakovoj raspodeli, dok su bozoni čestice sa celobrojnom vrednošću spina (1, 2, ...) i pokoravaju se Boze-Ajnštanovoj raspodeli. Fundamentalni fermioni se prirodno dele na tri generacije ili grupe.

Svih 6 kvarkova su upareni u 3 generacije. Oznake za „aromate” kvarkova potiču od početnih slova njihovih punih imena na engleskom jeziku: u, d, s, c, b, t ( tabela 1.1). Imena su dobijali proizvoljno, i nemaju direktno veze sa osobinama istih. Samo dvojica od njih šestorice, kvark „gore” i kvark „dole”, postoje prirodno u našem Kosmosu. Kvarkovi u prirodi se nikad ne javljaju „sami”. Oni se uvek javljaju vezanom stanju ili tri kvarka ili para kvark-antikvark². Za primer možemo da uzmemo proton koji se sastoji od dva „gore” kvarka i jednog „dole” kvarka čija ukupna količina nelektrisanja iznosi 1 e ( e = 1.6 x 10^-19C ) što i jeste vrednost nelektrisanja protona. Gotovo sve u današnjem Kosmosu je izgrađeno od samo dva kvarka ( gore i dole ) i od elektrona + neutrina. Sve ostale čestice se laboratorijski proizvode i bile su prisutne samo za vreme Velikog praska.

Leptoni su slično raspoređeni, i pripadaju ranije spomenutim generacijama. Ima ih 6 i mogu se podeliti na dve podgrupe: nalektrisani i nenaelektrisani. Naelektrisani su: elektron, muon, tau-lepton. Nenaelektrisani su neutrini: elektronski, muonski, tau-neutrino. Standardni model podrazumeva da su sva neutrina stabilna i da nemaju masu ( tabela 1.1 ). Prva porodica jesu elektron i elektronski neutrino i njih ima svuda u Vaseljeni. Druga porodica su muon i muonski neutrino, a treću čine tau i tau-neutrino i oni se ne mogu lako naći u današnjoj Vaseljeni, oni se mogu praviti u akceleratorima, a priroda ih stvara u sudarima kosmičkih zraka sa atmosferom.

Broj čestica u subnuklearnom svetu je izuzetno velik. Ogromne energije koje smo uspeli da unesemo u sudare otkrile su nam postojanje ne pet, niti deset, nego na stotine novih čestica. S tim razlogom smo pribegli klasifikaciji čestica na kvarkove i leptone.

U zavisnosti od toga da li je neka čestica vezano stanje tri kvarka ili para kvark-antikvark, čestice delimo na barione i mezone. Barione i mezone, odnosno vezana stanja kvarkova, jednim imenom nazivamo hadroni.

Univerzum postoji zato što fundamentalne čestice interaguju, a te interakcije podrazumevaju privlačne i odbojne sile, raspade i anhilacije. Interakcije se odvijaju bez dodira. Na fundamentalnom nivou sila nije nešto što se samo dešava između dve čestice. To je nešto što čestice razmenjuju međusobno. Sila predstavlja razmenu čestica – bozona.

Sve interakcije među česticama se mogu objasniti pomoću 4 osnovne sile: elektromagnetna, slaba, jaka i gravitaciona. Između kvarkova i leptona deluju samo tri sile jer je gravitacija u svetu nuklearnih dimenzija beznačajna. Svaka od fundamentalnih sila ima svoje korespodentne bozone - "poštare”.

Elektromagnetna jeste sila koja deluje između čestica koje poseduju naelektrisanje. Nju srećemo i u svakodnevnom životu, a kao njene posledice se javljaju i sila trenja i magnetna sila. Prenosilac EM interakcije jeste foton. ( tabela 1.2 ). Foton nema masu i kreće se brzinom svetlosti, pa je zato domet EM interakcije beskonačan, ali i opada sa kvadratom rastojanja.

Slaba interakcija uzrokuje raspade masivnijih čestica u čestice manje mase. Primer za to imamo raspad muona:

+ + ³

Muon se raspao u elektron,elektronski antineutrino i muonski neutrino ( pogledati tabelu 1.1 ). Pod dejstvom slabe interakcije se odigrava nuklearni beta raspad kao i raspadi muonskog tipa. Pokazalo se da ono što navodi sve hadrone – a to znači: protone, neutrone i stotine njihovih rođaka – na raspadanje, jeste u stvari baš slaba sila. Pri niskim energijama, slaba sila je hiljadu puta slabija od elektromagnetne. Prenosioci slabe interakcije čini porodica bozona.

Jaka sila drži ( lepi ) kvarkove na okupu u hadronima, pa zato prenosilac ove interakcije dobio naziv gluon ( od eng. glue – lepak ). Postoje 8 različitih gluona. Pošto jaka interakcija ima veoma mali domet ( tabela 1.2 ), ne možemo je uočiti u našem makrosvetu.

Gravitacija je sila koja nije uvrštena i objašnjena Standardnim modelom čestica i sila ( slika 1.1 ). Naime kada se opisuju objekti reda veličine m efekat gravitacije je toliko mali da je zanemarljiv. Gravitaciju opažamo jedino na primeru planeta, kometa i galakcija gde ta sila dominira, i samim tim omogućava Standardnom modelu da funcioniše i pored nemogućnosti da objasni jednu od četiri sile.

Slika 1.1 – Standardni model

Izloženi model nije potpun. Ukoliko bi ukupnom broju elementarnih čestica dodali njihove odgovarajuće antičestice, moguće kvarkovske boje, zatim i sve prenosioce interakcija, zbir bi iznosio čak šezdeset čestica. Varijetet u subnuklearnom svetu čini SM previše komplikovanim, ali to ne znači da model nije jedno od velikih dostignuća nauke. Standardni model je toliko zamršen, da mnogima izgleda kao samo jedna stanica na putu ka nekom jednostavnijem viđenju sveta.

Nastavak: Akceleratorski sistemi - LHC (2 deo)