fizika

CERN - TRAGANJE ZA BOZONOM

Vaši komentari

Dr Dušan Mrđa mrdja@astronomija.co.rs

Najmoćniji akcelerator na svetu uskoro počinje jedan od  najvažnijih eksperimenata koji su ikada napravljeni.

Kliknite na logo

Logo Cerna

Članak iz Astronomije broj 31

CERN, evropska organizacija za nuklearna istraživanja (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) predstavlja simbol i ponos savremene fizike, ali i nauke uopšte.Ovaj naučno-istraživački centar je lociran nedaleko od Ženeve, na graničnom području Švajcarske i Francuske. Na različitim eksperimentima koji se realizuju u CERN-u radi oko 7900 naučnika i inžinjera (predstavljajući 500 univerziteta iz celog sveta). CERN danas ima oko 2600 zaposlenih sa punim radnim vremenom, a osnovan je pre 54 godine. Tada je 12 evropskih država odlučilo da povrati snagu nauke u ratom iscrpljenoj Evropi (članstvo je naraslo do današnjih 20 zemalja članica).

Kliknite na snimak Crveni krug označava mestogde se ispod, u zemlji nalazi tunel CERN-a

Prvi akceleratori (ubrzivači) čestica u CERN-u su proradili 1957., odnosno 1959. godine, a sada smo u prilici da odbrojavamo dane iščekujući početak rada Velikog sudarača hadrona [1] - LHC (Large Hadron Collider), najsnažnijeg akceleratora kojeg je čovek uspeo da sagradi. To je izuzetno kompleksan i grandiozan uređaj, koji se na prvi pogled graniči sa naučnom fantastikom. Akcelerator  u  kojem će se ubrzavati protoni ima u obimu 27 kilometara, a smešten je u kružnom tunelu na oko 100 m ispod površine Zemlje (veći deo tunela leži na teritoriji Francuske).

Kliknite na snimak Tunel

Sudari protonskih snopova

Krećući se u ultra-visokom vakuumu kroz kružne cevi u suprotnim smerovima dva protonska snopa (koji će se sastojati od niza diskretnih “paketa” protona), nakon dostizanja energije od 7 TeV [2] po jednom protonu će se sudarati, pri čemu će dolaziti do kreiranja ogromnog broja različitih čestica u vrlo kratkim vremenskim intervalima.

1 Hadroni-čestice koje se sastoje od kvarkova i učestvuju u jakoj interakciji. Hadroni sa polucelim spinom nazivaju se barioni, a sastoje se iz 3 kvarka.Najlakši barioni su proton i neutron. 2 1 TeV – teraelektronvolt = 1012 elektronvolta. 1 elektronvolt je energija koju stekne elektron kada u električnom polju pređe potencijalnu razliku od jednog volta

Visoka kinetička energija protona biće ostvarena primenom jakih električnih polja u akceleratoru duž putanje protona (njihova brzina će dostići 99.99% brzine svetlosti), dok će magnetna polja obezbeđivati njihov precizan ostanak na kružnoj putanji i fokusiranje snopova.

 Do interakcije snopova će dolaziti svakih nekoliko desetina nano-sekundi (1 ns = 10-9 s). Čestice će biti kreirane na račun kinetičke energije koju su protoni posedovali pre sudara (na rasplaganju je ukupno 14 TeV energije po jednom paru sudarajućih  protona). Treba, međutim, istaći da je verovatnoća sudara protona veoma mala: samo približno po 20 sudara na ukupno oko 20 milijardi protona u svaka dva sudarajuća „paketa“ suprotnih smerova.

		Kliknite na snimke
CMS	Atlas

Moćni detektori          

Na mestima koja su predviđena za interakciju snopova (mesta sudara protona) nalaze se moćni detektori: CMS (Compact Muon Solenoid) i ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) čiji je zadatak da registruju putanje novoformiranih čestica i mere njihovu energiju, kako bi mogao da se utvrdi njihov identitet. Osim navedenih detektora, biće operativna još 4 manja detektora specijalne namene.

Detektori CMS i ATLAS imaju približno cilindričan oblik i veoma složenu, slojevitu unutrašnju strukturu, a unutar njih se generišu jaka magnetna polja i tako utiče na putanje kreiranih naelektrisanih čestica kroz  detektore. Na osnovu karakteristika putanje u magnetnom polju može se odrediti impuls  čestice.

Detektori predstavljaju kombinaciju velikog broja pojedinačnih,manjih detektora koji čine aktivne slojeve i pasivnih slojeva materijala velike gustine (kao što je gvožđe i olovo), gde čestice deponuju deo svoje energije. Upravo se iznos deponovane energije u pojedinim apsorbujućim slojevima koristi da bi se utvrdila energija koju su čestice posedovale.

CMS detektor ima masu od oko 12 500 tona, dugačak je 21 m i ima prečnik 15 m, dok je ATLAS još veći: dužine 46 m i prečnika 25 m, ali je manje kompaktan, pa mu je masa „samo“ 7000 tona.

Za čime tragamo

Sada se nameće sledeće pitanje: za čime tragamo ovim superiornim uređajima?

Osnovna nepoznanica koju želimo da razrešimo je odakle masa česticama koje grade prirodu. Odgovor bi mogao da leži u interakciji čestica sa tzv. higsovim bozonima. Iako proizilaze iz teorijskih razmatranja, higsove bozone još niko nije detektovao. Smatra se da će raspoloživa energija pri sudarima protona u LHC-u biti dovoljna da oni budu kreirani. Jedan od mogućih „otisaka prsta“ higsovog bozona, koji bi nam ukazao na njegovo prisustvo, bio bi njegov raspad na 4  miona [3]. Ako uspemo da detektujemo ovakav raspad, kako  pokazuje simulacija na slici, biće to veliki trijumf fizike visokih energija i izvrsna potvrda da su naša teorijska predviđanja korektna.

Kliknite na ilustraciju Simulacija detekcije raspada higsovog bozona na četiri  miona u CMS detektoru

Veliki izazov će biti uočavanje nekolicine događaja za kojima tragamo među miljardama drugih - neinteresantnih i dobro poznatih. Razvijena je posebna, snažna računarska mreža za preuzimanje i čuvanje ogromne količine prethodno filtriranih podataka iz detektora, kako bi oni mogli biti naknadno analizirani.