Există pe planeta noastră, în Elveția, un loc extraordinar. Acolo se întâlnesc fizicienii care caută să deslușească tainele, ascunse în microcosmos, ale Universului. Acolo ei pun întrebări Universului, iar Universul le răspunde. Pentru aceasta a fost nevoie să se construiască mașinării uriașe, cu ajutorul cărora să poată fi deslușite cuvintele Universului. Nu a fost și nu este ușor. Parcă pentru a ne pune la încercare, pe măsură ce întrebările noastre devin din ce în ce mai profunde, Universul ne oferă tot mai greu răspunsurile și de aceea oamenii sunt obligați să construiască mașinării tot mai complicate pentru a putea vorbi cu el. Iar aceste mașinării costă foarte mult, atât în bani cât și în inteligența investite în ele. Dar pentru oameni, atunci când este vorba de a desluși tainele Universului, nici un efort nu este prea mare. Cred că asta este una din trăsăturile minunate ale lui Homo sapiens: dorința de a ști, nevoia de a ridica vălul necunoscutului. Despre istoria acestui loc, care a avut o contribuție importantă pe drumul cunoașterii umane, am de gând să vă vorbesc acum. Este vorba despre CERN, care, în 2014,  împlinea frumoasa vârstă de 60 de ani.

Dar, mai înainte de a începe povestea, dați-mi voie să vă reamintesc că lângă București, la Măgurele, nu peste mulți ani, va intra în funcțiune o altă mașinărie minunată pentru pus întrebări fundamentale Universului. Așa cum știți, acolo se va construi un superlaser, care nu va fi cu nimic mai prejos decât mașinăriile de la CERN. Este o poveste care se scrie acum, sub ochii noștri, o poveste care va fi purtată și de revista noastră.

Prolog

Europa abia ieșise dintr-un război devastator. Europa ruinată avea nevoie de speranțe, de planuri pentru viitor. Iar știința, orice s-ar spune, este cel mai bun instrument pentru a construi viitorul. Din păcate, pe timpul războiului cea mai mare parte a oamenilor de știință de valoare părăsise Bătrânul Continent. Mulți fizicieni europeni din domeniul fizicii particulelor plecaseră în SUA, unde au avut o cotribuție decisivă la ducerea la bun sfârșit a Proiectului Manhatan care a avut drept scop construirea bombei atomice care avea să pună capăt celui de-al Doilea Război Mondial.

Nu discut aici problemele morale legate de acest proiect impresionant, de implicarea oamenilor de știință în construirea celei mai devastatoare mașini de ucis în masă. Proiectul Manhattan, în schimb, a demonstrat că oamenii de știință, dacă sunt adunați la un loc și primesc fonduri corespunzătoare, pot rezolva probleme aparent insolubile. De așa ceva avea nevoie și Europa de după război. Avea nevoie de inițiative în urma cărora oamenii de știință din toată lumea să lucreze cot la cot pentru a împinge mai departe știința, de această dată în scopuri pașnice.

În ceea ce privește fizica particulelor era necesară construirea unui laborator european, care să implice cât mai mulți fizicieni. Ideea i-a aparținut fizicianului Louis-Victor-Pierre-Raymond, cel de al 7-lea duce de Broglie, al cărui nume îl cunoașteți în varianta scurtă: Louis de Broglie. În 1949, cu ocazia Conferinței Europene a Culturii, organizată de UNESCO la Laussane a vorbit despre necesitatea înființării unui laborator european destinat cercetărilor din domeniul fizicii particulelor, în activitatea căruia să fie implicați fizicieni din toată lumea.

Un an mai târziu, cu ocazia celei de-a cincea Adunări Generale a UNESCO, de la Florența, fizicianul american Isidor Rabi propune o rezoluție, care a fost adoptată în unanimitate. Rezoluția autoriza UNESCO să ”furnizeze asistență și să încurajeze înființarea și organizarea de centre și laboratoare regionale, cu scopul de a promova și sprijini colaboarea internațională între oamenii de știință.”

Prima rezoluție privitoare la înființarea unui Consiliu European pentru Cercetări Nucleare (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) a fost adoptată în decembrie 1951, la Paris, în timpul unei reuniuni intreguvernamentale a UNESCO. Două luni mai târziu, în ziua 15 februarie 1952, 11 țări semnează acordul pentru înființarea Consiliului Provizoriu al CERN. Este un moment de mare bucurie, care trebuia împărășită și de Isidor Rabi, cel care propusese rezoluția UNESCO de la Florența. Semnatarii acordului îi trimit acestuia o scrisoare scurtă: ”Tocmai s-a semnat acordul care constituie nașterea oficială a proiectului conceput de dv. la Florența. Mama și copilul se simt bine, iar doctorii vă transmit salutări”.

Tot în 1952, cu ocazia celei de-a treia întâlniri a Consiliului Provizoriu se propune ca sediul viitoarelor laboratoare CERN să fie în apropierea orașului Geneva. Cum în Elveția democrația nu este o vorbă în vânt, a fost nevoie ca cetățenii din cantonul Geneva să fie de acord cu această propunere, așa că a fost organizat un referendum, în iunie 1953. Rezultatul referendumului: 16.539 voturi pentru și 7.332 voturi contra construirii laboratorului CERN lângă Geneva. În ziua de 17 mai 1954 demarează lucrările de construcție, la Meyrin, în prezența oficialului cantonului Geneva și ai delegaților CERN.

Nașterea

Pe 29 septembrie1954, după ce Franța și Germania au ratificat acordul de înființare, CERN își începe existența oficială. Consiliul provizoriu este dizolvat, numele i se schimbă, ”Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire”, devenind ”Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire”, dar se decide ca acronimul CERN să rămână nemodificat. Unii spun că păstrarea acronimului CERN s-ar datora lui Heinsenberg, dar nu am găsit, deocamdată, dovezi în acest sens. Nu știu de ce acronimul a fost păstrat, de ce a rămas CERN și nu OERN, așa cum ar fi fost corect din punct de vedere al regulilor gramaticale. Dacă îmi dați voie, voi specula un pic și voi spune că acronimul CERN devenise atât de popular în lumea largă, încât regulile gramaticale puteau, și trebuiau, să fie încălcate.

Vă vorbeam mai devreme despre speranță. Nu am exagerat, în actul fondator al CERN, semnat la Paris în 1 iulie 1953, cel care avea să fie ratificat de Franța și Germania pe 29 septembrie 1954, se afirma că ”Organizația va sprijini colaborarea dintre statele europene în domeniul cercetării pur științifice și fundamentale în domeniul nuclear, cât și alte cercetări legate de acesta. Organizația se va abține de la orice activitate cu finalitate militară iar rezultatele experimentale și teoretice [care vor fi obținute în cadrul Organizației] vor fi publicate și vor fi puse la dispoziția tuturor.” În numai câteva rânduri avem descrisă forma ideală de colaborare între state pentru a atinge obiective științifice fundamentale.

1957 – primul accelerator: sincrociclotronul de 600 MeV

A intrat în funcțiune pe 11 mai 1957. Îmi dau seama că numele acestui accelerator de particule pare foarte pompos și criptic. De aceea vă rog să îmi dați voie să vă povestesc cum funcționează o asemenea mașină de accelerat particule.

synchrosynchrotron
Sincrociclotronul de 600 MeV de la CERN

Trebuie să vă readuceți aminte niște lucruri pe care le-ați învățat la liceu. Ce se întâmplă cu o particulă încărcată electric care se deplasează, în vid, printr-un câmp magnetic perpendicular pe direcția de deplasare? Vă spun eu: ea va începe să se miște de-a lungul unui cerc, a cărui rază depinde de intensitatea câmpului magnetic și de viteza de deplasare a acesteia. Nu vreau să vă încurc cu formule, așa că vă voi spune că această rază este direct proporțională cu viteza particulei și sarcina electrică a acesteia și invers proporțională cu intensitatea câmpului magnetic. Mai departe: ce se întâmplă, tot cu o particulă încărcată electric, atunci când asupra ei acționează o diferență de potențial electric? Ea va fi accelerată.

Cyclotron_diagram
Principiul de funcționare al ciclotronului.

Dacă ați înțeles cele două idei prezentate mai sus, restul este simplu. Un ciclotron este un accerator de particule care folosește un câmp magnetic foarte intens pentru a obliga particulele încărcate electric să se deplaseze pe o traiectorie circulară și o diferență mare de potențial electric, pentru a le accelera.

Concret, un ciclotron este alcătuit din doi electrozi de formă semicirculară, numiți duanți, aflați la mică distanță unul de altul, între care se creează o diferență de potențial electric. Un electromagnet va creea un câmp magnetic ale cărui linii de câmp sunt perpendiculare pe aceștia. Acum să vedem cum funcționează. În ciclotron sunt introduse particule încărcate electric (protoni, electroni, ioni).

Sub acțiunea câmpului magnetic acestea încep să se deplaseze pe o traiectorie circulară. În momentul în care particule ajung în spațiul dintre duanți, asupra lor se aplică un potențial electric, rezultând accelerarea acestora. Viteza particulelor crește, deci crește și raza traiectoriei. Particulele își continuă drumul și ajung din nou în spațiul dintre duanți și asupra lor acționează din nou diferența de potențial electric.

Aici trebuie făcută o mică precizare. Să presupunem că avem de-a face cu o particulă încărcată electric pozitiv. La fiecare ieșire din duanți, pentru a fi accelerată, ea trebuie să ”vadă” în fața ei un duant cu sarcină electrică negativă. Din acest motiv după fiecare trecere este necesar să se schimbe polaritatea electrică a duanților. Altfel spus, asupra lor se aplică o tensiune electrică alternativă care are o anumită frecvență ce rezultă din calcule. Procesul pe care l-am descris până acum se repetă de mai multe ori, viteza și raza traiectoriei particulelor cresc continuu, până când acestea sunt trimise către o țintă.

Cam lungă și tehnică descrierea aceasta? Vă rog să mă iertați. Cred că era strict necesară, și nu mă voi opri aici. Tot ceea ce am scris mai devreme reprezintă o descriere simplificată a unui ciclotron. Sper că nu ați uitat că în 1957 la CERN era inaugurat un sincrociclotron. Care este diferența dintre acesta și ciclotronul descris mai devreme? Principiul de funcționare rămâne cam același, dar se frecvența de oscilație a câmpului electric (cel care accelerează particulele) este variată continuu, astfel încât să se țină seama de efectele relativiste. Să nu uităm că pe măsură ce particulele se deplasează masa lor crește. Nu vreau să vă plictisesc și mai mult, așa că nu mai intru în detalii.

Uitasem! Ce înseamnă cei 600 MeV (megaelectronvolt)? Din nou trebuie să introduc puțină teorie, nu am încotro. Electronvoltul (eV) este o unitate de măsură a energiei. Un eV este egal cu cantitatea de energie câștigată (sau pierdută) de un electron atunci când parcurge o diferență de potențial electric de un volt. Numeric, 1 eV are valoarea de 1,6 x 10 la puterea minus 19 Jouli. Fără a mai intra în alte detalii, vă mai spun că electronvoltul este folosit și ca unitate de măsură pentru masa particulelor elementare (să ne aducem aminte de faimoasa formulă de echivalență între masă și energie a lui Einstein).

Să ne reîntoarcem la istoria CERN. Sincrociclotronul de 600 MeV, a generat fluxurile de particule pentru primele experimente din domeniile fizicii nucleare și a particulelor care s-au efectuat la CERN. Începând cu 1964, o dată cu intrarea în funcțiune a unui nou, și mai puternic, accelerator de particule, sincrociclotronul a fost folosit numai pentru experimente din domeniul fizicii nucleare.

În 1967 acestuia i-a fost atașat un separator de izotopi radioactivi, numit ISOLDE (Isotope Separator On Line DEtector), cu ajutorul căruia, în același an, au fost identificați noi izotopi ai kriptonului, xenonului, mercurului și radonului. ISOLDE a fost folosită și pentru obținerea de izotopi radioactivi pentru scopuri medicale. Sincrociclotronul de 600 MeV a avut o viață foarte lungă fiind folosit timp de 33 de ani.

1959 – al doilea accelerator: sincrotronul pentru protoni de 28 GeV

Acest accelerator de particule a fost la vremea sa cel mai puternic din lume. Primele teste s-au efectuat în 1959, iar în ziua de 24 noiembrie, același an, a fost accelerat la energie maximă primul fascicul de protoni.

accelerators-ps
Sincrotronul pentru protoni de 28 GeV, de la CERN.

Așa cum probabil că vă așteptați, urmează o scurtă descriere a acestui tip de accelerator. Principial seamănă oarecum cu ciclotronul, în sensul că accelerarea particulelor se realizează tot cu ajutorul unor câmpuri magnetice și electrice. Atunci când privim mai îndeaproape această mașinărie, constatăm că există și diferențe majore, impuse de necesitatea depășirii limitărilor impuse de ciclotroane. De exemplu, energia până la care pot fi accelerate particulele este limitată de mărimea mașinii și de intensitatea câmpului magnetic. Aduceți-vă aminte că în ciclotron traseul parcurs de o particulă este limitat. Un alt dezavantaj este prezentat de faptul că este ciclotronul impune câmpului magnetic să acopere întreaga suprafață a duanților.

Aceste probleme sunt eliminate în bună măsură în cazul sincrotronului. În interiorul lui particulele încărcate pot străbate distanțe uriașe, pe parcursul cărora suportă accelerări succesive. În cazul acceleratorului despre care vă povestesc acum, distanța parcursă de ele este undeva în jurul a 80.000 km! Cum este posibil acest lucru? Simplu: particulele încărcate electric sunt obligate să se deplaseze în cerc. Din acest motiv, sincrotroanele au o formă toroidală. Din loc în loc sunt amplasați electromagneți de deflexie, care obligă particulele încărcate electric să își modifice direcția, astfel încât să rămână în interiorul torului.

Aici trebuie să fim atenți. Mai devreme spuneam raza traiectoriei este direct proporțională cu viteza particulei care se deplasează în câmp magnetic. Pentru a păstra particulele în interiorul torului suntem obligați să folosim câmpuri magnetice variabile, spre deosebire de cazul ciclotronului, unde se folosea un câmp magnetic constant. La fiecare parcurgere a torului, particulele trec printr-o zonă în care este aplicat un câmp electric intens, care le accelerează. După ce fluxul de particule atinge energia maximă, el este îndreptat către o țintă.

Acceleratorul sincrotron pentru protoni (Proton Synchrotron, pe scurt: PS) de la CERN are un diametru de 172 m.

Să ne întoarcem în timp. În dimineața zilei de 25 noiembrie John Adams, cel care conducea proiectul, apare în fața colegilor săi și anunță performanța obținută în seara precedentă, când fluxul de protoni fusese accelerat până la 28 GeV. În mâna dreaptă avea o sticlă de vodkă. O primise în dar cu ocazia unei călătorii în Uniunea Sovietică, la Institutul pentru Cercetări Nucleare de la Dubna, cu indicația de nu fi golită decât atunci când acceleratorul de la CERN va depăși recordul de 10 GeV, atins de sincrotronul sovietic. Cum recordul sovieticilor fusese depășit, sticla a fost golită și returnată la Dubna. În interiorul ei era o diagramă în care era înregistrat pulsul de energie obținut la CERN. Întâmplarea are semnificația ei profundă. În lumea științei, chiar și în plin război rece, domnește pacea și colaborarea…

Este bine de știut că, după ce a suportat modernizări succesive, sincrotronul de protoni de la CERN este folosit și în prezent, cu ajutorul lui realizându-se una dintre etapele de accelerare a particulelor care ajung în LHC (Large Hadron Collider). Până atunci el a ajutat la descoperirea despre care voi vorbi mai departe.

1965 – prima observare a unor antinuclee

Pe 1 septembrie 1965 revista de fizică italiană ”Il nuovo cimento” publica un articol semnat de către o echipă de cercetători de la CERN, condusă de Antonino Zichichi, în care se anunța că prin bombardarea unei ținte din beriliu cu un fascicul de protoni accelerați de sincrotronul pentru protoni s-au obținut nuclee formate dintr-un antiproton și un antineutron, adică nuclee de antideuteriu. În același timp, o echipă de fizicieni de la Brookhaven National Laboratory, SUA, condusă de către Leon Lederman anunța obținerea aceluiași rezultat.

Nu am să intru acum în alte detalii, aș lungi prea mult povestea.

1968 – Georges Charpak revoluționează metodele de detectare a particulelor subatomice

Recunosc, titlul acestui subcapitol este extrem de lung, dar nu am avut încotro. Este un moment cheie în dezvoltarea tehnicilor cu ajutorul cărora se poate studia Universul la scară subatomică.

Prin anii 1960 tehnicile de detectare și observare ale particulelor subatomice puneau la grea încercare răbdarea fizicienilor. Vă dau doar un mic exemplu, numai pentru a vă face o idee. Particulele obținute în urma experimentelor, pentru a fi vizualizate, treceau prin așa numita cameră cu bule. Traseul particulelor era vizualizat de picăturile de lichid care se condensau de-a lungul drumului parcurs de ele prin respectiva cameră. Totul era înregistrat pe fotografii. Urma apoi munca de cercetare. Fizicienii erau obligați să petreacă multe, și chinuitoare, ore pentru a studia milioane de clișee fotografice.

Georges Charpak, care lucra la CERN din 1959, reușește să pună la punct, în 1968 un nou tip de detector de particule. Acesta purta numele de ”cameră proporțională multifir” (multiwire proportional chamber). Foarte pe scurt, acest detector constă într-o incintă umplută cu un amestec argon/metan, care este străbătută de un număr mare fire conductoare, care alcătuiesc mai multe grile paralele succesive alimentate la o diferență mare de potențial electric, astefel încât grilele pozitive să alterneze cu cele negative.

Particula care intră în cameră provoacă ionizarea gazului din jurul ei. Ionii și electronii rezultați sunt accelerați de diferența de potențial din jurul firelor, rezultând o ionizare în cascadă, care, la rândul ei generează un curent electric prin fire, care este proporțional cu energia particulei care a intrat în cameră. Datele obținute sunt colectate și prelucrate cu ajutorul calculatoarelor.

Despre acest tip de detectoare voi vorbi, mult mai detaliat, într-un număr viitor al revistei noastre, deoarece la IFIN Horia Hulubei, se produc asemenea detectoare de înaltă performanță, care echipează cele mai puternice acceleratoare din lume, inclusiv LHC-ul de la CERN.

Voi mai consemna doar faptul că pentru realizarea sa, Georges Charpak a primit în 1992 Premiul Nobel pentru fizică.

1971 – primele ciocniri între protoni

Până în acest moment experimentele realizate cu sincrotronul pentru protoni (Proton Synchrotron, PS) se defășurau astfel: fluxul de protoni accelerați de PS loveau o țintă fixă și apoi erau analizate rezultatele ciocnirii. Este ca și cum o mașină s-ar lovi de un zid, după care se analizează resturile. În fizica particulelor este important ca energia ciocnirii să fie cât mai mare cu putință, pentru a obține ”resturi” cât mai mici, pentru a obține detalii din ce în ce mai profunde ale Universului la scară subatomică. Să presupunem că nu putem realiza acceleratoare mai puternice, care ar fi soluția pentru a mări energia ciocnirii?

Să revenim la analogia de mai sus, cea cu mașina care lovește zidul. Efectele ciocnirii sunt mult mai devastatoare în cazul în care mașina noastră are loc o ciocnire frontală cu o mașină care se deplasează pe contrasens. Ați prin ideea? Chiar dacă păstrăm aceeași viteză a particulelor, dacă reușim să construim o mașinărie în care să se producă ciocniri între fluxuri de particule care se deplasează pe aceași direcție, dar în sensuri contrare, am obține energii de ciocnire mult mai mari decât în cazul lovirii unei ținte fixe.

Din acest motiv, în 1971, la CERN a fost pus în funcțiune Intersecting Storage Rings, ISR (nu am găsit o traducere potrivită pentru această mașinărie, ”inelele de stocare cu intersecție” îmi pare prea furculiționică), care devine precursorul LHC-ului. În cele două inele ale ISR sunt injectați protonii accelerați în prealabil de PS (Proton Synchrotron). Fiecare din aceste inele, care au un diametru de circa 300 m, este de fapt un sincrotron, în care particulele sunt accelerate în continuare, până la energii de 31 GeV. Când se ajunge la viteza maximă, cele două fluxuri de protoni, care se deplasează în sensuri contrare, intră în camera experimentală unde au loc ciocnirile dintre protoni.

Prima ciocnire între două fluxuri de protoni s-a produs la CERN în ianuarie 1971. Timp de 13 ani ISR și-a făcut datoria, contribuind decisiv la dezvoltarea fizicii particulelor. Experiența căpătată în acești ani a fost valorificată pentru proiectarea și construcția LHC-ului, care nu este altceva decât un ISR la o scară mult mai mare.

1976 – intră în funcțiune Super Proton Synchrotron (SPS)

O vreme acest accelerator a fost calul de povară pentru cercetărorii de la CERN. A fost pus în funcțiune pe 3 mai 1976. Cu ajutorul lui fluxuri de particule pot fi accelerate până la 450 GeV. Pentru a atinge această performanță, fluxul de particule este accelerat în prealabil, cu ajutorul PS, până la 26 GeV. Circumferința acestui accelerator este de 6,9 km și, pentru a păstra forma cvasicirculară a traiectoriei particulelor sunt folosiți 1.317 electromagneți. Pentru a vă face o idee despre ce înseamnă un asemenea accelerator, vă voi spune că, pentru a atinge energia maximă, ele sunt obligate să străbată de 150.000 de ori inelul SPS, parcurgând o distanță mai mare de un milion de kilometri.

e4b825563c6b16dfd500cdc9bda3fff8

În prezent SPS este folosit ca ultimă etapă de accelerare a particulelor care intră în LHC.

Spuneam mai devreme că SPS a fost o vreme calul de povară pentru cercetătorii de la CERN. Să mă justific. Cu ajutorul lui a putut fi studiată structura internă a protonilor, să fie parcurși pași importanți în înțelegerea asimetriei materie-antimaterie și să fie descoperite unele particule exotice. Dar, probabil, cea mai importantă descoperire realizată cu ajutorul SPS avea să se producă în 1983. Aveți un pic de răbdare, pentru că între timp a mai avut loc un eveniment memorabil, pe care îl voi rezuma în două fraze scurte.

1981 – primele ciocniri proton-antiproton

Eroul acestui eveniment a fost Intersecting Storage Rings (ISR). Evenimentul a avut loc pe 4 aprilie 1981 și a pregătit drumul pentru producerea de ciocniri proton-antiproton în SPS.

1983 – descoperirea particulelor W și Z

Avem nevoie de un pic de pregătire, așa că vom intra în zona teoriei. Nu vă temeți, ca de obicei, nu voi complica inutil prezentarea.

Bănuiesc că știți că în natură se manifestă patru forțe fundamentale. Este voba despre forța gravitațională, forța electromagnetică, forța tare (cea care este ține împreună atât protonii și neutronii din nucleul atomic, cât și quarcii care formează hadroni) și forța slabă (care este responsabilă de atât de dezintegrarea radioactivă cât și de fuziunea nucleară). Aceste forțe fundamentale sunt intermediate (dacă vreți, purtate) de niște particule elementare, numite bozoni. În 1968 Sheldon Glashow, Steven Weinberg și Abdus Salam prezic teoretic existența a doi bozoni, W și Z care ar fi purtătorii forței slabe. Realizarea lor este atât de importantă, încât cei trei primesc, în 1979, Premiul Nobel pentru fizică.

Teoria ca teoria, dar în știință trebuie parcurs și pasul următor: confirmarea experimentală. SPS-ul era tocmai instrumentul potrivit pentru confirmarea existenței celor două particule. Dar, pentru a își atinge obiectivul, el trebuia să suporte modificări substanțiale. Trebuia să fie transformat într-un colizionator (collider) de particule. Nu voi intra în detalii tehnice, mă tem că aș deveni plicticos.

În 1979 CERN aprobă modificarea SPS-ului, iar în 1983 cercetătorii de la CERN anunță identificarea fără dubii, în urma unor ciocniri proton-antiproton, a celor două particule căutate, completându-se astfel tabloul particulelor elementare ale Modelului Standard. Pentru acest rezultat fizicienii Carlo Rubbia și Simon van der Meer au primit Premiul Nobel pentru fizică, la numai un an după după descoperirea celor două particule. Cei doi au avut contribuții importante în modificarea SPS-ului, astfel încât acesta să poată fi folosit pentru realizarea de ciocniri proton-antiproton.

1986 – încep ciocnirile între ioni

Vă spuneam la începutul acestui text că la CERN fizicienii pun întrebări profunde Universului, iar Universul le răspunde, dacă cercetătorii au la dispoziție mașinăria potrivită. Cu siguranță, cele mai profunde întrebări sunt cele legate de începutul Universului. Pentru a primi răspunsurile cuvenite este necesar să fie reconstruite condițiile existente la numai câteva momente după Big Bang. În acea vreme, Universul era atât de fierbinte încât nu puteau exista neutronii și protonii.

Teoria prevedea, pentru acea perioadă, un Univers alcătuit dintr-o plasmă, popular: o”supă”, de quarci și gluoni. Quarcii sunt particule elementare, din care sunt ”construiți”, printre altele, protonii și neutronii. Gluonii sunt niște bozoni, deci niște particule purtători ai unei forțe fundamentale (în cazul nostru, forța tare), care țin împreună quarcii. Pentru a separa quarcii de gluoni, pentru a recreea condițiile existente la începutul Universului, sunt folosite cu succes acceleratoarele de particule.

La CERN, pe 11 iunie 1986 au început să se experimenteze ciocniri între ioni, tocmai pentru a vedea dacă se confirmă existența plasmei quarc-gluon. A fost folosit SPS-ul, iar ciocnirile s-au produs între nuclee de sulf și oxigen. Din păcate, acestea sunt nuclee ușoare și în urma ciocnirii lor nu s-a produs plasma quark-gluon. În schimb rezultatele erau consistente cu teoria care prevedea existența acesteia. Abia în 2010, tot la SPS, prin ciocnirea unor ioni de plumb, a putut fi obținută ”supa” quark-gluon.

1989 – intră în funcțiune colizionatorul LEP

LEP adică Large Electron-Positron collider, cel mai mare accelerator de leptoni construit vreodată pe Terra. Ce sunt leptonii? Să vedem… Leptonii sunt particule care au numărul cuantic numit spin egal cu ½ și care se supun principiului de excluziune al lui Pauli. Clar? Știu, nu este tocmai clar. Poate vă ajută dacă vă voi da un exemplu: electronul este un lepton. Acesta are spinul (un număr cuantic care este legat de rotația în jurul axei proprii) egal cu ½ și, așa cum știți în jurul unui atom nu pot exista pe aceeași orbită doi electroni care au aceleași numere cuantice (electronul poate fi descris complet cu ajutorul a patru numere cuantice, dar nu voi vorbi în acest articol despre ele).

leptunnel
Tunelul care adăpostea LEP.

Primul fascicul de electroni și-a început călătoria în inelele LEP în ziua de 14 iulie 1989. Mașinăria este una impresionantă, având o circumferință de 27 km. A fost scoasă din funcțiune în 2000, pentru a lăsa loc LHC-ului care a fost construit în tunelul care adăpostise LEP-ul.

Nu voi descrie în detaliu LEP-ul. Mă voi mărgini la descrirerea pe scurt a modului său de funcționare. Particulele își încep drumul într-un accelerator liniar, după care sunt grupate în dispozitivul numit acumulatorul electron-pozitron (Electron-Positron-Accumulator, EPA). În etapa următoare grupurile de particule suportă o accelerare preliminară mai întâi în PS, apoi în SPS, după care sunt injectate în cele două inele ale LEP-ului, unde sunt accelerate până la viteze apropiate de cea a luminii.

Pentru a păstra traiectoria circulară a grupurilor de particule, pe parcursul celor 27 km, care reprezintă circumferința inelelor LEP, sunt amplasate 5.176 electromagneți iar accelerarea se produce în 128 de cavități. După ce au atins viteza maximă gruprile de particule sunt obligate să se ciocnească într-unul din cele patru detectoare, ALEPH, DELPHI, L3 și OPAL, în interiorul cărora se desfășoară experimentele LEP. Inițial particulele erau accelerate în LEP până la o energie de 100 GeV, iar la ieșirea din funcțiune, în 2000, după ce a suprorat modernizări, LEP ajunsese la nivelul de 209 GeV.

Rezultatele obținute pe perioada cât a funcționat sunt impresionante. Cu ajutorul lui au putut fi măsurate cu precizie caracteristicle particulelor W și Z, ceea ce a dus la o mai bună înțelegere a forței slabe. De asemenea s-a dovedit că există trei, și numai trei, generații (familii) de particule elementare.

Decembrie 1990 – nașterea www

La CERN se adunau tot mai multe date care trebuiau să fie partajate între calculatoare aflate în toată lumea. Problema risca să devină una gravă, deoarce protocoalele de comunicare între calculatoare din acea vreme erau ineficiente. Pe 12 martie 1989 Tim Berners-Lee propune în scris o soluție.

În partea introductivă el arăta că „CERN este o organizație minuată. În activitatea ei sunt implicați mii de oameni, mulți dintre ei foarte creativi, toți lucrând pentru un scop comun. Faptul că sunt organizați într-o structură ierarhică de management nu trebuie să le impună felul în care oamenii comunică, își partajează informațiile, echipamentul și software-ul între ei”.

Urmează o descriere a ceea ce urma să devină World Wide Web. Pe 12 Noiembrie 1990 Berners-Lee revine cu o propunere mai detaliată în care folosește sintagma World Wide Web. În perioada Crăciunului anului 1990, instalează softul necesar pe unul dintre calculatoarele CERN și creea prima pagină web din istoria lumii. Aceasta era: Info.cern.ch. Apoi a urmat revoluția internetului pe care o trăim cu toții.

Septembrie 1995 – primii atomi de antihidrogen

Cei mai simpli atomi din Univers sunt cei de hidrogen. Ei sunt alcătuiți dintr-un proton (cu sarcină electrică pozitivă) în jurul căruia se învârte un electron (cu sarcină electrică negativă). Perechea lui în oglindă, din punct de vedere al sarcinii electrice, este atomul de antihidrogen, care este alcătuit dintr-un antiproton (cu sarcină electrică negativă) în jurul căruia se învârte un pozitron (cu sarcină electrică pozitivă). Pentru a fi produși primii atomi de antihidrogen a fost folosit LEAR (Low Energy Antiproton Ring – Inelul pentru Antiprotoni de Mică Energie).

lear
Low Energy Antiproton Ring (LEAR)

Aici erau introduși antiprotoni obținuți cu ajutorul sincrotronului pentru protoni (PS) care erau puși să se ciocnească cu atomi de xenon. În experimentul care a durat trei săptămâni au fost produși în total nouă atomi de antihidrogen, care nu au supraviețuit mai mult de 40 miliardimi de secundă, anihilându-se la întâlnirea cu materia obișnuită.

Tocmai detectarea produșilor rezultați în urma anihilării acestora a reprezentat indiciul că ei s-au materializat în timpul experimentului. Vreau să vă spun că acest gen de experimente, în care sunt creați antiatomi, ajută la obținerea unui răspuns la o întrebare fundamentală pe care fizicienii o pun Universului: de ce Universul nostru este alcătuit din materie și nu din antimaterie?

Noiembrie 2000 – închiderea LEP-ului

Pe 2 noiembrie 2000, în cadrul unei ceremonii oficiale, LEP-ul (Large Electron-Positron collider) este închis. Este un moment trist, dacă avem în vedere experimentele extraordinare care s-au desfășurat acolo. În același timp este un moment al marilor speranțe. În tunelul care adăpostise LEP-ul urma să fie construită una dintre cele mai fantastice mașinării de pus întrebări universului: LHC-ul.

Septembrie 2008 – pornirea LHC-ului

La ora 10:28, în dimineața zilei de 10 septembrie 2008 primul fascicul de protoni începe călătoria de-a lungul celor 27 km, care reprezintă circumferința inelelor LHC (Large Hadron Collider). Momentul a fost urmărit cu viu interes în toată lumea, din păcate nu pentru importanța științfică a LHC-ului, ci ca urmare a unor năzbâtii apocaliptice răspândite de mass-media. Punerea în funcțiune a LHC-ului ar fi dus la sfârșitul lumii și chiar a Universului!

Puțină lume a apucat să afle că ajutați de LHC oamenii de știință vor obține răspunsuri la câteva întrebări importante: care este mecanismul prin care particulele elementare capătă masă, de ce Universul a preferat materia în locul antimateriei, cum arăta Universul imediat după Big Bang, există particule elementare dincolo de Modelul Standard?

 

Iunie 2011 – atomi de antihidrogen sunt ținuți viață timp de 16 minute

Aici aproape că atingem domeniul SF-ului. La CERN în cadrul experimentul ALPHA sunt ”fabricați” atomi de antihdrogen, circa 300, care sunt complet separați de materia obișnuită, reușind astfel să supraviețuiască preț de 16 minute, timp suficient pentru a li se studia proprietățile în detaliu. ALPHA este de fapt o ”capcană magnetică” în care sunt introduși, din direcții diferite, pozitroni și antiprotoni, care au o viteză extrem de mică, corespunzătoare unei temperaturi de mai puțin de un grad Kelvin.

Protonii se întâlnesc cu pozitronii și, cu puțin noroc, se formează atomi de antihidrogen. Am descris foarte pe scurt, și poate prea simplist, un experiment formidabil care, fără nici o exagerare, reprezintă o adevărată culme în domeniul fizicii experimentale.

4 iulie 2012 – este anunțată identificarea bozonului Higgs

Seminarul din 4 iulie 2012 fusese anunțat din timp și toți cei care iubim știința și, implicit, CERN-ul, l-am așteptat cu mare nerăbdare. Vă mărturisesc că atunci când s-a făcut anunțul, așa cum mă știți, am sărit în sus de bucurie. Bozonul Higgs era ultima particulă elementară din Modelul Standard care își aștepta materializarea în experimentele de fizica particulelor. Așa cum vă povesteam cu ani în urmă, în numărul din martie 2012 al revistei noastre, bozonul Higgs este cel care a dat masă particulelor elementare, prin așa numitul mecanism Higgs. Pe 4 iulie am aflat și masa bozonului, care este cuprinsă între 125 și 126 GeV. Valoarea aceasta nu este lipsită de importanță. Masa bozonului Higgs ar putea influența viitorul Universului.

14 februarie 2013 – LHC-ul este oprit pentru revizie

Pentru a putea să își continue experimentele și pentru a putea atinge energia nominală (14 TeV), a fost nevoie ca toate sistemele LHC-ului să fie supuse unui minuțioase proceduri de revize. La în 2015 LHC-ul a fost repornit. În luna mai 2015 fluxurile de protoni au fost accelerate până la energia nominală a acceleratorului.

6 februarie 2014 – viitorul CERN

Pe 6 februarie oficialii CERN au prezentat planurile de viitor pentru dezvoltarea capacităților de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare. În următorii ani se dorește o modernizare a LHC-ului, în urma căreia să îi fie crescută luminozitatea (altfel spus, se dorește creșterea numărului de ciocniri între particulele elementare în timpul experimentelor). Programul, intitulat HL-LHC (High Luminosity LHC) va demara în 2020 și va fi finalizat în 2024, moment în care luminozitatea acceleratorului va crește de 10 ori față de cea actuală.

Conducerea CERN privește și către un orizont de timp mult mai îndepărtat și a lansat un studiu exploratoriu, care se va finaliza în următorii cinci ani, pentru a analiza posibilitatea construirii unui succesor pentru LHC.

Există acum două propuneri. Prima are în vedere construirea FCC (Future Circular Collider), care va avea o circumferință de 80-100 km (LHC are o circumferință de numai 27 km) și va putea accelera hadroni până la o energie de 100 TeV.

r8hfkxzq-1393469503
FCC (Future Circular Collider)

Cea da doua propunere ar fi CLIC (Compact Linear Collider, Accelerator Liniar Compact). În acest accelerator vor fi accelerați și, mai apoi, ciocniți electroni și pozitroni.

CLIC-layout
LIC (Compact Linear Collider, Accelerator Liniar Compact)

Încheiere

Îmi cer iertare, istoria CERN-ului merită mai mult decât un articol. Aș avea nevoie de sute de pagini pentru a putea să vă povestesc și să vă fac să simțiți cu adevărat cât de important este acest loc, numit CERN. În textul meu aproape că lipsesc oamenii, și îmi cer iertare. Am fost nevoit să dau întâietate mașinilor și descoperirilor realizate cu ajutorul lor, pentru că am dorit să vă ofer măcar o părticică din grandoarea CERN-ului, locul în care oamenii pun întrebări Universului.

Pentru mine CERN mai înseamnă ceva. Este o părticică a viitorului civilizației umane, este și un uriaș laborator social. Gândiți-vă că aici dispar diferențele dintre națiuni. Aici fizicieni din peste 100 de țări lucrează cot la cot pentru un obiectiv măreț. Din echipa CERN-ului fac parte peste 2500 de cercetători și anual peste 10.000 de fizicieni din domeniul fizicii particulelor, reprezentând peste 600 de universități din toată lumea, vin să contribuie la experimentele care se efectuează aici.

Altfel spus, pe parcursul unui an, aproape jumătate dintre specialiștii în fizica particulelor, din toată lumea, vin la CERN pentru a efectua experimente de maximă importanță pentru înțelegerea Universului. CERN este dovada vie a faptului că dacă dai oamenilor un țel fundamental pentru umanitate, dacă le oferi mijloacele necesare, atunci vor face minuni pentru a îl atinge.

Mă întreb adesea cum ar fi dacă modelul, spiritul care guvernează activitatea CERN ar fi preluat cumva, astfel încât oamenilor din toată lumea să li se ofere cadrul necesar pentru a atinge alte țeluri majore ale umanității. Cu siguranță multe dintre problemele cu care ne confruntăm astăzi ar fi rezolvate rapid.

Și să vă mai spun ceva. România este membră cu drepturi depline a CERN începând din anul 2105. Deja zeci de fizicieni și ingineri români lucrează direct la proiectele care se desfășoară acolo, aducându-și o contribuție importantă atât în construcția instalațiilor cât și în cercetarea propriuzisă. La Măgurele se află o componentă valoroasă a rețelei mondiale de calculatoare cu ajutorul căreia sunt stocate și prelucrate datele obținute la LHC.

În câțiva ani, la noi va fi finalizată construcția unui superlaser european pe despre care afirm că va fi un echivalent al CERN, la Măgurele, lângă București: Cercetările care se vor desfășura aici, în România, nu vor fi cu nimic mai prejos decât cele care se fac în Elveția. În anii următori Măgurele va deveni un centru de importanță mondială pentru cercetările fundamentale din fizică.

Este un moment pe care îl aștept cu mare speranță. Vă dați seama? Voi fi, vom fi cu toții, foarte aproape de locul în care, cu siguranță, se vor face mari descoperiri… Este o istorie care se scrie acum și noi vom fi părtași la ea. Trăim vremuri minunate, nu-i așa?

Comentați pe Facebook