Am așteptat cu nerăbdare, de doi ani încoace, momentul în care marele accelerator de la Geneva, Large Hadron Collider, va fi repornit, după o lungă și minuțioasă operație de întreținere, necesară pentru ca cel mai important instrument de cercetare realizat vreodată de pământeni să poată funcționa, în sfârșit, la parametri nominali.
Recunosc, aceasta este o frază foarte lungă, și totuși am scurtat-o cât am putut de mult, prea plină de superlative era în prima sa variantă. Să știți că sunt convins de faptul că LHC-ul are nevoie de superlative, el însuși fiind superlativul instrumentelor cu care cercetăm Universul. Sper că îmi înțelegeți nerăbdarea, care a luat sfârșit pe 5 aprilie, zi în care marele accelerator al CERN a fost repornit.
Nu a fost lipsită de suspans repornirea LHC-ului. De fapt, ea a suferit o mică amânare. În timpul testelor de dinaintea repunerii în funcțiune, a fost identificat un scurtcircuit la unul dintre electromagneții superconductori, care au rolul de a controla traiectoria protonilor accelerați, astfel încât aceștia să rămână în interiorul inelelor (cu circumferința de circa 27 km), care constituie componenta principală a acceleratorului.
După știința mea, era o problemă gravă, oarecum similară celei care a dus la defectarea LHC-ului în septembrie 2008, când, tot un scurtcircuit, a dus la defectarea unuia dintre electromagneții superconductori.
Din punct de vedere tehnic, în comunicatul CERN se arăta că s-a produs „un scurtcircuit într-una dintre conexiunile electromagnetului și o diodă. Această diodă face parte din sistemul de protecție a electromagnetului supraconductor: ea deviază curentul într-un circuit paralel în momentul în care apare o problemă, cum ar fi trecerea electromagnetului din stare supraconductoare în stare conductoare”.
Scurtcircuitul era provocat de un fragment de metal. Cum putea fi îndepărtat? Existau două soluții: să se evacueze heliul din circuitul de răcire, să se rezolve problema, după care electromagnetul să fie adus din nou, prin răcire, în starea supraconductoare. Întreaga operațiune ar fi durat săptămâni bune.
Din fericire, după analiza atentă a problemei, specialiștii au folosit o procedură ingenioasă și îndrăzneață. Pur și simplu, au trecut prin circuitul cu probleme, timp de câteva milisecunde, un curent de 400 Amperi. Fragmentul de metal a fost „ars”, întocmai cum „se arde” firul din cupru dintr-o siguranță fuzibilă, din acelea care protejează circuitul electric din casa ta. Odată reușită această manevră, marele accelerator al CERN de la Geneva era pregătit pentru repornire.
Dar ce s-a întâmplat în acești doi ani? De ce a fost nevoie de scoaterea din funcțiune pentru o perioadă atât de îndelungată a acceleratorului?
Întreținere și modernizare
Înainte de a fi oprit, LHC-ul ajunsese să accelereze pachete de protoni până la energii de circa 4 TeV – nu voi insista acum asupra semnificației fizice a acestei valori, voi spune doar că aceasta a fost cea mai mare energie obținută într-un accelerator terestru. Așa cum bănuiesc că știți, acest Large Hadron Collider este proiectat pentru a realiza accelerări ale protonilor până la 7 TeV.
Din păcate, în urma testelor efectuate, s-a decis ca limită pentru această a doua etapă de experimente (second run), să fie o accelerare de până la 6,5 TeV. Pentru a obține această performanță, chiar dacă este cu 0,5 TeV mai mică decât valoarea proiectată, au fost necesare operațiuni ample de verificare și modernizare a unora dintre componentele principale ale acceleratorului.
Pentru claritate, cred că este nimerit să intru un pic în detalii tehnice, dacă nu vă este cu supărare. Pentru a deplasa un fascicul de protoni pe o traiectorie circulară, sunt necesari un număr mare de electromagneți supraconductori. În cazul LHC, pentru a-i face să se deplaseze de-a lungul cercului cu circumferința de 27 km, sunt necesari 1.232 de electromagneți supraconductori. Aceștia au fost verificați cu atenție, iar 18 dintre ei, care prezentau semne de uzură, au fost înlocuiți.
Vă spuneam mai devreme că acceleratorul urmează să funcționeze la energii mult mai mari decât în trecut și de aceea sunt necesare câmpuri magnetice mult mai intense pentru a menține protonii pe traiectoria lor. Asta se traduce printr-o creștere a curentului electric care circulă prin electromagneții supraconductori, de la 5.000 A la 11.000 A.
Din acest motiv, au fost necesare înlocuirea a mai bine de 10.000 de conexiuni electrice și introducerea unor circuite electronice de protecție pentru a disipa energia electrică suplimentară, care ar putea să apară în cazul unor defecțiuni. De asemenea, au fost modernizate sistemele criogenice care asigură răcirea electromagneților supraconductori până la temperaturi apropiate de zero absolut.
Operațiile acestea, pe care tocmai le-am descris, sunt ușor de intuit, la modul general, și bănuiesc că și voi v-ați fi gândit la ele. Dar mai există o problemă, una un pic mai subtilă. Pe măsură ce crește viteza protonilor prin tuburile acceleratorului, apare un fenomen foarte neplăcut. Protonii, care se deplasează cu viteze apropiate de viteza luminii, „extrag” electroni din partea internă a peretelui tubului. Astfel se produce un „nor” de electroni care interferează cu fasciculul principal.
Soluția? Partea interioară a tubului prin care circulă protonii a fost acoperită cu un material special (tehnic, acesta se numește „non-evaporable getters”, NEG), care are rolul de a împiedica electronii să părăsească peretele tubului. În plus, din loc în loc, de-a lungul tuburilor acceleratorului, au fost înfășurate niște bobine, care joacă același rol.
Cam tehnic acest subcapitol, nu-i așa? Vă rog să mă iertați. Cu greu am reușit să mă abțin să nu intru în detalii. Mașinăria asta îmi pare foarte încântătoare și, inițial, mă gândisem să discut în detaliu despre tehnologia care stă în spatele funcționării ei.
Dar, pe măsură ce scriam textul mi-am dat seama că, dintr-o dată, redevin inginer, favorizând datele seci, în detrimentul povestirii. În fond, în acest caz, sunt mai puțin importante tehnologiile folosite. Importantă este explorarea Universului cuantic, cea care se realizează cu ajutorul marelui accelerator al CERN de la Geneva.
Ce așteptăm de la LHC?
În precedenta serie de experimente, care s-a încheiat în 2013, a fost obținut un rezultat extraordinar, reprezentat de descoperirea bozonului Higgs, care confirma valabilitatea a ceea ce se numește Modelul Standard. În precedenta serie de experimente, au fost studiate numai câteva mii de bozoni Higgs.
Vreau să vă aduc aminte că bozonul Higgs nu este „văzut” în mod direct, el dezintegrând-se rapid în alte particule. El a fost descoperit tocmai prin analiza acestor dezintegrări. Modelul Standard arată că există mai multe căi de dezintegrare a bozonului Higgs, iar numărul mic de bozoni produși până acum nu a permis o analiză detaliată a acestora. Odată cu atingerea nivelului nominal al energiilor de ciocnire între protoni, vor fi produși mult mai mulți bozoni Higgs, ceea ce va permite obținerea unei imagini mai clare a bozonului.
Dar mai există un aspect important, unul care ar putea pune bazele unei fizici noi. Aparent, prin descoperirea bozonului Higgs, socotelile par încheiate, fiind identificate toate particulele prezise de model. Din fericire, lucrurile nu stau deloc așa.
Modelul Standard descrie foarte bine doar materia obișnuită, care reprezintă numai circa 5% din Univers. Despre aproape 27% din Univers, reprezentat de ceea ce se numește materie întunecată, Modelul Standard nu ne spune absolut nimic. Altfel spus, Modelul Standard este incomplet.
Cum am putea să îl completăm? Greu de spus. Există mai multe ipoteze legate de fizica de dincolo de Modelul Standard (beyond Standard Model). Una dintre ele poartă numele de supersimetrie. Să vedem pe scurt despre ce este vorba.
Conform Modelului Standard, avem un total de 17 particule elementare, dintre care 12 sunt fermioni (6 leptoni plus 6 quarci) și 5 sunt bozoni. Fără a încerca o definire mai riguroasă, voi spune că fermionii sunt particulele elementare care reprezintă cărămizile fundamentale din care se construiește materia, în timp ce bozonii sunt particule elementare care „poartă” forțele fundamentale ale naturii.
Vreți niște exemple? Iată unul: trei quarci (doi quarci up și unul down) formează un proton. Toți acești quarci sunt ținuți la un loc prin intermediul unei forțe fundamentale, care poartă numele de forță tare. Această forță este transmisă de către gluoni, care fac parte din grupa bozonilor.
Conform ipotezei supersimetriei, fiecare dintre particulele elementare din Modelul Standard are un partener supersimetric. Astfel, pentru fiecare fermion am avea, drept partener supersimetric, un bozon, în timp ce bozonii, din același Model Standard, au ca parteneri supersimetrici niște fermioni. Aceștia au primit deja nume, prin adăugarea literei „s” în fața numelui fermionului din Modelul Standard.
Electronul are, drept partener supersimetric, bozonul numit selectron, neutrino îl are pe bozonul sneutrino și așa mai departe. La rândul lor, numele partenerilor supersimetrici ai bozonilor din Modelul Standard se obțin prin adăugarea sufixului „ino”. De exemplu, partenerul supersimetric al bozonului Higgs este fermionul Higgsino. Ați remarcat, desigur, că prin ipoteza supersimetriei numărul particulelor elementare se dublează.
Acum apare o întrebare firească: de ce nu am detectat până acum parteneri supersimetrici? Da, asta este o problemă! Există mai multe teorii dezvoltate pe baza ipotezei supersimetriei. Unele dintre au devenit mai puțin probabile, tocmai pe baza experimentelor desfășurate la LHC. Este vorba despre acele teorii care presupuneau mase relativ mici pentru partenerii supersimetrici.
Până acum, la nivelul de energie la care au ajuns ciocnirile în LHC, nu se putea merge mai departe. Este foarte probabil ca partenerii supersimetrici să posede mase relativ mari și, din acest motiv, până acum, în ciuda unor indicii, ei să scape detectării. Cu siguranță, îndată ce vor începe noile experimente, în luna mai, unul dintre obiectivele principale ale marelui accelerator al CERN de la Geneva va fi tocmai căutarea acestor superparteneri.
O altă întrebare la care am putea primi un răspuns cu ajutorul noii serii de experimente realizate cu ajutorul LHC-ului ar fi următoarea: „De ce forța gravitațională este atât de mică în raport cu celelalte forțe fundamentale ale naturii (forța electromagnetică, forța slabă și forța tare)? Una dintre ipotezele care încearcă să răspundă acestei întrebări presupune existența unor dimensiuni suplimentare în care „călătorește” forța gravitațională, pierzându-și astfel din putere. Din păcate, ipoteza rămâne ipoteză, câtă vreme nu o putem testa experimental.
În noua serie de experimente, având în vedere faptul că LHC-ul va atinge energii foarte mari de ciocnire, nemaiatinse până acum, există speranța că am putea obține indicii asupra existenței acestor dimensiuni suplimentare. O parte dintre teoriile care pleacă de la ipoteza existenței dimensiunilor suplimentare impun existența unor versiuni grele, în dimensiunile suplimentare, ale particulelor Modelului Standard. Se speră ca acestea ar putea fi detectate pe parcursul experimentelor care se vor desfășura în noua serie de experimente.
O altă întrebare care își așteaptă răspunsul este legată de antimaterie. Așa cum probabil știți, fiecărei particule de materie îi corespunde o antiparticulă, care diferă de prima doar prin faptul că este schimbat semnul sarcinii electrice. De exemplu, electronului (care are sarcină electrică negativă) îi corespunde antiparticula numită pozitron (care are sarcină electrică pozitivă).
În primele momente ale Big Bang-ului, ar fi trebuit să se producă materie și antimaterie în cantități egale, totuși trăim într-un Univers alcătuit din materie. Nu uitați că în clipa în care o particulă se întâlnește cu antiparticula sa, cele două se anihilează într-o explozie de energie. Dacă la începutul Universului s-ar fi produs cantități egale de materie și antimaterie, atunci nu ar mai fi rămas altceva decât un număr imens de fotoni de mare energie, care ar fi călătorit printr-un spațiu complet gol.
Ceva s-a întâmplat la începuturi, a existat un mic dezechilibru între materie și antimaterie. Care este sursa acestui dezechilibru? Aceasta este o întrebare fundamentală.
Aș vrea să vă reamintesc faptul că în timpul ciocnirilor din LHC se recreează condițiile existente în Univers la o miliardime de miliardime de secundă de după Big Bang. Se speră că prin analiza particulelor rezultate în urma ciocnirilor dintre protoni, la energii de 13 TeV, vom acumula suficiente informații pentru a înțelege cauza dezechilibrului dintre materie și antimaterie de la începutul Universului.
Încheiere și o speranță
S-ar putea să nu primim nici un răspuns la întrebările de mai sus. La fel de bine s-ar putea să ne trezim în fața unor fenomene pe care fizicienii să nu le fi imaginat vreodată. Am spus-o de atâtea ori încât, măcar pentru mine, a devenit ceva banal: tocmai în asta stă frumusețea științei. Ea pune întrebări pentru care nu are răspunsuri prestabilite.
Revoluțiile în știință se produc atunci când datele experimentale infirmă teoriile acceptate la un moment dat. Eu asta sper să îmi ofere LHC-ul: șansa de a fi contemporan cu o revoluție în fizică.
