Panikas cēlāji un pasaules gala gaidītāji uz kādu brītiņu var atviegloti uzelpot – tehniskas ķibeles dēļ šonedēļ darbu nav izdevies atsākt Lielajā hadronu paātrinātājā (LHC). Taču ir skaidrs, ka nelielā problēma agri vai vēlu tiks novērsta, un pasaules vērienīgākais zinātnes projekts turpināsies. Beidzamajos divos gados LHC veiktas vērienīgas izmaiņas, kas ļāvušas tā enerģiju palielināt par aptuveni 60%. Zinātnieki uzskata, ka, atsākot darbu, izdosies atklāt jaunas elementārdaļiņas, uzzināt vairāk par tumšo matēriju un apstiprināt vai apgāzt pāris interesantas teorijas.
Līdz šim veiksmīgākais eksperiments, kas izdevies LHC 27 kilometrus garajos tuneļos, kur tiek provocētas protonu plūsmu sadursmes gandrīz gaismas ātrumā, ir Higsa bozona fiksēšana 2012. gadā. Gadu vēlāk eksperimenta vadītājs Fransuā Englerts un britu fiziķis Pīters Higss, kurš bozona eksistenci teorētiski pamatoja vēl pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, saņēma godam nopelnīto Nobela prēmiju fizikā. Savukārt tiem, kuri biedēja sabiedrību, ka LHC eksperimenti var novest pie melnā cauruma rašanās un tas aprīs visu mūsu planētu, uz laiku nācās pieklust.
Īssavienojums magnētā
Kopš 2013. gada februāra eksperimenti LHC bija pārtraukti, un Eiropas kodolpētījumu organizācija (CERN), kuras pakļautībā atrodas paātrinātājs, bija iecerējusi tos atsākt šajā nedēļā. Tomēr tehnisku iemeslu dēļ no šī nodoma nācies atteikties, un CERN vadītāja Rolfa Dītera Heijera paziņojumā, ko citē Reuters, norādīts, ka problēmas novēršana varētu ilgt «no dažām dienām līdz vairākām nedēļām».
New Scientist raksta, ka īssavienojumu izraisījis neliels metāla gabaliņš, kas atrodas tam neparedzētā vietā vienā no elektromagnētiem – tie tiek izmantoti, lai paātrinātu protonu plūsmu līdz ātrumam, kas ir pietuvināts gaismas ātrumam. «Tā ir kaut kāda metāliska draza, no kuras jāatbrīvojas pirms magnētu ieslēgšanas,» skaidrojis CERN speciālists Pols Koljē, kurš ir atbildīgs par protonu kūļu paātrināšanu. Viņš uzsvēris, ka normālos apstākļos šīs problēmas risinājums prasītu, ilgākais, pāris stundas, taču jāņem vērā, ka iekārtas ir atdzesētas līdz temperatūrai, kas tikai par dažiem grādiem augstāka par absolūto nulli jeb –273,15 grādiem pēc Celsija skalas. Šādos apstākļos nevietā nokļuvušo metāla gabalu no magnēta izņemt ir neiespējami. «Ja mums nāksies uzsildīt visu paātrinātāju, veikt remontu, bet pēc tam to atkal atdzesēt, tas prasīs vairākas nedēļas,» sacījis P. Koljē.
Tērēt tik daudz dārgā laika zinātnieki nevēlas, tādēļ tiek meklēti alternatīvi risinājumi. Intervijā New Scientist P. Koljē stāstījis, ka teorētiski pastāv vēl divas iespējas. Viens variants ir mēģināt izmantot augsta spiediena gāzi, ar kuras palīdzību nevēlamo objektu vienkārši aizpūstu no vietas, kur tas atrodas. Kā analoģiju P. Koljē min saspiestā gaisa baloniņus, kas tiek izmantoti datoru klaviatūru tīrīšanai. Tā kā LHC magnētu dzesēšanai tiek izmantots šķidrais hēlijs, tieši šī gāze varētu būt vispiemērotākā problēmas novēršanai. «Teju vai vienīgais, taču ļoti būtisks šīs metodes trūkums ir tas, ka aprēķināt neko nav iespējams – atliek vien cerēt, ka gāzes plūsma novirzīs svešķermeni uz vietu, kur tas vairs nerada nekādas problēmas,» sacījis P. Koljē, atzīstot, ka iespējams arī pretējs rezultāts, proti, metāla gabals iesprūst un turpina radīt īssavienojumu.
Otra pašlaik skatītā iespēja paredz sarīkot nelielu sprādzienu un uguņošanu elektromagnētā. Tā kā metāla svešķermenis darbojas kā drošinātājs, ir lielas izredzes to pavisam vienkārši pārdedzināt, pievadot magnētam elektrisko strāvu. P. Koljē sacījis, ka pašlaik speciālisti sliecoties tieši uz šo metodi. Taču pirms tam ar rentgena aparāta palīdzību iecerēts noskaidrot, kas tieši par drazu iekļuvusi elektromagnētā un kādas ir tās fizikālās īpašības.
Zinātnieki laiku netērē
«Lai nu kā, bet šāda mēroga pētījumos pat pāris nedēļu aizkavēšanās, lai izprastu mūsu Visumu, ir salīdzināma ar mirkli, kas nepieciešams acu pamirkšķināšanai,» sacīts R. D. Heijera izplatītajā paziņojumā, Viņš arī vēlreiz atgādinājis par veiktajiem uzlabojumiem. Līdz šim paātrinātāja enerģija jeb sprieguma potenciāls bija astoņi tetraelektronvolti, bet tagad tas tiks palielināts līdz 13 tetraelektronvoltiem, turklāt īpašu eksperimentu veikšanas laikā pat līdz 14 tetraelektronvoltiem. Interneta ziņu vietne LiveScience.com min R. D. Heijera izteikto salīdzinājumu, ka ar to pietiktu, lai izkausētu tonnu vara. Daļiņu daudzumu plūsmās, kas tiek triektas viena pret otru, plānots samazināt, taču attālums starp plūsmām būs mazāks, un reģistrējamo triecienu skaits lielāks, kas dos detektoriem vairāk informācijas par daļiņu sadursmēm.
BBC atgādina, ka paātrinātājā strādā četras zinātnieku komandas, kas veic atšķirīgus eksperimentālus projektus – LHCb, Atlas, CMS un Alice. Visi viņi ar nepacietību gaida brīdi, kad varēs ķerties pie darba – tas notiks tad, kad paātrinātājs sāks strādāt ar pilnu jaudu, un tā pazemes tuneļos tiks reģistrētas elementārdaļiņu sadursmes. Atkarībā no tā, kad izdosies novērst problēmas un iedarbināt LHC, tas varētu notikt maija nogalē vai jūnija pirmajā pusē. Aizkavēšanos zinātnieki izmanto, lai vēlreiz un vēlreiz pārbaudītu savas ierīces. Londonas universitātes koledžas fiziķis Džonatans Batervorts, kurš darbojas Atlas komandā, BBC stāstījis, ka kopā ar kolēģiem ik dienas veicot kādus uzlabojumus datorprogrammā, ar kuras palīdzību tiek kontrolēti detektori un analizēta savāktā informācija. Savukārt CMS projektā iesaistītais Andrē Deivids skaidrojis, ka nekādas piespiedu dīkstāves neesot, jo detektoru noregulēšana principā esot process, kas nekad nebeidzas – tos var noregulēt precīzāk un precīzāk. «Mēs arī turpinām vākt informāciju par kosmisko starojumu,» piebildis A. Deivids, atgādinot par elementārdaļiņām (muoniem), kas atceļo no Visuma un spēj iekļūt pat Lielā hadronu paātrinātāja tuneļos – 30 stāvus zem zemes.
Aiz Standarta modeļa robežām
Kādus tad uzdevumus gatavojas risināt zinātnieki, un kādiem atklājumiem ir gatavi, ņemot vērā LHC jaunās iespējas? LiveScience.com raksta, ka Higsa bozona fiksēšana jau varētu šķist vēsture, jo līdz ar to faktiski tika ielikts beidzamais trūkstošais ķieģelītis sienā, kas veido tā saukto Standarta modeli. Taču izrādās, ka šī elementārdaļiņa zinātniekus joprojām ļoti interesē. «Ir teorija, ka Higsa bozoniem var būt dažādi tipi, un zinātnieki tagad vēlas noskaidrot, vai tas tā tiešām ir. Tāpat viņus interesē pagaidām neatrastā atbilde uz jautājumu, kādēļ šo bozonu masa ir tāda, kāda ir,» raksta interneta ziņu vietne.
Tomēr Fermī vārdā nosauktās ASV Nacionālās paātrinātāju laboratorijas (Fermilab) speciālists Dons Linkolns (viņš darbojas CMS projektā) sarunā ar Los Angeles Times norādījis, ka, neraugoties uz milzīgo ažiotāžu, Higsa bozona konstatēšana nav uzskatāma par lielu sensāciju, jo absolūti visi teorētiskie pētījumi paredzēja tā eksistenci. «Patiesībā sensācija tā būtu tad, ja mēs nebūtu atraduši Higsa bozonu,» viņš sacījis, uzsverot, ka tikai tagad pētnieki ieiet absolūti nepazīstamā teritorijā, cenšoties pārbaudīt idejas, kas eksistē tikai hipotēžu un versiju līmenī. «Mēs varam atklāt kaut ko pavisam negaidītu, kaut ko tādu, kas liks pārrakstīt visas mācību grāmatas,» sacījis zinātnieks. Līdzīgās domās ir arī viņa kolēģis Ticiāno Kamporēzi, kurš vada CMS projektā iesaistīto zinātnieku grupu. Viņš prognozējis, ka tālāku pētījumu laikā zinātniekiem ir lielas cerības šķērsot neredzamo robežu, kas Standarta modeli atdala no pagaidām neizskaidrojamiem fenomeniem – tādiem kā tumšā matērija un enerģija, antimatērijas daudzums Visumā, dažādas modernas gravitācijas teorijas. «Veicot plānotos eksperimentus, mums jābūt gataviem tam, lai detektori spētu reģistrēt arī kaut ko negaidītu. Ja daba pret mums būs labvēlīga, tad rezultātus var gaidīt ātri, ja ne – tam būs vajadzīgs laiks,» viņš sacījis.
Tumšās matērijas meklējumi un supersimetrija
Aptaujājot CERN strādājošos zinātniekus, BBC noskaidrojusi, ka viņu lielākā daļa cer uz jauniem atklājumiem, kas palīdzēs noskaidrot tā dēvētās tumšās matērijas un tumšās enerģijas dabu. Teorētiskās aplēses, vadoties pēc Standarta modeļa, liek domāt, ka tikai aptuveni 5% Visuma veido mums pazīstamā matērija un enerģija, bet par tumšo enerģiju (ap 70%) un tumšo matēriju (25%) zinātniekiem nav pat aptuvena priekšstata. Ja atskaita to, ka kaut kam tamlīdzīgam jāeksistē, jo pretējā gadījumā nedarbosies fundamentālie fizikas likumi.
«Mēs zinām, ka šī tumšā matērija ir, taču mums nav ne jausmas, kas tā ir,» problēmas būtību skaidrojis Kalifornijas universitātes fiziķis Džejs Hauzers. Sarunā ar LiveScience.com viņš paudis cerību, ka tagad, kad LHC jauda ir ievērojami palielināta, varētu pietikt enerģijas, lai pēc kādas no sadursmēm fiksētu arī kādu tumšās matērijas elementārdaļiņu. Teorētiķi uzskata, ka tai vajadzētu būt elektriski neitrālai, turklāt, un tas nav mazsvarīgi, tās mūžs varot būt relatīvi garš – pat dažas sekundes. «Ja mēs paātrinātājā uziesim kaut ko, kas līdzinās tumšajai matērijai, tad pats svarīgākais ir pēc iespējas ātrāk veikt mērījumus un mēģināt saprast, kā to iespējams konstatēt tieši citos eksperimentos,» sacījis Dž. Hauzers.
Ne mazāk intriģējoši ir tas, vai eksperimentālā ceļā izdosies pierādīt tā dēvētās supersimetrijas teorijas pareizību. LiveScience.com atgādina, ka šī teorija postulē – elementārdaļiņas dalās divos tipos, bozonos un fermionos, un katrai no tām ir savs partneris starp otra tipa daļiņām, ar kuru attiecīgais bozons vai fermions ir saistīti. Līdzšinējos eksperimentos šādus daļiņu pārus gan nav izdevies konstatēt, taču zinātnieki cer, ka beidzot tas kļūs iespējams. Gluži tāpat kā savulaik visi spēki bija veltīti Higsa bozona meklēšanai, tagad speciālisti centīsies atrast gluonu teorētiskos partnerus, kas nodēvēti par gluino.
Tāpat LHC plānots radīt apstākļus, kas varētu būt eksistējuši pāris mirkļus (miljardās no miljardajām sekundas daļām) pēc Lielā sprādziena, kas, kā tiek uzskatīts, notika pirms 13,7 miljardiem gadu, radot Visumu tādu, kādu mēs to pazīstam. LiveScience.com raksta, ka šī modelēšana var sniegt atbildi uz jautājumu, kas noticis ar antimatēriju, kuras daudzumam būtu jābūt tikpat lielam kā matērijas daudzumam, taču reāli to novērot nav iespējams. Bet atsevišķi zinātnieki, piemēram, Mirs Faizals jau aizrunājušies līdz tam, ka ar LHC veiktajiem eksperimentiem iespējams pārbaudīt paralēlo Visumu teoriju, turklāt atkal izteikušies, ka tuneļos būtu nepieciešams provocēt pavisam sīciņu melno caurumu rašanos. Zinātnieki gan norādījuši, ka šādi melnie caurumi, kuru diametrs nepārsniedz milimetra daļas, būtu absolūti nekaitīgi, jo ir ļoti nestabili un izzūd jau dažus mirkļus pēc rašanās.
