TEMA BROJA - ELEMENTARNE ČESTICE

Pripremio: M. Rajković

Dr Dragan Popović, naučni savetnik Instituta za fiziku u Zemunu

Traganje za jednačinom prirode

U saznavanju prirode poslednjih decenija učinjen je veći napredak nego u prethodnih hiljadu godina. Najdublji prodor u razumevanju prirodnih zakona delo je fizičara elementarnih čestica, teoretičara i eksperimentatora. Izgradili su Standardni model koji matematički veoma dobro opisuje događaje u prirodi, od Velikog praska do današnjeg dana. Na putu su da i poslednji delić mozaika, taj „dragulj u kruni“ svoje teorije o nastanku svemira i eksperimentalno potvrde.

- Elementarne čestice predstavljaju suštinu ideje da je priroda jednostavna. Očekivali smo, i vidi se da smo bili u pravu, da su zakoni koji vladaju u svemiru veoma jednostavni. Teorijski to smo uspeli da pokažemo, ali sada i eksperiment potvrđuje ovu teoriju - kaže prof. dr Dragan Popović, rukovodilac srpskog tima u ATLAS eksperimentu i national contact person Evropskog centra za nuklearna istraživanja u Ženevi i države Srbije.

Zašto je priroda uzela jednostavnost za vrhunsko načelo, šta ono u stvari znači?

- I stari filozofi su smatrali da su velike istine jednostavne i da su nam, takoreći, pred očima. Standardni model pretpostavlja da je kosomos nastao pre 13,5 milijardi godina i da je sastavljen od malog broja čestica, koje su vezane prirodnim silama, interakcijama, kao nekom vrstom maltera. Savremena fizika poznaje četiri sile: elektromagnetnu silu, slabu nuklearnu, jaku nuklearnu i gravitacionu silu. One drže sve osnovne čestice materije - kvarkove i leptone . Danas znamo da postoje dva kvarka, kvark up , gornji i kvark down , donji, i dva leptona - elektron i njegov neutrino , koji čine jednu familiju čestica. U trenutku Velikog praska bilo je i drugih čestica koje su se, širenjem i hlađenjem vasione, raspale. Po teoriji, postojala su još dve familije čestica: prvu čine par kvarkova Charm (začaran) i Strange (nepoznat) i par leptona Neutrino Mionski i Mion, a drugu familiju: par kvarkova Top (vrh) i Bottom (dno), u prvobitnom nazivu Thrust (istina) i Beauty (lepota), i par leptona Neutrino tau i Tau. Sve ove čestice su pronađene. Postoje, dakle, tri familije čestica koje su otkrivene. Sve one imaju ista svojstva, ali su se čestice druge dve familije, veće po obimu i teže, zbog nestabilnosti raspale. Od tih dvanaest čestica i četiri interakcije stvoren je sav vidljivi svet. Sve se pomoću njih može opisati. Na pitanje zašto imamo samo tri familije čestica a ne više ili manje, šta je odredilo da ih bude baš tri a ne dve, naučnici tek treba da odgovore.

Jedna sila i čestice

Ako je opis dosadašnjeg razvoja vasione tačan, čemu fizičari sada teže? Kažu da u prirodi vladaju jednostavni zakoni, ali eksperimenti to gledište još nisu sasvim potvrdili. Sve čestice su sveli na tri familije, ali im se ne dopadaju četiri osnovne sile koje ih međusobno drže?

- Fizičari nastoje da nađu jednu interakciju koja pokriva sve četiri. Standardni model je teorijski predvideo tu mogućnost. Fizičari hoće da dođu do jedne teorije o svemu što postoji oko nas i da se ona izrazi u jednoj jedinoj jednačini.

Da li je željena teorijska konstrukcija moguća?

- Pokazalo se da se elektromagnetska sila može odgonetnuti ujedinjenjem elektromagnetne sile i slabe nuklearne sile. To nas još više učvršćuje u uverenju da su sve četiri interakcije samo pojavni oblik jedne jedinstvene interakcije, koja je postajala u magmi koja je proključala i izazvala Veliki prasak. Idemo u tom pravcu i vidimo da nismo pogrešili jer, što dublje silazimo u suštinu materije, uviđamo da to jeste put do jedinstvene jednačine i da se sve više približavamo istini koju težimo da otkrijemo. Sada, kao arheolozi skidamo sloj po sloj. Cilj koji se zove ujedinjena interakcija prosto pretpostavlja zaključak da je postojala jedna sila i navedene čestice.

Ali teoretičari muku muče s gravitacijom, znaju da ujedine slabu, jaku i elektromagnetnu silu, ali ne i sve četiri osnovne interakcije?

- To je težak zadatak, ali fizičari napreduju. Teoretičari su neke stvari načelno razrešili, druge nisu. Zato je bilo potrebno izgraditi veliki akcelerator, koji treba da nam simulira stanje prvobitne energije, u trenutku Velikog praska, da se stvore sve čestice, i one koje su preživele i one koje su se raspale, da bi mogle da budu otkrivene i analizirane. Pre gotovo pola veka, 1964. britanski fizičar Piter Higs, iz Edinburga, uveo je u teorijska razmatranja bozon, koji je po njemu nazvan Higsov bozon. Higs je stvorio strukturni mehanizam kojim se objašnjava šta se i kako dešavalo u toj dalekoj prošlosti.

Taj mehanizam je za naučnike još uvek misterija, zašto je takav kakav jeste?

- U procesu interakcije između Higsovog bozona i kvarkova i leptona, ove čestice dobijaju masu. Da nema te Higsove pretpostavljene strukture, ne bismo znali kako da opišemo poreklo mase u kosmosu. Pokazalo se da je za objašnjenje porekla mase neophodno prisustvo Higsove čestice. Ako nje ne bi bilo, ni druge čestice ne bi imale masu, a to znači da ne bi uopšte bilo mase u prirodi. Zato je njeno postojanje od fundamentalnog značaja za razumevanje prirodnih zakona. Bozon je otkriven, opisan i bez njega se ne može.

Šta je zapravo bozon?

Bozoni su parne čestice sa celobrojnim spinom 1 i 0, koje prenose energiju i česticama daju masu. Nismo mogli da zaključimo kojim se putem svemir razvijao bez otkrića i poslednje čestice, čije je postojanje predvideo Standardni model. Fizičari su uspeli da ubede nefizičare da izdvoje ogroman novac za izgradnju Velikog hadronskog razbijača, LHC ( Large Hadron Collider ), da bi pokušali da otkriju Higsov bozon putem eksperimenta, ili ustanove da ne postoji, što bi takođe bilo veliko otkriće za fiziku.

Naše komponente u LHC

U čemu se sastojao doprinos Srbije u gradnji tog čuda tehnike?

ATLAS detektor

ATLAS eksperiment u CERN- u ima svoje saradnike iz 37 zemalja. Kao i CMS eksperiment, u kome su takođe učestvovali srpski naučnici. Svaki učesnik dao je sopstveni unutrašnji doprinos ( inkind contribution ), i to hardverski, i snosio je troškove učešća. Mi smo dobili zadatak, 2003. godine da uradimo dva diska od nerđajućeg čelika, dimenzija 9 m u prečniku, debljine 8 cm, teških oko sto tona svaki. Za taj posao angažovani su stručnjaci Kompanije „Lola“ u Železniku, u saradnji sa timom naučnika iz Instituta za fiziku. Ta dva točka transportovao je konvoj od osam duplih kamiona, preko Italije i Švajcarske, do Ženeve. Rukovodstvo CERN-a bilo je zadovoljno besprekorno obavljenim poslom.

Slučaj je hteo da naš disk, sa logom Instituta za fiziku, bude poslednja komponenta ugrađena na ATLAS detektor. Time je izgradnja ATLAS detektora ceremonijalno završena, o čemu svedoči naslovna strana CERN couriera, aprilski broj, 2008. ATLAS detektor je jedan od četiri detektora Velikog hadronskog razbijača i sve događaje koje zabeleži detektor ATLAS, timovi naučnika obrađuju i analiziraju. Srpski tim naučnika ATLAS projekta daje svoj puni naučni doprinos revolucionarnom pristupu fizike u njenoj istoriji.

Otkriće Higsovog bozona, svakako zaslužuje Nobelovu nagradu?

Uuveliko se već u naučnim krugovima CERN-a komentariše mogućnost da Piter Higs bude njen sledeći dobitnik.

M. Rajković