TEMA BROJA - ELEMENTARNE ČESTICE

Pripremio: S. Andrić

Antisvet

Proboj u nepoznato

Otkrićem Higsovog bozona za naučnike počinje era nove fizike. Jedno od pitanja glasi: od čega se sastoji Univerzum? Akcelerator čestica i druge svetske laboratorije treba da daju odgovor.

Levo od ulaznih vrata antisveta pasu ovce. Desno, nekoliko nerđajućih čeličnih boca čeka da bude pokupljeno. Jedan natpis upozorava:„Pažnja, zračenje“. Drugi zabranjuje vožnju biciklom. Žuta vrata vode u unutrašnjost AD-hale, u prostor istaživačkog centra CERN, kod Ženeve.

“Usporivač antiprotona” naziv je mašine koju su tu napravili. Ritmično šištanje vakuum-pumpi i krioagregata meša se sa zvukom klima uređaja. Tu naučnici proizvode materijal koji je sam po sebi misteriozan jer ga verovatno nema niti ga je bilo u univerzumu - antiatome.

Odatle vodi staza kroz prostor od kablova, cevi i betona. Odozgo, pogled pada na jedan tesnac u kojem se naučnici provlače između magneta, elektronike i čeličnih cevi. Stručnjaci upravljaju, hlade, zaustavljaju i ubrazavaju veštački priozvedene čestice i uče o mogućim oblicima materijalam iz misterioznog antisveta. Jedan od naučnika nazvao je sve to “gimnastikom čestica”.

Fabrika antimaterije

Džefri Hengst je, posle 15 godina, uspeo da „uhvati“ pojedinačne atome antivodonika i da ih drži zarobljene oko 15 minuta. A potom mu se posrećilo da izvrši prvo merenje na jednom takvom antiatomu.

Prsten akceleratora na kojem je Hengst radio bio je srce CERN-a. On je centru doneo svetsku slavu, a istraživači Simon van der Mer i Karlo Rubia podelili su Nobelovu nagradu za fiziku. Danas je usporivač antiprotona skriven i zmeđu kancelarija, radionica i ogromnih mašina CERN-a pa fabriku antimaterije nije lako pronaći.

Odavno je pažnja javnosti usmerena ka najmoćnijem akceleratoru čestica na svetu, Velikom hadronskom sudaraču (LHC). Nedavno su fizičari CERN-a s ponosom objavili da je LHC odneo svoju prvu važnu pobedu. Podaci predstavljeni na velikoj letnjoj konferenciji fizičara elementarnih čestica u Melburnu ne ostavljaju sumnju da je Higsov bozon nađen i da je svim ostalim česticama time dodeljena njihova masa. Pedesetogodišnji lov je time okončan.

Serđo Bertoluči, direktor Istraživačkog centra CERN-a, slaže se s kolegama da je ovo epohalno otkriće mada su na to svi računali. Veće iznenađenje bi bilo da nisu pronašli Higsov bozon. U tom slučaju, teorija fizike eksperimentalnih čestica bi ostala otvorena.

Da bi se razumelo zbog čega je svet ovakav, da bi se shvatili detalji nastanka Univerzuma u Velikom prasku, ne pomažu poznate formule. Neophodno je dešifrovati nove zakone prirode. A jedna od centralnih zagonetki krije se u pitanju: zašto se svet sastoji iz materije i gde je ostala antimaterija?

Hengstovo interesovanje je usmereno ka jednom neobičnom materijalu, koji se ponaša kao i obična materija, a opet je različit. Antistaklo se može razbiti kao staklo, antizlato sija poput zlata, a antivoda prska poput vode. Između čoveka od normalne materije i čoveka od antimaterije ne bi bilo vidljivih razlika. Jer bilo koji materijal i antimaterijal, slika i prilika, međusobno se sreću, potom zatrepere i zajedno nestanu. Antisvet nije drugo do mogućnost koju priroda očigledno nije mogla da ostvari.

Da nije male neravnoteže…

Sredinom 19. veka, nemački filozof Fridrih Vilhelm Šeling postavio je pitanje: zašto uopšte postoji nešto a ne ništa? Šelingovo metafizičko čuđenje doživelo je novu formulaciju u modernoj fizici: zašto materije i antimaterije ne postoje u svemiru u jednakim proporcijama?

Fizičari se slažu da vrelina Velikog praska stvara oba oblika egzistencije u jednakom iznosu. Sa svakom česticom istovremeno je rođena njena suprotnost, odgovarajuća antičestica. Pošto im priroda daje mogućnost da nastanu ali i da se međusobno unište, ona je bila uključena u trenutak njihovog stvaranja ali i nestanka.

Fizičari zasad samo znaju posledice posle Velikog praska: materija je prevagnula nasuprot antimateriji.

Na osnovu gustine čestica današnjeg Univerzuma, može se izračunati kakav je bio odnos obe vrste čestica. Rezultat je zapanjujući: na milijardu antičestica dolazi milijardu i jedna čestica. Postavlja se pitanje: da li jedna tako sićušna neuravnoteženost može da bude od značaja? Može, jer da su materija i antimaterija održavale tačnu ravnotežu, one bi nakon sekunde sloma čestica uništile jedna drugu. Ne bi bilo galaksija, zvezda i planeta, najjednostavniji oblici atoma ne bi nastali. Da nije ove male neravnoteže u sistemu sveta, čovek ne bi dobio priliku da razmišlja o zagoneci postojanja.

Sve što je na zemlji - planine, okeani, biljke, ljudi, životinje - sastoji se od ostataka nastalih na početku kosmičke istorije. Univerzum ne bi bio drugo do jedna moćna svetleća lopta. Fizičari su shvatili da je sva raznovrsnost i složenost ovog sveta rezultat pobede materije nad antimaterijom.

Velika potraga za odgovorima je počela...

- U Brukheven istraživačkom centru kod Njujorka razbijaju se čestice brzinom sunčeve svetlosti.

- Da bi dokazali postojanje većih čestica antimaterije, naučnici su poslali jednu stanicu u svemir, čiji detektor osluškuje signale iz antisveta.

- U Japanu naučnici bombarduju neutronima tegljač sa 50.000 t čiste vode. Cilj je da se pokaže i najmanja razlika u osobinama neutrona i antineutrona.

- Na akceleratoru u CERN-u nalazi se jedan od četiri najmoćnija podzemna detektora koji ima zadatak da dokaže razliku između materije i antimaterije.

Kašičica kao atomska bomba

Prvi uvid u carstvo čestica desio se ne u laboratoriji već na radnom stolu. Pol Dirak, za koga smatraju da je otkrio antisvet, bio je mršav i bledunjav i upadao u oči gde god bi se pojavio. Dirak je bio najsrećniji kada je mogao da ostane sam sa svojim jednačinama.

Verner Hajzenberg je izveštavao da ga je Dirak na jednom zajedničkom putovanju brodom pitao: zbog čega pleše? Kada je Hajzenberg objasnio da na palubi ima dosta ljupkih devojaka, Dirak je uzvratio:“A odakle znaš jesu li ljupke ili nisu“? Diraku je bilo potpuno neshvatljivo što se Robert Openhajmer oduševljavao poezijom.

“U nauci govorimo o stvarima koje niko prethodno nije poznavao, doduše rečima koje svako može da razume. Pesme govore o stvarima koje svako zna, ali rečima koje niko ne razume”- govorio je Dirak.

Izgledalo je da Diraku nedostaje smisao za međuljudske odnose. Mnogo više je bio zaokupljen formulama. Bolje od bilo kog fizičara osećao je potrebu za matematičkom harmonijom. Bio je duboko ubeđen da se u lepoti jednačina nalazi istina, tako da nije bilo slučajno što se kolegama činio veoma čudnim.

Tragao je za novom teorijom elektrona dok 1927. nije došao do jednostavne formule. Sa samo 25 godina Dirak je bio heroj kvantne fizike, koja je još bila u povoju. No, bilo je tu i neprilika jer su elektroni proizvodili još jedan zagonetni par.

Godine 1931. u jednom časopisu se pojavio termin „antielektron“. Ostalo je nejasno da li je on govorio o česticama koje se zaista mogu dešifrovati. Izgledalo je da je, na osnovu jedne formule, postulirana egzistencija čitavog antisveta. Kasnije su ga pitali zašto već tada jasno nije predvideo nove čestice, na šta je Dirak uzvratio: „Čist kukavičluk“.

Kada je Karl Anderson, 26-godišnji Amerikanac, počeo je da ispituje kosmičke zrake, među kojima je pronašao tragove neočekivane čestice koja je u svemu podsećala na elektron (osim što je imala pozitivno naelektrisanje), niko nije pretpostavio da se ovde radi o Dirakovim antelektronima, koje je on teorijski predvideo.

Proboj je donelo jedno predavanje Kraljevskog društva u Londonu, na kome su predstavljeni rezultati iz SAD. Publika je gledala fotografiju tragova čestica. Prilikom nastanka čestica, stvarali bi se i parovi antičestica, koji su malo kasnije nestajali.

Već sam termin „antisvet“ budi fantazije. To je kao da se stvara mogućnost nekog drugog, suprotnog oblika postojanja. Antimaterija fascinira, daleko od svake metafizičke spekulacije, i obelodanjuje snagu Ajnštajnove formule E = mc2 - masa je ništa drugo do visoko koncentrovana energija. Kad se čestica i antičestica sudare, one se oslobađaju u veoma impresivnom broju. Jedna kašičica materije sjedinjuje se sa odgovarajućom količinom antimaterije, što je jednako razornoj moći bombe koja je pala na Hirošimu.

Lov na asimetriju

Fascinacija antimaterijom nije tehničke već filozofske prirode. Ona igra ključnu ulogu između mikro i makro kosmosa. Šezdesetih godina prošlog veka naučnicima je bilo jasno da se fizika elementarnih čestica i kosmologija, učenje o najmanjem i najvećem, međusobno prepliću. Što su fizičari dublje prodirali u subatomski svet, to su više znali o ranom periodu kosmosa i tome da je u Univerzumu postojala asimetrija između materije i antimaterije, koja je svakom materijalnom postojanju davala egzistenciju.

Očiglednu vezu uvideo je fizičar, dobitnik Nobelovu nagradu za istraživanja u domenu fizike i doprinos svetskoj slobodi, Andrej Saharov, jedan od izumitelja sovjetske hidrogenske bombe. Tragao je za odgovorom kako materija može da pobedi antimateriju i formulisao uslove pod kojima je to moguće.

Smelo i spekulativno pojavljivalo se ono što je Saharov formulisao. Činilo se kao da sama priroda želi da se složi sa tim. Senzacionalno otkriće je protreslo fizičare: tzv. kaoni, izuzetno karatkog veka, raspadali su se na drugačiji način nego njihovi parovi antikaoni.

Dokazano je da je antimaterija u stvari pandan materiji. Bilo je razlika, a fizičari čestica su ovo mnogo bolje razumeli. Širom sveta je počeo “lov” na dalju asimetriju. Nigde tolikokao u CERN-u.

U podnožju planine Jura, hiljade naučnika je imalo zadatak da omogući sudaranje dva mlaza protona. U tunelu dugom 27 km ubrzavani su snopovi protona, gotovo do brzine svetlosti. Probijali su se 11.200 puta u sekundi od Švajcarske do Francuske i vraćali nazad, sve dok se nisu strahovito sudarili.

Naznake nove fizike

Pre dve i po godine, mašina veka je počela da radi. Sve dotad činilo se da se priroda držala striktnih formula. Posle prvog razočarenje, krajem prošle godine, pokazala se prva naznaka nove fizike. Vest nije došla od “lovaca” koji su slavili pronalazak Higsovog bozona, dakle od izvršnih eksperimenata ATLAS i CMS, već od tima koji je radio na LHCb eksperimentu.

Evidentirano je na desetine mogućih procesa raspada kod kojih se mogla dokazati asimetrija između materije i antimaterije. Pa ipak je ovog puta drugačije: efekat je pet, možda čak i deset puta veći nego što bi smeo da bude. On se pokazuje kod takozvanih d-mezona, čestica koje sadrže samo jedan c-kvark. Na ovu mogućnost jedva da je neko doskoro mislio.

Teoretičari su se užubano koncentrisali na praćenje ponašanja c-kvarka, a fizičari LHCb detektora su pokušavali da podese svoje uređaje i pripreme ih za raspad d-mezona. Rezultati će biti obelodanjeni kada se analize završe i stručnjaci procene da nema grešaka. Tada će se pokazati jesu li potkrepljene sumnje u novu fiziku.

Odgovoru se nada i Semjuel Ting koji smatra da je moguće naći rešenje zagonetke antimaterije. On se borio da međunarodna svemirska stanica ISS proteklih godina bude opremljena detektorom čestica da bi se utvrdilo prisutvo antimaterije u svemiru. Bio je to odvažan poduhvat i Tingove kolege ostale su prilično skeptične. Dati 1,5 milijardi dolara za eksperiment koji je imao minimalnu šansu da uspe? Tinga, međutim, ništa nije moglo zaustaviti. P ričao je kako je sa nešto manje od 100 dolara u džepu došao sa Tajvana u SAD i napravio karijeru. Kao fizičar eksperimentalnih čestica kasnije je istraživao tamo gde niko nije očekivao rezultate. Na kraju je dobio Nobelovu nagradu. Zašto bi ovoga puta bilo drugačije? Već decenijama se traga za staništem antimaterije, a šta je do sada pronađeno?

Ting je postavio potpuno drugačije pitanje: šta ako antimaterija uopšte nije nestala i ako je u nekom drugom delu Univerzuma produžila svoje postojanje?

Uz pomoć teleskopa, objašnjava Ting, ništa se nije moglo otkriti, zbog čega je u svemir lansiran magnetni detektor AMS, težak 8,5 t. Ako se bilo koji atom u našem delu Mlečnog puta izgubi, ovaj uređaj bi mogao da ga pronađe. A jedan jedini atom antisilicijuma ili antiugljenika bi bio dovoljan da ubedi stručnu javnost da negde u svemiru postoje antizvezde i antigalaksija.

Na relativno direktan način problemu antimaterije se približava Džefri Hengst. Atomski fizičari i fižičari koji se bave pročavanjem plazme, lasera i visoke energije okupili su se da bi vežbali rukovanje materijalima iz antisveta.

Skriven iza planine od betonskih cigli, prolazi zrak kroz koji tehničari svakih minut i po ispaljuju svežanj od nekoliko miliona antiprotona. Naučnici usporavaju ove čestice i pokušavaju da iz njih formiraju antiatome. Japanac Mazaki Hori, sa Maks Plank instituta za kvantnu optiku, uspeo je da napravi bizarna umetička dela od helijuma i antiprotona, pri čemu je izmerena i masa antiprotona. Mihel Dozer je radio na drugom eksperimentu: praćenju kako gravitaciono polje Zemlje deluje na atimateriju.

„Teorija svega“

Hengstu i njegovim kolegama pošlo je za rukom da „uhvate“ atome antimaterije koji uglavnom nestaju posle delića sekunde. Razvijali su nove slučajeve antiatoma i smatrali da one “ulovljene” iz antisveta mogu ozračiti laserima. Hengst je rekao da produžavanje životnog veka antivodonika znači da naučnici imaju vremena da ga uporede s atomima vodonika. Razumevanje antivodonika će pomoći u odgonetanju nekih od najvećih zagonetki u fizici.

„Nekada se moramo nadati čudu“, objašnjava Dozer. „Ko isključivo sluša teoretičare, brzo upada u nevolju“.

Ovde se otkriva pukotina koja deli fizičare. U fizici se razlikuju dve vrste istraživača: teoretičari koji pokušavaju da plasiraju istinu kroz čistu mentalnu snagu i oni koji su naklonjeni praksi, za koje je bitno šta pokazuju merni instrumenti.

Džon Elis 40 godina prati eksperimente svojih kolega na akceleratoru. Godinama je bio na čelu teoretskog odeljenja. Kao mlad istraživač doživeo je da vidi kako se naučnici bave standardnim modelom fizike čestica. Kasnije je skovao termin „teorija svega“. Formulisao je cilj koji je podstakao mnoge teoretičare - pronaći formulu koja objedinjuje sve prirodne zakone u sebi.

Dok svet slavi otkriće Higsovog bozona, poslednje „kockice“ u nizu Standardnog modela, teoretičari razmišljaju šta da započnu posle toga. Jer sad počinje proboj u nepoznato, u oblasti koje se poznatim zakonima prirode ne mogu opisati.

Do sada važi da praktično sve što detektori izmere može da se predvidi formulama Standardnog modela. Nije odgonetnuto samo to gde je stanište antimaterije. Za ranu fazu Univerzuma (na početku) Elis je verovao da su zakoni prirode takoreći zamrznuti u svom sadašnjem obliku.

A šta ako se ponovo potvrde predviđanja Standardnog modela? Šta ako potraga za antimaterijom ne pokaže nikakvu razliku u odnosu na materiju? Elis ne bi bio dobar teoretiča, da se nije spremio za tako nešto. „Onda bi smernice već ranije bile postavljene“ objašnjava on. Ne u prvom trilionu, već u prvom trilionu sekunde, morala bi se odlučiti sudbina sveta. U teoriji ovo predstavlja ogromnu razliku“, tvrdi Elis.

Priredila: S. Andrić