Veliki hadronski sudarač (LHC) - najveći akcelerator (ubrzivač čestica) na svijetu. Riječ je o prstenu obima 27 kilometara, smještenom u Ženevi, oko stotinu metara ispod zemlje. U takav prstenu mogla bi stati dva šira gradska jezgra Podgorice. Mašina najviše podsjeća na velike čelične kružne vodovodne cijevi, a čestice ubrzava do brzine svjetlosti.
U tom sudaraču naučnici Evropskog savjeta za nuklearna istraživanja (CERN) mogu da reprodukuju stanje Univerzuma, nekoliko mikrosekundi nakon njegovog nastanka.
Kada se pokrene Veliki hadronski sudarač, teški joni kreću sa različitih krajeva prstena. Riječ je o česticama, sto hiljada puta manjim od dimenzije atoma. Fizičari ih vrlo pažljivo prate dok se kreću po unaprijed proračunatoj ruti, kako bi se dvije „tačkice“ sudarile u najpraznijem (vakuumu) i najhladnijem (- 271 stepeni Celzijusa) prostoru, ali i pri najvećoj brzini u poznatom univerzumu. Tokom ubrzavanja do planiranih energija, čestice prelaze put kao da se kreću do Neptuna i nazad.
Uspostavljanje vakuuma je neophodno da se čestice ne bi sudarale sa molekulima vazduha i gubile energiju.
Ekstremno niske temperature potrebne su za uspostavljanje superprovodnog stanja u magnetima i omogućava uspostavljanje jakog magnetnog polja, koje je neophodno da bi se čestice kretale po definisanoj putanji i dostigle planiranu energiju. Intenzitet magnetog polja na LHC-u je oko 100 hiljada puta veći od intenziteta magnetnog polja Zemlje.
Kada se sudare protoni ili teški joni stvaraju se nove čestice koje se kreću svojim putanjama, a naučnici pokušavaju da isprate i prouče kretanje svake od njih.
Pri sudaru teških jona, u dijelu njihovog preklapanja, nastaje stanje ekstremno velikih gustina energije i temperature koja je oko 100 hiljada puta veća od temperature u centru Sunca. To stanje reprodukuje stanje Univerzuma nekoliko mikrosekundi nakon njegovog nastanka (prije oko 14 milijardi godina) tako da je pažljivom rekonstrukcijom dinamike interakcije teških jona, moguće dobiti informaciije o faznim prelazima kroz koje je prošao Univerzum neposredno nakon nastanka.
To je samo jedan od eksperimenata koji se sprovode u ovoj mašini. Godišnja potrošnja električne energije ovog akceleratora ravna je godišnjoj potrošnji cijele Crne Gore.
Fizičarka i profesorica na podgoričkom Prirodno-matematičkom fakultetu (PMF) Nataša Raičević na čelu je tima Univerziteta Crne Gore (UCG), koji je od 2017. uključen u jedan od vodećih CERN-ovih eksperimenata za proučavanje čestica (CMS) u Velikom hadronskom sudaraču.
U akceleratoru se desi skoro milijardu sudara protona
Iako mnoge “stvaranje univerzuma” u laboratoriji odmah asocira na filmske scene eksplozija, strujnih udara ili radijacije, Raičevićeva, pak, skromno tvrdi da je riječ o standardnim procedurama u istraživanju fizike čestica.
“S obziroma na to da se radi o procesima u kojima učestvuju objekti veoma malih dimenzija, njih nije moguće neposredno posmatrati već se prate preko računara”, kazala je Raičević “Vijestima”.
Ona objašnjava da ne možemo kontrolisati prirodne procese koji se dešavaju oko nas, zbog čega naučnici pokušaju da ih izazovu u kontrolisanim uslovima - u laboratorijama.
„Procesi koji se proučavaju dešavaju se stalno svuda oko nas, ali ih mi ne možemo kontrolisati. Da bi ih kontrolisali, ove procese izazivamo u laboratoriji - znamo tačno gdje treba da postavimo eksperimentalnu aparaturu da bismo detektovali čestice koje nastaju u njima”, pojasnila je Raičević.
Tvrdi da se detekcija čestica u prvim eksperimentima zasnivala na danas prevaziđenim tehnologijama.
“Prvi eksperimenti upravo su se zasnivali na detekciji kosmičkih zraka, odnosno čestica koje dolaze do Zemlje iz okolnog prostora. Postavljani su komadi materijala sa čijim atomima interaguje čestica koja dospije do njega ostavljajući tragove koji su bili vidljivi i mogli su se fotografisati. Na LHC-u se desi skoro milijardu sudara protona tokom jedne sekunde i detektori takozvanog vizuelnog tipa (specijalni fotoaparati) su odavno prevaziđeni. Koriste se detektori sa superbrzom elektronkom, tako da je moguće razdvojiti signale od čestice nastalih iz različitih sudara. Danas je tehnologija toliko napredovala da kretanje čestica možemo pratiti ‘uživo’ na kompjuterima”, ističe Raičevićeva.
Higsov bozon bio je revolicionarno otkriće u fizici čestica ovog milenijuma. Teorija o postojanju Higsovog bozona, čestice koja je imala jednu od ključnih uloga u stvaranju Univerzuma kakav danas poznajemo, postavljena je još sedamdesetih godina prošlog vijeka. Međutim, ova čestica je detektovana tek 2012. godine na CMS i ATLAS eksperimentima u CERN-u. Za ovo otkriće, naučnici Fransoa Angler i Piter Higs dobili su godinu kasnije Nobelovu nagradu za fiziku.
Timski rad je ključan u nauci
Od 1993. Raičevićeva predaje na podgoričkom Prirodno-matematičkom fakultetu (PMF), dok je 2010. godine postala redovni profesor na toj ustanovi. U fizici je dvije ipo decenije, a za razliku od nekih njenih kolega, nije razmišljala o tome da napusti nauku i posveti se nečem drugom.
“Kao fizičar steknete mnoge sposobnosti u oblasti programiranja, elektronike i drugih nauka, pa se spektar poslova kojim možete da se bavite značajno proširuje. Zato su mnoge kolege, sa kojima sam sarađivala, danas u drugim, profitabilnijim sektorima. Put naučnika nije lak i u ovoj fizici se do rezultata dolazi teško, ali ako u tome pronađete čari koje sve to sa sobom nosi, onda se ne želite ni sa kim mijenjati”, pojasnila je Raičević.
Rad na CMS eksperimentu, međutim, nije prvo učešće u eksperimentima CERN-a. Ona je, kao naučnica (postdiplomac) tada čuvenog grada fizičara Dubne (Rusija), devedesetih učestvovala u jednom eksperimentu u Ženevi, na kojem su proučavane interakcije teških jona.
Tvrdi da je njeno iskustvo u istraživanjima CERN-a pozitivno i da se pronašla u toj oblasti i načinu rada. Riječ je o složenim istraživanjima i eksperimentima i za dobijanje rezultata potreban je zajednički rad velikih timova naučnika koji čine kolaboraciju.
“Timski rad je vrlo bitan element u svemu tome jer je neophodna stalna interakcija i razmjena znanja između istraživača. Osjećaj da radite u timu koji radi na najaktuelnijim istraživanjima u današnje vrijeme je neprocjenjiv”, kazala je.
Raičevićeva je takođe bila dio prvog zvaničnog članstva i učešća UCG u jednoj eksperimentalnoj kolaboraciji u fizici čestica. Riječ je o eksperimentu H1 u laboratoriji DESY u Hamburgu na kojem se sa visokom preciznošću mjeri unutrašnja struktura materije. Ona je članica te istraživačke kolaboracije od 2002. godine.
“Rad na svakom eksperimentu do sada je od velike važnosti za moj naučni napredak – razlika je samo u tome da sam na jednom radila kao student-postdiplomac, na drugom kao mladi naučnik i na trećem kao iskusni istraživač”, rekla je Raičević.
Ključni dio tima PMF-a čine studenti
Grupa naučnika sa PMF-a, koju uglavnom čine studenti u okviru CMS eksperimenta radi “na dobijanju fizičkih rezultata, nadgradnji ekperimenta i takozvanim servisnim zadacima koji su neophodni za pravilan rad i praćenje rada eksperimenta”.
Jedna od njenih studentkinja, Itana Bubanja, radila je na magistarskoj tezi u kabinetu profesorice Raičević. Tema rada je upravo vezana za projekat sa CMS eksperimenta. Za vrijeme prikupljanja eksperimentalnih podataka, Itana je boravila u CERN-u gdje je radila i sarađivala sa eminentnim stručnjacima iz ove oblasti. Pored Bubanje, još dva studenta sa UCG-a, Amar Kapić i Jelena Mijušković, rade i gradiće svoje naučne karijere na ovakvim projektima.
Njihov rad je dijelom ili u potpunosti stipendiran od CERN-a i institucija sa kojima je uspostavljena naučna saradnja. Značajnu pomoć i podršku studenti dobijaju i kroz projekte Ministarstva nauke.
Ovaj Vladin resor već nekoliko godina u saradnji sa CERN-om stipendira i učešće crnogorskih studenata na Ljetnjoj školi u toj naučnoj organizaciji.
“Svake godine odabiraju se od dva do četiri najbolja studenta kojima se dodjeljuju istraživački projekti na kojima rade uz mentorstvo naučnika iz CERN-a. Ovo je izvanredna prilika da student tokom svog boravka ostvari saradnju sa studentima i naučnicima sa drugih univerziteta”, kazala je Raičevićeva.
Smatra da naši najbolji studenti fizike itekako mogu da pariraju svjetskim istraživačima. Pojasnila je da, ukoliko student na PMF-u ima visok prosjek, to znači da “zna dobro da uči, da može da razumije suštinu problema, da lako stiče nova znanja i primjenjuje ista”. Raičevićeva tvrdi da je neophodan uslov za uspjeh u ovoj oblasti “veliki rad”.
“Ova istraživanja zahtijevaju mnogo rada, potpunu posvećenost i predanost”, ocijenila je ona.
Ministarstvo nauke u saradnji sa CERN-om i PMF-om već tri godine organizuje i jednodnevni međunarodni čas fizike čestica za učenike srednjih škola.
“Od nas koji radimo na projektima u CERN-u, učenici nauče nove stvari iz fizike čestica a zatim rade eksperimentalne vježbe koje obuhvataju analizu podataka sa nekog od eksperimenata u CERN-u. Nakon toga, u popodnevnim časovima, video konferencijom, učenici saopštavaju rezultate svojih istraživanja naučnicima iz CERN-a i razmjenjuju iskustva i zapažanja sa učenicima iz više gradova širom svijeta koji su toga dana učestvovali na takvom času”, pojasnila je Raičević.
I pored dobre volje ministarstva da promoviše nauku među mladima, Raičevićeva smatra da su male šanse da se neki sličan centar izgradi u Crnoj Gori.
Izgradnja laboratorije i održavanje je, tvrdi, vrlo skupo, a projekat o izgradnji ovakve laboratorije kreće makar 20 godina prije njene realizacije.“Zbog kompleksnosti aparatura i visoke cijene, ovakvih laboratorija ima samo nekoliko u svijetu”, kazala je Raičevićeva.
Za proučavanje fizike čestica potrebne najsavremenije tehnologije
Fizika elementarnih čestica, kao što i sam naziv govori, proučava fundamentalnu strukturu materije i procese koji se dešavaju između fundamentalnih sadržaoca materije - bestrukturnih čestica veoma malih dimenzija (oko 10 miliona puta manje od jednog atoma).
“Da bi se što preciznije proučila i izmjerila unutrašnja struktura nekog objekta i da bi se mogle proučavati i otkrivati nove elementarne čestice većih masa, koje bi objasnile dio Univerzuma koji se ne može opisati do sada otkrivenim česticama, neophodno je u laboratoriji realizovati sudare čestica vrlo visokih energija. Visoke energije postižu se ubrzavanjem čestica do velikih brzina i zbog toga je početni element u laboratoriji za ovu fiziku, ubrzivač ili akcelerator u kojem se vrši ubrzavanje čestica dok njihova brzina ne bude bliska maksimalnoj mogućoj brzini, a to je brzina svjetlosti. Zbog ovoga se ova fizika često zove fizika visokih energija”, pojasnila je.
Akceleratori su, kazala je Raičević, vrlo kompleksni uređaji u svakom smislu, a za sada je najveći Veliki hadrosnski sudarač:
“Na ovom akceleartoru se ubrzavaju protoni i teški joni u suprotnim smjerovima. Kada se ubrzaju do predviđenih energija, sudaraju se. Kao rezultat ovakvog sudara nastaju nove čestice koje se detektuju eksperimentalnom aparaturom postavljenom oko tačke sudara.”
Riječ je, tvrdi, o vrlo složenim detektorskim sistemima – najveći eksperimenti u CERN-u (i uopšte u svijetu danas) su CMS i ATLAS i dimenzija su jedne petospratnice. Rad akceleratora i eksperimenata u kojima se detektuju čestice zasniva na najsavremenijim tehnologijama.
Fizika čestica značajno uticala na život savremenog čovjeka
Raičevićeva tvrdi da CERN nije samo centar fundamentalnih istraživanja u fizici, već da doprinosi čovječanstvu u mnogo više oblasti.
“Da bi se sprovela mjerenja u fizici čestica i da bismo stalno dolazili do novih otkrića u ovoj oblasti, neophodno je stalno usavršavanje i unapređivanje tehnologija”, pojasnila je.
Tako su zbog potreba fizike čestica u CERN-u nastali i razvili se: internet (World Wide Web), ekrani na dodir (touch screens), pet skener, akceleratorske tehnike koje se koriste u savremenoj medicini...
CERN je, tvrdi Raičevićeva, prije svega multidisciplinarni centar, jer za funkcionisanje i rad ovakvih eksperimenata, neophodno je učešće velikog broja naučnika i iz drugih oblasti, naročito inžinjera i programera. Da bi se sprovela mjerenja u fizici čestica i da bismo stalno dolazili do novih otkrića u ovoj oblasti, neophodno je stalno usavršavanje i unapređivanje tehnologija.
“Mogu slobodno reći da je fizika čestica značajno uticala i na život savremenog čovjeka”, kazala je.
Dubna - ruski grad fizičara do kojeg se stizalo “bez ustanovki”
Ruski grad Dubna, poznat i kao grad fizičara, bio je 1993. godine prvi susret Raičevićeve sa fizikom čestica van tadašnje Jugoslavije. U Dubnu je, naglašava, otišla zahvaljujući saradnji profesora Slobodana Backovića sa ruskim istraživačima.
Kao postdiplomka koja je radila u laboratoriji za fiziku visokih energija u Dubni, učestvovala je u jednom eksperimentu CERN-a.
To je bilo vrijeme kad je Jugoslavija bila pod sankcijama i nije bilo moguće učestvovati na eksperimentu u ovoj laboratoriji sa afilijacijom jugoslovenske institucije.
U Dubni, koja se nalazi oko 125 kilometara sjeverno od Moskve, je nakon Drugog svjetskog rata za vrijeme Sovjetskog Saveza izgrađen veliki akcelerator, oko kojeg je izgrađen grad. Kasnije je postao najveći centar nuklearnih istraživanja hladnoratovskog Istočnog bloka. U početku je to bio izlovan grad u koji su samo dolazili fizičari. Dolazili bi vozom, koji su popularno zvali “bez ustanovki” (bez stanica), jer je bez stajanja direktno vozio za Dubnu.
Raičevićeva kaže da tada nije bio “bez ustanovki”, ali da se u gradu osjećao i dalje duh tadašnjeg doba. Nakon dolaska u Dubnu, tvrdi da nije imala ni mogućnost da prijateljima pošalje razglednicu ovog grada, ali da se tokom njenog višegodišnjeg boravka pojavila se i prva razglednica.
Bonus video:
