Atbildes meklējamas ļoti mazu daļiņu pasaulē - tajā, kur ar aci nesaskatāmais atoms vēl ir neiedomājami liela vienība. Par godu šim mazajām daļiņām Eiropas kodolizpētes centrā - jeb saīsinājumā vienkārši sauktā par CERN - būvē sarežģītas iekārtas un rok tuneļus, lai notvertu daļiņas, kas veido apkārt esošo matēriju.
- Slavenākā vieta daļiņu pētniecībā - Lielais hadronu paātrinātājs
- Darbs līdz maksimālajai precizitātei rada lielāko izaicinājumu - datu uzglabāšanu
- Diena, kad atklāja Higsa bozonu
- Daļiņu fizikai - plašs pamatojums, ieskaitot jūrniecību un ostas
- Galvenā Lielā hadronu paātrinātāja sastāvdaļa - magnēti
- Pats svarīgākais jautājums zinātniekiem - kā kopā turas Visums?
Magnētiskais lauks - superstiprs
Slavenākā vieta visā CERN nenoliedzami ir 27 km garais tunelis, kas atrodas zem zemes starp Šveici un Franciju.
Lielais hadronu paātrinātājs ir aplis, kas pildīts ar pasaulē sarežģītākajām tehnoloģijām un materiāliem, lai tikai piešķirtu mazām daļiņām teju vai gaismas ātrumu un radītu to sadursmi.
Tām saduroties pētnieki veic visdažādākos mērījumus, analizē to trajektorijas, enerģiju un daudz ko citu un mēģina saprast, kā uzvedusies matērija tās rašanās sākuma stadijā.
Ūdeņraža atoms fiziķu vidū ir teju kā etalons un viens no vislabāk izpētītajiem un izmērītajiem. Lai saprastu, kas tieši notiek mazo atoma sastāvdaļu dažādos dzīves posmos, slavenajā tunelī ir dažas vietas, kur skrienošās daļiņas uztver un tām iespējams piekļūt pavisam tuvu.
Lai tiktu pazemē, drošības prasības ir ne pa jokam. Turklāt ikreiz, dodoties pazemē, neiztikt bez radiācijas līmeņa mērītāja, tīklenes skenēšanas un neskaitāmām parolēm, kas nodrošina to, ka nepiederošiem ieeja tiešām ir aizliegta.
"Kad notiek eksperiments, tad magnētiskais lauks te ir 100 000 reižu spēcīgāks nekā Zemes magnētiskais lauks,"
stāsta fiziķis Kristofs Šēfers. "Tāpēc, ja tādā brīdī sanāk būt tuneļa tuvumā un valkāt speciālus aizsargapavus, pārvietoties ir grūti. Apavos ir dzelzs, kājas pievelk pie metāliem. Tādos gadījumos noturēt soli iecerētajā virzienā ir liels izaicinājums," norādīja Šēfers.
"Cilvēki parasti domā, ka tik dziļi zem zemes esam radiācijas dēļ, bet nekā tamlīdzīga. Tas ir tāpēc, ka šis instruments un viss, kas iebūvēts tunelī, ir ļoti trausls un jutīgs. Zem tā ir jābūt stabilam iežu slānim, bet šeit, Ženēvā, virskārtā tāda nav. Tāpēc jārokas tik dziļi pazemē, kamēr parādās stabils pamats, uz kā būvēt sarežģītas tehnoloģijas," stāsta fiziķis. "Jā, protams, arī gaisā virs Zemes mūs ietekmētu kosmiskais starojums. Mazas daļiņas sasniedz Zemi no visuma dažādām vietām, arī Saules un tās nonāk ierīces uztvērējā. Taču mums tā nav problēma, jo mērot daļiņu novietojumu, mēs spējam noteikt, vai tās atceļojušas no kosmosa vai radītas pazemē," atzīmēja Šēfers.
Atdarina apstākļus pēc Lielā sprādziena
Lai noteiktu, kura daļiņa ir kas fiziķiem jauns un interesants, šajā eksperimentā nākas analizēt prātam neaptveramu datu apjomu. Tāpēc, protams, superdators te ir viens no jaudīgākajiem visā pasaulē.
"Kad notiek daļiņu sadursme, tās it kā tiek nofotografētas. Šim detektoram ir 10 reižu lielāka izšķirtspēja nekā telefona kamerai, bet tas nav nekas īpašs. Ar telefonu mēs vienā sekundē varam nofotografēt vienu līdz divas bildes, taču šajā detektorā mēs veicam 40 miljonus bilžu sekundē. Tātad biežums, kādā bildes uzņem, ir nesalīdzināmi lielāks," klāsta Šēfers.
Līdz ar to vislielākais izaicinājums ir datu uzglabāšana.
"Mēs nevaram ik sekundi saglabāt 40 miljonus bilžu. Tāpēc mums nemitīgi ir jāsamazina datu apjoms, kaut kas jāmet ārā. Beigu beigās mēs no 40 miljoniem tiekam līdz dažiem simtiem. Ja, skatoties savas fotogrāfijas, mēs parasti dzēšam ārā to, kas mums ir neskaidrs vai nepatīk, tad te mēs rīkojamies otrādi – atstājam visu, ko nesaprotam, lai saprastu labāk," stāsta fiziķis. "Enerģija, kas nāk no daļiņām un kuras saduras, ir ļoti augsta. Ja tās nekontrolē, tad tās itin viegli var izlidot ārpus šīs ierīces. Tāpēc, lai tās notvertu, mums nepieciešams daudz materiāla, kas tās slāpē, palēnina. Tad nu arī, jo lielāka daļiņu enerģija, jo lielākam jābūt detektoram," bilst Šēfers.
Te pat mazai milimetra daļiņai ir ļoti liela nozīme, lai precīzi varētu notikt viss tas, kas skar centrā esošo caurulei līdzīgo objektu.
Tajā ir viss, kāpēc šī milzīgā būve vispār pastāv. Pa to teju gaismas ātrumā pārvietojas mazas atoma daļiņas un ilustrē Visuma dzimšanas laiku.
"Savos pirmajos 300 000 gadu Visums bija ļoti karsts un blīvs, tam nevarēja iziet cauri gaisma. Tāpēc neviens teleskops nespēj ielūkoties aiz šīs nosacītās "sienas", ko veido Visuma pirmie 300 000 gadu," saka zinātnieks. "Tas, ko mēs cenšamies panākt ar šo instrumentu – uzkonstruēt apstākļus, kas valdīja kosmosa pirmajos 300 000 gadu.
Mēs neatdarinām te Lielo sprādzienu, bet gan apstākļus, kas valdīja īsi pēc tā.
Kad esam to vidi radījuši, varam izteikt minējumus, kā daļiņas tolaik uzvedās," stāsta pētnieks.
Daļiņas, kas dod masu citām daļiņām
Meklējot, no kā tad sastāv Visums un kas varētu veidot tā lielāko, neredzamo daļu, zinātnieki ir izteikuši dažādus pieņēmumus, radījuši modeļus un rēķinājuši, kam tajos noteikti būtu jābūt. Pirms vairākām desmitgadēm izskanēja teorētiski minējumi par to, ka Visumā jābūt kādai īpašai daļiņai, kas piešķir citām daļiņām masu. Pagāja ilgs laiks, kamēr leģendāro un ilgi gaidīto Higsa bozonu izdevās ieraudzīt un to notvēra vienā no iekārtām.
Higsa bozona atklāšana bija liels notikums visai zinātnes pasaulei, kur nu vēl tiem, kas ar to strādāja dienu dienā.
"Es atceros ne tikai to dienu, bet vairākas nedēļas pirms tās. Mēs zinājām, ka kaut kas notiek, mēs prasījām kolēģiem, kas strādā pie ļoti līdzīga eksperimenta šajā pašā tunelī, kādas viņiem ir daļiņas un kādi jaunumi," pauž Šēfers. "Protams, kolēģi bija noslēpumaini, līdz galam neko mums neteica, un arī mēs viņiem visu nestāstījām - tas bija ļoti saviļņojošs un intriģējošs laiks. Ne jau velti, jo atklāt jaunu daļiņu savas dzīves laikā ir katra fiziķa sapnis un ļoti liela veiksme," viņš skaidro.
2012. gada 4.jūlijs bija liela diena arī Lielā hadronu paātrinātāja kontroles centrā, kur diendienā cilvēki strādā pie tā, lai kontrolētu daļiņu plūsmu pazemes tunelī, un nodrošina, ka eksperimentu sasniedz tam vispiemērotākais materiāls.
Kontroles telpā katrs kontrolē noteiktu eksperimenta daļu: sākot no pirmā atoma palaišanas brīža līdz tā paātrināšanai un vadīšanai cauri visam tunelim. "Katrai daļai ir ļoti liela nozīme, jo no tā, cik labi viss tiek vadīts un uzraudzīts, ir atkarīga daļiņas kvalitāte, un tas, cik labas vai sliktas daļiņas saņem eksperimenta nākamais posms, ir ļoti būtiski gala iznākumam. Ir ļoti būtiski kontrolēt daļiņu plūsmu, jo enerģija ir milzīga un, ja kaut kas noiet greizi, tad var nopietni sabojāt kādu no dārgajām iekārtām," atzīmē Šēfers.
Lielā mērā daļiņas vada ar magnētiem un radiofrekvencēm. "Ir ļoti daudz elektronikas un programmatūras, kas aiz šī visa stāv un kas par to ir atbildīgas," skaidro Šēfers.
Darbs laboratorijā, kur nav kontroles
CERN nav tādas eksperimenta vietas, kuru līdz sīkākai detaļai nevarētu novērot kontroles centra ekrānos.
Tiesa gan, ir kāda aizraujoša improvizēta laboratorija, kas nepakļaujas nekādai kontrolei un kurā ir iespējams uzbūvēt pašam savu daļiņu uztvērēju jeb mākoņa istabu.
"Tas ir ļoti vienkārši, uzbūvēt savu daļiņu uztvērēju - mums te uz galda ir viss nepieciešamais," stāsta "CERN S’cool Lab" vadītājs Džefs Vīners. Viņš arī norāda, ka darbā nav vajadzīgs nekāds daļiņu rašanās avots vai vieta. "Visumā tās jau ir, un tās nemitīgi šķērso mūsu telpu – tās ir tā saucamās kosmiskās daļiņas. Tās lido visur, saduras ar atmosfērā esošajām molekulām, un šo sadursmju rezultātā rodas jaunas daļiņas. Mēs ikdienā tās neredzam un nejūtam, bet, uzbūvējot šādas mākoņu istabas, mēs tās varam padarīt redzamas," pauž Vīners. "Mēs neredzam pašas daļiņas, bet redzam to atstātās pēdas tvaikā. Vienkārši izsakoties - spirts kondensējas un ilustrē daļiņu kustības ceļu," viņš stāsta.
Skatīties uz daļiņām var stundām ilgi, gluži kā vērojot ūdeni vai uguni. Kamēr vien būs aukstais tvaiks, daļiņas tajā zīmēs savus ornamentus.
Jo sarežģītāka zinātne, jo lielāka ir vēlme saprast, kāda tai saistība ar ikdienas dzīvi.
Par daļiņu fiziku var teikt to pašu. un tai pielietojumu atrast it visur - arī ostās un kuģu būvētavās. Kuģniecība ir kas tāds, kas vienlaikus mūs baro, apģērbj un silda, jo atved lielāko daļu ikdienā lietoto preču un resursu, bet tajā pašā laikā kuģu radītie izmeši pamatīgi piesārņo planētu.
Paātrinātāju pielietojums ir plašs, piemēram, šos paredzēts ievietot kuģu skursteņos, lai padarītu tīrākus kuģu izmešus.
"Ja mēs elektronu kūli starojam uz izplūdes gāzēm, sēra dioksīdu un slāpekļa monoksīdu, tad mēs varam tos vieglāk sadalīt vieglākās frakcijās," stāsta Rīgas Tehniskās Universitātes profesors Toms Torims. "Tā mēs attīrām to piesārņojumu, kas iet gaisā. Tas notiek tā, ka vispirms ar elektroniem saskaldām frakcijās un izlaižam cauri ūdens filtram, visi netīrumi paliek nevis gaisā, bet gan sadalās mazās daļiņās. Metode ar to unikāla, ka padara kuģi par zaļu tehnoloģiju."
Lai sadalītu kuģu izplūdes gāzes sastāvu mazākās daļiņās, kas vairs neradītu nevēlamos izmešus atmosfērā, paātrinātāju darbam būtu nepieciešami apmēram 2% no kuģa dzinēja jaudas - tas izklausās gana daudzsološi, lai drīzumā paātrinātāji iekarotu savu vietu arī jūrniecībā. Kas zina, varbūt kādudien tie būs tikpat pieprasīti kā ierīces, kas jau šobrīd sevi lieliski pieteikušas medicīnā - paātrinātāji spēj gan precīzi atrast audzēja šūnas, tās diagnosticējot, un arī efektīvi uz tām iedarboties, tās ārstējot. Tas viss notiek pateicoties magnētiem, kas paātrinātāju pasaulē ieņem centrālo vietu.
Aukstākā vieta uz Zemeslodes
Nekur citur pasaulē neražo spēcīgākus un jaudīgākus magnētus par šiem, jo nekur citur tam nav tik sarežģīts uzdevums.
Lielajam hadronu paātrinātājam ir divas galvenās sastāvdaļas, viena ir tā saucamā radiofrekvences sistēma, kas daļiņām piešķir ātrumu. Bet 99% no visas tās sarežģītās tehnoloģijas, kas ir šajā iekārtā, ir magnēti. Tā kā tie ir ļoti specifiski, tā saucamie supervadītājmagnēti, tie rada ļoti lielu magnētisko lauku un spēj daļiņas noturēt taisnā trajektorijā. Tā kā daļiņām ir tendence iet katrai uz savu pusi, ir nepieciešams kaut kas, kas tās satur kompakti kopā. Tas vajadzīgs fizikas eksperimentiem, lai tās daļiņas paātrinātu un veiktu visus nepieciešamos mērījumus, daļiņu kūlim ir jābūt pietiekoši blīvam.
Lielā hadronu paātrinātāja 27 kilometros ir vairāk nekā 1000 magnētu, kurš katrs sver desmitiem tonnu.
Bez lielajiem magnētiem, kas notur daļiņas plūsmā un piešķir virzienu, ir daudzi mazāki, kuru uzdevums ir koriģēt to ceļu.
"Šie divi caurumi ir vieta, pa kuru pārvietojas daļiņu kūļi, to patiešām var iztēloties kā tādas mazas desiņas. Daļiņas tajās pārvietojas ļoti, ļoti tuvu gaismas ātrumam. Abi staru kūļi ir paralēli viens otram un daļiņas tajos skrien pretējos virzienos. Ap katru no stariem ir magnēts, kas ar milzīgu lauku notur daļiņas konkrētā pozīcijā. Ja daļiņas no tā kūļa izlido ārā, tās var sabojāt magnētu," saka CERN projektu inženieris Rozario Principe.
Viņš stāsta, lai radītu lielu magnētisko lauku, tiek pievadīts ļoti daudz strāvas, un tāpēc ir ļoti būtiski, no kādiem materiāliem ir veidoti supervadītāja "vadi". Šajā gadījumā tiek izmantoti niobija titāna sakausējumi, bet, lai tie labi darbotos, nepieciešama ļoti zema temperatūra. Tāpēc nav iespējams iztikt bez spēcīgas dzesēšanas sistēmas.
Dzesēšanas materiāls panāk to, ka magnēta tuvumā ir apmēram mīnus 270 grādus auksts. Tāpēc droši var teikt, ka Lielais hadronu paātrinātājs ir aukstākā vieta mums zināmajā Visumā.
"Esam pieraduši, ka dabā un fizikā viss ir simetrisks. Simetrijas princips arī dabas zinātnēs ir dzelžains un visur izpildās," stāsta Latvijas Universitātes profesors Mārcis Auziņš. "Mēs zinām, kad bija Lielais sprādziens, pēc mūsu teorijām vienādā daudzumā radās gan matērija, gan antimatērija. Tad kad viss radās, vispirms kvarki un nākamajās sekundēs pirmie atomi, radās arī antiatomi. Kad satiekas atoms ar antiatomu, tad tie iet bojā, jo pārvēršas enerģijā, ko sauc arī par starojumu," skaidro Auziņš.
"Ja jau matērija un antimatērija sākotnēji bijusi vienādā daudzumā, tad šobrīd visapkārt vajadzēja būt milzīgam starojumam. Bet, ja antimatērija joprojām apkārt būtu tikpat daudz cik matērijas, tad mēs, tēlaini izsakoties, dzīvotu vienos sprādzienos. Tiesa gan, ikdienā ir situācijas, kurās varam novērot antidaļiņu klātbūtni. "Ja mums ir ļoti spēcīgs zibens spēriens, tad fiziķi var konstatēt antidaļiņas, jo enerģija pārgājusi daļiņās un antidaļiņās. Tas ir nedaudz līdzīgi tam, kas notika Lielā sprādziena laikā," pauž Auziņš.
Antimatēriju zinātnieki pazīst pēc tā, kā ir lādētas to atomu sastāvdaļas un kā tās mainās. Bet, lai ieraudzītu atoma sastāvdaļas un to īpašības, neiztikt bez to izgaismošanas ar lāzeriem.
Ūdeņraža anti-atoms. Kas tas ir?
Lielākais izaicinājums šobrīd zinātnē ir saprast, vai matērijas un antimatērijas mērījumi sakrīt un savu roku šādiem pētījumiem pieliek arī Latvijas zinātnieki. Tāpēc lāzeru speciālistu darbs var būt pienesums arī CERN antimatērijas fabrikā – vietā, kur iegūst antidaļiņas.
"Mēs te iegūstam anti-ūdeņradi. Šī ir vienīgā vieta pasaulē, kur to iespējams izdarīt, jo te anti-ūdeņradi var ne tikai iegūt, bet arī noturēt un izmērīt.
Galvenā ideja ir izveidot anti-atomu un salīdzināt to ar mums zināmo. Kas tad īsti ir ūdeņraža anti-atoms?"
retoriski jautā fiziķis Džefrijs Hangsts. "Ūdeņraža atomā ir pozitīvi lādēts kodols – pozitrons un ap to gluži vai kā ap orbītu riņķo negatīvi lādēts elektrons. Anti-ūdeņradim viss ir otrādi. Mums apkārtējā vidē nav šāda anti-ūdeņraža, jo tas mums zināmā ūdeņraža klātbūtnē pazūd. Tad nu mums tāds vispirms ir pašiem jāizveido," norāda Hangsts.
CERN ir iespējams izveidot anti-ūdeņradi, vienkārši paņemot daļiņas no kolēģu eksperimentos saražotajām ātrajām daļiņām. Tiesa gan, te tās jāpakļauj pavisam atšķirīgām darbībām. "Ja Lielajā hadronu paātrinātājā daļiņas paātrina, tad te antimatērijas ieguves vietā notiek pavisam pretējs process - tās palēnina. Daļiņas pamazām apstājas tāpēc, ka tām pievada elektrisko lauku, kas tām, tēlaini izsakoties, iesper un liek pārvietoties citā virzienā. Tā pamazām tādi "spērieni" tās nobremzē un liek apstāties," klāsta pētnieks. "Lai arī tās ir krietni lēnākas nekā sākotnēji, tās tik un tā pārvietojas ātri. Lai tās vēl vairāk palēninātu, mēs liekam daļiņām traukties cauri metālam, piemēram, alumīnija folijas kārtai. Kad daļiņas ir nometušas ātrumu, tad ar elektromagnētisko lauku tās noturam vajadzīgajā vietā un laikā. Tas izklausās vienkārši, bet tehniski to ir ļoti grūti izdarīt – no ļoti augstas enerģijas nonākt pie izteikti zemas," norāda Hangsts.
Izmērīt anti-ūdeņradi kļuvis iespējams tikai pēdējos gados. Neraugoties uz to, ka pašu atoma uzbūvi cilvēce pārzina jau labu laiku, izmērīt tā daļiņu svārstības var, pateicoties jaunākajām tehnoloģijām un nerimstošai zinātkārei.
"Mūsu izaicinājums ir tas, ka mēs tajā patiešām varam ļoti precīzi mērīt atšķirības dažādu atoma daļiņu uzvedībā mikroskopiskā līmenī. Tādā veidā mēs ceram ienest ko jaunu fizikā, un varbūtība, ka to izdarīsim, ir liela, jo mēs vēl nekad agrāk neesam bijuši spējīgi ielūkoties atomu daļās ar tik lielu precizitāti," stāsta Hangsts.
Viņš neslēpj, ka pētniekus interesē pašas fundamentālākās lietas. Proti, kā Visums turas kopā.
"Mēs fizikā runājam par tādu lietu kā simetrija. Tad nu jautājums - vai starp matēriju un antimatēriju tāda pastāv? Vai uz antimatēriju un matēriju attiecas tie paši fizikas likumi? Ir virkne tādu dziļi fundamentālu un filozofisku jautājumu, uz kuriem mēs mēģinām rast atbildes. Piemēram, kāpēc Visumā ir vairāk matērijas nekā antimatērijas? Vai pastāv iespēja, ka ir vēl kāds Visums, kuru veido antimatērija? Ja tā sākumā bija, kur tā ir palikusi? Ir virkne pieņēmumu, kam šobrīd nav skaidrojuma," klāsta Hangsts.
Pārsteigumu daļiņu pasaulē netrūkst, nedz tās paātrinot, nedz palēninot, jo mēdz teikt - kā vienā, tā otrā gadījumā zinātnieki mēģina uzminēt dabas domas.
Tikai tad, kad eksperiments liek domāt, ka patiesība nav gluži tāda, kā līdz šim uzskatīts, rodas kas patiešām jauns un fundamentāls.
