De ce cred fizicienii ca bosonul Higgs exista?
Cand nucleele atomice se ciocnesc cu o energie fara precedent in Large Hadron Collider, fizicienii spera sa creeze particule exotice si stari ale materiei intalnite frecvent numai in primele momente ale universului. Una dintre particulele cautate e bosonul Higgs, asa-numita „particula a lui Dumnezeu”.
E veriga lipsa intr-o teorie ce explica o proprietate de baza a universului: cum isi dobandesc particulele elementare masa.
La fel cum protonii si electronii interactioneaza prin intermediul campului electromagnetic din spatiu, ar putea exista un camp - campul Higgs - care inzestreaza particulele elementare cu masa.
Descoperirea particulei Higgs ar dovedi existenta campului. Fizicienii de la LHC spera ca Higgs sa erupa din coliziunea protonilor care se deplaseaza aproape cu viteza luminii.
Ambitia cercetatorilor este de a gasi o mare teorie care sa explice toate fenomenele fizice din natura.
Ce este LHC?
LHC (Large Hadron Collider) este un simplu accelerator de particule destinat testarii predictiilor generate de teoria stringurilor si in special pentru a pune bazele unificarii celor patru forte elementare: forta gravitionala, interactiunea nucleara slaba, interactiunea nucleara puternica si forta electromagnetica.
Este vorba despre un proiect finantat de 20 de tari, construit la o adancime de 92 de metri sub pamant, in dreptul granitei dintre Franta si Elvetia, care incearca sa faca lumina in ceea ce priveste formarea Universului prin explozia primara. Large Hadron Collider (LHC), va ciocni particule sub-atomice, la viteze comparabile cu viteza luminii, pentru a creea conditii similare cu fractiunea de secunda imediat urmatoare exploziei Big Bang.
Sistemul criogenic al LHC-ului are sarcina de a raci aproape 36.800 de tone de material la o temperatura de numai 1.9 Kelvin peste zero absolut (sau -271.3 grade Celsius). Aceasta temperatura este mai rece chiar decat cea din spatiul interstelar! Pentru a realiza aceasta performanta, sunt necesare 10.000 de tone de azot lichid si 130 de tone de heliu lichid, care vor fi distribuite in sistemul criogenic. Acesta contine peste 40.000 de bucati sudate bine pentru a nu putea scapa aceste lichide.
LHC-ul este un accelerator circular, cu o circumferinta de 27 de km, impartit in opt sectoare, fiecare putand fi racit pana la temperatura lor de operare de 1.9 Kelvin si pus sub tensiune unul cate unul. Un sector a fost racit, pus sub tensiune si incalzit in prima jumatate a lui 2007. Acesta a fost un proces important de cunoastere, care a permis ca celelalte sectoare sa fie testate mai rapid.
In cadrul experimentului, care a costat aproximativ 5,4 miliarde de euro, protonii vor fi propulsati printr-un tunel circular, lung de aproximativ 27 de kilometri, pavat cu peste 5000 de magneti care vor accelera particulele sub-atomice. Vor fi doua siruri de particule, mergand in directii opuse, fiecare efectuand o rotatie completa in a 11.000-a parte dintr-o secunda. Cele doua siruri vor acumula energie comparabila cu cea a unei masini care ruleaza cu 160 de kilometri la ora. Cand protonii vor atinge o viteza apropiata de viteza luminii, se vor ciocni unii de altii, fiind divizati in particulele care ii constituie (quarks), inclusiv, spera specialistii, in particula care sta la baza Universului (bosonul Higgs).
Protoni in coliziune
1. Mii de miliarde de protoni se precipita catre coliziune cu 99,9999991% din viteza luminii.
2. Quarcurile si gluonii din interiorul protonilor se ciocnesc, explodand cu suficienta energie pentru a crea misteriosul Higgs.
3. Particula Higgs, probabil de 100 sau 200 de ori mai grea decat un proton, e instabila: dureaza mai putin de o milionime de miliardime de miliardime de secunda, inainte de a se dezintegra intr-o pulbere de alte particule.
4. Dovada existentei particulei Higgs va fi gasita in spiralele si darele caracteristice lasate de particulele create din dezintegrare in detectoarele LHC.
Gaurile negre
Organizatia Europeana pentru Cercetare Nucleara (CERN) a admis ca proiectul initiat de ea ar putea duce la aparitia unor gauri negre, insa nu le considera periculoase.
Se stie foarte bine ce este o gaura neagra, iar in 1974, marele fizician Stephen Hawking, a calculat ca gaurile negre pot exista in spatiu-timp. O gaura neagra este un obiect cosmic avand in centru o singularitate gravitationala - un obiect punctiform de volum zero si densitate infinita - inconjurat de o regiune in spatiu numita orizontul evenimentelor (event horizon) dincolo de care viteza de eliberare depaseste viteza luminii.
In afara faptului ca are densitate infinita si volum zero, nu se stie prea multe despre singularitate, in mare parte datorita prezentei mai multor parametri care tind la infinit, ceea ce ingreuneaza semnificativ calculele.
Teoretic, se spune ca o gaura neagra nu poate fi distrusa decat prin radiatie Hawking.
Cea mai mare gaura neagra observata - 50 miliarde de mase solare - ar necesita un timp de dezintegrare de cateva mii de ori mai mare decat varsta universului.
Energia si materia intunecata
Toata materia pe care o putem vedea in Univers (planete, stele si galaxii) alcatuieste numai 4% din cata exista de fapt. Restul este reprezentat de energie intunecata (70% din Cosmos) si de materie intunecata (26%).
Energia intunecata nu poate fi obsevata direct, dar ea este cea responsabila de cresterea vitezei de expansiune a Universului. La randul ei, materia intunecata nu poate fi observata decat indirect deoarece ea nu emite si nici nu reflecta suficienta lumina pentru a fi vazuta. Dar prezenta ei poate fi dedusa prin efectele sale asupra galaxiilor si asupra clusterelor (roiuri de galaxii).
Practic insa, fizicienii nu stiu nimic sigur despre energia si materia intunecta si asteapta sa gaseasca mai multe raspunsuri prin acest experiment.
Ce s-a intamplat cu antimateria?
Fiecare particula de materie obisnuita isi are propria antiparticula. Materia si antimateria au aceeasi masa, dar sarcina electrica opusa. Cand o particula obisnuita intalneste o antiparticula, cele doua dispar intr-o unda de lumina, iar masa lor este transformata in energie. Se spune ca cele doua se anihileaza reciproc. Insa cercetatorii cred ca in timpul Big Bang-ului au fost produse cantitati egale de materie si antimaterie. Astfel, se naste intrebarea de ce cele doua nu s-au anihilat in totalitate dupa nasterea Universului. El e compus acum aproape in totalitate din materie obisnuita, iar cercetatorii vor sa afle ce s-a intamplat cu antimateria.
Noi dimensiuni si lumi paralele
In afara de cele patru dimensiuni pe care le cunoastem deja, teoria stringurilor sustine ca exista inca sase. Daca ele exista cu adevarat, LHC ar putea fi primul accelerator care sa le detecteze experimental. La energii foarte mari, cercetatorii ar putea sa vada particulele miscandu-se intre lumea noastra si aceste ipotetice alte dimensiuni. De exemplu, ei ar putea vedea cum particulele dispar brusc intr-una dintre aceste dimensiuni.
Structura LHC
Masivul detector ATLAS se afla situat sub granita franco-elvetiana.
Acesta va ajuta fizicienii sa descopere cum functioneaza universul, prin observarea lui la scara cea mai mica.
Cel mai mare magnet solenoid din lume este pus intr-un cilindru de otel, aflat in inima Solenoidului Compact de Miuon (CMS).
CMS-ul si alte trei detectoare principale gazduite in Marele Accelerator de Hadroni (LHC) ar putea descoperi particule subatomice necunoscute.
Un inginer luceaza la unul din cei peste 5000 de magneti ce vor directiona particulele spre coliziune.
Partea interioara a acceleratorului include tevi pentru fluxul de particule si tevi umplute cu heliu ce vor raci magnetii la -456°F (- 271°C) pentru a putea purta o sarcina electrica mai mare si exercita o forta mai puternica.
Detectorul CMS este plin de senzori stralucitori.
Pe masura ce protonii se ciocnesc, detectorii vor inregistra un torent de date ce ar putea contine dovezi ale particulelor evazive cautate de fizicieni.
Un cuib complex de cabluri il inconjoara pe Peter Glaessel, coordonator tehnic al TPC (camera de proiectie a timpului).
Straturile multiple de detectoare de particule ale TPC fac parte din ALICE (un accelerator experimental de ioni mai mare), unul din cele sase experimente planificate la LHC.
Completare 05 iulie 2012:
Oamenii de stiinta au confirmat, pe data de 04 iulie 2012, ca au descoperit o noua particula, bosonul Higgs, numita si "particula lui Dumnezeu". Experimentele de cautare ale particulei au avut loc cu ajutorul acceleratorului Large Hadron Collider (LHC), langa Geneva, Elvetia.
Expertii de la Organizatia Europeana pentru Cercetari Nucleare (CERN), laboratorul international care adaposteste acceleratorul LHC, incheie astfel cu succes 45 de ani de experimente care au incercat sa dovedeasca existenta bosonului Higgs, o particula ce explica felul in care materia isi dobandeste masa, scrie BBC.
Desigur, va mai fi nevoie si de alte experimente, insa oamenii de stiinta sunt convinsi ca datele obtinute pana acum sunt suficiente pentru a anunta "descoperirea".
Anuntul de miercuri a starnit aplauze si felicitari zgomotoase la CERN, in vreme ce Peter Higgs, dupa numele caruia este denumita particula, si-a sters o lacrima din coltul ochiului.
"Vreau sa adaug si felicitarile mele tuturor celor care au fost implicati in aceasta realizare. Este un lucru incredibil, care s-a intamplat in timpul vietii mele", a spus acesta.
Echipa de cercetatori a explicat ca a descoperit un "salt" in datele lor, ce ar corespunde unei particule ce cantareste 125.3 gigaelectronvolti (GeV) - cam de 133 de ori mai grea decat protonul aflat in inima fiecarui atom.
Dupa ce au combinat doua seturi de date, au avut confirmarea ca este vorba despre particula mult-cautata cu o precizie de unu la 3,5 milioane.
Este vorba despre una dintre cele mai importante descoperiri stiintifice ale secolului, fiind comparata, de unii fizicieni, cu programul Apollo, care a dus pentru prima data un om pe Luna, in anii '60.
Oamenii de stiinta vor trebui sa verifice acum daca particula observata de ei se comporta asa cum au prezis teoreticienii particulei Higgs, cea mai buna teorie folosita in prezent pentru a explica cum functioneaza universul.
Functionarea bosonului Higgs ar putea avea si o componenta mai inedita - in conditiile in care materia pe care o putem observa reprezinta doar 4% din univers, restul fiind misterioasa materie intunecata si energia intunecata. Bosonul Higgs ar putea explica, asadar, 96% din Univers care ramane deocamdata intunecat.
Cercetatorii au observat deja cateva deviatii ale bosonului de la teorie, ceea ce ar putea conduce la rescrierea fizicii - sau scrierea uneia noi, in functie de rezultatele mai elaborate.
Completare 10 mai 2017:
Organizatia Europeana pentru Cercetare Nucleara (CERN) a inaugurat pe 9 mai 2017 un nou accelerator liniar, denumit Linac 4, o masinarie care va permite realizarea de masuratori mai precise ale particulelor fundamentale in cadrul LHC, pentru a intelege mai bine modul in care s-a format Universul.
In comunicatul sau CERN precizeaza ca acceleratorul liniar Linac 4 va alimenta cu fascicule de inalta energie complexul de acceleratori de particule din apropiere de Geneva, fapt care va permite o crestere a puterii celui mai mare accelerator de particule din lume, LHC (Large Hadron Collider), pana in 2021.
Dupa o perioada de teste, acceleratorul Linac 4 va fi racordat la complexul de acceleratori ai CERN in cadrul unei perioade lungi de pauza tehnica, intre 2019 si 2020. Linac 4 urmeaza sa inlocuiasca acceleratorul Linac 2, care a fost folosit pentru a produce fascicule de particule inca din anul 1978.
Conform directorului general al CERN, Fabiola Gionotti, introducerea noului accelerator liniar Linac 4 va "creste considerabil capacitatea experimentelor derulate in cadrul LHC" pentru "a obtine masuratori mult mai precise ale proprietatilor bosonului lui Higgs" dar si ale proprietatilor altor particule si subparticule. Folosirea acestui accelerator va contribui la dublarea fasciculului energetic cu care este alimentat LHC.
Un astfel de accelerator liniar "deschide o noua lume de aplicatii", conform declaratiilor facute de coordonatorului acestui proiect, Maurizio Vretenar, pentru Reuters. CERN a construit deja o varianta a acestui accelerator folosita pentru a trata tumori cu fluxuri de particule. O alta utilizare medicala este pentru obtinerea de izotopi folositi in diagnosticarea maladiilor oncologice. O alta varianta a acestui accelerator va cantari "doar" 100 de kilograme si va avea 1 metru lungime fiind destinata analizei operelor de arta si a bijuteriilor. "Lucram si la ceva portabil. Deja avem colaborari cu Luvrul si cu muzee din Florenta prin Institutul italian pentru conservarea artei", conform lui Vretenar.
Situat la aproximativ 12 metri in subteran, Linac 4 masoara aproape 90 de metri lungime iar constructia sa a durat 10 ani si a costat 82 de milioane de euro.
Mai jos puteti viziona un mic documentar, despre CERN Large Hadron Collider:
(Sursa: Evz.ro, Natgeo.ro, Fizicaparticulelor.ro, Ziare.com, Stiripesurse.ro, Wikipedia.org)
