CERN, LHC i eksperimenti, CMS i Higgsov bozon u perspektivi (osobno i ne isključivo stručno stajalište)

 

 

 

 

Jednostavan je bio svijet Aristotela i vodećih filozofija i religija srednjeg vijeka, svijet sa Zemljom u središtu, s nepromjenljivih sedam nebeskih sfera i s čovjekom, remek-djelom stvaranja, u središtu svega. Naravno, stoljećima prije toga, neki starogrčki filozofi-znanstvenici, među prvima Tales i Jonjani, u godinama od oko 550. pr. Kr. do oko 300. pr. Kr., već su imali sasvim drugačije i vrlo »moderno« viđenje, u prvom redu Aristarh sa Samosa ili Demokrit iz Abdere, a za njima cijela Aleksandrijska škola (od oko 300. pr. Kr. do oko 400. n. Kr.), i, šire, znanstvenici-inženjeri helenističkog razdoblja, s Arhimedom kao najpoznatijim među njima.^[1] No taj klasični racionalizam postupno je ustupio mjesto mističnijem i religioznijem pristupu prirodi i njezinu tumačenju (natural philosophy) te je tijekom 4. i 5. stoljeća bio gotovo potpuno istisnut, eliminiran, i stvari su ostale na tome, uz minimalan napredak, gotovo jedan milenij, barem u zapadnom, kršćanskom dijelu svijeta. Međutim, kako je klasična znanost i mudrost blijedjela i nestajala, a Europa postupno tonula u srednjovjekovno mračnjaštvo, znanstvena je misao preživjela i čak doživjela novi procvat u arapskom i, šire, muslimanskom svijetu. Dok je najmoćniji vladar zapada, Karlo Veliki (oko 800.) bio nepismen, u isto su doba u abasidskoj prijestolnici Bagdadu, tada vjerojatno najvećem gradu na svijetu, u »Kući mudrosti« i na dvoru velikoga kalifa Harun al-Rašida znanstvenici i mudraci raspravljali o Platonovim idejama i obrazlagali Aristotelov ili Ptolemejev sustav svijeta, kritizirajući ga ili ga čak nadopunjavajući.^[2]

Moglo bi se čak ustvrditi da nije prvo europsko sveučilište Bologna, nego Córdoba, centar tadašnje umajadske, a zatim almohavidske Andaluzije (al-Andalus), gdje se u 10. i 11. stoljeću uz teologiju podučavala astronomija, medicina, matematika, filozofija (pod filozofijom su se tada podrazumijevale prirodne znanosti, što je ostalo u današnjoj anglosaskoj doktorskoj tituli – PhD Philosophiae Doctor), grad u kojem su se dalje izučavali klasični autori, i perzijski, i u kojem su mogli koegzistirati ibn Rušd (Averroes) i Majmonid, i gdje je bila najveća knjižnica onog vremena (ne u Carigradu!); svjetionik znanosti očigledno nije više bio u Aleksandriji!

 

 

 

Slika 1a: Gravura u knjizi francuskog astronoma i popularizatora znanosti Camillea Flamariona iz 19. stoljeća

 

 

Proviriti iza Aristotelovih sedam nebeskih sfera (slika 1a) i protumačiti na racionalan način funkcioniranje našeg svijeta – to je, bez sumnje, bio vrlo jak poriv i poticaj. I, konačno, s Kopernikom (oko 1540.), Tichom Braheom (oko 1590.), Keplerom, Galileijem (oko 1600.), Descartesom, Huygensom (oko 1650.), Hookom, Newtonom (oko 1690.) itd., zapadni je svijet, a s njim i ostatak čovječanstva, zahvaljujući toj znanstvenoj revoluciji ušao u jedno novo doba. Treba ipak spomenuti da je Ulug-Begov opservatorij u timuridskom Samarkandu (koji je najvećim dijelom uništen) izgrađen oko 150 godina prije Braheova, a odlično je sačuvan Jantar-Mantar opservatorij u Jaipuru (slika 1b) – u Indiji islamskih velikih Mogula, izgrađen oko stotinu godina poslije Braheova u Uraniborgu.

Odlučujući trenutak u promjeni stava i perspektive u izučavanju prirode bio je Galileijev eksperimentalni pristup i otkriće teleskopa, s gotovo istovremenim Leeuwenhoekovim otkrićem mikroskopa. Čak i ako je Galileijevo usavršavanje teleskopa najvjerojatnije bilo financirano od venecijanskog Arsenala, s ciljem da se venecijanskim admiralima i kapetanima omogući da promatraju i da s veće udaljenosti procjenjuju prijeteće turske flote ili brodove, bitan je korak bio taj da je Galilei usmjerio svoj instrument prema nebu kako bi promatrao Mjesec i njegove planine, Veneru (otkrivajući njezine faze, mijene), a promatrao je i Jupiter te otkrio njegove satelite: to je već jedan kopernikanski svijet sam za sebe. Matematizirao je zakone slobodnog pada i balističkih putanja itd., itd. To je bio početak (fizičari bi rekli trigger ili »okidač«) jedne nezaustavljive znanstvene revolucije koja nas je dovela gdje smo danas.^[3] Promatrati prirodu s pomoću instrumenata koja znatno nadilaze naša prirodna osjetila, zamišljati eksperimente, pokušavati racionalno protumačiti opažanja i izraziti ih matematičkim jezikom, tražiti općenitiji interpretativni teorijski okvir – to je bit fizike, eksperimentalne metode i teoretskog tumačenja i okvira. To je dovelo do nevjerojatnog napretka naše civilizacije posljednjih četiri stotine godina. Naši današnji znanstveni instrumenti, u prvom redu LHC (Large Hadron Collider – veliki hadronski sudarač) kraj Ženeve, i eksperimenti koji se izvode na njemu, mogu se smatrati direktnim nasljednicima Galileijevih i Leeuwen­hoekovih instrumenata i metoda. To je najnoviji pothvat na čovjekovu putu u racionalnom tumačenju prirode i prirodnih fenomena.

CERN, standardni model

Put do LHC-a, danas najvećega znanstvenog instrumenta na svijetu, nije bio ni lak ni kratak. Znanstvena je Europa izašla iz Drugoga svjetskog rata potpuno opustošena, države-kontinenti poput SAD-a i Sovjetskog Saveza potpuno su dominirale scenom. Da bi se povratio barem dio nekadašnje znanstvene izvrsnosti i slave, godine 1953–54. odlučeno je da se osnuje CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire) – Europska organizacija za fundamentalna istraživanja – pokraj Ženeve. To je trebalo biti mjesto gdje bi se, stavljajući novce u »zajedničku kasu«, omogućilo europskim istraživačima da izgrade i koriste akceleratore i detektore te da provode eksperimente koji su nadmašivali financijske mogućnosti pojedinačnih europskih država, te se tako uzdignu na razinu dviju velesila. Proponenti, moglo bi se reči »očevi osnivači« te jedinstvene i vrlo uspješne organizacije bili su fizičari poput Edoarda Amaldija iz Italije, Pierrea Augera iz Francuske, Isidora Rabija iz SAD-a, poznati teoretičari kao Danac Niels Bohr, Werner Heisenberg iz Njemačke, Victor Weisskopf iz Austrije i Švicarske, švicarski humanist De Rougemont i mnogi drugi. Ali plodovi i veliki znanstveni uspjesi sporo su dolazili: školovanje fizičara traje dugo, a razvijanje intuicije gdje tražiti ključna otkrića i kako doći do njih – dug je i spor proces. Tijekom mnogih godina, čak desetljeća nakon Drugoga svjetskog rata i osnutka CERN-a, unatoč vrlo uspješnim akceleratorima i detektorima koji su odlično funkcionirali, gotovo su sva najvažnija otkrića u fizici elementarnih čestica, kao i Nobelove nagrade, pripadala SAD-u. Dobro se sjećam razočaranja mojih profesora na PMF-u u Zagrebu kada su otkrivene dvije vrste neutrina (ν_e vs. ν_m) – vrlo značajno otkriće šezdesetih godina, a dogodilo se u Brookhaven National Laboratory kraj New Yorka, iako je CERN tada imao adekvatan akcelerator...

 

 

Slika 1b: Jantar-Mantar opservatorij u Jaipuru. Instrumenti su sunčanici, meridijanski instrumenti, astrološki instrumenti i dr. za precizno mjerenje vremena, položaja, prolaska nebeskih tijela.

 

 

Sedamdesetih je godina postupno nastupila promjena, s prvim velikim otkrićem u CERN-u – otkrićem tzv.»neutralnih slabih struja«, što je bila jedna nova vrsta slabih sila – u komori na mjehuriće Gargamelle 1973. godine, a pogotovo potkraj 1970-ih kad su elektronički detektori/eksperimenti, izgrađeni u CERN-u, dostigli kvalitetu i prestigli efikasnost sličnih detektora u američkim laboratorijima. Promjena vodstva postala je evidentna izgradnjom antiproton-proton sudarača u CERN-u i konstrukcijom UA1 i UA2 detektora, što je 1982/83. godine popraćeno otkrićem W i Z bozona u tim detektorima, najvažnijim otkrićem u fizici druge polovice 20. stoljeća. Naime, od sredine šezdesetih godina postupno se izgrađuje ono što danas nazivamo »standardni model«, tj. teorija koja opisuje interakcije fundamentalnih čestica. Jedan je od ključnih koraka na tom putu bila hipoteza ujedinjenja elektromagnetskih i slabih interakcija (Glashow, Weingerg, Salam, Ward...oko 1965–67) uz teorijsko predviđanje postojanja jednoga hipotetskog Z bozona i, uz sugestiju Brouta, Englerta, Higgsa i još nekolicine drugih (1964), mehanizma koji bi davao masu W i Z bozonima, a ipak čuvajući masu nula za foton, kvant elektromagnetskog polja. Time bi se protumačio eksperimentalno evidentan vrlo kratak (<10^-13 cm) domet slabih sila, za razliku od »beskonačnog« dometa elekromagnetske sile, i ta razlika u masama W i Z bozona s jedne strane i fotona s druge jest razlog narušavanja elektroslabog ujedinjenja. Dakle, teorijski se uspjeh sastoji u tome da se sile ujedine – istog su intrinzičnog intenziteta, a bile su ujedinjene u ranim, toplim fazama Big Banga – pa da se onda protumači zašto se slabe i elektromagnetske sile prividno toliko razlikuju u današnjem hladnom svemiru. Nekoliko godina poslije G. t’Hooft, M. Veltman, B. Lee i M. Zinn-Justin uspijevaju (oko 1971) dokazati matematičku konzistentnost tzv. baždarnih teorija (gauge theories). Ujedinjena elektroslaba teorija pripada baš toj kategoriji teorija polja, kao i kvantna kromodinamika (QCD – Quantum Chromo Dynamics), teorija jakih sila koja je također baždarna teorija, a koja se upravo razvijala tih sedamdesetih godina (Appelquist, Gross, Politzer, Wilczek...). Otkriće W i Z bozona u CERN-u, očigledno najvažnijeg pitanja i cilja fizike tih godina, bilo je nedvojbenim dokazom da su baždarne teorije^[4] adekvatan prikaz fundamentalnih interakcija na toj skali energija i elementarnosti. Svi drugi teorijski pristupi koji su tijekom mnogih godina do tada bili iskušavani ili provođeni s više ili manje uspjeha, kao što su S-matrična teorija, Regge polovi, aksiomatska teorija polja, Bootstrap teorija itd., ubrzo su nestali sa scene; kvantna teorija polja s baždarnim simetrijama odnijela je definitivnu pobjedu.

Otkrićem W i Z čestica težište istraživanja u fizici elementarnih čestica vratilo se na ovu stranu Atlantika. To je vjerojatno teško pogodilo američke fizičare koji su toliko godina potpuno dominirali scenom, bili su pogođeni u svom ponosu. Njihova je reakcija bila prijedlog kolosalnog projekta SSC – Superconducting Super Collider, sudarač s energijom od 40 TeV-a, koji je daleko nadilazio CERN-ov antiproton-proton sudarač (0.54 i 0.63 TeV-a), CERN-ov LEP (Large Electron-Positron collider) od 90 i 200 GeV, tada u izgradnji, i čak Tevatron u Fermi-laboratoriju pokraj Chicaga (~2000 GeV tj. 2 TeV-a), koji je upravo tada (oko 1987. godine) počinjao s radom. Nakon otkrića W i Z bozona očigledan sljedeći cilj fizike elementarnih čestica bio je da se otkrije mehanizam koji daje česticama masu i koji je stoga odgovoran za narušavanje elektroslabe simetrije, bilo da se radi o Brout-Englert-Higgsovu mehanizmu bilo o nekom drugom alternativnom modelu narušavanja. Sudarač SSC morao je potpuno ispitati i pročistiti polje istraživanja i definitivno riješiti taj problem, a usput eventualno pronaći supersimetriju, tehnikolor interakcije i čestice, moguće dodatne teške baždarne bozone Z’, W’, ispitati razne druge proponirane sheme proširenja standardnog modela.

LHC

Već se godine 1984. diskutiralo u CERN-u o mogućnosti izgradnje jednog proton-proton sudarača u 27-kilometarskom tunelu LEP-a, tada u izgradnji (LEP- elektron-pozitron sudarač funkcionirao je od 1990. do 2000. godine), kad znanstveni program LEP-a bude ispunjen. Taj hipotetski proton-proton sudarač, koji će s vremenom postati LHC, mogao bi u najboljem slučaju dostići energije sudara maksimalno od 17 TeV-a, ako bi se mogli razviti supravodljivi dipolni magneti od 10 tesla (konačno smo se za LHC morali zadovoljiti magnetima od 8 tesla i energijom od 14 TeV-a, a već ti magneti zahtijevali su research and development period od deset godina). Problem s korištenjem LEP tunela za eventualni LHC bila je njegova mala transverzalna dimenzija, raspoloživi prostor, dijametar tunela iznosio je samo 6 metara. Ključan je bio prijedlog Roberta Palmera, fizičara iz BNL-a, što je u krajnjoj liniji omogućilo realizaciju LHC projekta, a to je da se implementira two-in-one (dva-u-jedan) shema za magnete.^[5] U međuvremenu je američki Kongres 1987. godine odobrio gradnju SSC-a, što je eventualni LHC činilo beznadno zakašnjelim u vremenu i premašenim u raspoloživoj energiji sudara (40 TeV za SSC prema 14 TeV za LHC). Ali godine 1989. Carlo Rubbia, ovjenčan svojim nedavnim otkrićem W i Z bozona i Nobelovom nagradom, izabran je za generalnog direktora CERN-a. Treba priznati da se može zahvaliti Rubbiji, njegovoj neiscrpnoj energiji, da LHC projekt nije tada pao u vodu. Projekt ne samo da nije napušten nego je rad započeo punom parom. Uistinu su bili potrebni golemo Rubbijino samopouzdanje i odvažnost da se pokuša natjecati sa SSC-om te ga nadmašiti jednim novim tipom sudarača – LHC-om – s nikad još isprobanom »dva-u-jedan« magnetskom akceleratorskom shemom, sa supravodljivim magnetima na samoj granici tehnološkog razvoja, a koji bi k tome morao funkcionirati s deset puta većim intenzitetom, zapravo »luminozitetom«, od 10³⁴ cm^-2 s^-1, negoli je to bilo predviđeno za SSC. Naime, SSC je bio golem, ali je bio uobičajenoga (konvencionalnog) tipa – s dva neovisna sustava magneta, svaki za po jedan protonski snop. Treba znati da je to bilo vrijeme kad su strojevi ili hadronski sudarači na svijetu funkcionirali maksimalno s luminozitetom od ~10³⁰ cm^-2 s^-1!! Ideja s tim ekstremnim luminozitetom za LHC, deset puta većim nego je bilo predviđeno na SSC-u, bila je da se inferiornost LHC-a u energiji sudara, za faktor blizu 3 u usporedbi s SSC-om, kompenzira većim luminozitetom.

Glavni argument u promociji LHC-a, najprije u Europi a zatim u svijetu, ipak je bila cijena projekta. LHC bi morao biti mnogo jeftiniji, zahvaljujući već postojećem LEP tunelu (vrijednosti oko milijardu CHF) i cjelokupnoj postojećoj infrastrukturi u CERN-u te postojećim akceleratorima (vrijednih oko milijardu dodatnih CHF), koji služe kao međustupnjevi prilikom ubrzavanja snopova prije ubacivanja u LHC za završnu akceleraciju, i, konačno, korištenjem dva-u-jedan shemom magneta, što upola smanjuje broj magneta potrebnih za sudarač, a to je opet ušteda od oko 0.7 milijardi CHF. Procjena je dakle bila da bi LHC mogao koštati sveukupno oko 2.5 milijardi CHF (što je uglavnom bilo i ostvareno) i da bi LHC mogao biti spreman za rad do 1998. godine (!!!), u najgorem slučaju do 2000., dakle prije SSC-a, u ovoj transatlantskoj trci za Higgsovim bozonom.

Ranih devedesetih godina 20. stoljeća obavili smo s generalnim direktorom i nekolicinom CERN-ovih predstavnika^[6] više važnih putovanja u Japan, Indiju, SAD, Rusiju itd. da predstavimo LHC projekt, njegov istraživački potencijal u fizici, tehnološke izazove i mogućnosti tehnološkog razvoja za domaće industrije i laboratorije, kako bi ih na taj način privukli u LHC projekt. Problem s SSC-om bio je da mu je cijena neprestano rasla. Kad je projekt prihvaćen 1987. godine, bio je procijenjen na 6 milijardi US$, onda se cijena povećala na 8, a 1993. godine već je dosegnula 11 milijardi US$. Tada je SAD-administracija prekinula projekt, unatoč već potrošenih oko 1.5 milijardi US$ na infrastrukturu u Texasu i na građevinske radove (tunel), razvoj magneta i detektore. Ispade SSC iz trke! Zemlje kao Japan, SAD, Rusija, Indija, Kanada tada su se pridružile LHC projektu, prihvaćajući odgovornosti i obaveze u njegovoj izgradnji. Doprinos tih zemalja je oko 5% u cijeni samog akceleratora, ali mnogo više, i do 40%, u konstrukciji detektora pri LHC-u. Ostavši bez SSC-a, velik broj istraživača iz SAD-a se nakon 1993/94. godine postupno pridružio eksperimentima u pripremi na LHC-u, eksperimentima koji su tih godina još bili u fazi koncipiranja i ispitivanja prototipova detektora. LHC je tako postao prvi pravi potpuno međunarodni znanstveni projekt – na planetarnoj razini. Danas, npr. u CMS eksperimentu koji broji oko 3000 istraživača, najveći je kontingent znanstvenika iz SAD-a (oko 600), zatim iz Italije, Švicarske, Njemačke, Francuske, Rusije itd., do manjih zemalja kao što je npr. Hrvatska – s oko 30 znanstvenika (Split, Zagreb), pa do uistinu malenih timova od samo nekoliko istraživača i studenata, poput onih iz Irske, Estonije ili Crne Gore (koja se upravo sada, 2017. godine, pridružila CMS-u). Treba međutim znati da danas, zahvaljujući internetu, svi laboratoriji ili sveučilišta mogu aktivno participirati u eksperimentu i analizi podataka, vršiti istraživanja – ako su članovi CMS kolaboracije, gdje god bili na Zemlji.

Ali vratimo se još malo u rano razdoblje projekta. Godine 1994. broj eksperimenata »opće namjene« (general-purpose experiments) od četiri, koliko ih je u početku bilo predloženo za LHC, reduciran je na dva: to su današnji ATLAS i CMS eksperimenti, svaki s oko 3000 istraživača, uz dodatna dva, nešto manja ali specijalizirana detektora. Jedan se eksperiment – LHCb (oko 600 istraživača) – bavi izučavanjem fizike b-kvarkova, razlikom između materije i antimaterije, narušavanjem CP simetrije itd., a drugi eksperiment – ALICE (oko 1000 istraživača, među njima su i timovi iz Zagreba i Splita) – bavi se proučavanjem svojstava kvark-gluonske plazme uz pomoć sudara teških iona, obično sudara Pb-Pb jezgara. U ranoj je fazi LHC projekta također bilo odlučeno da se pokrene jedan mnogo manji eksperiment (oko 50 istraživača) za mjerenje totalnog udarnog presjeka i izučavanje elastičnog i, općenitije, difrakcijskog raspršenja (diffractive and forward collision physics), što će postati eksperiment TOTEM.

Dva detektora »opće namjene«, ATLAS i CMS, bili su koncipirani za iste istraživačke ciljeve – za pronalaženje i izučavanje mehanizma narušavanja elektroslabe unifikacije, dakle mehanizma koji je odgovoran za mase čestica, bio to Higgsov mehanizam ili neki drugi, za studij top-kvarka, za traženje supersimetrije, za traženje novih dodatnih baž­darnih bozona W’, Z’, za traženje znakova jedne eventualne podstrukture, tj. indicija da ni kvarkovi ni leptoni nisu uistinu elementarni (najmanji) oblici materije, za traženje mogućih znakova postojanja dodatnih dimenzija prostora, postojanja mogućih kvantnih crnih mini-rupa itd., itd. Istraživački su ciljevi oba eksperimenta isti, ali su koncepcije, nacrti eksperimenata sasvim drugačiji, a upotrijebljeni detektori i tehnike vrlo su različiti, i umnogome komplementarni. Detektori takve kompleksnosti i performansi nikad prije nisu bili ni zamišljeni ni izgrađeni.

 

 

Slika 2: GORE: pogled na centralni dio CMS detektora, poprečno na liniju snopa. DOLJE: pogled na Grande Rosace na južnom pročelju poprečne lađe katedrale Notre Dame u Parizu.

 

 

Razlogom te neizbježne kompleksnosti bila je već spomenuta potreba za maksimalnim luminozitetom, kao i potreban režim funkcioniranja LHC-a (sudari slijede svakih 25 nanosekunda), što je postavilo ekstremne zahtjeve pri koncepciji detektora: na segmentaciju (granularitet) detektora, na preciznost i rezoluciju u mjerenju energije i impulsa čestica, na brzinu odgovora detektora i elektronike, na izdržljivost na ozračivanje svakoga pojedinog detektora i njegove elektronike očitavanja. Zbog vrlo malene vrijednosti udarnog presjeka, ili vjerojatnosti za produkciju Higgsova bozona, s vjerojatnošću manjom od jedan u milijardu po proton-proton sudaru, treba stoga producirati i filtrirati golemu količinu podataka, ritmom od milijardu proton-proton sudara u sekundi koje treba selekcionirati (elektronski i softverski sistem okidanja), da bi se zadržalo par stotina sudara svake sekunde i registriralo za detaljno pretraživanje, za konačnu fizikalnu analizu. U tu je svrhu zamišljen jedan vrlo inovativan i originalan sistem registracije, selekcije i manipulacije podataka.

CMS eksperiment – detektor

U nastavku ćemo govoriti uglavnom samo o CMS detektoru – najljepšem među detektorima! Kao i neke dame, CMS ima skrivene ljepote, i to ne samo u Vasarely-tipu boja upotrijebljenih za pojedine dijelove detektora (slika 2) nego i u ljepoti, jednostavnosti, eleganciji koncepcije detektora u cjelini. Sve je to rezultiralo vrlo uspješnim i učinkovitim detektorom, umnogome olakšavajući njegovo korištenje kao znanstvenog instrumenta. Slika 2 prikazuje CMS eksperiment, rastvoren tako da se može vidjeti njegova unutarnja struktura sa sastavnim dijelovima – detektorima ugrađenima jedni u druge poput ruskih lutaka. Slika uspoređuje CMS s kvazinebeskom ljepotom vitraža Grande Rosace u katedrali Notre Dame u Parizu. Dimenzije su približno iste, izbor boja sličan, što možda i nije slučajno: fizičari imaju smisla za ljepotu, simetriju, ne samo za onu apstraktnu, matematičku nego i za uzvišene potrage. Težnje su u jednom i drugom slučaju usporedive, iako se pristup i metode ponešto razlikuju. Vremenski je raspon oko 800 godina: s jedne strane imamo srednji vijek s visokim gotičkim katedralama i težnjom prema Bogu, a s druge strane imamo moderni znanstveno-tehnološki svijet s njegovom potragom za fundamentalnim prirodnim zakonima. Visina CMS detektora iznosi 12 metara, cjelokupna mu je dužina blizu 26 metara, a težina blizu 14.000 tona. Zemlje s najvećim doprinosom u izgradnji i održavanju toga centralnog dijela (barrel part) CMS eksperimenta navedene su eksplicite na slici 3.

 

 

Slika 3: Komponente CMS detektora u njegovu središnjem dijelu, sa zemljama koje su imale znatniji doprinos.

 

 

 

 

Slika 4: CMS detektor rasklopljen. Modularna koncepcija CMS eksperimenta omogućila je da se detektor prvo sastavi, montira u eksperimentalnoj hali na površini, a onda su modul po modul spuštani dizalicom u eksperimentalnu halu na dubini od sto metara, na razini tunela LHC-a. Spuštanje središnjeg modula težine oko 2500 tona, koji uključuje kriostat sa supravodljivim magnetom-solenoidom i hadronskim kalorimetrom, bilo je vrlo delikatno jer je bilo samo desetak centimetara slobodnog prostora. Spuštanje je trajalo oko 12 sati. Na slici su označeni glavni dijelovi detektora (sub-detectors) po funkciji i upotrijebljene detektorske tehnike.

 

 

 

Slika 5: Fotografija (pogled »ribljim okom«) dijela još rasklopljenog detektora CMS u listopadu 2013. godine, prije zatvaranja, nakon perioda detaljne revizije. S lijeve je strane »čep« (end-cap) na kojem su montirani lepezasto smješteni muonski detektori-komore, a na isturenom »nosu« jasno su vidljivi hadronski i elektromagnetski kalorimetri koji se pri zatvaranju uklapaju u udubljeni dio centralnog dijela detektora (na desnoj strani slike). Sredinom prolazi vakuumska cijev kojom se u suprotnim pravcima kreću oba snopa protona iz LHC-a, a sudaraju se u središtu detektora koji je smješten oko 10 m desno od dijela vidljivog na ovoj slici.

 

 

 

Slika 4 prikazuje shemu rasklopljenog detektora CMS i njegovih 13 glavnih strukturnih elemenata, a slika 5 donosi fotografiju CMS-a prije zatvaranja detektora u listopadu 2013. godine. Jasno se vidi još odvojen središnji »barrel« dio i jedan od dva simetrična završna dijela zvana end-caps ili »čepovi«. Centralni dio CMS-a, zapravo njegova kičma, okosnica oko koje je čitav detektor zamišljen, jest veliki supravodljivi solenoidalni magnet koji funkcionira na temperaturi od 4 stupnja iznad apsolutne nule. To je najveći magnet tog tipa na svijetu, dug 13 m, dijametra 6 m, a daje uniformno magnetsko polje od 4 tesle, što je dvaput više negoli kod ijednoga prethodnoga detektorskog magneta. Energija sadržana u njegovu magnetskom polju iznosi 3 gigajoula (to je, za usporedbu, ekvivalentno 600 tona TNT eksploziva; najveće klasične bombe korištene u Drugom svjetskom ratu sadržavale su oko 2 tone TNT-a)! Na slici 4 jasno se vidi položaj magneta, kriostat, tj. vakuumski i termički kontejner i štit za uzvojnicu magneta, a njega nosi centralno »kolo« željeznoga povratnoga magnetskoga kruga. Na slici 3 prikazan presjek centralnog dijela CMS detektora poprečno na smjer snopova protona LHC-a koji prolaze kroz os detektora; završni dio kriostata uzvojnice magneta je jasno vidljiv i eksplicitno označen. Taj magnet, koji su koncipirali fizičari-inženjeri u Saclayu kraj Pariza, sadrži nekoliko tehnoloških inovacija, kao što je četveroslojna uzvojnica, trokomponentni supravodički kabel, termosifonski sustav hlađenja. Taj je magnet izrađen od komponenata koje su došle iz raznih dijelova svijeta – kako je označeno na slici 3, s elementima za suprovodljivi kabel iz Finske, Japana, Švicarske, SAD-a, a sam kabel, presjeka 2 x 6 cm² i dužine 53 km konstruiran je i zalemljen (lemljenje elektronskim snopom) u švicarskim i francuskim specijaliziranim industrijama. Kabel je zatim namatan u Italiji (Ansaldo/Genova) u uzvojnicu sa svojom izolacijom. Magnet se napaja strujom od 20 kiloampera posebnim napojnicama (na sobnoj temperaturi) izgrađenim u Hrvatskoj (»Rade Končar«).

Odmah izvan kriostata magneta nalazi se željezni magnetski krug za povrat i zatvaranje linija magnetskog polja, dubok je 2 m, vidljiv je jasno, crvene boje, na slikama 3 i 4. Ta struktura, koja se u centralnom dijelu detektora sastoji od pet velikih »kola«, svaki od oko 2000 tona, vidljiva je na slici 4. Nacrt je načinjen u Njemačkoj, željezo rezano u Rusiji, sastavljeno je u CERN-u, a mehanička je struktura držana elementima (narančaste boje na slici 3) proizvedenima u Češkoj, dok sve skupa počiva na »nogama« izgrađenima u Pakistanu. Oba kraja, tzv. čepovi (end-caps) CMS detektora (dobro vidljivi na slikama 4 i 5), sastoje se – svaki za sebe – od tri velika željezna diska dijametra 12 m. Izgrađena su u Japanu, a omogućuju zatvaranje magnetskoga kruga. Nose niz detektora za muone, a počivaju na »nogama« iz Kine. Cijela struktura »čepova« stabilizirana je specijalnim antiseizmičkim držačima izgrađenima u SAD-u.

Unutar strukture toga povratnoga magnetskoga kruga ugrađene su u četiri sloja komore za detekciju muona – kutije srebrnkaste boje, vidljive na slici 3. Ti detektori za muone koncipirani su i izgrađeni u Njemačkoj, Španjolskoj i Italiji za komore tehnologije Drift Tubes (DT), te u Belgiji, Bugarskoj, Italiji, Koreji, Pakistanu, Egiptu itd. za komore tehnologije Resistive Plate Chambers (RPC). U tom centralnom dijelu CMS detektora nalaze se odmah iza kriostata scintilacijski detektori izgrađeni u Indiji – oni nadopunjuju centralnu kalorimetriju. Muonski detektori – komore – koji lepezasto prekrivaju završne »čepove« CMS detektora također su organizirani u četiri sloja (slike 4, 5), koriste tehnologiju Cathode Strip Chambers (CSC), zamišljene su i izgrađene u SAD-u, Rusiji, Kini, a nadopunjene su već spomenutim komorama RPC-tipa. Sistem detekcije muona centralan je u konceptu CMS detektora, što se vidi i iz samog naziva detektora CMS – Compact Muon Solenoid. Razlog je što smo na početku cijelog projekta CMS-a računali u prvom redu na detekciju muona u traženju Higgsova bozona kroz proces H →ZZ →μ⁺μ^-μ⁺μ^-, proces koji omogućuje pretražiti široku domenu mogućih masa tada još hipotetskoga Higgsova bozona, a detekcija muona uglavnom je imuna na očekivane poteškoće detekcije, prouzrokovane potrebnim ekstremno visokim luminozitetom. Sistem detekcije muona CMS-a dakle je vrlo efikasan, fleksibilan, robustan, komore DT i CSC-tipa omogućuju precizna mjerenja položaja, trajektorije čestica, a komore RPC-tipa osiguravaju bolju vremensku rezoluciju.

Pogledajmo sada od čega se sastoji CMS – počev od kriostata magneta prema centru (slike 3, 4). Tu su tri tipa detektora, prvo hadronski kalorimetar, zatim elektromagnetski kalorimetar i konačno, najbliže snopu, detektor tragova. Par riječi o svakom od tih detektora. Hadronski je kalorimetar konvencionalnog tipa, naizmjenično načinjen od slojeva apsorbera (mjed) i scintilatorskog sloja. Funkcija tog dijela CMS-a jest da mjeri »jetove«, tj. skupove gotovo kolinearnih čestica koji su makroskopska manifestacija kvarkova i gluona. Jedan kuriozitet, anegdota, kad je riječ o konstrukciji tog detektora, jest da su 1600 tona mjedi potrebnih za njegovu konstrukciju osigurali naši ruski kolege fizičari koji su tu mjed jeftino pribavili, a ona dolazi od čahura brodske artiljerije kalibra 150 mm s rashodovanih krstarica ruske Crnomorske flote! Mjed je prvo poslana u Bugarsku na početnu obradu, a konačno je rezana i oblikovana u jednom brodogradilištu u Španjolskoj po nacrtima kolega fizičara iz Fermi-laboratorija u SAD-u. I to je lijep primjer međunarodne suradnje! Razni dijelovi hadronskoga kalorimetra, njegova centralnog dijela, dijelova u »čepovima« i onih najbližih liniji snopova, što se tiče mehaničke konstrukcije, detekcijskih elemenata, tehnologije i elektronike očitavanja, oni su rezultat suradnje između SAD-a, Rusije, Ukrajine, Turske, Irana i Mađarske.

Sljedeći sloj CMS detektora jest elektromagnetski kalorimetar – vidljiv na slikama 3 i 4. Svrha mu je mjerenje energija elektrona, pozitrona i fotona s preciznošću od oko 1%. To je jedan od najoriginalnijih dijelova CMS detektora. Sastoji se od 76.000 scintilirajućih kristala (PbWO4), svaki kristal dimenzija 2 x 2 x 23 cm³, a oblikovan je poput staroegipatskog obeliska, kao onaj na Place de la Concorde u Parizu. U centralnom dijelu detektora ti su kristali organizirani u jednu cilindričnu strukturu, ljusku, nadopunjenu čepovima na svakom kraju, a svaki je kristal usmjeren prema središtu CMS-a, gdje se događaju sudari proton-proton. Ti su kristali, nakon početnih pet godina istraživanja i razvoja, a zatim pet godina potrebnih za proizvodnju (to podsjeća na davne socijalističke petoljetke!), izrađeni u Rusiji i manjim dijelom u Kini. Sve je to bila jedna nevjerojatna i uzbudljiva znanstveno-političko-industrijska avantura u postsovjetskoj Rusiji. Zemlje i institucije koje su pridonijele konstrukciji tog elektromagnetskoga kalorimetra izvanrednih performansa, njegovoj mehaničkoj strukturi, elektroničkom očitavanju, sustavu kalibracije itd. uključuju CERN, Francusku, Grčku, Italiju, Japan, Švicarsku, Ujedinjeno Kraljevstvo, SAD, Tajvan.

Konačno, detekcijski sustav u centru CMS eksperimenta, dio najbliži cirkulirajućim akceleratorskim snopovima protona, jest »detektor tragova«. To je tehnološki najkompleksniji i najinovativniji dio detektora CMS. U cilindričnom volumenu dužine 6 m i dijametra od 2.3 m organizirano je, u cilindričnim slojevima, ljuskama, u centru i u diskovima prema krajevima, 10 milijuna silicijskih mikrostaznih detektora (Si-microstrip detectors), kojih su tipične dimenzije 6 cm dužine, 100 do 400 mikrona širine i 300 mikrona debljine, a svaki je posebno elektronski očitan. Sve skupa oko 200 m² površine Si-detektora, a u vrijeme koncipiranja tog detektora, sredinom devedesetih godina, nije bilo na svijetu detektora većeg od 2 m²! I to je, sa solenoidom i već spomenutim kristalima PbWO4, dobra mjera tehnološkog razvoja što ga potiče fizika elementarnih čestica. Taj je Si-mikrostazni detektor tragova nadopunjen u svom središnjem dijelu, koji je najbliži snopu i mjestu sudara snopova, jednim piksel-detektorom koji se sastoji od 70 milijuna silicijskih piksela dimenzija 100 x 150 mikrona², organiziranih u tri cilindrična sloja na 4, 7 i 11 cm od linije snopova, i s tri diska na obje strane. Cijeli sustav dopušta mjerenje položaja tragova čestica koje izbijaju iz zone sudara s preciznošću od 15 mikrona. Sve skupa dakle 80 milijuna elektronskih kanala očitavanja, a sve komponente, i detektori i elektronika, moraju biti otporne na ozračivanje! Taj jedinstveni detektor tragova, ekstremnih performansi i zahtjeva što se tiče mehaničke konstrukcije, preciznosti mjerenja, elektronike, otpornosti prema zračenju itd. jest rezultat zajedničkog napora više zemalja i institucija: Austrije, Belgije, CERN-a, Njemačke, Italije, Francuske, SAD-a i Švicarske.

 

 

 

Slika 6: Babilonska kula, po Breughelu Starijem, Kunsthistorisches Museum u Beču. Desno: »camembert zemalja/nacija« koje sudjeluju u CMS-u, stanje iz 2012. godine. U međuvremenu su se mnoge nove države pridružile CMS-u: Kolumbija, Litva, Egipat, Tajland, Malezija, Indonezija, Ekvador, Oman, Saudijska Arabija, i CMS još uvijek raste. Godine 2017. upravo su se pridružili Libanon i Crna Gora...

 

 

 

 

Slika 7a: Događaj-kandidat za produkciju Higgsova bozona uz raspad na četiri leptona po shemi H →ZZ → e⁺e^-μ⁺μ^-, podatci iz 2012. godine; crveni štapići indiciraju energije deponirane elektronima ili pozitronima u elementima – kristalima elektromagnetskoga kalorimetra, dok su kutije svijetle boje obrisi muonskih komora kroz koje su prošli muoni.

 

 

 

Slika 7b: događaj-kandidat za Higgsov raspad na dva fotona H → γγ 
u CMS detektoru, energije fotona odmjerene u elektromagnetskom kalorimetru prikazane su zelenim štapovima.

 

 

CMS eksperiment također posjeduje jedan vrlo inovativan, snažan i fleksibilan sustav prikupljanja podataka, sustav okidanja (trigger system), kontrole i praćenja funkcioniranja eksperimenta i obrade podataka, s hardverskim i softverskim komponentama. Na primjer, prva hardverska razina selekcije sudara (koji slijede ritmom od 25 nanosekunda) ima na raspolaganju do 3 mikrosekunde da odluči hoće li zadržati ili odbaciti sudar, »događaj«, kako kažu fizičari, a sljedeća softverska razina, koja je implementirana na »farmi« od 5000 paralelnih procesora, ima oko 40 milisekunda da bi »probavila« i razumjela sudar, događaj. Cijeli taj sustav u eksperimentu ekvivalentan je živčanom sustavu u organizmu, on transformira i traži smisao, indicije u onom što su u krajnjoj liniji električni signali producirani u pojedinim dijelovima detektora, pretvarajući ih u fizikalne veličine i varijable (energije, impulse...) koje onda dopuštaju da se identificiraju i fizički analiziraju sudari. To je na kraju dovelo 2012. godine i do otkrića Higgsova bozona. Zemlje ili institucije koje su značajno pridonijele razvoju toga vrlo kompleksnog i efikasnog sistema jesu: Austrija, CERN, Francuska, Grčka, Italija, Njemačka, Portugal, Španjolska, Tajvan, SAD, Ujedinjeno Kraljevstvo. Cjelokupna je cijena CMS detektora oko 640 milijuna CHF, a slična je cijena i ATLAS detektora.

Čitatelj bi se vjerojatno mogao čuditi kako to da u tom traženju onog što se katkad naziva »Božja čestica« (Higgsov bozon), koja nije ništa božanstvenija nego W i Z bozoni, sa svim tim institucijama, laboratorijima, sveučilištima sa svih strana zemaljske kugle, njih oko 190, iz gotovo 45 zemalja, s više od 3000 znanstvenika i inženjera u 2016. godini – kako taj globalni pothvat s ljudima raznih kultura, religija, jezika nije patio od »sindroma babilonske kule« i nije mu na kraju podlegao (slika 6)?! Kako je Bog mogao dopustiti čovjeku da pronikne u jednu od njegovih najdubljih tajna, u podrijetlo mase, a da pri tome ne pomiješa sve njihove jezike? Prvi je razlog u tome što je postojao zajednički cilj, fizika i matematika su univerzalne, i svi smo se koristili aproksimativnim engleskim (broken English) u međusobnom sporazumijevanju (internet je baš za tu svrhu izmišljen u CERN-u), održavajući seminare i predavanja na cijelom planetu; a drugi je taj što smo se, da se udovolji francuskom ponosu, u konstrukciji koristili metričkim sustavom jedinica, a ne inča, stopa, jarda, funta, imperijalnih galona itd.!

Finis coronat opus

Slika 7a prikazuje lijep primjerak događaja »kandidata« za raspad Higgsova bozona u četiri leptona na način H → ZZ → e+e-μ+μ- koji je opažen u detektoru CMS, a na slici 7b imamo jedan drugi događaj s raspadom u dva fotona po modu H → γγ. Kažemo »kandidat« za Higgsov događaj, jer po kvantnoj mehanici ne možemo nikad biti sigurni u pojedinačni događaj, tj. radi li se uistinu o događaju s Higgsovim bozonom ili o pozadinskom (background) događaju iste topologije. U krajnjoj liniji dokaz može biti samo statističke prirode, a taj je bio definitivno dobiven 2012. godine akumulacijom događaja iste topologije na jednoj vrijednosti mase, oko 125 GeV-a (slika 8). Vrša odnosno klopka bila je dobro zamišljena i zvjerka je konačno u nju upala! Treba reći da je detektor ATLAS bio podjednako uspješan u tom lovu na Higgsov bozon.

Interesantno je pogledati i kako se ta otkrića W, Z i Higgsova bozona mogu vidjeti, kakva je njihova uloga u okviru današnje kozmološke paradigme, modela Big Banga, skiciranog na lijevoj strani slike 9. U vremenu između ~10^-15 do 10^-12 sekunda nakon »početnog događaja, početne eksplozije«, tj. Big Banga, svemir je u širenju i sav njegov materijalno-energetski sadržaj već se ohladio do temperatura od ~1000 do 100 GeV (fizičari u razradbi astrofizičkih ili kozmoloških problema koriste podjednako energiju E ili temperaturu T, a te dvije veličine povezane su relacijom E = kT, gdje je konstanta proporcionalnosti k Boltzmanova konstanta), a to je upravo skala energija (ili temperatura) ispitivana u proton-proton sudarima na LHC-u, to je skala energija narušavanja elektroslabe simetrije ili »elektroslaboga faznog prijelaza«. Bozoni W, Z i H tada (~10^-12s) poprimaju svoje mase (elektromagnetske i slabe sile od tada se razlikuju), oni su tada gotovo u termičkoj ravnoteži, ali se raspadaju vrlo brzo, vrijeme života im je vrlo kratko, između 10^-24 i 10^-23 sekunde, i oni odmah nestaju s kozmološke scene. Na LHC-u ih opet stvaramo (desna strane slike 9) uzrokujući sudare dvaju protona, dakle dviju kapljica partonske materije koje se time dovode do vrlo visokih energija, temperatura. Proizvodimo nešto poput »mini-
-Big-Bangova«, ali ta je materija tu izvan ravnoteže, lokalna, volumen je samo par desetaka kubnih fermija (1 fermi = 10^-13 cm) – dok je za vrijeme Big Banga sva materija (tj. čitav svemir) bila na toj temperaturi. Usijana materija producirana na LHC-u vrlo je kratka životna vijeka, reda veličine 10^-22 sekunde. U tim sudarima pokatkad, zapravo vrlo rijetko, jednom u oko 10¹⁵ (milijun milijardi) proton-proton sudara, dva će gluona, po jedan iz svakog protona, fuzionirati u Higgsov bozon (kroz kvantnu petlju s top kvarkom), i odmah će se raspasti na dva Z bozona (u ~10^-24 s), i svaki će se od njih opet gotovo trenutačno raspasti u μ⁺μ^- ili e⁺e^- par (u ~10^-23 s). Te konačne produkte raspada hvatamo, identificiramo i mjerimo u našim detektorima, kako je skicirano na desnoj strani slike 9. Par desetaka takvih ulova po godini funkcioniranja LHC-a!

 

 

 

 

 

Slika 8: Četveroleptonski spektar masa za cjelokupnu statistiku događaja registriranih u CMS detektoru 2012. godine na energijama sudara od 7 i 8 TeV u proton-proton centru mase. Eksperimentalna mjerenja su crne točke, a u plavom je označen očekivani nivo pozadine (background) događaja s produkcijom ZZ i ZZ* parova, uključujući i rijetki četveroleptonski način raspada Z bozona s »peak«-om, signalom, na 90 GeV-a, u zelenoj boji je očekivana pozadina koja dolazi od mehanizma Zbb produkcije, dok je narančastom bojom prikazan očekivani signal Higgsova bozona po standardnome modelu, ako bi njegova masa bila ~125 GeV-a. Na desnoj strani slike prikazani su novi rezultati o Higssovu bozonu dobiveni analizom dijela podataka (~12 fb^-1) prikupljenih 2016. godine na energijama sudara od 13 TeV-a.

 

 

 

Slika 9: Lijeva strana: Temperaturna povijest svemira u modelu Big Banga, sa svemirom koji se širi i hladi prolazeći kroz razne i sve kompleksnije faze organizacije materije kako temperatura opada. Za vrijeme elektroslabe ere (od ~10^-15 do 10^-12 s) čitav se svemir sastoji od naših današnjih kvarkova i leptona, gluona, fotona, W, Z i Higgsovih bozona (dodatne čestice, poput supersimetričnih, također bi mogle biti prisutne). Desna strana slike prikazuje proton-proton sudar na vrlo visokoj energiji u LHC-u, poput mini Big Banga, s povremenim stvaranjem Higgsova bozona i raspadom koji uslijedi kvazi-instantno u načinu raspada (ZZ, pa zatim Z na par elektrona ili muona), za čiju je detekciju CMS eksperiment bio zamišljen i optimiziran.

Zaključak

CERN je odličan primjer, možda i najbolji, onog što Europa može postići kad ujedini svoje snage^[7]. Dobro je promisliti o ovom uspjehu upravo sada, u vrijeme velikih dvojbi i sumnja u Europu i njezinu budućnost, u vrijeme kad bi trebalo gledati iznad čisto utilitarističkog i merkantilističkog anglosaskog pristupa Europi. Ideal bi trebala biti asimptotsko-ujedinjena Europa, što bi joj osiguralo sjaj i procvat za mnoge godine u budućnosti. Nedavno otkriće Higgsova bozona u CERN-u, u dvama ekstremno kompleksnim eksperimentima – ATLAS i CMS – koji su ujedno velike međunarodne kolaboracije znanstvenika, potvrđuje CERN-ov status vodećega svjetskog laboratorija u domeni fizike elementarnih čestica. Dobro se pritom podsjetiti da je i za vrijeme »hladnog rata« CERN bio mjesto susreta, diskusija i znanstvene suradnje između fizičara i znanstvenika obiju strana. CERN, kao centar kojem danas gravitiraju znanstvenici cijelog planeta, podsjeća na ulogu koju su nekad imali aleksandrijski Museion (muza, božanstvo astronomije-znanosti bila je Urania) i aleksandrijska knjižnica, u neku ruku CERN je njihov nasljednik.

Otkrićem Higgsova bozona LHC-ova priča nije završena. Pred fizičarima su još mnoge godine detaljnog studija, potrebni su desetci tisuća Higgsovih bozona da bi se kvantitativno razumjela egzaktna priroda pronađenoga Higgsova bozona. Treba razumjeti njegova vezivanja za druge čestice i za samog sebe itd., uz mnoge dodatne studije i moguće eventualne pronalaske, na primjer supersimetričnih čestica, eventualno čestica tamne materije, znakova mogućih dodatnih dimenzija prostora, kvantnih »crnih mini-rupa« itd. Ali može biti da idućih godina i neće biti na LHC-u novih »spektakularnih« pronalazaka poput W, Z ili Higgsa, nego će indicije o onom što bi mogao biti novi horizont fizike proisteći iz detaljnih i metodičnih studija koje će konačno pokazati gdje su granice današnje paradigme u fizici fundamentalnih interakcija, tj. standardnog modela. Dobro je poznato da je ta teorija, iako danas nema nijednoga neosporivog eksperimentalnog rezultata koji bi bio u kontradikciji sa standardnim modelom unutar svoje domene valjanosti, sigurno nepotpuna. Mnoga su pitanja u fundamentalnoj fizici još otvorena, neriješena, na primjer podrijetlo Higgsova potencijala i stabilizacija njegove mase, interpretacija masa neutrina, njihova kvantnog miješanja i narušavanja CP invarijantnosti, jesu li neutrini čestice Diracova ili Majorana tipa. U standardnome modelu nema mjesta ni za tamnu materiju, ni za tamnu energiju, ni za tumačenje razlike u opserviranoj količini materije i antimaterije na kozmološkoj razini, itd., itd. Istraživanja na akceleratorima-sudaračima i nisu jedini, a možda ni najadekvatniji način da se odgovori na sva ta pitanja.

LHC će nastaviti radom još nekoliko godina s postupno povećavanim performansama – da bi se potvrdili, produbili i proširili već dobiveni rezultati. Već se testiraju razne mogućnosti dodatnoga znatnog proširenja njegova potencijala istraživanja. Prva i već znanstveno i financijski odobrena faza na visokom luminozitetu (High-Luminosity – LHC), deset puta većem nego je sada, morala bi nastupiti za sedam-osam godina. Za tu se fazu već razvijaju i testiraju dodatni, specijalni magneti za LHC, testiraju se detektori koji će zamijeniti dijelove sadašnjeg CMS-a i ATLAS-a, da bi oba eksperimenta mogla uspješno funkcionirati na deset puta većem luminozitetu. Cijena tih poboljšanja (upgrading) iznosi oko 230 MCHF po eksperimentu. Razmatra se mogućnost da se za 15 do 20 godina udvostruči energija LHC-a, na 28–30 TeV (High Energy-LHC), što je mnogo uzbudljivija, ali i mnogo skuplja perspektiva. Za to bi trebalo promijeniti sve magnete sadašnjeg LHC-a, što bi koštalo oko dvije milijarde CHF. S tim se ciljem već radi na nekoliko mjesta u svijetu (CERN, FermiLab/Chicago, Lawrence/Berkeley Lab, Saclay/Pariz) na razvijanju dipolnih magneta od 15–18 tesla (umjesto sadašnjih 8 tesla na LHC-u). A za tridesetak godina, kad taj program istraživanja bude ispunjen, vjerojatno će se izgraditi još jedan, mnogo moćniji stroj-sudarač (koji se već sad izučava, ILC, CLIC, FCC projekti...) s mnogo kompleksnijim detektorima nego što su CMS ili ATLAS.

To će čovjeku omogućiti daljnji napredak u ovom nezavršivom traženju dubljeg razumijevanja prirode. Omogućit će da se nastavi užitak istraživanja i razumijevanja prirodnih fenomena, kao i ispitivanje čovjekova mjesta u ovom svijetu. A to i jest razlog zbog kojega je fizika tako intelektualno fascinantna i estetski lijepa. Ta znatiželja jest čovjekova duboka motivacija, motor njegova napretka i uzdizanja. Potraga za racionalnim tumačenjem prirode mora se nastaviti, i to je posebno važno u ovo naše vrijeme kad se obnavljaju razni oblici mračnjaštva, praznovjerja i religioznog fanatizma.

CERN, 18. travnja 2017.

Zahvala

Zahvaljujem CERN public relations departmentu, Particle Data Group – USA i CMS kolegama za korištenje raznih slika i dijagrama u ovom članku, a posebno prof. J. Užareviću za pažljivo čitanje i adaptaciju članka na moderan hrvatski jezik.

Kratice

CERN –Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, Europski centar za fundamentalna istraživanja

LHC – Large Hadron Collider, veliki hadronski sudarač. Sustav akceleratora u kojem se dva snopa protona frontalno sudaraju s energijom u centru mase proton-proton od 13 TeV-a. Trenutačno sudarač s najvišom energijom i najvećim intenzitetom na Zemlji. Zadnji akcelerator u sistemu ima opseg 27 km.

CMS – Compact Muon Solenoid, jedan od dva velika eksperimenta, sustava detektora pri LHC-u; drugi se naziva ATLAS. Na CMS-u radi oko 3300 istraživača iz 45 zemalja.

Higgsov bozon – elementarna čestica predviđena 1964. godine od trojice teorijskih fizičara – Higgsa, Brouta i Englerta. Ona bi bila odgovorna za mase elementarnih čestica i čestica materije poput kvarkova i leptona, i kvanata polja sila – poput W i Z bozona.

SM – standardni model. Današnji teorijski okvir koji tumači sva međudjelovanja elementarnih čestica (»jake« sile, »slabe« sile i elektromagnetske sile); dva su sastavna dijela kvantna-kromo-dinamika i elektroslaba teorija

1 TeV = 1 teraelektronvolt = 10¹² eV

1 GeV = 1 gigaelektronvolt = 10⁹ eV; 1 MeV = 1 megaelektronvolt = 10⁹ eV

čestice svjetlosti – fotoni. Dolaze nam sa Sunca i obasjavaju našu Zemlju. Imaju energije od jednog elektronvolta.

LEP – Large Electron-Pozitron collider, veliki sudarač elektrona i pozitrona koji je funkcionirao u CERN-u od oko 1990. do oko 2000. godine.

SSC – Superconducting Super Collider, američki projekt sudarača 1980-ih i 1990-ih godina; projekt je napušten 1993. godine.

^[1]   Ništa ne ilustrira bolje Arhimedovo pouzdanje u znanost i racionalnu misao nego njegova poznata rečenica: »Δῶς πὲ στῶ καὶ τῆν Γῆν κινέσω« – »Dajte mi oslonac i pokrenut ću Zemlju!« koja iskazuje povjerenje u zakone statike/mehanike i zakone poluga.

 

^[2]   Taj srednjovjekovni centar izučavanja i istraživanja bio je aktivan do uništenja Bagdada od strane Mongola oko 1250. godine. Na Bliskom je istoku postojalo nekoliko astronomskih opservatorija, ne samo u Bagdadu nego npr. i u Perziji, a neki potječu čak iz predislamske perzijske civilizacije – Sasanidskog Imperija. Kraj zlatnog doba arapske znanosti obično se povezuje s uništenjem Bagdada i utjecajem rigoroznog islamskog doktrinarstva, naučavanja al-Gazalija.

 

^[3]   Ako se uistinu može reći da je Galilei više odgovoran negoli itko drugi za tu promjenu stava ili metode, pri čemu opservacija i eksperimentiranje imaju prednost pred čistom intelektualnom spekulacijom, Giordano Bruno je odgovoran za pravu ideološku revoluciju. Njegove ideje o beskonačnom svemiru bez posebnog središta, o zvijezdama koje nisu samo svjetiljke na nebu koje uljepšavaju naše romantične noći, nego mnoštvo svjetova, da je zapravo riječ o suncima poput našeg, popraćenim svitama planeta kao što je naša Zemlja – kakve zadnjih dvadesetak godina, dakle 400 godina nakon Giordana Bruna, upravo otkrivamo na tisuće, sve je to razbilo ideološko-religijski okvir onog vremena, za što je skupo platio. Baš je potkraj 2016. godine skupina belgijskih znanstvenika otkrila blizu nas, na oko 40 godina svjetlosti, jedan planetarni sustav (zvan TRAPPIST-1) od osam »stjenovitih« planeta, kojih se veličina kreće od veličine Zemlje do veličine Marsa i koje gravitiraju oko zvijezde nešto manje od našeg Sunca.

 

^[4]   Za interakcije standardnog modela (jake i elektroslabe sile) može se reći da proizlaze od zahtjeva invarijantnosti fizičkih zakona (Lagrangiana interakcija) pod baždarnim transformacijama, grupe SU2xU1 za elektroslabe interakcije i pod transformacijama SU3 grupe za jake interakcije (QCD); k tome, kad se pomisli da temeljni zakoni fizike – očuvanje energije, količine gibanja, angularnog momenta itd. proizlaze iz zahtjeva invarijantnosti spram vremenskih i prostornih translacija i transformacija, može se reći da praktično svi temeljni zakoni fizike proizlaze iz zahtjeva odnosno principa simetrije, što je intelektualno i estetski zadivljujuće.

 

^[5]   U tom tipu magneta oba snopa protona, koja se kreću u suprotnim pravcima, prolaze kroz dvije nezavisne vakuumske cijevi 18 cm udaljene jedna od druge, kroz jednaka magnetska polja ali suprotne orijentacije, a obje vakuumske cijevi za snopove ugrađene su u vakuumsku i supravodljivu magnetsku strukturu na temperaturi od -271 stupnja Celzijeva, tj. na 2 stupnja iznad apsolutne nule. Razvoj tih kompliciranih magneta zahtijevao je 10 godina istraživanja, i dodatnih šest godina za proizvodnju oko 1250 primjeraka u europskim industrijama (Siemens, Alstom, Ansaldo), a svaki je taj magnet vrijedan oko milijun US$.

 

^[6]   C. Rubbia ili W. Hoogland (Research Director tih godina) predstavljali su LHC projekt u cjelini, uključujući financijske aspekte, G. Altarelli ili J. Ellis – teorijske aspekte, D. Denegri ili P. Jenni – eksperimentalni program LHC-a i njegove mogućnosti, G. Brianti ili J. Perin – problematiku magneta za LHC, J. Schukraft – mogućnosti fizike teških iona na LHC-u, T. Nakada – za B-fiziku.

 

^[7]   Druge vrlo uspješne europske organizacije, koje su u vezi s temama dotaknutima u ovom članku, jesu ESO (European Southern Observatory) i ESA (European Space Agency). Obje su te organizacije, što se tiče načina izbora znanstvenih projekata i upravljanja, organizirane po modelu CERN-a.