Sudarivači čestica i čovječanstvo

Zamislite sudar dviju jagoda ubrzanih prije toga na brzine bliske brzini svjetlosti. Što bi se desilo? Frape? Možete li zamisliti da bi u takvim sudarima nastalo mnogo voća koje prije sudara nije bilo tamo: banane, lubenice, kivi, mango, jabuke i breskve, a sve na račun kinetičke energije koje su jagode imale prije sudara. Čini se nevjerojatno, ali upravo to se događa u modernim sudarivačima čestica (npr. na Velikom hadronskom sudarivaču na CERN-u). Jedino što umjesto jagoda ubrzavamo mnogo manje čestice kao što su protoni, elektroni ili teški ioni, a u njihovim sudarima nastaju lambda-čestice, kaoni, omega-hiperoni i još mnogo drugih stanovnika čestičnog zoološkog vrta. Iz proučavanja čestica u konačnom stanju možemo saznati mnogo o međudjelovanju dijelova (kvarkova i gluona) složenih čestica, ali i o standardnom modelu i njegovim eventualnim nadopunama ili nedostacima. Ubrzivači čestica ključni su u „mikroskopiranju“ materije i stvaranju novih čestica. Tu se zapravo svaki čas provjerava Einsteinova relacija E=mc² jer se energija ubrzavanja pretvara u masu novih čestica.

Prikaz moguće buduće lokacije novog akceleratora (FCC) koji bi trebao pomaknuti granice energije i intenziteta sudarivača čestica u potrazi za novom fizikom / Izvor CERN

Postoje i u svemiru čestice visokih energija, ali se one pojavljuju neregularno i s premalim učestalostima, tako da su otkrića novih čestica postala češća otkad su u upotrebi ubrzivači čestica. Ubrzivači se koriste i za sudaranje snopova ubrzanih čestica s čvrstim metama. Tako možemo istraživati svojstva nekih materijala, ali i uništavati tumore.

U zadnje vrijeme efikasna je i metoda liječenja tumora zračenjem protonima koji najviše energije izgube u zadnjem dijelu svoje putanje pa se može tako namjestiti da djeluju kao male bombe u tijelu pacijenta koje na putu prema tumoru kroz zdravo tkivo ne izgube mnogo energije i ne naprave štetu, nego većinu energije izgube u samom tumoru. Sve su to tehnike koje su nastale kao spin-off istraživanja elementarnih čestica.

Korak dalje od ubrzivača je sudarivač čestica. Iz zakona očuvanja energije i količine gibanja slijedi da se energija ubrzavanja čestica za stvaranje novih čestica najbolje koristi kad čestice ubrzamo na iste energije i sudarimo sučelice jednu u drugu. To si možete dočarati tako da zamislite dvije vrste sudara u prometu: jedan je kad brzi auto naleti na miran auto, a drugi je kad se dva auta frontalno sudare. Više štete napravit će drugi sudar jer u prvom energiju potrošimo i na ubrzavanje mirnog auta nakon sudara, što je potrebno da bismo zadovoljili zakon očuvanja količine gibanja (zakoni se moraju poštivati).

Veliki hadronski sudarivač (LHC), najveći dosad sudarivač čestica s energijom sudara od 14 TeV (Tera elektron Volti), smješten je na CERN-u. Ispunio je svoju znanstvenu zadaću otkrićem Higgsova bozona (2012), ali i tehnološku jer su korišteni magneti za savijanje snopa čestica s najjačim magnetskim poljem dosad.

Nedavno je na izvanrednoj sjednici Vijeća CERN-a predstavljeno srednjoročno izvješće o studiji izvedivosti novog akceleratora FCC-a (engl. Future Circular Collider). FCC bi trebao nastaviti istraživanja koja se trenutno odvijaju na LHC-u jednom kad završi faza istraživanja na visokim luminozitetima (oko 2040). Cilj je FCC-a pomaknuti granice energije i intenziteta sudarivača čestica, kako bi se postigla energija sudara od 100 TeV, u potrazi za novom fizikom.

Oformljena je međunarodna suradnja s više od 150 sveučilišta, istraživačkih instituta i industrijskih partnera iz cijelog svijeta koja istražuje: mogućnosti za razne kružne sudarivače, pripadne detektore i infrastrukturu, procjenu troškova, globalne scenarije provedbe projekta i odgovarajuće međunarodne strukture upravljanja.

Ispituju se scenariji za tri različite vrste sudara čestica: sudare hadrona (proton-proton i teški ioni), kao u LHC (FCC-hh), sudare elektrona i pozitrona (FCC-ee), kao u bivšem LEP-u. Druge opcije uključuju sudare protona i elektrona ili sudare protona i teških iona.

CERN broji 23 punopravne članice i deset pridruženih članica, među kojima je i Hrvatska, te je najbolji primjer globalne suradnje u znanosti: zapošljava oko 2500 ljudi, ali na različitim projektima okuplja oko 12.000 znanstvenika iz više od osamdeset zemalja.

Mnogi se pitaju zašto nam trebaju sudarivači i koje koristi od toga ima čovječanstvo.

Osim što pomičemo granice ljudskog znanja, nadamo se na višim energijama otkriti što to čini tamnu tvar, oko 95 posto našeg svemira koji trenutno ne možemo vidjeti.

To će također biti pokretač inovacija, jer će nam trebati nove napredne tehnologije, od kriogenih do supravodljivih magneta, vakuumskih tehnologija, detektora, instrumentacije, tehnologija s potencijalno ogromnim, utjecajem na naše društvo i golemim socioekonomskim koristima.

Novi sudarivač nalazit će se pored Velikog hadronskog sudarivača. Procjenjuje se da će projekt koštati preko 16 milijardi eura. CERN kaže da će se to vjerojatno promijeniti i da će točan trošak biti dostupan 2025. Prsten će biti opsega 91 kilometar s osam površinskih lokacija na kojima će biti smještene zgrade s oknima prosječne dubine od oko 200 m za povezivanje s infrastrukturom podzemnog tunela.

To je stroj sljedeće generacije: veći, brži, jači, sa sposobnošću otkrića mnogo više detalja o finim detaljima svemira. Otkrit će značajke Higgsa i Higgsova polja koje se jednostavno ne mogu proučavati na Velikom hadronskom sudarivaču i omogućiti nam osim traženja tamne tvari i testiranje novih fizikalnih ideja u novim režimima.