In lumea Fizicii, exista doua mistere uimitoare pe care incercam sa le rezolvam de ani de zile: cum a fost Universul la cateva momente dupa nastere si care este natura fundamentala a materiei. Adica, ce a fost acolo imediat dupa Big Bang si din ce sunt alcatuite particulele subatomice care alcatuiesc materia?
In acest context, poate ca singura noastra speranta sunt acceleratorii de particule. Cunoscute de toti, dar intelese de foarte putini, aceste dispozitive nici nu creeaza gauri negre si nici nu pot distruge lumea, ci mai degraba ne permit sa raspundem la cele mai mari intrebari existentiale ale Universului.
Ciocnitoarele de particule reusesc sa accelereze fasciculele de particule la viteze apropiate de viteza luminii, astfel incat sa se ciocneasca intre ele, in speranta ca, in urma coliziunii, se descompun in bucatile lor fundamentale care ne permit sa raspundem la cele doua intrebari ridicat.
Dar ce este exact un accelerator de particule? Pentru ce este? Ce particule subatomice studiaza? Ce se intampla cand particulele subatomice se ciocnesc unele de altele? In articolul de astazi vom raspunde la aceste si multe alte intrebari despre cele mai ambitioase masini create de omenire. Ele sunt o mostra a cat de departe suntem capabili sa mergem pentru a intelege natura Cosmosului.
Ce este exact un ciocnitor de particule?
Acceleratoarele sau ciocnitorii de particule sunt dispozitive care reusesc sa accelereze particulele la viteze incredibil de mari, apropiate de viteza luminii, astfel incat acestea sa se ciocneasca intre ele in timp ce asteapta sa se descompuna in particulele lor fundamentale ca urmare a coliziunii.
Definitia poate parea simpla, dar stiinta din spatele ei pare din viitor. Si asta, cum functioneaza un accelerator de particule? Practic, functionarea sa se bazeaza pe expunerea particulelor incarcate electric (tipul va depinde de acceleratorul in cauza) la influenta campurilor electromagnetice care, printr-un circuit liniar sau circular, permit acestor fascicule de particule sa atinga viteze foarte apropiate de cele ale lumina, care este de 300.000 km/s.
Dupa cum am spus, exista doua tipuri principale de acceleratoare de particule: liniare si circulare . Un accelerator liniar consta dintr-o succesiune de tuburi cu placi carora, fiind asezate in linie, se aplica un curent electric de sarcina opus celui al particulelor continute in placile mentionate. In acest fel, sarind din farfurie in farfurie, de fiecare data, din cauza repulsiei electromagnetice, atinge o viteza mai mare.
Dar, fara indoiala, cele mai cunoscute sunt cele circulare. Acceleratoarele circulare de particule folosesc nu numai proprietati electrice, ci si pe cele magnetice. Aceste dispozitive de forma circulara permit o putere mai mare si, prin urmare, o acceleratie mai rapida in mai putin timp decat cel liniar.
In lume, exista zeci de acceleratori de particule diferiti. Dar, evident , cel mai faimos este Large Hadron Collider . Situat la granita dintre Franta si Elvetia, langa orasul Geneva, LHC ( Large Hadron Collider ) este unul dintre cei 9 acceleratori de particule ale Centrului European de Cercetare Nucleara (CERN).
Si luand acest accelerator, inaugurat in octombrie 2008, vom intelege ce este exact un ciocnitor de particule. LHC este cea mai mare structura construita de omenire. Este un accelerator circular care, fiind ingropat la 100 de metri sub suprafata, are o circumferinta de 27 km lungime. Dupa cum vedem, este ceva imens. Si foarte scump. Large Hadron Collider a costat, atat fabricarea, cat si intretinerea, aproximativ 6.000 de milioane de dolari.
LHC este un accelerator de particule care contine 9.300 de magneti in interior, care sunt capabili sa genereze campuri magnetice de 100.000 de ori mai puternice decat forta gravitationala a Pamantului. Si acesti magneti, pentru ca acestia sa functioneze, trebuie sa fie incredibil de reci. Din acest motiv, este cel mai mare si mai puternic „frigider” din lume. Trebuie sa ne asiguram ca temperaturile din interiorul acceleratorului sunt in jur de -271,3 ºC, foarte aproape de zero absolut, adica -273,15 ºC.
Odata realizat acest lucru, campurile electromagnetice reusesc sa accelereze particulele la viteze incredibil de mari. Este circuitul in care se ating cele mai mari viteze din lume. Fasciculele de particule se deplaseaza in jurul circumferintei LHC cu o viteza de 99,9999991% fata de cea a luminii . Ei parcurg aproape 300.000 km pe secunda. In interior, particulele sunt aproape de limita de viteza a Universului.
Dar pentru ca aceste particule sa fie accelerate si sa se ciocneasca intre ele fara interferente, trebuie creat un vid in interiorul acceleratorului. Nu pot exista alte molecule in interiorul circuitului. Din acest motiv, LHC a reusit sa creeze un circuit cu un vid artificial mai mic decat cel din spatiul dintre planete. Acest accelerator de particule este mai gol decat vidul spatiului insusi.
Pe scurt, un accelerator de particule precum Large Hadron Collider este o masina in care, datorita aplicarii campurilor electromagnetice, reusim sa acceleram particulele pana la viteze de 99,9999991% fata de cea a luminii, astfel incat acestea sa se ciocneasca intre ele, asteptand pauza . jos in elementele lor fundamentale . Dar pentru aceasta, acceleratorul trebuie sa fie incredibil de mare, mai gol decat spatiul interplanetar, aproape la fel de rece ca temperatura zero absolut si cu mii de magneti care sa permita aceasta accelerare a particulelor.
Lumea cuantica, particule subatomice si acceleratori
Sa ne punem in context. Particulele subatomice constituie cel mai scazut nivel de organizare a materiei (cel putin pana la confirmarea Teoriei Corzilor) si le putem defini ca toate acele unitati aparent (si acum vom intelege de ce spunem asta) indivizibile care alcatuiesc atomii elementelor sau care se gasesc liber permitand acestor atomi sa interactioneze intre ei.
Vorbim despre lucruri foarte, foarte mici. Particulele subatomice au o dimensiune aproximativa, deoarece exista diferente enorme intre ele, de 0,0000000000000000000000000000000000000000000000000000 Este atat de mic incat creierul nostru nici macar nu este capabil sa-l imagineze.
De fapt, particulele subatomice sunt atat de mici incat nu doar ca nu le putem imagina, dar legile fizice nu sunt indeplinite in ele. Particulele subatomice formeaza propria lor lume. O lume care nu este supusa legilor relativitatii generale care determina natura macroscopicului (de la nivel atomic pana la nivel galactic), ci mai degraba isi urmeaza propriile reguli de joc: cele ale fizicii cuantice .
Lumea cuantica este foarte ciudata. Fara a merge mai departe, aceeasi particula poate fi in doua locuri in acelasi timp. Nu este ca exista doua particule identice in doua locuri. Nu. O singura particula subatomica poate exista in doua locuri diferite in acelasi timp. Nu are niciun sens din perspectiva noastra. Dar da in lumea cuantica.
Oricum ar fi, exista cel putin trei particule subatomice pe care le cunoastem cu totii: protoni, neutroni si electroni. Protonii si neutronii sunt particule care constituie nucleul atomului, in jurul caruia orbiteaza electronii (desi modelul atomic actual sugereaza ca acest lucru nu este tocmai adevarat, dar este suficient pentru a-l intelege).
Acum, acestea sunt singurele particule subatomice care exista? Nu. Departe de asta. Electronii sunt particule subatomice elementare, ceea ce inseamna ca nu sunt formati prin unirea altor particule subatomice. Dar protonii si neutronii sunt particule subatomice compuse, adica rezultatul unirii particulelor subatomice elementare.
Sa presupunem ca particulele subatomice compuse sunt formate din alte particule subatomice mai simple. Unele particule care pastreaza secretul naturii materiei si care sunt acolo, „ascunse” in interiorul atomilor . Problema este ca vin de la o varsta foarte inaintata a Universului. Si, de la sine, se dezintegreaza in cateva clipe. Particulele subatomice elementare sunt foarte instabile. Si le putem obtine si masura doar cu aceste acceleratoare.
Deci, pentru ce sunt acceleratorii de particule?
Acum am inteles putin (pentru a intelege mai multe, am avea nevoie de o diploma in fizica cuantica) ce este un accelerator de particule. Si spunem in mod constant ca scopul sau final este de a face particulele sa se ciocneasca unele cu altele. Dar de ce le facem sa se ciocneasca? Ce se intampla cand se ciocnesc? Pentru ce este un accelerator?
Sa ne concentram asupra particulelor subatomice compozite pe care le-am discutat. Acestea sunt cheia noastra de acces la lumea cuantica. Cele care, odata dezintegrate in particulele lor elementare, ne vor permite sa intelegem natura ultima a Universului si originea tuturor interactiunilor fundamentale care au loc in el.
Cunoastem trei particule subatomice compuse principale: protoni, neutroni si hadroni . Protonii si neutronii sunt cunoscuti de toti si, asa cum am spus, sunt legati unul de celalalt prin forta nucleara puternica, care este „cleiul” care face ca ambele particule sa formeze nucleul atomului. Pana acum, toate foarte tipice.
Dar cum ramane cu hadronii? Aici vine interesantul. Nu este o coincidenta ca cea mai mare si mai scumpa masina construita de omenire este un accelerator care face ca hadronii sa se ciocneasca unul cu celalalt. Hadronii sunt un tip de particule subatomice compozite care detin raspunsul la marile mistere ale Universului.
Cand facem ca particulele subatomice compozite sa se ciocneasca la viteze apropiate de viteza luminii, coliziunea este atat de incredibil de energetica incat nu numai ca, intr-o mica portiune de timp si la nivel cuantic, temperaturile de 1 milion de milioane de milioane de °C. sunt atinse. Mai degraba, aceste particule subatomice aparent indivizibile „se sparg” in particulele lor subatomice fundamentale .
Spunem „rupere” pentru ca nu se sparg in sensul strict al cuvantului, ci din ciocnire apar alte particule subatomice elementare pe care, desi sunt foarte instabile si se dezintegreaza in scurt timp, le putem masura.
Vorbim despre particule subatomice incredibil de mici care se „ascund” in interiorul protonilor, neutronilor si hadronilor. Si singura noastra modalitate de a le descoperi si/sau de a confirma existenta lor este prin ciocnirea acestor particule compozite in colisionare.
Datorita lor, in 2012 am descoperit quarcii (constituentii protonilor si neutronilor) in anii 1960, neutrinii, bosonii, bosonul Higgs (particula care da masa altor particule), pionii, kaonii, hiperonii … am descoperit zeci de particule, dar am putea avea inca sute de descoperit . Cu cat detectam mai multe particule, cu atat Universul devine mai misterios si cu atat apar mai multe intrebari. Dar, fara indoiala, aceste acceleratoare sunt singurul nostru instrument de a descifra originea a tot. Sa stii de unde venim si din ce suntem facuti. Nu exista ambitie mai mare in lumea stiintei.