LHC и Физиката на елементарните частици

ЦЕРН е огромна лаборатория за ядрени изследвания с 20 страни-членки, сред които и България. Най-добрите физици и инженери в Европа с партньорството на останалия свят десетилетие и половина подготвят експеримента на експериментите.

Големият адронов колайдер е гигантска тръба с обиколка 27 км и диаметър 9 м, построен на швейцарско-френската граница на100 м под повърността на земята, за да търси така наречената частица-Бог. Очаква се той да даде отговор на някои от най-големите загадки в науката: правилна или грешна е основната теория на физиката? Какво е имало в първия момент на съществуването на Вселената? Защо някои частици имат маса, а други не? Каква е природата на тъмната материя? Има ли други пространствени измерения?

Ето как действа той. Целият тунел на ускорителя е охладен до температура, близка до абсолютната нула (-271°C). По него със светлинна скорост ще полетят снопове протони и мощно ще се сблъскват, отделяйки температури 100 000 пъти по-високи от слънчевото ядро. Детектори ще регистрират частиците, родени от сблъсъка. Един свръхточен сблъсък – все едно да уцелиш с игла средата на друга игла от 10 км. Особено важна за работата на ускорителя е пълната му синхронизация със Суперпротонния синхротрон, който е ключов елемент от целия процес. Двете машини трябва да функционират с точност до частица от наносекундата, за да се гарантира правилното насочване на лъчите.

Първата стъпка от тестовете на 10 септември е пускането на лъчи по тунела, а когато те достигнат желаната скорост, ще започне сблъскването им и наблюдаването на реакцията на частиците при ударите. Целта е търсене на митичната частица Хигс-бозон, наричана още "частицата на Бог". Резултатите обаче няма да дойдат бързо. Според учените, водещите експеримента, първите сигурни данни можем да чакаме не по-рано от края на годината. Пълната си мощност частиците, движещи се в кръгообразния ускорител, ще достигнат през 2010 г.

Най-големият ускорител на елементарни частици в света – Големият адронен колайдер, започна вчера сблъсъка на лъчи от протони със скорост, близка до тази на светлината, съобщи Би Би Си.
Необичаен електрически сигнал по-рано сутринта обаче задейства защитните системи, които спряха за кратко машината. Сблъсъците на частици с рекордна енергия от 7 трилиона електронволта ще дадат старта на близо двегодишни интензивни изследвания. Учените се надяват, че резултатите ще хвърлят светлина върху създаването на Вселената. Те предупреждават обаче, че анализирането на данните, събрани от сблъсъците, ще отнеме време и не трябва да се очакват незабавни резултати. „Значимите открития ще се случат, когато успеем да съберем милиарди събития и да идентифицираме сред тях най-необичайните, които биха могли да представляват ново състояние на материята или нови частици. Това няма да се случи утре, необходими са месеци и години на търпелива работа”, посочи Гидо Тонели, представител на Европейския център за ядрени изследвания (ЦЕРН), който ръководи проекта.
Големият адронен колайдер е едно от най-големите научни начинания в историята. Той се помещава в тунел, дълъг 27 километра, под Женева. Очаква се при сблъсъците на частици да възникнат феномени, които не са били наблюдавани до момента. Една от големите цели е да бъде открита елементарната частица Хигс бозон, за която се смята, че има съществена роля в структурата на Вселената. Учените се надяват, че частицата ще им помогне да обяснят защо материята притежава маса – факт, който все още е недоказан на фундаментално ниво.
Колайдерът претърпя повреда малко след първоначалното му пускане през 2008 г., но след рестартирането му в края на миналата година той постигна няколко от своите първоначални цели, припомня Би Би Си. Два протонни лъча бяха пуснати в противоположни посоки в тунелите с енергия от 3,5 трилиона електронволта от 19 март. След като лъчите постигнаха стабилност в движението си, техните траектории бяха пресечени, за да бъдат осъществени сблъсъците. Подобна енергия от 7 трилиона електронволта е най-високата, постигана в ускорител на частици досега.
През следващите месеци четирите огромни детектора на колайдера - Alice, Atlas, CMS и LHCb, ще изследват резултата от експеримента. След сблъсъците колайдерът ще бъде затворен за поддръжка в продължение на една година, след което учените ще се опитат да осъществят подобен експеримент с енергия от 14 трилиона електронволта.

Интервю с акад. Матей МАТЕЕВ, председател на Съюза на физиците в България, един от пионерите на научното сътрудничество на България с ЦЕРН

- Скоро ще узнаем има ли четвърто измерение
- Няма опасност да се образува черна дупка, която да погълне Земята
- Ако изнамерим частицата Бог, ще разберем как е създадено мирозданието
- Оптическият микроскоп увеличава 1000 пъти, а колайдерът - един милиард пъти повече
- Само четири процента от Вселената са съставени от частици, които познаваме, останалата част за нас е неизвестна тъмна енергия

ВИЗИТКА

Матей Матеев е професор, доктор на физическите науки, член на БАН, председател на Съюза на физиците в България. Един от учените пионери в сътрудничеството на България с авторитетния Център за ядрени изследвания в Швейцария - ЦЕРН, който се занимава с изучаване структурата на материята и осъществява гигантския експеримент с адронния ускорител. Специализирал теоретична физика в Италия, работил 9 г. в Обединения институт за ядрени изследвания в Дубна. Акад. Матей Матеев е дългогодишен ръководител на Катедрата по теоретична физика на Физическия факултет на СУ „Св. Климент Охридски". Известен общественик - в годините на прехода Матей Матеев е министър на народната просвета във втория кабинет на Андрей Луканов и в коалиционното правителство на Димитър Попов.

- Какво означава рекордът, постигнат преди дни в адронния ускорител, преведен на езика на обикновените хора? Обяснете практическия смисъл на мегаексперимента с колайдера.

- Съвременните ускорители на заредени частици са „микроскопите", с които учените физици „разглеждат" и изучават структурата на материята. Ако увеличението на оптически микроскоп е 1000 пъти, то увеличението на един ускорител с енергия на ускорените частици 1 гигаелектронволт е един милиард пъти по-голямо.

Големият адронен колайдер, ГАК, е чудо на съвременната техника и технология. Ускорява протони, които се сблъскват с енергия от няколко тераелектронволта, което означава, че той достига още 1000 пъти кратно увеличение спрямо гигаелектронните ускорители. (ГАК) е разположен в подземен тунел във формата на пръстен с дължина 27 км и диаметър около 3 м, в който през 80-те години на миналия век работеше т. нар. голям електрон-позитронен ускорител. Новото е, че в ГАК се ускоряват един срещу друг групи протони, които се сблъскват в четири зони на пръстена. В тези зони са разположени четири детектора, които регистрират продуктите, образувани при сблъскванията. Два от детекторите - АТЛАС и CMS, са универсални, а два са по-тясно специализирани - АЛИСА и LHCB. Две големи групи български учени участват в CMS. Отделни българи, представляващи главно чужди университети и научноизследователски институти, участват в АТЛАС, АЛИСА и LHCB. Образът на всяко сблъскване в детектора се регистрира от бързо действащи компютри и моментално се разпространява от разработената специално за нуждите на ГАК международна компютърна мрежа ГРИД. Тя дава възможност на хиляди изследователи в света да могат едновременно да обработват данните на ГАК. В четирите експеримента, за които споменах, работят около 7000 учени-физици, сред тях и много българи, от най-известните лаборатории в света.

- Това означава ли, че човечеството създаде най-сложната машина?

- ГАК, заедно с четирите детектора, е най-сложната, на най-високо технологично ниво машина, създадена някога от човечеството. Температурата, при която работят магнитите на ускорителя, е по-ниска от температурата на междузвездната среда. Магнитните полета, които закривяват траекториите на протоните и вакуума в тръбите, са недостигани досега. Броят на събитията (милиони за секунда), които се обработват от компютрите към ГАК, също доскоро беше недостижим за изчислителната техника. В процеса на създаване на ускорителя бяха решени голямо количество нови технологични задачи, които вече намират и скоро ще намерят приложение в световната индустрия. Ярки примери са свръхпроводящите магнити с променливи токове и световната изчислителна мрежа ГРИД, която навлиза вече в много други области.

Достигането на енергията от 1,18 тераелектронволта за всеки от двата протонни снопа в края на ноември е рекорд в ускоряването на заредени частици. Такава енергия никога не е била достигана от съществуващ ускорител. Максималната енергия, за която е проектиран ГАК, е значително по-голяма - 7 тераелектронволта за всеки от сноповете. В момента ускорителят постепенно се пуска в действие. Очаква се в началото на следващата година ускорителят да започне да работи стабилно при енергии от около 3 тераелектронволта в течение на дълго време. ГАК е предвиден да работи между 15 и 20 години и е може би най-дългосрочната инвестиция на човечеството в знанието за природата.

- Не крие ли рискове за Земята експеримент с ускоряване на частици до подобни стойности?

- Ускоряването на заредени частици до такива огромни енергии ни доближава до условията, при които, съгласно нашите съвременни разбирания, е създадена Вселената, в която съществува нашата цивилизация. От някои хора, често без съответната научна аргументация и подготовка, бяха изказани опасения, че ако това е така, то при тези енергии могат да бъдат създадени обекти, които биха представлявали опасност за човечеството. В частност - черни дупки. Подобно твърдение е съвършено неправомерна екстраполация, която не почива на научни аргументи. Нашата Земя в историята си от порядъка на десетки милиарди години непрекъснато е бомбардирана от космически лъчи, някои от които с милиарди пъти по-голяма енергия от тези, които ще бъдат създадени в ГАК. Сумиран през годините, броят на космическите лъчи с енергия, равна или по-голяма от тези на ГАК, е значително по-голям, отколкото броят на сблъсъците на протони в ГАК през целия му предполагаем живот - и никога досега не се е случило нищо апокалиптично в историята на Земята. Така че ГАК не представлява опасност не само за човечеството, но и за тези, които непосредствено работят на него.

- Ще бъде ли открита частицата Бог, както я наричат метафорично? Какво ще научим от нея? Ще открием ли истината за възникването на нашата Вселена?

- Частицата на Хигс, или както я нарече носителят на Нобелова премия физик Леон Ледерман - частицата Бог, полето на която пронизва цялата Вселена и създава масата на всички останали частици, е първата цел, към която ще бъдат насочени усилията на всички, работещи на ГАК. Много учени, занимаващи се с физика на високите енергии, са убедени, че тя съществува. Вярно е, че нито един от сценариите без нейно участие не е пренебрегнат. Така че с нетърпение очакваме чрез колайдера този въпрос да бъде решен - положително или отрицателно.

Откритието на частицата на Хигс би било изключително доказателство за мощта на човешката мисъл и използваните от нас математически модели, описващи природните закони.

Пред ГАК стоят за разгадаване още много тайни. Днес знаем, че само 4% от материята в нашата Вселена са съставени от структурни елементи (частици), които познаваме. Останалата част има непозната за нас структура, която условно наричаме тъмна материя и тъмна енергия. ГАК може да отвори вратата към решаването на тази загадка. Има още два въпроса, на които ГАК ще отговори. Съществуват ли тежки суперчастици и има ли пространството повече от три измерения. Вярата в тяхното съществуване е породена от убедеността ни във вътрешната математическа съгласуваност на природните закони.

- Какво е българското участие в проекта с адронния колайдер? Къде сме ние, сравнени с европейските учени?

- Нашето участие в проекта с ГАК датира от далечните 1990-1992 г. През 1990 г. генералният директор на CERN, Нобеловият лауреат Карло Рубия от Италия, посети България, срещна се с български учени и с премиера Луканов и за първи път ясно покани България за пълноправен член на организацията. Имах щастието да бъда домакин на Рубия и да водя един от първите разговори на българската физическа колегия за членството ни в ЦЕРН. Беше организирана обща за БАН и Софийския университет група, която да участва в един от големите проектирани експерименти на бъдещия ГАК. Главните действащи лица тогава бяха Владимир Генчев и Георги Султанов от Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика на БАН и Леандър Литов, Румен Ценов и моя милост от Физическия факултет на Софийския университет. Експериментът, който ние избрахме, беше CMS - един от двата универсални детектора на бъдещия ускорител. Ще припомня, че в далечната 1992 г. ГАК съществуваше само като идеен проект и ние, българите, сме от основателите на огромната колаборация CMS, в която днес влизат повече от 140 изследователски центъра в света. Нашето участие в CMS е забележимо. Български учени, инженери и техници участваха в изработването на жизнено важни части на това изключително сложно съоръжение. Ние сме равностойни, уважавани за компетентността си участници в ЦЕРН, където се чувстваме членове на световното семейство на учените и специалистите, занимаващи се с физиката на високите енергии.

- Утопия ли е появата на български нобелист по физика?

- По ред причини е много малко вероятно в близките 10 години да имаме български Нобелов лауреат по физика. По-скоро ми се струва възможно първият български Нобелов лауреат в областта на естествените науки да бъде медик, биолог, биохимик, който работи и се развива в някоя от престижните лаборатории на САЩ или Западна Европа.

- Били сте министър в кабинета на Андрей Луканов. Що за човек и шеф беше той?

- Бях първи заместник-министър на народната просвета в първия кабинет на Луканов, министър във втория, както и министър в коалиционния кабинет на Димитър Попов. Това бяха изключително бурни времена от началото на прехода, в които Луканов беше възлова фигура. Отличаваше се с интелекта си, високата си култура, бързата мисъл и борбения си дух. Голямата му идея, която той не можа да осъществи, беше да постигне национално съгласие за пътя на икономическия преход към капиталистическа икономика. При острите противоречия по това време тази негова идея се оказа утопия и в резултат той постепенно беше изместен в периферията на управлението на страната, а по-късно и на БСП. Луканов като министър-председател се интересуваше преди всичко от икономическите проблеми, а в областта на образованието и науката ми имаше пълно доверие и изцяло подкрепяше моите решения и действия. За министрите си беше достъпен по всяко време на денонощието. За мен беше удоволствие да работя с него.

- Най-голямото ви лично предизвикателство?

- Голямата ми мечта е да видя и да бъда свидетел на това, българските учители и учени да могат да работят в благоприятна и дружелюбна среда, освободени от грижите за ежедневното си съществуване. Едва тогава ще мога да бъда спокоен за бъдещето на своята страна и на нейните дъщери и синове.

СЪМИШЛЕНИКЪТ

Доц. Леандър ЛИТОВ от Софийския университет, работи в ЦЕРН

Дори когато се стигне до същинския експеримент със сблъсъка, апокалипсис няма да настъпи. В ускорителя може да се генерират т.нар. черни дупки, но те ще са с големината на комар, който при това никого не може да ухапе, защото се самоунищожава за секунди. Чрез експериментите в колайдера може да се отворят пространствени проходи към паралелни вселени. През тях обаче няма да могат да минават хора, както се случва в известния филм Старгейт например. Възможно е между измеренията да преминат само елементарни частици. Експериментите в ЦЕРН не могат да бъдат използвани като оръжие за масово унищожение. Фантастична е теорията на писателя Дан Браун, в чийто роман Шестото клеймо в ускорителя на частици се произвежда мощно оръжие, наречено антиматерия, което е в състояние да причини огромни разрушения. Ние не сме богове и не искаме да заместим Бог. Целта на учените не е да повторят Сътворението, а да го изследват.

ОПОНЕНТЪТ

През септември 2008 г. Европейският съд за човешки права в Страсбург отхвърли искането на група учени за забрана на експеримента с адронния колайдер. Противници на грандиозния експеримент подадоха иск срещу правителството на САЩ и CERN с настояване опитът да се отложи до гарантиране на напълно безопасни условия. Опоненти, включително немският биохимик Ото Руслер, се опитаха да спрат пускането на колайдера. В навечерието на старта учени, работещи по проекта, са получили дори смъртни заплахи, като преди това са били засипани с обаждания и писма на уплашени хора, писа британският „Дейли телеграф". Появиха се хипотези за глобален катаклизъм. Противниците на експеримента се опасяват, че когато колайдерът достигне пълна мощност, може да създаде черни дупки, които ще започнат да растат и в крайна сметка ще погълнат Земята.

Въпросите зададе Хенриета Костова

Теория на суперструните (още може да се срещне и като суперструнна теория) е теория, която прави опит да обедини всички частици и фундаментални сили в природата в една теория, моделираща ги като трептенията на микроскопични суперсиметрични струни. Разглеждана е като една от най-обещаващите кандидат-теории на квантовата гравитация. Суперструнната теория е съкращение от „суперсиметрична струнна теория", защото противоположно на бозонната струнна теория, тя е версия на струнната теория, обединяваща фермионите и суперсиметрията.

Най-големият проблем на теоретичната физика е обединяването на Общата теория на относителността, която обяснява гравитацията и се отнася до големи структури (звезди, галактики, галактични свръхкупове) с квантовата механика, която обяснява другите три фундаментални сили, действащи на микроскопично ниво - електромагнетизъм, силно ядрено взаимодействие и слабо ядрено взаимодействие.

Развитието на квантовата теория на полето често води до сингулярности (безкрайности), които се отхвърлят като не-физични решения. Физиците развиват математически техники (пренормировка), за да елиминират тези безкрайности, които работят добре при електромагнитното, силното ядрено взаимодействие и слабото ядрено взаимодействие, но не и при гравитацията. По този начин развитието на теория на квантовата гравитация трябва да стане чрез различни средства от тези използувани за другите сили.

Основната идея е, че фундаменталните съставни части на реалността са струни с дължината на Планк l_P = \sqrt{\frac{\hbar G}{c^3}} (около 10−35 м), които трептят в резонансни честоти. Силата на разтягане на тези струни (8,9х1042 нютона) е около 1040 пъти силата на разтягане на средна струна на пиано (735 нютона). Гравитонът (частица-носител на гравитационните сили) например, е предвидено от теорията да бъде струна с амплитуда на трептене равна на нула.

Сингулярностите са избегнати, защото наблюдаемите последствия от Големия срив (свиване на Вселената) никога не достигат нулев размер. Всъщност, ако Вселената започне процес от типа на „Големия срив”, струнната теория предрича, че Вселената не може да стане по-малка от размера на струна като в този момент би започнала да се разширява.
Допълнителни измерения [редактиране]

В нашето физическо пространство са наблюдавани само четири големи измерения и физичната теория трябва да има това в предвид, но нищо не пречи на една теория да разглежда повече от четири измерения. В случая съгласуваността на теорията изисква пространство-времето да има според различните струнни теории 10, 11 или 26 измерения. Конфликтът между наблюдение и теория е решен предполагайки, че ненаблюдаваните измерения са т.нар. компактни измерения (те са толкова малки, че са недостъпни за наблюдение).

Човешкият ум познава триизмерното пространство и трудно може да си представи дори и четвърто пространствено измерение, а още по-малко по-високи. Но дори в това състояние ние виждаме само 2+1 измерения; зрението в три измерения би позволило да се виждат едновременно всички страни (с изключение на отвътре) на обекта. Един начин за справянето с това ограничение е не опитът да се видят големите измерения като цяло, а просто да се мисли за тях като допълнителни числа в уравненията, които описват начина, по който е устроен светът. Това поставя въпроса дали тези „допълнителни числа” могат да бъдат изследвани директно в някакъв експеримент (който трябва да покаже на учените различни резултати в 1, 2 или 2+1 измерения). Някои скептици повдигат въпроса дали моделите, които се осланят на подобно абстрактно моделиране (и потенциално невъзможно огромна експериментална апаратура), могат да бъдат разглеждани като „научни”. 6-измерните Калаби-Яу многообразия могат да дадат обяснение за допълнителните измерения изисквани от суперструнната теория.

Суперструнната теория не е първата теория предполагаща допълнителни пространствени измерения. Модерната струнна теория се опира на съременна математика и топология, които се развиват мащабно след Калуза и Клайн и правят физическите теории, опиращи се на допълнителни измерения по-правдоподобни.
Брой на суперструнните теории
нужда от превод Физиците теоретици са затруднени от съществуването на пет самостоятелни суперструнни теории. Този проблем намира решение при втората суперструнна революция през 1990-те, при което петте суперструнни теории се оказват гранични случаи на една основна теория: М-теорията.