Lielais hadronu kolaiders – Visuma noslēpumu izzināšana vai tā gals? 1
Kas īsti ir tumšā matērija? Kāpēc ķermeņiem ir masa, un kāpēc eksistē gravitācijas spēki? No kā īsti sastāv protoni, elektroni un neitroni? Vai šo noslēpumu izzināšana nenovedīs pie pasaules gala? Šķiet, it kā ļoti dažādi jautājumi, taču izrādās, tie visi ir cieši saistīti. Un noslēpuma atslēga slēpjas trīs vārdos – Lielais Hadronu Kolaiders (LHK). (Raksts no izdevuma “Astro Avīze” arhīva)
Un tātad – kas tas īsti ir – LHK un kāpēc tas vispār tiek būvēts? Lai atrastu atbildi uz šo jautājumu, jāatceras, ka atbilde uz jautājumu, “kā uzbūvēta pasaule”, tiek meklēta divos virzienos. Viens virziens – vislabāk saprotamais “Astroavīzes” lasītājiem – ir ielūkošanās kosmiskajā telpā, arvien lielāku teleskopu būve gan redzamā, gan neredzamā no kosmosa nākošā elektromagnētisko viļņu starojuma uztveršanai, dažādu no kosmosa nākošo daļiņu, piemēram, neitrīno, reģistrēšanai. Otrs virziens – vērsts uz mikrokosmu – ir saistīts ar ielūkošanos vielas uzbūvē, elementārdaļiņu pasaulē. Tiek būvēti daļiņu paātrinātāji, pēc tam paātrinātās daļiņas parasti tiek triektas pret kādu mērķi, triecienā tās sašķīst un iespējams pētīt to drumslas, t. i., to sastāvdaļas. Tā kā daļiņas tiek paātrinātas līdz visai ievērojamām enerģijām, arī daļiņu paātrinātāji ir visai pamatīgas un dārgas būves, kas aizņem veselas ēkas un, kā redzēsim, veselus ģeogrāfiskos reģionus. Protams, gan vienu, gan otru virzienu pavada izvērsti teorētiskie pētījumi, citādi vismaz attiecībā uz daļiņu paātrinātājiem riskējam nonākt situācijā, kādā nonāktu pētnieks, sadauzot, piemēram, pulksteni un pēc tam no atlikušās zobratiņu kaudzes mēģinot izsecināt, kā tas uzbūvēts. Un izrādās, ka galu galā abi šie pētījumu virzieni, nevis neatkarīgi viens no otra iet dažādos virzienos, bet veiksmīgi viens otru papildina. Piemēram, Saules aktivitātes izraisīto magnētisko vētru, kuru cēlonis ir no Saules nākošo protonu un elektronu plūsmas, gan vēl jo vairāk t. s. kosmisko staru, kas paši par sevi ir elementārdaļiņu plūsmas, pētījumi nebūtu iespējami bez zināšanām elementārdaļiņu fizikā. Vēl vairāk tas attiecas, piemēram, uz Saules dzīļu pētījumiem, izmantojot neitrīno teleskopus. Savukārt kodoltermiskās reakcijas savā laikā tika atklātas, pētot jautājumu par Saules enerģijas avotiem. Bez tam “uzkarsējot” daļiņas līdz enerģijām, kas atbilst temperatūrām, kādas Zemes laboratorijās nav sasniedzamas, iespējams pētīt vielu (kaut arī niecīgos daudzumos) tajos stāvokļos, kādi dabā sastopami tikai kosmiskajos objektos, piemēram, zvaigznēs, vai pat ielūkoties laikā neilgi pēc Lielā sprādziena, kad matērija vēl bija blīva un sakarsēta.
Un tā esam nonākuši pie secinājuma, ka gan kosmosa, gan kodolfizikas pētījumiem elementārdaļiņu paātrinātāju būve ir nepieciešama. Tomēr šādu paātrinātāju jaudai arī ir savas robežas un daļiņām nav iespējams piešķirt pēc patikas lielu enerģiju kaut vai tāpēc, ka pārāk lielas enerģijas daļiņas kļūst arvien grūtāk “vadāmas”, tās kļūst arvien grūtāk noturēt tām paredzētajā trajektorijā. Un tad radās doma tā vietā, lai turpinātu kāpināt paātrinātāja piešķirto enerģiju, vienkārši likt sadurties elementārdaļiņu kūļiem. Sadursmē atbrīvotā enerģija būs vienāda ar sadursmē iesaistīto daļiņu enerģiju summu. Šis princips arī likts LHK darbības pamatā – tajā daļiņas tiek paātrinātas pretējos virzienos un pēc tam tām liek sadurties. Tādējādi kļūst skaidrs LHK nosaukuma pēdējā vārda jēga – tas atvasināts no angļu vārda “collision” – sadursme un angliski vārds “collider” nozīmē “sadursmju izraisītājs”.
Protams, nākamais jautājums ir, – kas ir hadrons, kāpēc tieši hadronu kolaiders? Izrādās, kodolfiziķi savus pētāmos objektus – elementārdaļiņas – apvieno objektu klasēs, dodot tiem dažādus nosaukumus, piemēram, leptoni, bozoni utt. Viena no šādām klasēm ir hadroni, t. i., daļiņas, kas būvētas no vēl sīkākām elementārdaļiņām – kvarkiem, un viena no elementārdaļiņam, kas ietilpst šajā klasē, ir protons. LHK būvēts protonu un jonu, kuru sastāvā arī ietilpst protoni, paātrināšanai.
Visbeidzot, kāpēc “lielais”? Tāpēc, ka LHK ir pašlaik lielākais elementārdaļiņu paātrinātājs pasaulē. Riņķveida tuneļa, kurā daļiņas tiek paātrinātas, garums ir 27 kilometri un ir sagadījies tā, ka tas izvietots pat divu valstu teritorijā – Francijas un Šveices.
Protams, šādu tuneli ir visai sarežģīti būvēt virs zemes, tāpēc tas paslēpts zem zemes, virspusē redzamas tikai būves, kurās izvietotas laboratorijas, zinātnieku darba vietas u. tml.
Protams, mums pats svarīgākais jautājums ir – ko tad īsti LHK dos tieši kosmosa izpētei, neskaitot to elementārdaļiņu gūzmu, ko kodolfiziķi līdz šim paredzējuši tikai teorētiski un tagad cer “izsist” no sadursmēs iesaistītajiem protoniem un joniem. Principā šādi ieguvumi varētu būt vairāki. Sāksim ar to, ka sadursmes brīdī protoni un joni “uzkarst” līdz temperatūrai, kas rakstāma ar 17 nullēm, un saskaņā ar aprēķiniem šāda temperatūra valdīja pasaulē pirms 13,7 miljardiem gadu, kad kopš Lielā sprādziena bija pagājis laiks, kas, sekundēs izteikts, ir daļskaitlis, kam skaitītājā ir 1, bet saucējā – tas pats vieninieks, tikai ar veselām divdesmit piecām nullēm.
Visuma caurmērs šajā brīdī nebija lielāks par Zemes orbītas ap Sauli diametru… Līdz ar to elementārdaļiņas, kas atbrīvojas šādās sadursmēs, ir daļiņas, no kurām toreiz sastāvēja Pasaule un kas tikai vēlāk apvienojās protonos un neitronos, no kuriem pēc tam izveidojās atomi un mums zināmā pasaule. Viens no jautājumiem, uz ko varētu dot atbildi pētījumi ar LHK, ir jautājums par to, kāpēc mūsu Visums sastāv galvenokārt no matērijas, nevis antimatērijas un, kas būtu vēl ļaunāk, kāpēc Lielajā sprādzienā neradās matērija un antimatērija vienādā daudzumā – tad tās jau sen būtu savstarpēji t. s. anihilācijas procesā pārvērtušās starojumā.
Otrs būtisks iespējamais ieguvums ir iespēja noskaidrot t. s. tumšās matērijas dabu (sīkāk par to iespējams izlasīt atsevišķā N.
Cimahovičas rakstā šajā “Astroavīzes” laidienā un arī 2006. gada laidienā rakstā “Tumšā matērija un tumšā enerģija”). Ir aizdomas, ka šī tumšā matērija varētu sastāvēt no t. s. supersimetriskajām daļiņām, ko, ja vien teorētiķi nekļūdās, būs iespējams ģenerēt, darbinot LHK.
Visbeidzot, nav izslēgts, ka tieši LHK dos iespēju noskaidrot gravitācijas – spēka, kas “satur kopā” gan zvaigznes un galaktikas, gan mūsu planētu sistēmu, gan neļauj mums atrauties no Zemes virsmas un aizlidot izplatījumā, dabu. Ja fiziķu spriedumi ir pareizi, tad katram spēka laukam atbilst arī sava elementārdaļiņa. Elektromagnētiskajam starojumam tāda, piemēram, ir fotons. Uzskata, ka gravitācijas laukam varētu atbilst pagaidām tīri teorētiski atklāta daļiņa – Higsa bozons. Domā, ka sadursmēs, kas notiks LHK iekšienē, citu starpā varētu rasties arī šī daļiņa.
Tiktāl par ieguvumiem. Tomēr ir arī cilvēki, kas uzskata, ka LHK darbināšana nav nemaz tik nevainīga zinātkāres apmierināšana, ka rezultāts varētu būt daudz briesmīgāks par Černobiļas katastrofu – bojā varētu iet pat Visums. Šāds uzskats balstīts uz iespēju, ka pētījumu laikā izraisīto daļiņu sadursmju laikā daļiņas varētu tikt saspiestas tā, ka to blīvums pārsniedz kritisko un izveidojas melnais caurums – veidojums, kura tuvumā nonākusī viela tā pievilkšanas spēka iedarbībā tiek iesūkta tajā iekšā, bet pats pievilkšanas spēks ir tik liels, ka nekas atstāt to vairs nespēj. Protams, šādā procesā pats melnais caurums kļūst arvien lielāks un līdz ar to “rijīgāks”, process paātrinās un pastāv uzskats, ka viss varētu beigties ar to, ka viss Visums atrodas melnajā caurumā iekšā, protams, dzīvei nederīgā stāvoklī. Visai nepatīkams scenārijs… Zinātnieki tomēr uzskata, ka LHK tikai reproducē procesus, kas kosmosā notiek samērā bieži, saduroties, piemēram, augstas enerģijas kosmisko staru sastāvā ietilpstošajām daļiņām. Un, ja jau Zeme vēl joprojām ir savā vietā, briesmas nemaz nav tik lielas. Teorētiskais pamatojums šādam uzskatam ir tas, ka melnais caurums, kas radies šādā procesā, ir pārāk niecīgs, lai tā gravitācijas lauks paspētu iesūkt vēl kādas daļiņas un tādējādi izaugt līdz bīstamiem apmēriem ātrāk, nekā tas jau būtu izzudis. Lieta tā, ka arī melnie caurumi nav mūžīgi. Pateicoties kvantu efektiem, t. s. tuneļefektam, masa tomēr var no tā aizplūst – jebkura daļiņa ar zināmu varbūtību var “teleportēties” ārpus melnā cauruma. Tādējādi caurums ne tikai aug, pateicoties savam pievilkšanas spēkam, bet arī “iztvaiko”, pie tam jo straujāk, jo mazāka tā masa. Un, protams, LHK nevar rasties pārāk lieli un līdz ar to bīstami melnie caurumi – sadurošos daļiņu masa ir pārāk maza. Un, galu galā, saskaņā ar mūsdienu uzskatiem Visumā ir visai daudz melno caurumu ar masām, kas samērojamas ar zvaigžņu un pat miljoniem zvaigžņu masu, tādi esot pat galaktiku centros (piemēram, ir pierādīts, ka mūsu Galaktikas centrā ir melnais caurums, kura masa ir trīs miljoni Saules masu), bet Visums vēl joprojām eksistē.
Brīdī, kad top šis raksts (2008. gada oktobra vidus) pēc dažiem sekmīgiem izmēģinājumiem LHK ir apturēts līdz 2009. gada pavasarim. Iemesls – visai nopietna avārija magnētu sistēmā, kas nodrošina magnētisko lauku daļiņu noturēšanu tunelī. Šie elektromagnēti ir atdzesēti līdz šķidrā hēlija temperatūrai, lai nodrošinātu supravadāmību tinumos (parastā vadāmībā magnētu barošanai nepieciešamā strāva pārāk karsētu tinumus) un ja kāda iemesla dēļ magnēta barošana pārtrūkst, magnētiskajam laukam izzūdot un tā enerģijai absorbējoties magnētā, tas sakarst, zūd supravadītspēja un piedevām iztvaiko arī šķidrais hēlijs, izlaužoties no sistēmas un to bojājot. Pateicoties kādam īssavienojumam, tieši tā arī ir noticis… Piedevām, problēma ir tā, ka remonts iespējams tikai, protams, istabas temperatūrā, bet attiecīgo sektoru uzsildīšana un pēc tam atdzesēšana līdz darba temperatūrai var aizņemt vairākus mēnešus. Piebildīsim, ka ziemas periodā, pēc pirmajiem izmēģinājumiem, kolaideru tāpat bija paredzēts uz kādu laiku apturēt. Tā ka visi galvenie atklājumi (cerams, teorētiķiem taisnība un ne pasaules gals!) vēl priekšā…
Nobeigumā vēl daži iepriekš neminēti fakti par lielo hadronu kolaideru.
Tā būve ilga 14 gadu un nodokļu maksātājiem tas izmaksāja apmēram 3 biljoni eiro.
Supravadošo magnētu darba temperatūra: 1,9 grādi virs absolūtās nulles (ap –271 Celsija grādu).
Strāva elektromagnētos darba laikā:11 700 ampēru (salīdzinājumam – Latvenergo parasti dzīvokļa pievadam nodrošina 20 A stipru strāvu).
Katra t. s dipolu magnētu sistēma, kas izvietota ap tuneli, sver 35 t un ir 15 m gara. Pavisam šādu sistēmu ir 1232, bet vispār LHK “apkalpo” 9593 dažādus magnētus.
Patērētā elektriskā jauda: 120 MW. Salīdzinājumam minēsim, ka Ķeguma HES jauda ir 264,1 MW, tātad tā varētu “barot” divas šādas iekārtas.
Ivars Šmelds, astronoms
