Fizicienii au mari speranţe pentru noul superdezintegrator atomic al Europei – ei vor, nici mai mult, nici mai puţin, să spargă codul universului fizic.
Dacă aţi săpa un puţ de 100 de metri în mijlocul fermecătorului sat francez Crozet, aţi da peste un decor care aminteşte de ascunzătorile subterane ale eroilor negativi din filmele cu James Bond. Un tunel cu diametrul de trei metri, luminat de-ţi ia ochii, se pierde în depărtare, întrerupt la fiecare câţiva kilometri de încăperi înalte, ticsite cu structuri grele de oţel, cabluri, conducte, fire, magneţi, tuburi, cilindri, pasarele şi dispozitive misterioase.
Acest iad tehnologic este de fapt un mare instrument ştiinţific, mai exact un accelerator de particule – cel mai puternic tun atomic construit vreodată. Se numeşte Large Hadron Collider (LHC), iar scopul său este simplu, dar ambiţios: să spargă codul lumii fizice; să descopere din ce e făcut universul; cu alte cuvinte, să pătrundă până în miezul lucrurilor.
Cândva în lunile următoare, două fascicule de particule vor fi proiectate cu viteză în direcţii opuse prin tunelul care formează un cerc subteran cu circumferinţa de 27 km. Particulele vor fi ghidate de peste o mie de magneţi cilindrici suprarăciţi, legaţi între ei ca nişte cârnăciori. Fasciculele se vor întâlni în patru locuri, făcând particulele să se ciocnească între ele la o viteză apropiată de cea a luminii. Dacă totul merge bine, coliziunile violente vor transforma materia în uriaşe explozii de energie, care, la rândul lor, se vor condensa în diverse tipuri de particule, care mai de care mai interesante, unele nemaiîntâlnite până acum. Este esenţa fizicii experimentale a particulelor: pui două chestii să se ciocnească şi vezi ce iese.
Echipamentele masive înşirate de-a lungul tunelului vor analiza elementele rezultate din coliziune. Cel mai mare dintre ele, ATLAS, are un detector înalt cât şapte etaje. Cel mai greu, CMS (Compact Muon Solenoid), este mai înalt decât Turnul Eiffel. „Când cauţi lucruri foarte mici, mărimea contează“ ar putea fi mottoul Organizaţiei Europene pentru Cercetări Nucleare, mai cunoscută sub istoricul acronim CERN, laboratorul internaţional care adăposteşte acceleratorul LHC.
Pare impresionant şi chiar este. Construirea LHC într-un tunel a fost o măsură înţeleaptă. Fasciculul de particule ar putea găuri aproape orice, deşi cea mai probabilă victimă ar fi chiar acceleratorul. Un mic dezastru s-a petrecut deja: în timpul unui test din martie 2007, un magnet aproape că a sărit din carcasă. De atunci, 24 de magneţi au suferit modificări pentru rezolvarea unei deficienţe de proiectare. Cei care conduc LHC nu sunt foarte dornici să vorbească despre lucrurile care ar putea să dea greş, poate şi pentru că publicul are tendinţa să-şi imagineze că nişte savanţi demenţi ar putea crea din greşeală o gaură neagră care să înghită Pământul.
O temere mai plauzibilă e aceea că acceleratorul nu va reuşi să găsească lucrurile despre care fizicienii tot spun că pândesc în substratul realităţii. Dintr-o maşină atât de mare, trebuie să iasă o ştiinţă pe măsură, răspunsuri majore, ceva care să dea naştere la titluri pe prima pagină, nu doar la particule interesante. Dar chiar o întreprindere de această anvergură nu va da răspunsuri la toate întrebările importante legate de materie şi energie. Nici vorbă. Asta pentru că un secol de fizică a particulelor ne-a învăţat un adevăr fundamental: realitatea nu-şi dezvăluie cu uşurinţă secretele.
Altfel spus, universul nu se lasă citit cu una, cu două.
Să ne întoarcem în timp cu mai bine de o sută de ani, la sfârşitul secolului al XIX-lea, şi să ne uităm cum arăta fizica: o ştiinţă matură, destul de mulţumită de sine. Mulţi credeau că n-au mai rămas decât de şlefuit unele asperităţi din măreţul plan al naturii. Existau o ordine logică a lucrurilor, un univers ca un ceasornic guvernat de forţe newtoniene, în care atomii erau fundamentul materiei. Atomii erau indivizibili prin definiţie – termenul vine de la cuvântul grecesc însemnând „imposibil de tăiat“.
Dar apoi, în laboratoare au început să apară tot felul de lucruri ciudate: raze x, raze gama, un fenomen misterios numit radioactivitate. Fizicianul J. J. Thomson a descoperit electronul. Până la urmă, atomii nu erau indivizibili, ci alcătuiţi din componente. Era într-adevăr vorba, aşa cum credea Thomson, de o plăcintă în care electronii stau ca nişte stafide? Nu. În 1911, fi-zicianul Ernest Rutherford anunţa că atomii constau în principal din spaţiu gol, iar masa lor se concentrează într-un nucleu minuscul, în jurul căruia orbitează electroni.
Fizica a trecut dintr-o revoluţie în alta. Teoria relativităţii restrânse a lui Einstein (1905) a dat naştere teoriei relativităţii generalizate (1915) şi, brusc, chiar şi concepte atât de solide precum spaţiul absolut şi timpul absolut au fost aruncate la coş, în favoarea unei texturi aiuritoare spaţiu-timp, în care nu se poate spune niciodată dacă două evenimente sunt simultane. Materia face spaţiul să se curbeze; spaţiul determină felul în care se mişcă materia. Lumina este şi particulă, şi undă. Energia şi masa sunt interschimbabile. Realitatea este probabilistică, şi nu deterministă: Einstein nu credea că Dumnezeu joacă zaruri cu universul, dar aceasta avea să devină dogma ştiinţifică dominantă.
La începutul anilor 1930, Ernest Lawrence inventa primul accelerator circular de particule, sau „ciclotron“. Îl putea ţine în palmă.
Astăzi, guvernul american are un accelerator ascuns sub câţiva kilometri pătraţi de prerie şi o mică cireadă de bizoni în complexul Fermilab, la vest de Chicago. Dacă mergi cu maşina pe autostrada Junipero Serra, în apropiere de Palo Alto, California, treci chiar peste un accelerator liniar de trei kilometri. LHC traversează graniţa dintre două ţări. Mai există şi acum fizicieni care fac ştiinţă pe colţul mesei – încercând să obţină răspunsuri majore cu mijloace modeste –, dar trebuie ştiut că, pentru a scoate la iveală dedesubturile realităţii, e nevoie de echipamente gigantice, de mare putere.
Ştim lucruri pe care Einstein, Rutherford, Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg şi ceilalţi mari fizicieni de acum un secol nici nu şi le imaginau. Dar suntem încă departe de a avea o teorie finală a realităţii fizice.
Moleculele sunt formate din atomi; atomii sunt formaţi din particule numite protoni, neutroni şi electroni; protonii şi neutronii (ei sunt „hadronii“ care dau numele acceleratorului LHC) sunt făcuţi din lucruri ciudate, numite quarcuri şi gluoni, dar deja suntem într-o zonă ceţoasă. Sunt quarcurile particule elementare sau sunt formate din ceva şi mai mic? Despre electroni se crede că sunt elementari, dar nimeni n-ar băga mâna-n foc.
Şi totuşi savanţii care se ocupă cu fizica teoretică tânjesc după simplitate. Ar vrea un model al realităţii elegant alcătuit. Modelul standard elaborat în anii 1960 şi ’70 este considerat greoi, o făcătură cu prea multe fire înnodate sau care nu duc nicăieri. Cuprinde 57 de particule elementare, dar lucrurile nu rimează, iar multe dintre numerele care descriu interacţiunea lor n-au nicio noimă. „Aveam o teorie care la început era frumoasă şi elegantă – spune Joe Lykken, teoretician la Fermilab –, şi apoi cineva a dat cu ea de pământ şi a urâţit-o de tot.“
Modelul standard e incapabil să explice câteva enigme persistente despre univers, care îşi au rădăcinile în lumea minusculă a particulelor şi forţelor. Un concept cu adevărat extraordinar, reieşit din ultimul secol de cercetări, este acela că universul pe care îl vedem a fost odată mai mic decât un atom. De aceea, savanţii preocupaţi de fizica particulelor vorbesc despre cosmologie, iar cosmologii vorbesc despre fizica particulelor: existenţa noastră, întregul nostru cosmos s-au născut din lucruri petrecute la cea mai mică scară imaginabilă. Teoria Big-Bangului ne spune că, odată, universul cunoscut nouă nu avea deloc dimensiuni – nu exista sus sau jos, stânga sau dreapta, nu exista trecerea timpului, iar legile fizicii de atunci ne depăşesc imaginaţia.
Cum se transformă un univers infinit de dens într-unul foarte mare şi întins? Şi cum se umple cu materie? Teoretic, pe măsură ce universul începuturilor se extindea, energia ar fi trebuit să se condenseze în cantităţi egale de materie şi antimaterie, care, întâlnindu-se, s-ar fi anihilat reciproc, redevenind energie pură. Pe hârtie, universul ar trebui să fie gol. Dar în realitate este plin de stele şi planete şi sate franţuzeşti fermecătoare şi aşa mai departe. Experimentele de la LHC i-ar putea ajuta pe fizicieni să înţeleagă cum de-am avut norocul ca universul să aibă exact atâta materie în plus, câtă era necesară.
Mai e şi enigma materiei întunecate. Cercetarea mişcării galaxiilor îndepărtate arată că acestea sunt supuse unei gravitaţii mai mari decât ar rezulta din materia lor vizibilă. Trebuie să existe pe undeva o exotică materie ascunsă. Aşa-nu-mita teorie a supersimetriei ar putea explica acest lucru: la începutul universului, fiecare parti-culă elementară avea un corespondent mult mai masiv. Se poate ca electronul să fi avut o pere-che mai zdravănă, pe care fizicienii o numesc selectron. Muonul ar fi avut un smuon. Quarcul ar fi avut un… squarc. Multe dintre aceste perechi supersimetrice ar fi fost instabile, dar se poate şi ca una dintre ele să fi fost suficient de stabilă,
încât să fi supravieţuit de la începutul timpurilor.
Şi s-ar putea ca aceste particule să gonească prin corpul nostru chiar în acest moment, fără să interacţioneze cu carnea şi oasele noastre. S-ar putea ca ele să fie materia întunecată.
Făcând să se ciocnească bucăţi de materie, creând astfel energii şi temperaturi nemaiîntâlnite de la primele momente ale universului, LHC ar putea descoperi particule şi forţe care au dat tonul pentru tot ce a urmat. S-ar putea răspunde la una dintre întrebările fundamentale ale oricărei fiinţe raţionale din universul nostru: Ce este locul acesta?
Există o anumită piesă a acestui puzzle pe care fizicienii speră s-o culeagă din resturile coliziunilor de mare energie din LHC. Unii o numesc particula lui Dumnezeu.
Primul lucru pe care îl afli atunci când îi întrebi pe savanţi despre particula lui Dumnezeu este că nu-i frumos să-i spui aşa. Particula a fost botezată cu câţiva ani în urmă de fizicianul Leon Lederman, laureat al Premiului Nobel, care are darul formulărilor inspirate. Deloc surprinzător, porecla a prins la jurnalişti, care ştiu să recunoască un nume bun de particulă când le ajunge la urechi (muonul şi bosonul Z nu au nicio şansă aici).
Fizicienii preferă să se refere la particula lui Dumnezeu cu numele de bosonul Higgs sau particula Higgs sau, pur şi simplu, Higgs, în onoarea fizicianului Peter Higgs, de la Universitatea din Edinburgh, care a susţinut existenţa acesteia cu mai mult de 40 de ani în urmă. Majoritatea fizicienilor cred că trebuie să existe un câmp Higgs, răspândit peste tot în spaţiu; particula Higgs ar fi purtătoarea acestui câmp şi ar interacţiona cu alte particule, cam la fel cum un cavaler Jedi, din Războiul stelelor, este purtătorul „forţei“. Particula Higgs este un element crucial în modelul standard al fizicii particulelor – dar nimeni nu a găsit-o încă.
John Ellis, specialist în fizică teoretică, e unul dintre savanţii de la CERN porniţi în căutarea particulei Higgs. Lucrează printre stive de documente ştiinţifice, care par să desfidă legile normale ale gravitaţiei. Are părul lung şi cărunt, o barbă lungă şi albă şi, cu tot respectul, s-ar potrivi mai bine în munţii Tibetului.
Ellis îmi spune că, teoretic, câmpul Higgs este cel care conferă masă particulelor elementare. El face următoarea analogie: diversele particule elementare – spune el – sunt ca o grămadă de oameni alergând prin noroi. Unele particule, cum sunt quarcurile, au cizme mari, care sunt acoperite cu mult noroi; altele, cum sunt electronii, au pantofiori de care nu se prinde aproape niciun pic de noroi. Fotonii nu sunt încălţaţi, ei doar plutesc pe deasupra noroiului, fără să se murdărească. Iar câmpul Higgs e noroiul.
Se presupune că, în comparaţie cu majoritatea particulelor subatomice, bosonul Higgs e masiv. Ar putea avea de 100-200 de ori masa protonului. De aceea, e nevoie de un accelerator enorm pentru a produce un Higgs – cu cât e mai mare energia în coliziune, cu atât mai masive vor fi particulele rezultate. Dar, la fel ca toate particulele supradimensionate, particula Higgs ar fi instabilă. Nu e genul care rămâne prin preajmă ca să o putem detecta – într-o fracţiune de fracţiune de fracţiune de secundă se descompune în alte particule. Ce poate face LHC e să creeze un mănunchi minuscul şi compact de energie, din care un Higgs ar putea apărea suficient de intens şi de persistent încât să poată fi recunoscut. Să construieşti o maşinărie ca LHC pentru a găsi particula Higgs e ca şi cum te-ai apuca să spui glume pe scenă, în speranţa că, la un moment dat al carierei, o să-ţi iasă o poantă care nu numai că o să facă publicul să leşine de râs, ci o să se citească la fel şi de la coadă la cap.
Poţi coborî cu un lift în tunelul LHC dacă porţi cască de protecţie şi ai mască de oxigen. Când am vizitat locul, am găsit un mare şantier de construcţii în desfăşurare, cu toate zgomotele obişnuite ale lămpilor de sudat şi ale fierăstraielor pentru metal. Muncitorii instalau magneţii. Între timp au terminat, instalând peste 1.600 de magneţi, cei mai mulţi lungi cât jumătate dintr-un teren de baschet şi cântărind peste 30 de tone fiecare.
Surprinzător însă, niciunul dintre aceşti magneţi nu serveşte la accelerarea particulelor. Aceasta va fi produsă de undele electrice dintr-un aparat separat, care propulsează particulele prin tunelul circular. Treaba magneţilor este de a direcţiona fluxurile de particule pentru a se curba prin inel. Mulţimea de particule deplasându-se aproape cu viteza luminii are o singură dorinţă: să meargă drept înainte. De aceea, curba trebuie să fie lină – făcând necesară circumferinţa de 27 de kilometri a inelului.
Când particulele intră în coliziune, energia lor se transformă în masă şi rezultă o pulbere de resturi. Fizicienii nu pot vedea particula Higgs în acea pulbere, dar două din cele patru experimente majore pe care le va realiza LHC sunt capabile să înregistreze rămăşiţele unui Higgs dezintegrat – dovada că un Higgs se descompune. Şi se presupune că doar o coliziune foarte rară – una din multe mii de miliarde – va produce un Higgs. Cele mai multe coliziuni nu vor produce nimic interesant. Particula – sau mai degrabă rămăşiţele ei – va apărea în calculatoarele detectorului după analizarea unei cantităţi uriaşe de date, măsurate în petabyţi – milioane de miliarde de biţi.
O problemă esenţială pentru cei de la CERN este cum să fie siguri că au găsit un Higgs. Câte dovezi sunt necesare? Au loc două experimente care încearcă, ambele, să descopere aceeaşi particulă. Se poate anunţa că unul dintre experimente a făcut descoperirea chiar dacă celălalt nu a confirmat încă?
Relaţia între experimentele ATLAS şi CMS e ca aceea dintre Coca-Cola şi Pepsi. Fac acelaşi lucru, dar cu tehnici diferite. Iar concurenţa între ele e foarte mare. Când am fost în vizită la ATLAS, cel care conduce experimentul, Peter Jenni, a auzit că văzusem deja experimentul CMS. „Acum o să vezi ceva şi mai mare“ – mi-a spus, pe un ton de genul detectorul-meu-e-mai-mare-decât-al-tău. CMS a fost construit la suprafaţă şi va fi coborât în câteva bucăţi mari, printr-un puţ, într-o grotă adiacentă tunelului. Neinspirat, l-am întrebat pe Dave Barney, unul dintre savanţii CMS, ce s-ar întâmpla dacă, din greşeală, una dintre bucăţi ar cădea. Buf, cum ar veni. „Aşa ceva nu se poate întâmpla – mi-a răspuns cu hotărâre. Ar fi cel mai rău lucru imaginabil.“
Mi-am dat seama că, de câte ori întrebam ce ar putea să dea greş la LHC, păşeam pe nisipuri mişcătoare. Nu, nu e vorba că acceleratorul ar putea să arunce lumea în aer, dar e vorba totuşi de fizică de înaltă energie. Când magneţii sunt porniţi – avertizează savantul Richard Jacobsson –, cineva care mânuieşte un ciocan prin apropiere ar face bine să poarte cască de protecţie.
Când LHC va începe să izbească particulele, Europa va deveni deodată centrul fizicii particulelor, iar Statele Unite se vor chinui să găsească o modalitate de a rămâne în cursă. Probabil că e o îngrijorare minoră, dată fiind importanţa descoperirilor pe care le-ar putea face LHC, dar oamenii vorbesc despre asta. De la Proiectul Manhattan încoace, percepţia generală a fost că S.U.A. domină lumea fizicii. Până acum, frontiera energetică se situa la Fermilab, gazda Tevatronului. Acel accelerator a găsit o serie de particule importante, dar s-ar putea să n-aibă destulă forţă ca să prindă un Higgs.
|n LHC au intrat şi bani americani. Proiectul va costa miliarde de dolari: cinci, poate zece – numărul exact scapă estimărilor (ştiinţa e exactă, dar contabilitatea pare să urmeze Principiul incertitudinii). Dar cea mai mare parte a muncii de inginerie e făcută de firme europene. Jürgen Schukraft, conducătorul experimentului LHC denumit ALICE (care va recrea condiţii similare celor de după Big-Bang), a declarat: „Exodul cre-ierelor, îndreptat în trecut dinspre Europa către Statele Unite, şi-a schimbat clar cursul.“
Cinicii ar putea spune că toată tevatura nu are nicio utilitate practică şi că toţi banii şi energia intelectuală investite în aceste tunuri de particule ar putea fi folosite în altă parte. Dar civilizaţia în care trăim e clădită pe fizică. Ştim că forţele din interiorul atomului sunt atât de puternice, încât, dacă sunt dezlănţuite şi îndreptate împotriva umanităţii, pot spulbera oraşe întregi într-o clipă. Laptopul pe care scriu acum foloseşte microprocesoare care nu ar fi existat fără descoperirea fizicii cuantice şi a comportamentului capricios al electronilor. Acest articol o să fie postat pe internet – inventat, în caz că nu ştiţi, la CERN, de către informaticianul Tim Berners-Lee. Poate că, în timp ce citiţi, ascultaţi muzică la iPod, care n-ar exista fără ceva numit „magnetorezistenţă gigantică“. Doi fizicieni au descoperit-o independent la sfârşitul anilor 1980, fără să se gândească prea mult cum ar putea fi folosită. A devenit esenţială pentru construirea de mici dispozitive electronice care folosesc hard diskuri magnetizate. Fizicienii au câştigat Premiul Nobel în 2007, iar tu te-ai ales cu un sistem audio foarte şmecher, mai mic decât un baton de ciocolată.
Când l-am întrebat pe Peter Jenni de ce este LHC important, mi-a spus: „Omenirea este diferită de o colonie de furnici. Noi avem curiozitate intelectuală, avem nevoie să înţelegem mecanismele vieţii şi ale universului.“
Iar dacă cineva crede că aceste maşinării masive sunt alcătuiri fără suflet, ar trebui să-l asculte pe Richard Jacobsson. LHC înlocuieşte un detector de particule cu care a lucrat timp de un deceniu. Ajunsese să cunoască fiecare centimetru al acelui instrument. Îi înţelegea toanele şi capriciile. În ziua când inginerii au venit să-l demonteze, Jacobsson a fost copleşit de emoţie. „Îmi dăduseră lacrimile – îmi spune. Când au tăiat cablurile, am crezut c-o să ţâşnească sânge.“ Acum, vieţi întregi de muncă sunt prinse în noua maşinărie, la care fizicienii visează din anii ’80. La CERN, mulţi speră că vor obţine mai mult decât nişte răspunsuri: ar dori să descopere mistere noi. John Ellis mi-a mărturisit că nu l-ar deranja prea tare dacă LHC n-ar reuşi să găsească un Higgs. „Pentru mulţi dintre noi, teoreticienii, un astfel de eşec ar fi mult mai interesant decât dacă am descoperi încă o particulă anostă, pe care alţi teoreticieni au prezis-o acum 45 de ani.“
Pare sigur că se vor ivi noi enigme. La urma urmei, universul nu pare făcut ca să ne fie nouă uşor să-l cercetăm. Suntem nişte creaturi greoaie, făcute din carne şi oase, care nici n-am reuşit încă să numărăm ca lumea toate speciile de bacterii din corpul nostru. Într-o zi l-am întrebat pe George Smoot, fizician distins cu Premiul Nobel, dacă crede că se va răspunde vreodată la întrebările cu adevărat fundamentale.
„Depinde de dispoziţia în care mă aflu – mi-a răspuns. Dar în fiecare zi pornesc spre laborator cu speranţa că universul este simplu, simetric şi frumos, un univers pe care noi, oamenii, cu perspectiva noastră limitată, vom putea într-o zi să-l înţelegem.“
(Articol publicat în ediţia revistei National Geographic din martie 2008)
Pentru a putea adăuga comentarii trebuie să fii membru al altmarius !
Alătură-te reţelei altmarius