Ženevos užmiestyje, giliai po žeme tarp Prancūzijos ir Šveicarijos sienos jau daugiau kaip dešimtmetį vieną į kitą subatomines daleles laido vienas pažangiausių kada nors sukurtų mokslinių įrenginių. Didžiuoju hadronų greitintuvu (LHC) vadinamas įrenginys pagreitina du vienas priešais kitą nukreiptus hadronais vadinamų dalelių kategorijai priklausančių protonų srautus, kurie skrieja 27 km ilgo žiedu, kol beveik pasiekia šviesos greitį. Tada galingi magnetai priverčia protonus susidurti, o jų turima energija, kaip paaiškinama geriausiai žinomoje Einšteino formulėje E=mc2, virsta mase. Ir dar kokia mase! Tirdami susidūrimų metu susidariusią medžiagą fizikai gali žvilgtelėti į pagrindines visatą sudarančias statybines medžiagas ir jas jungiančias arba atskiriančias jėgas.
LHC priklauso geriausiai pasaulio dalelių fizikos laboratorijai CERN.
Jis – naujas iš daugelio vis sudėtingesnių įrenginių, kuriuos per pastarąjį dešimtmetį kūrė tyrėjai, norintys išsiaiškinti, kokia iš tiesų yra visata. Jų pastangų rezultatas – viena sėkmingiausių ir daugiausia eksperimentų patikrintų mokslinių teorijų per visą istoriją: dalelių fizikos Standartinis Modelis.
Aukšti standartai
Vis dėlto Standartinis modelis į visus klausimus atsakyti negali. Juo nepaaiškinama daugybė dalykų. Todėl nepaisant to, kad milijardus frankų kainavęs CERN žaisliukas dalelių susidūrimus turėtų vykdyti dar mažiausiai du dešimtmečius, fizikai jau svarsto, ką daryti toliau. Reikėtų sukurti dar didesnį ir galingesnį įrenginį, pasiekiantį didesnę energiją ir taip galintį sukurti sunkesnių ir įdomesnių dalelių. Tačiau prieš jį sukuriant reikia atrasti politinės valios už jį sumokėti bei nuspręsti, kur jį statyti. Galbūt pačioje CERN, o galbūt Japonijoje ar net Kinijoje – o tokia galimybė itin nemaloni mokslų srities primus inter pares save laikančiai Amerikai.
Standartinis modelis – tai iš kvantinės mechanikos požiūrio taško aprašytos visos žinomos elementariosios dalelės: nuo kvarkų protonuose ir neutronuose iki aplink atomo branduolį skriejančių elektronų ir elektromagnetinę jėgą nešančių ir visatą nušviečiančių fotonų. Nuo kitos dėl svarbiausios fizikos teorijos titulo su juo besivaržančios Einšteino Bendrosios reliatyvumo teorijos Standartinis modelis skiriasi tuo, kad jis – ne vienišo genijaus apmąstymų rezultatas.
Nors Standartinio modelio pavadinimas atsirado tik 1975 m., jo pagrindas sudarytas iš šimtų eksperimentų, kuriuos jau daugiau kaip 80 metų atlieka dešimtys tūkstančių mokslininkų. Kad bus atrasta paskutinė šios dėlionės dalis – masės tam tik tikroms kitoms dalelėms suteikiantis ir visą modelį sujungiantis Higso bozonas – teoretikai pranašavo jau 1964 m. Šis atradimas LHC pagaliau padarytas 2012 m.
Tačiau Higso bozono atradimas – ne tik pabaiga, bet ir pradžia, nes dabar iš Standartinio modelio turi būti išvystytos kitos teorijos. Pavyzdžiui, jame neaptariama traukos jėga. Ji priklauso Bendrosios reliatyvumo teorijos sričiai. Jame neužsimenama ir apie tamsiąją medžiagą – nematomą, bet pagal traukos jėgą pastebimą medžiagą, sudarančią 27 proc. visatos – daugiau kaip penkis kartus daugiau, negu sudaro vadinamoji normali medžiaga, iš kurios sudarytos žvaigždės, planetos, žmonės ir taip toliau. Be to, jame nekalbama ir apie tamsiąją energiją – neaiškios kilmės energiją, sudarančią likusius 68 proc. visatos ir kažkaip verčiančią visas kosmoso sudedamąsias dalis toli vienoms nuo kitų.
Apie antimedžiagą Standartiniame modelyje kalbama, tačiau jame teigiama, kad atsiradus laikui turėjo susiformuoti vienodi kiekiai medžiagos ir antimedžiagos, o iki dabar jos turėjo viena kitą panaikinti. Akivaizdu, kad taip neatsitiko (medžiagos dabar daug, o animedžiagos nepaprastai mažai), todėl aišku, kad šią teoriją reikia rimtai pergalvoti.
Kiekvienas iš šių trūkumų – tai dar neatrasti fizikos dėsniai, dalelės ir jėgos. Fizikai tikėjosi, kad naudojantis LHC šios paslaptys jau bus atskleistos. Tačiau taip nenutiko. Kadangi atradimų tikėtis skatino hipotezės apie tai, kas slypi už Standartinio modelio, akivaizdu, kad tos hipotezės greičiausiai neteisingos.
Daugiausiai lūkesčių dėta į elegantišką teoriją, vadinamą supersimetrija. Ši pastaruosius 50 metų vystyta teorija galėtų iš Standartinio modelio pašalinti vadinamuosius „klastos faktorius“. Klastos faktorius – tai atsitiktinė vertė, kurią paėmus modelis veikia, tačiau jos pačios išsamiau paaiškinti neišeina. Standartiniame modelyje tokius klastos faktorius galima panaikinti prie kiekvienos Standartinio modelio dalelės pridėjus sunkesnę „supersimetrinę“ partnerę, nors tokių partnerių dar niekas nėra matęs. Pavyzdžiui, tariamosios elektrono ir kvarko superpartnerės vadinamos selektronu ir skvarku.
Supersimetrija galėtų panaikinti ir kitus Standartinio modelio trūkumus. Pavyzdžiui, kitų Standartinio modelio dalelių neutrinų supersimetinės partnerės būtų vadinamieji neutralinai – o neutralinai gali būti viena iš dalių, sudarančių tamsiąją medžiagą.
Deja, nors LHC jau beveik dešimt metų vykdomi vis galingesni dalelių susidūrimai, be pačio Higso bozono daugiau neatrasta nieko naujo. Jokių nežinomų dimensijų. Jokių nepaaiškinamų reiškinių. Jokių supersimetrinių dalelių. Dėl to daugelis fizikų supersimetrijos teorija žavėtis nustojo. Dabar dėl jos vietos rungiasi daugybė kitų teorijų, tačiau kuri iš jų arčiausiai tiesos, niekas nežino (gal ir nė viena).
Visai tai – galvos skausmas dalelių fizikos srities mokslininkams. Šios srities fizikos eksperimentai pagarsėję savo brangumu, o jiems atlikti reikalingi įrenginiai statomi dešimtis metų. Be to, dėl to kyla daug neaiškumo, nes fizikai jau priprato tikėtis, kad galima apytiksliai nuspėti, ką jie savo įrenginiuose pamatys toliau. XX a. JAV teorinės fizikos atstovas Eugene Wigneris tokius lūkesčius pavadino „nepagrįstu matematikos veiksmingumu gamtos moksluose“. Visa tai prasidėjo atradus pozitronus – antimedžiagos elektronų atitikmenis.
Kad bus atrasti pozitronai, nuspėta jau trečiajame dešimtmetyje, formulėje, kuri dabar laikoma Standartinio modelio pagrindu. Remiantis šia pagal jos kūrėją Paulą Diracą pavadinta Diraco formule prognozuota, kad egzistuoja ne tik įprasti neigiamą krūvį turintys elektronai, bet ir teigiamą krūvį turintys elektronai. Sukūrus prognozę jų imta ieškoti, o vėliau rasta. Kad verta pasitikėti matematinėmis prognozėmis, patvirtinta daugybę kartų, kol galų gale pasiektas didžiausias triumfas ir atrastas seniai pranašautasis Higso bozonas. Tačiau nepasitvirtinus supersimetrijos teorijai šis pasitikėjimas smarkiai susilpnėjo.
Vis dėlto nepaisant smulkmenų sutariama, kad norint atrasti Standartiniame modelyje nepaaiškinamų fizikos dėsnių, reikia imtis pačio Higso bozono. Tai reiškia, kad reikia nepaprastai smulkiai jį ištirti ir aprašyti. Pavyzdžiui, fizikai iki šiol nežino, ar Higso bozonas – iš tiesų elementarioji dalelė, neturinti jokios vidinės sudėties (kaip elektronas ar kvarkas), ar ji sudaryta iš mažesnių dalių (kaip protonai ir neutronai, kurie sudaryti iš trijų kvarkų). Netgi gali būti, kad Higso bozonu pavadinta dalelė iš tiesų nėra Standartinio modelio pranašauta dalelė, o kita, dar nežinoma teorija paaiškinama dalelė, kuri paprasčiausiai turi tokią pačią masę, kaip pranašautasis Higso bozonas.
Tyrimų tyrimai
Deja, nors LHC dabar gali patikimai gaminti daugumos žmonių Higso bozonais laikomas daleles, jo įrankiais negalima atlikti itin tikslių matavimų, reikalingų norint atrasti Standartinio modelio klaidas, galinčias atskleisti, kuri iš su supersimetrija besivaržančių teorijų pati perspektyviausia. Iš dalies taip yra dėl greitintuve kaip pirminių žaliavų naudojamų protonų. Protonai sudaryti iš kvarkų, kuriuos sieja kitos dalelės, vadinamos gliuonais, todėl protonui susiduriant su protonu iš tiesų dalyvauja šeši kvarkai ir keletas gliuonų, todėl procesas labai sudėtingas.
Tačiau šią problemą galima išspręsti susidūrimuose naudojant tik elektronus. Kadangi elektronai – elementariosios dalelės, jų susidūrimai būtų paprastesni negu protonų. Bet už tai reikia sumokėti. Elektronai maždaug du tūkstančius kartų lengvesni už protonus, todėl skriedami bet kokiu greičiu turi proporcingai mažiau kinetinės energijos, taigi norint, kad jais būtų išgaunama tiek energijos, kad susidarytų Higso bozonai, reikia naujo įrenginio.
Jei tęsiant LHC bandymus būtų pastatytas elektronų greitintuvas (tiksliau, aparatas, kuriame elektronai susidurtų su pozitronais), toks įvykis jau turėtų istorinių precedentų. 1983 m. CERN pastatė 7 km ilgo įrenginį, pavadintą Superprotonų sinchotronu, kuriame atrastos dalelės, pavadintos W ir Z bozonais. Jos dalyvauja reiškinyje, vadinamame silpnąja branduoline sąveika. 1989 m. toje pačioje laboratorijoje pradėjo veikti Didysis elektronų‑pozitronų greitintuvas (LEP), kuriame norėta smulkiau ištirti ir suprasti ką tik atrastus bozonus. LEP įrenginiui pastatytame 27 km ilgio tunelyje dabar veikia LHC.
Ši istorija tęsiasi – viena grupė CERN fizikų siūlo pastatyti naują įrenginį, greitinantį elektronus ir pozitronus 100 km ilgio tunelyje, kuris būtų nutiestas po Juros kalnais. Ateities žiediniame greitintuve (Future Circular Collider arba FCC) susidūrimų energija siektų net 365 giga elektronvoltų (GeV) (GeV – tai vienetas, fizikų naudojamas matuoti tiek subatominių dalelių energiją, tiek masę). Naujajame įrenginyje per kelis dešimtmečius būtų sukurti milijonai Higso bozonų. Tokia Higso bozonų „gamykla“ padėtų mokslininkams išsamiau ištirti šią dalelę.
Higso bozonai nestabilūs – vos sukurti jie išyra ir tampa kitų dalelių poromis. Pasak Standartinio modelio, maždaug 60 proc. kartų taip turi susidaryti žemiausiasis kvarkas ir jo antimedžiagos atitikmuo. Likusius 21 proc. kartų turėtų atsirasti pora W bozonų, o dar 9 proc. kartų Higso bozono liekanos turėtų tapti pora gliuonų (likusius 10 proc. turėtų susiformuoti kiti deriniai).
Sukūrus didžiulius kiekius Higso bozonų ir tiksliai išmatavus, kiek kartų susidarys žemiausieji kvarkai, W bozonai, gliuonai ir kitos elementariosios dalelės, FCC dirbantys mokslininkai galėtų pastebėti neatitikimus Standartinio modelio prognozėms. Kuo daugiau būtų sukurta Higso bozonų, tuo didesnę statistinę vertę turėtų rezultatai, o mokslininkai būtų labiau užtikrinti, kad jų pastebėti nukrypimai nuo Standartinio modelio atskleidžia tikslesnę tikrovę.
Statant FCC būtų pasinaudojama dešimtimis metų CERN sukauptos žiedinių greitintuvų srities patirties, todėl panašu, kad jis – savaime suprantamas LHC tęsinys. Tačiau yra ir tam nepritariančių fizikų. Nors žiediniai greitintuvai jau ilgai laikyti geriausiais, jie turi vieną trūkumą. Kai krūvį turinčios dalelės (protonai, elektronai, pozitronai ir t. t.) juda ratu, jie rentgeno spindulių forma išskiria energiją, vadinamą sinchrotroniniu spinduliavimu. Kuo greičiau dalelės juda, tuo daugiau energijos netenka. Veikdamas didžiausiu pajėgumu FCC išskirtų (t. y., iššvaistytų) maždaug 100 megavatų sinchrotroninės spinduliuotės. Vienintelis būdas kompensuoti prarastą energiją ir užtikrinti, kad viduje esančios dalelės susidurs pasiekus didžiausią įmanomą energiją – tai tiekti dar daugiau elektros, todėl įrenginiu naudotis būtų brangiau.
Dėl to prieštaraujančių mokslininkų grupė siūlo apskritai atsisakyti žiedinių greitintuvų ir pastatyti kitokį LHC tęsinį – tiesinį greitintuvą. Jame elektronai ir pozitronai būtų greitinami iš dviejų priešingų tiesės galų ir susidurtų jos viduryje. Jau sugalvoti du tokie projektai. CERN siūlo Kompaktinį tiesinį greitintuvą (Compact Linear Collider). Antrasis projektas – diplomatiškai pavadintas Tarptautinis tiesinis greitintuvas (International Linear Collider), kuris greičiausiai būtų statomas Japonijoje.
Tiesinis greitintuvas nuo žiedinio skiriasi tuo, kad jį būtų galima statyti etapais, todėl būtų lengviau valdyti biudžetą. Tačiau jei šie greitintuvai būtų pastatyti, abu būtų maždaug 50 km ilgio. Jų susidūrimo energija siektų tera elektronvoltą (1 TeV arba 1 000 GeV) ar net daugiau, todėl juos būtų galima naudoti kaip Higso bozonų gamyklas ir juose kurti milijonus šių dalelių.
Jei dalelių fizikos mokslininkai nuspręstų pasirinkti tiesinį greitintuvą, kuris iš šių dviejų projektų būtų geresnis, neaišku. Iš pažiūros atrodo, kad pirmauja Tarptautinis tiesinis greitintuvas. Šį pasiūlymą jau daugelį metų vysto viso pasaulio fizikai, o 2013 m. Japonija suteikė leidimą greitintuvą statyti Honšiū mieste. Tačiau po to pažanga sulėtėjo ir vis dar nenuspręsta, ar projektas iš tiesų bus vykdomas. Tokiais klausimais vyriausybei patarianti Japonijos mokslo taryba projekto vertinti dar nebaigė. Tikimasi, kad apie savo sprendimą ji praneš vasarį. O CERN tikriausiai labiau domisi galimybe statyti dar vieną žiedą. Organizacijoje Kompaktinį tiesinį greitintuvą palaiko mažuma.
Tačiau kol senosios fizikos galiūnės ginčijasi, ką daryti toliau, jas gali aplenkti kitos valstybės. Kinija į šią sritį veržiasi beprotišku greičiu. Wango Yifango vadovaujamas Aukštos energijos fizikos institutas Pekine ruošia jaunus mokslininkus ir kuria įspūdingą tyrimų infrastruktūrą. Svarbiausias jų pasiūlytas projektas – tai Žiedinis elektronų‑pozitronų greitintuvas (CEPC), kurį po Higso bozono atradimo pasiūlė dr. Y. Wangas. Jau įvykdyti keli projekto techninio dizaino etapai.
Šiame naujausiame projekte siūloma pastatyti 5 mlrd. JAV dolerių kainuojantį įrenginį, sukurtą gaminti ir tirti Higso bozonus. Jis būtų įrengtas 100 km ilgio žiede, o susidūrimų energija siektų maždaug 240 GeV. Šiuo atžvilgiu jis nedaug skiriasi nuo CERN sugalvoto FCC. Nors projektą kuria Kinijos mokslininkai (kai kurie iš jų yra dirbę CERN), dr. Y. Wangas taip pat naudojasi viso pasaulio dalelių fizikos srities specialistų patarimais, pastabomis ir parama.
Ar dr. Y. Wango projektas sulauks pritarimo, priklauso nuo to, kaip vyriausybė įvertins jo vertę palyginus su kitomis statyti siūlomomis mokslinių tyrimų laboratorijomis. Pavyzdžiui, vienas projekto varžovas – parodomoji branduolių sintezės jėgainė. Tačiau jei vyriausybė vis dėlto nuspręs suteikti leidimą greitintuvui, neabejotina, kad iš dalies taip bus dėl to, kad parodžiusi, jog geba pastatyti ir valdyti tokį galingą įrenginį Kinija sulauktų daug dėmesio ir prestižo. Kinija puoselėja ambicijas tapti pasaulio mokslo srities lydere, o dalelių greitintuvas tikrai padėtų jai tokio tikslo pasiekti.
Nauji lyderiai
Lėšų pastatyti dr. Y. Wango greitintuvą Kinijai tikrai užtektų, tačiau kad galėtų jį pastatyti ir valdyti, reikėtų pritraukti nemažai užsienio mokslininkų. Jei taip nutiktų, CERN planas statyti žiedinį greitintuvą atrodytų nebereikalingas. Tačiau kaip atskleidžia pačios CERN istorija, dideli moksliniai projektai geriausiai nusiseka tada, kai prieiga prie įrenginio ir rezultatų atvira visiems ir kaip įmanoma geriau bendradarbiaujama su mokslininkais iš viso pasaulio. Dr. Y. Wangas teigia mielai priimsiantis kitų šalių lėšas, talentus ar kitokią pagalbą. Jei CEPC taptų galingiausiu pasaulio greitintuvu, neabejotina, kad visos kitos šalys mielai priimtų galimybę prisidėti. Tiksliau, visos, išskyrus vieną – JAV.
JAV turi klestinčią dalelių fizikos specialistų bendruomenę, o jos nariai surinko daugelį antrojoje XX a. pusėje išdalintų Nobelio premijų už įvairių Standartinio modelio dalių prognozes ir bandymus. Tačiau kol kas JAV mokslininkams draudžiama bendradarbiauti su kolegomis Kinijoje, o federalinę paramą skiriančios agentūros neteikia paramos Kinijoje norintiems dirbti akademikams – neabejotina, kad jei būtų pastatytas CEPC, toks draudimas būtų taikomas ir tam projektui. Tačiau jei Kinija greitintuvą pastatytų, dalelių fizikos centru neabejotinai taptų ji, o kitos šios srities Nobelio premijos taip pat būtų teikiamos ten dirbantiems mokslininkams.
Vis dėlto didžiulių šiuolaikinės fizikos mįslių vienas įrenginys neišspręs. Visos LHC pakeisiantį elektronų ir pozitronų greitintuvą statyti norinčios grupės jau svarsto, kas bus po to, kai naudojantis nauju greitintuvu kelis dešimtmečius bus tirti Higso bozonai. FCC komanda siūlo po kiek laiko išimti įrenginį iš 100 km ilgio tunelio (kaip buvo išimtas LEP) ir maždaug 2050 m. ar vėliau pakeisti jį 100 TeV galios hadronų greitintuvu. Kinijoje dr. Y. Wango komanda taip pat pradėjo kurti panašius planus – ji nori sukurti protonus su protonais suduriantį Superprotonų greitintuvą, kuris būtų įrengtas tunelyje šalia anksčiau pastatyto elektronų ir pozitronų greitintuvo.
Tačiau kai kurie fizikai neturi kantrybės. Jie teigia, kad reikėtų atsisakyti atsargaus veikimo palaipsniui. Užuot tyrus Higso bozonus elektronų ir pozitronų greitintuvais, reikėtų kaip įmanoma greičiau pastatyti 100 TeV galios hadronų greitintuvą ir pažiūrėti, kas bus. Jie teigia, kad dabar šioje fizikos srityje daug netikrumo, todėl rizikinga susitelkti tik ties elektronų ir pozitronų greitintuvu, nes gali būti, jog juo nepavyks išgauti pakankamai didelės energijos, kad būtų galima skintis kelią į naujas fizikos gelmes. Be to, kadangi tobulės jutikliai ir naudingiausius duomenis iš susidūrimų renkantys algoritmai, gali būti, kad sudėtingi hadronų susidūrimų duomenys nebekels problemų. Tačiau hadronų greitintuvai visada išliks geriausiu metodu plėsti energijos ribas ir daryti naujus fizikos atradimus.
Kaip teigia 2012 m. Higso bozoną atradusios komandos narys Jonas Butterworthas: „Visą mano karjerą buvo labai aišku, ką turime daryti toliau, bet dabar tokio aiškumo nebėra. Mes nebeturime žemėlapio. Eksperimentai lenkia teorijas. Tai įdomus ir sudėtingas laikotarpis.“ Tikra tiesa – juk tikri tyrėjai žemėlapiais ne seka, o juos braižo.