V sodobni fiziki vlada nenavadno pravilo: manjši kot so predmeti, ki bi jih radi opazovali, večje naprave potrebujemo, da jih lahko vidimo. Inštrumenti, s katerimi lahko gledamo v svet v atomov, so postajali že tako veliki, da se raztezajo tudi po več deset kilometrov v dolžino. Takšen orjaški “mikroskop”, za katerega znanstveniki upajo, da jim bo odprl pogled v svetove, ki jih do zdaj ni opazoval še nihče, prav zdaj gradijo v Cernu, Evropskem centru za fiziko delcev pri Ženevi, na meji med Švico in Francijo. Trkalnik LHC (Large Hadron Collider), kot se naprava imenuje, bo začel delovati spomladi leta 2008, pri njegovi izdelavi pa sodeluje tudi veliko slovenskih fizikov in fizičark.

S pomočjo trkalnika LHC želijo znanstveniki ustvariti razmere, ki bi bile zelo podobne peklenski vročini, ki je vladala v vesolju kmalu po velikem poku. Znanstvenike zanima predvsem, kaj se dogaja s snovjo v tako ekstremnih razmerah. Upajo namreč, da jim bo opazovanje dogodkov pri tako visokih energijah omogočilo, da bodo bolje razumeli, po kakšnih zakonih deluje narava in iz česa je sploh zgrajen naš svet.

S čelnimi trki do novih delcev

Metoda, ki jo uporabljajo fiziki za ustvarjanje ekstremnih razmer, vsaj na prvi pogled sploh ni zapletena. Trenutno sprostitev zelo velike energije bodo dosegli s čelnimi trki zelo hitrih delcev. Že prej so na istem kraju delali poskuse s trki elektronov, zdaj pa so trkalnik priredili, da bodo lahko z njim trkali še približno dvatisočkrat težje protone. Tako bodo v eksperimentu čelno trkale gruče protonov, ki bodo ob stiku sprostile veliko energije in iz te energije bodo trenutek zatem nastali novi delci.

Trkalnik LHC je verjetno eden največjih znanstvenih inštrumentov, kar smo se jih ljudje kdajkoli lotili graditi, saj je dolg kar 27 kilometrov. Še najlažje si to ogromno čudo moderne tehnike predstavljamo, če si zamislimo, da bi kakih sto metrov pod ljubljansko obvoznico skopali krožni predor in vanj vgradili zelo natančne inštrumente.

Najbolj preprosto si lahko dogajanje v trkalniku zamislimo tako, da kroženje protonov primerjamo z drvenjem avtomobilov po avtocestnem obroču okoli mesta. Dokler vozijo avtomobili urejeno vsak po svojem pasu, trkov praviloma ni. Če pa kje cesto speljemo tako, da se levi in desni pas vozišča srečata, bomo tam seveda povzročili množico nesreč. In prav to so naredili fiziki s hitrimi delci v trkalniku. Na več koncih so žarke protonov speljali tako, da lahko čelno trkajo.

Kilometrski stolp zgoščenk

Če na avtocesti trčita dva avtomobila z veliko hitrostjo, vemo, da bo pločevina letela na vse konce. Podobno je tudi z delci. Tudi tu ob trku nastane cel plaz najrazličnejših produktov, ki se razletijo po okolici. Pomembna naloga fizikov je, da vse te novonastale delce zaznajo in o njih zberejo čim več informacij. S tem namenom so na mestih, kjer bo na “avtocesti protonov” prihajalo do “nesreč”, postavili velikanske kamere, ki posnamejo vse, kar se na tistem nevarnem kraju dogaja.

Kamere za snemanje teh majhnih subatomskih delcev so zelo velike, saj posamezna meri tudi več deset metrov v višino. V takšni kameri je zbranih zelo veliko najrazličnejših detektorjev, ki zaznavajo delce, ko ti letijo skozi. Informacije iz detektorjev se nato zbirajo v skupnem računalniku, ki iz množice podatkov sestavi sliko dogodka ob trku in določi, kateri delci so nastali iz energije, ki se je sprostila ob trku protonov.

Vendar pa bo podatkov, ki bodo prihajali iz detektorja, tako veliko, da jih niti najboljši računalniki ne bodo znali sproti obdelovati, zato so morali razviti sistem sprotnega odločanja, katere dogodke bodo sploh zapisovali v trajni spomin. Pričakujejo, da se bosta žarka v trkalniku LHC srečala štiridesetmilijonkrat na sekundo in pri vsakem srečanju naj bi prišlo do približno dvajsetih trkov. Med množico dogodkov si bodo zabeležili le peščico posebno zanimivih, a že teh bo šest tisoč na minuto. In to le v enem od štirih detektorjev, ki bodo delovali po celotnem obroču trkalnika. Če bi vse dobljene podatke med izvajanjem eksperimenta sproti zapisovali na zgoščenke, bi jih zapekli toliko, da bi lahko vsak mesec iz njih zgradili dober kilometer visok stolp.

Vse te podatke bo treba nato še analizirati. Znanstveniki, ki bodo skrbeli za pregledovanje meritev, se na to zahtevno nalogo pripravljajo med drugim tudi na posebnih “olimpijadah”. Ob takšnih srečanjih se razdelijo v dve skupini. Prva igra Boga in ustvari svet, druga pa poskuša nato iz podatkov o ustvarjenem svetu ugotoviti, kakšne ideje so vodile Boga pri stvarjenju. Povedano malo manj metaforično: prva skupina z računalniki proizvaja podatke o trkih v detektorju, kakršne bi v resnici videli, če bi v našem vesolju veljali takšni fizikalni zakoni, kot so jih uporabili v računalniškem modelu. Druga skupina pa poskuša nato zgolj iz teh podatkov ugotoviti, kakšne zakone vesolja si je zamislila prva skupina.

Ob sprostitvi energije pri trku, do katere pride po slavni Einsteinovi enačbi E=mc2, nastanejo najrazličnejši delci. Nekateri so tako kratkoživi, da še preden jih detektor sploh zazna, že razpadejo na druge delce. A tudi za takšno rojevanje in umiranje delcev veljajo stroga pravila. Tako lahko na osnovi delcev, ki jih zaznajo v detektorju, dokaj natančno sklepajo na to, kateri delec je nastal takoj po trku, čeprav neposredno tega delca niso videli. Vsak tak nestabilen delec, ki zelo hitro razpade, ima značilen podpis, kot pravijo fiziki seznamu delcev, ki jih lahko proizvede ob svojem razpadu. Na osnovi opazovanja takšnih “podpisov delcev” v detektorju nato iščejo dogodke, ki so manj pogosti in zato bolj zanimivi.

Iskanje “nove fizike”

Fiziki močno upajo, da bodo med velikansko množico trkov zaznali tudi kak dogodek, ki se ga ne bo dalo opisati s fizikalnimi zakoni, ki jih že poznamo. Pri eksperimentu LHC ne gre zgolj za to, da bi opazili edini doslej še neopaženi osnovni delec, imenovan Higgsov bozon, ki ga napoveduje teorija, ampak tudi, da bi izvedeli kaj novega o prvih trenutkih po nastanku vesolja. Mnoge sodobne fizikalne teorije, kakršna je recimo teorija strun, napovedujejo med drugim tudi, da vesolje nima samo treh razsežnosti, ampak obstajajo še druge skrite dimenzije, ki so prav tako pomembne. Fiziki upajo, da jim bo kak dogodek v trkalniku povedal kaj novega tudi o morebitnem obstoju teh paralelnih dimenzij.

Celotni projekt postavitve velikanskega eksperimenta je zelo zahteven tudi po tehnični plati. Protoni namreč drvijo po obroču s hitrostjo, ki je le malenkost manjša od svetlobne. Skorajda tridesetkilometrski obroč prepotujejo več kot desettisočkrat v sekundi. Čeprav so protoni sami po sebi zelo majhni, jih je pri velikih hitrostih zelo zahtevno upravljati. Najraje bi namreč leteli čim bolj naravnost, a tako jih ne bi mogli obdržati v obroču, zato morajo njihovo pot ves čas ukrivljati z zelo močnimi magneti. Zaradi velikih energij in velikih magnetnih polj navadni magneti za to opravilo niso primerni, saj bi se pregreli, zato pri trkalniku LHC uporabljajo superprevodne magnete. Da magneti ostajajo v superprevodnem stanju, jih morajo stalno hladiti s tekočim helijem, tako da je njihova temperatura ledenih -271 stopinj Celzija (1,9 stopinje nad absolutno ničlo), kar je celo bolj hladno kot v praznem prostoru vesolja daleč stran od kake zvezde.

Za konec velja omeniti še zabavno idejo, o kateri so mediji zadnja leta radi pisali. Pri vsakem fizikalnem eksperimentu, kjer nastopajo velike energije, se pojavi vprašanje, kaj vse lahko nastane v takšnih napravah. Lahko morda nastane tudi majhna črna luknja, ki bi požrla najprej Švico, potem pa še cel planet? Pojavile so se celo še bolj nenavadne ideje, po katerih bi lahko nastali nekakšni zelo čudni delci, ki bi začeli to svojo čudnost širiti še na okolico in bi v končni fazi uničili kar celotno vesolje. Takšni scenariji verjetno presegajo domišljijo tudi najbolj zagretih naravovarstvenikov.

Pred leti so morali v ZDA zaradi pritiska javnosti ob gradnji podobnega eksperimenta sklicati celo posebno skupino strokovnjakov, ki je pripravila mnenje o možnosti takšnih katastrof. Takrat jim je uspelo z argumenti javnost pomiriti. Fiziki pa so vseeno dobili od strokovnjakov za nastopanje v javnosti navodila, da morajo novinarjem na vprašanja o možnosti takšnih scenarijev poslej odgovarjati, da verjetnost za kaj tako eksotičnega ni le zanemarljivo majhna, ampak je enaka nič.