Coborâre în abisul materiei

Coborârea în adâncul materiei presupune de fapt vizualizarea unor entităţi cu dimensiuni din ce în ce mai mici.

Fronturi de cercetare în abisul materiei

Astăzi este cunoscut faptul că tot ceea ce ne înconjoară, structurile vii, solul terestru, toate formele de relief, apa, aerul şi organismele vii, toate sunt, în ultimă instanţă, alcătuite din atomi. Însă şi atomii sunt alcătuiţi din câteva particule mai mici - protoni, neutroni şi electroni. Cercetări din ultimele decenii au arătat că şi neutronul şi protonul din interiorul nucleului atomic sunt alcătuiţi din particule şi mai mici, numite cuarci. În ultimele decenii, în radiaţiile provenind din spaţiul cosmic, au fost identificate tipuri de particule care nu există nicăieri pe Pământ. Tabloul pe care îl prezintă astăzi fizica, cu privire la entităţile ce alcătuiesc universul, materia şi viaţa, adună toate aceste particule fundamentale într-un puzzle numit Modelul Standard. Plecând de la caracteristicile acestor particule, masa, sarcina electrică, sarcina de culoare, particulele se pot grupa în diferite familii. În cadrul acestui puzzle bine structurat, fiecare particulă se aşează, potrivit proprietăţilor ei, într-un anumit loc, învecinându-se cu rudele ei, cu proprietăţi asemănătoare. Această familie adună, în prezent, 61 de particule, ce explică într-un mod remarcabil foarte mult din ceea ce omul poate detecta ca prezenţă în spaţiul cosmic. Modelul Standard descrie bine ceea ce numim astăzi „materie luminoasă“, materia accesibilă prin intermediul radiaţiei luminoase. Aceasta devine vizibilă prin intermediul radiaţiei luminoase pe care o emite sau pe care o reflectă. Sunt cuprinse aici stelele, planetele, precum şi obiectele mediului terestru. În Univers însă, foarte probabil, există şi alte forme de existenţă a materiei, ce rămân încă necunoscute. Este vorba despre materia întunecată şi de energia întunecată. Unele date observaţionale arată că ponderea acestora ar putea depăşi 90% din materia întregului Univers. Proprietăţile lor sunt adevărate provocări pe alte fronturi de cercetare ale fizicii şi cosmologiei. Însă Modelul Standard are lipsuri, întrucât nu sunt cunoscuţi toţi ocupanţii locurilor din puzzle. Există particule încă nedetectate, dar ale căror proprietăţi sunt întrucâtva estimate de calcule teoretice, ce pleacă de la acest model. Proprietăţile acestor particule le fac foarte dificil de detectat. De aceea, pentru punerea lor în valoare, şi pentru validarea Modelului Standard, a început o bătălie tehnologică şi de cercetare fără precedent în întreaga istorie a ştiinţei.

Ciocnirea şi spargerea particulelor

Dacă dorim să înţelegem din ce este făcută o piatră, şi nu ne mulţumeşte ceea ce vedem la suprafaţa ei, o ciocnim de ceva dur până se sparge. Odată spartă, ni se dezvăluie structura ei internă, iar mici bucăţele desprinse din ea pot arăta care sunt entităţile mai mici care o alcătuiesc. Cercetarea actuală privind adâncurile structurii materiei utilizează în mod frecvent acest procedeu. Însă nu sunt ciocnite pietre, ci particule. Particulele sunt accelerate în interiorul unui tunel lung şi sunt direcţionate, una spre alta prin intermediul unor câmpuri ce le dirijează traiectoria. Ciocnindu-se cu viteze foarte mari, particulele se sparg, dezvăluind componentele care le alcătuiesc. Ecrane sensibile înregistrează diferite mărimi ale reziduurilor ciocnirii, completând tabloul de proprietăţi ale componentelor lor. Aceasta este, astăzi, calea cea mai des utilizată pentru a testa şi completa Modelul Standard existent.

În investigaţia privind entităţile fundamentale şi proprietăţile lor, esenţială este energia cu care particulele sunt ciocnite. Cu cât energia aceasta este mai mare, cu atât creşte şansa de a pătrunde mai adânc în structura lor. Însă energia aceasta de impact a particulelor poate fi mai mare dacă ele sunt accelerate la viteze din ce în ce mai mari. De aceea, începând cu anii â30, la nivel mondial a început o cursă ameţitoare a acceleratoarelor de particule. Dimensiunile acestora au crescut în permanenţă, pentru a putea furniza coliziuni la energii din ce în ce mai mari.

Colosul subteran

Anul acesta, la laboratoarele de la CERN, din Elveţia şi Franţa, se va deschide cel mai mare accelerator de particule din lume - Large Hadron Collider (LHC). Acceleratorul va ciocni protoni la o viteză foarte apropiată (99%) de viteza luminii. Energia de impact a acestui accelerator va fi de 7 ori mai mare decât cea dezvoltată de cel mai mare accelerator precedent (Tevatron, SUA). Tunelul principal de accelerare are o lungime de 27 de kilometri, dispus sub Pământ, la o adâncime care, pe alocuri, atinge 175 de metri, şi care traversează mai multe localităţi aflate la graniţa dintre Elveţia şi Franţa. Construcţia este monumentală, fiind, într-un fel, testul maxim de pricepere a mii de cercetători din 37 de ţări care au proiectat şi executat sutele de mii de componente, circuite şi dispozitive pe o durată care depăşeşte un deceniu.

Tunelul principal este alcătuit din 1.232 de componente tubulare, pe unde vor circula particulele ce urmează să se ciocnească între ele. Aceste componente tubulare au o lungime de 15 metri, o greutate de 35 de tone şi o valoare de 600.000 de euro fiecare. Pentru a accelera particulele şi a le păstra pe o traiectorie precisă, sunt utilizaţi peste 1.600 de magneţi imenşi, cei mai mulţi având dimensiunile unui teren de baschet şi o greutate de peste 30 de tone fiecare. Pentru o funcţionare adecvată, aceşti magneţi sunt răciţi la temperaturi de minus 270 de grade Celsius. În fapt, dispozitivele de răcire ale LHC sunt echivalente cu 150.000 de frigidere de capacitate mare, coborând temperatura mai mult decât înafara spaţiului cosmic. Împreună, aceşti magneţi dezvoltă un câmp magnetic de 181.000 de ori mai intens decât cel terestru, ceea ce va permite ca jeturile de particule să fie conduse spre ciocnire cu o precizie deosebită. În total, au fost coborâte în subteran, de-a lungul operaţiunilor de construcţie a acestui accelerator de particule, 80.000 de tone de materiale! Numai cablajele puse cap la cap sunt suficiente pentru a înconjura ecuatorul de peste 10 ori! Chiar şi asamblarea componentelor acestui colos a presupus operaţiuni de înaltă fidelitate, existând adesea situaţii în care construcţii complexe, însumând dispozitive de mare precizie, în greutate de 35 de tone, au trebuit să fie montate în subteran şi poziţionate cu precizie de câţiva milimetri.

Un volum imens de date

În locaţiile unde sunt programate ciocnirile sunt amenajate dispozitive şi complexe de vizualizare şi înregistrare a datelor de impact. Detectoarele, în număr de patru, sunt construcţii de mari dimensiuni şi de o complexitate extremă: materiale speciale, microelectronică, microprocesoare, componente de măsură de înaltă fidelitate, multă inginerie. Aceste detectoare măsoară între 20 şi 46 de metri lungime, între 11 şi 25 de metri înălţime, cântărind câteva mii de tone fiecare (cel mai greu are 10.000 de tone!). În operaţiunile de construcţie şi de montare a acestor coloşi, au lucrat peste 5.400 de cercetători şi ingineri de lungul mai multor ani!

În fiecare secundă sunt propulsate în impact 300 de miliarde de protoni, care produc coliziuni. La un interval de timp estimat de 25 de miliardimi de secundă va avea loc o coliziune între aceşti protoni, fiecare coliziune generând peste 1.000 de particule reziduale. Toate aceste date de ciocnire formează un volum imens de informaţii imposibil de stocat şi de prelucrat. Din acest motiv, vor fi selectate din datele de impact aproximativ 100 de evenimente în fiecare secundă. Acestea vor fi stocate şi prelucrate în aproximativ 100 de centre de calcul şi institute de cercetare din întreaga lume, ce sunt conectate între ele, formând un adevărat super-computer în reţea.