Artinasi gigantiškų dalelių greitintuvų saulėlydis

Braunantis į fizikos gelmes, visada galiojo taisyklė: dydis – svarbu. Pirmieji praėjusio amžiaus septintojo dešimtmečio pradžios dalelių greitintuvai buvo nedaug didesni už pietų stalą. Po dešimtmečio JAV pradėjusio veikti žiedinio Tevatrono perimetras buvo 6 kilometrai. Dabartinio didžiausio įrenginio, Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC), tunelis keturis kartus ilgesnis (27 km). Yra planų statyti 100 kilometrų perimetro greitintuvą: toks maždaug galėtų apjuosti Niujorko miestą.

Fizikai dėl tokių didžiulių – ir atitinkamai kainuojančių – siekių susilaukia ne ką menkesnės kritikos. Tačiau gamta labai atkakli ir norint įminti jos akyliausiai saugomas subatomines paslaptis, prieš sudaužiant daleles, visad reikėjo gainioti jas vis ilgesnius atstumus. Bet vingiuotame pažinimo kelyje gali pavykti nukirsti kampą, pasitelkus keistąją medžiagos būseną – plazmą. Įterptos dalelės šioje virpančioje medžiagoje gali greitėti tūkstančius kartų sparčiau.

Tai nėra tik tuščios svajos. Plazmos greitintuvai buvo nuolat tobulinami kelis pastaruosius dešimtmečius, ir nors dar rimtos grėsmės įprastinių įrenginių viešpatavimui nekelia, ledas jau gali būti pajudėjęs. Keli neseni tyrimai rodo, kad plazmos greitintuvai netrukus gali priversti tokius gigantus kaip LHC, dėl pinigų paprakaituoti. O galiausiai, yra vilčių, kad šios nedidukės mašinos padės išspręsti kai kuriuos didžiausius fizikos klausimus: pavyzdžiui, kodėl Visata pilna materijos, o ne antimaterijos, arba, iš ko susideda tamsioji materija. Panašu, geležinė dalelių fizikos taisyklė gali būti sulaužyta.

Matome, kaip visur kitur technologijos traukiasi. Bet įprastiniai dalelių greitintuvai mažėti atkakliai nenorėjo. Jų baisingai sudėtingos valdymo ir kontrolės sistemos slepia daugybę mažų metalinių vamzdelių. Jie daleles individualiai stumteli pirmyn trumpais, stipriais elektrinio lauko impulsais. Kuo stipresnis laukas tarp šių vamzdelių, tuo galingesnis postūmis – bet tik iki tam tikros ribos. Viršijus šią lauko stiprumo ribą, erdvė tarp vamzdelių tampa laidi elektrai, per ją lauko įtampa išsikrauna kaip žaibas ir dalelių greitinimas nebevyksta. Tad, norint galingesnio greitintuvo, reikia ne galingesnių, o daugiau greitinimo impulsų – kitaip tariant, daugiau vamzdelių.

„Plazmos greitintuvai netrukus gali priversti tokius gigantus kaip LHC dėl pinigų paprakaituoti”

Būtent dėl šios ribos paplito apskritiminiai, o ne tiesiniai greitintuvai: ratu dalelės gali skrieti tol, kol pasiekia norimą energiją. Proto ribose. Netgi apskritiminiai greitintuvai turi būti itin dideli, nes kitaip dalelės paprasčiausiai savo energiją išspinduliuoja – arba išskrieja iš rato, „neįsipiešusios“ posūkyje. Tad ir turime LHC. Tik apskritiminis 27 kilometrų perimetro greitintuvas gali sutrenkti priešpriešinius protonų srautus pakankama energija – iki 13 000 gigaelektronvoltų (GeV) – ir sukurti garsųjį Higgso bozoną. Nors dešimtmečių senumo prognozės patvirtinimas – įspūdingas pasiekimas, Higgso bozono atradimas 2012 metais buvo iki šiol vienintelis elementarios dalelės atradimas, ir dalelių fizikai galvoja ką ir ar iš viso daryti toliau. „Daugelis mūsų manė, kad 27 kilometrai yra riba,“ sako Ralph Assman, Vokietijos greitinuvo DESY mokslinis vadovas.

Labai dideli hadronų greitintuvai

Tačiau taip manė ne visi. Vienas ilgai svarstomas LHC įpėdinis yra Tarptautinis linijinis greitintuvas (ILC), $7,5 mlrd., 30 km ilgio mašina. Jį pasiryžusi įrengti buvo Japonija, tačiau šalies vyriausybė šiais metais sumanymo atsisakė. Jei planas bus tęsiamas, ILC techniškai nebūtų toks galingas kaip LHC, bet juo būtų galima atlikti daug tikslesnius higsono ir kitų dalelių tyrimus, sudaužiant ne protonus, o elektronus ir pozitronus. Kadangi tai yra paprastesnės, elementarios dalelės, jų susidūrimai būtų labai švarūs.

LHC valdanti CERN dalelių fizikos laboratorija šalia Ženevos, Šveicarijoje, puoselėja panašius ILC planus, tik jis turėtų būti 50 km ilgio, kompaktiško linijinio greitintuvo (Compact Linear Collider – CLIC) formos. Bet net jis nublanksta prieš laboratorijos siūlomą Ateities apskritiminį greitintuvą (Future Circular Collider – FCC), – įrenginį, kurio 100 kilometrų ilgio tunelyje elektronai ir pozitronai, arba protonai su protonais būtų sudaužiami 100 000 GeV energija. Tokio įrenginio sąmata – $25 milijardai. Tuo tarpu Kinija svarsto statyti Apskritiminį elektronų pozitronų greitintuvą (Circular Electron Positron Collider – CEPC), kuris būtų tokio paties 100 km ilgio, bet kainuotų $6 mlrd.

Atrodo, tokios gargantiueliškos mašinos – neišvengiama dalelių fizikos ateitis. Bet kai kuriems tyrėjams vertos dėmesio atrodo mažesnės ir pigesnės alternatyvos. Kaip CERN Higgso atradimo metu vadovavęs vyr. mokslininkas, Assmanas galėjo nesunkiai imtis dar didesnio greitintuvo. Bet vos šampano kamščiai atsidūrė CERN šiukšliadėžėse, jis pasirinko naują kryptį: plazmą. „Pamaniau, pagrindiniai įprastinių greitintuvų iššūkiai jau įveikti,“ 2012 m. paaiškino jis savo perėjimą į DESY. „Pagalvojau, būtų šauniau ieškoti naujos technologijos inovacijų, ir padaryti ją mažesnę, o ne didesnę.“

Greta kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų, plazma yra ketvirtoji medžiagos būsena: efemeriškas neigiamo krūvio elektronų ir teigiamo krūvio atomų branduolių, nuo kurių tie elektronai nuplėšti, – jonų – mišinys. Elektronams ir jonams judant, sukuriami ir sunaikinami maži elektros laukai, todėl plazma yra ideali terpė elektringoms dalelėms. Kitaip nei įprastinių greitintuvų metalinius vamzdelius skiriančiai tuščiai erdvei, plazmai negresia staiga tapti laidžia ir taip neutralizuoti elektros srovę: ji ir šiaip yra laidi.

Kaip ir pritinka dalelių daleliųbanglenčiavimui prilyginamai technologijai, plazmos greitintuvai radosi Kalifornijoje, už pusvalandžio kelio nuo paplūdimio. 1979 metais, John Dawson ir Toshiki Tajima iš Kalifornijos universiteto Los Andžele (UCLA) publikavo teorinį darbą, padėjusį pagrindą visam plazminių greitintuvų darbui. Mokslininkai sugalvojo lazeriu apšaudyti dujų atomus, taip sukuriant plazmą ir atskiriant elektronus nuo teigiamai įkrautų jonų. Lazerio impulso atskirti neigiami ir teigiami krūviai sukuria itin stiprų elektros lauką. Tinkamoje vietoje įterpti papildomi elektronai stumiami per šį lauką įkandin plazmos bangos ir įgreitinami tūkstančius kartų sparčiau, nei tai vyksta įprastuose greitintuvuose.

Praėjus daugiau nei dešimčiai metų nuo Dawsono ir Tajima'o idėjos paskelbimo, Dawsono kolegos iš UCLA, Chandrashekhar Joshi, vadovaujama grupė sugebėjo šią idėją įgyvendinti praktiškai, pagreitindama įterptus elektronus iki 7 megaelektronvoltų vos per keletą milimetrų. Tačiau tuo metu lazeriai buvo santykinai silpni, ir jie sumąstė, kad, norint pasiekti didesnes energijas, būtų geriau įprastu greitintuvu sukurtu elektronų srautu kurti plazmą, padalinti ją ir įgreitinti. Taip didžioji elektronų energijos dalis būtų sunaudojama kilvaterio sukūrimui, gi likę elektronai jame būtų įspartinami. „Greitai žmonės suprato, kad lazeris iš viso nereikalingas,“ sako Assmanas.

Momento auginimas

Iššūkį perėmė greitintuvų mokslininko Roberto Siemanno vadovaujama Stanfordo Linijinio greitintuvo centro (Stanford Linear Accelerator Centre – SLAC) Kalifornijoje komanda. 2005 m. ji jau pademonstravo, kad dalis turimo greitintuvo elektronų gali įgauti 3 GeV per 10 centimetrų. Po poros metų pademonstravo 15 kartų didesnį energijos išaugimą trumpesniame nei metro atstume – beveik 10 000 kartų didesnį pagreitį, nei LHC. „Šis rekordas tebesilaiko,“ sako Joshi, kurio UCLA grupė su SLAC atliko eksperimentą. „Bet tai nėra fundamentali riba.“

„Vienas plazmos impulsas LHC įgreitinimo tempą viršijo 10 000 kartų”

Toks staigus pagreitinimas apnuogina ir keletą kyšančių kliuvinių. Nors maksimali energija – svarbu, tačiau ne menkiau svarbu panašų pagreitį suteikti visoms dalelėms. Assmano manymu, plazmos greitintuvų sukeliamas energijos pasiskirstymas yra 10 kartų per platus, o tai apsunkintų dalelių susidūrimų interpretavimą. Tuo tarpu Joshi nerimauja dėl patikimumo. „Dalelių greitintuvai tokie dideli ir brangūs ne šiaip sau,“ sako jis. „Lygiai kaip paspaudę elektros jungiklį namie tikimės šviesos, taip dalelių greitintuvai turi veikti kelias savaites be sustojimo 24/7.“

Vienu iš patikimumo barjerų gali tapti maksimaliai energijai pasiekti nuosekliai surikiuoti lazeriai ar elektronų impulsai. Nebent, aišku, būtų naudojamas AWAKE – su protonais eksperimentuojančio tarptautino CERN sandarbio – būdas, kur greta elektronų skrieja protonai. Į plazmą pasiųsti protonai generuoja galingą kilvaterį, kuris įterptus elektronus įgreitina vienu smūgiu. „Nereikėtų kelių stadijų, kurios komplikuoja spindulį,“ sako projekto vadovė Edda Gschwendtner.

Bet net ir tokiu atveju elektronų įgreitinimas tėra pusė dėlionės. Kad visa susidūrimo energija būtų panaudojama naujų medžiagų kūrimui, elektronai turi būti sudaužiami ne su kitais elektronais, o su jų antimedžiaginiais atitikmenimis – pozitronais. O su šiais žaidimo taisyklės visai kitokios. „Įterpus pozitronus ten pat, kur būtų įterpiami elektronai, jie būtų ne greitinami, o stabdomi.“ 2004 metais Joshi'o UCLA grupei pavyko įgreitinti pozitronus, panaudojus pozitronų spindulį tiek plazmos kilvaterio kūrimui, tiek kaip greitinamų dalelių šaltinį, bet netgi jis pripažįsta, kad pozitronų greitinimo progresas „gerokai atsilieka“ nuo elektronų greitinimo pasiekimų.

O kol kas plazmos greitintuvai gali atrasti ir greitesnį praktinį panaudojimą. Be jokio susidūrimų kūrimo, kompaktiški greitintuvai galėtų pažangius vėžio radioterapijos būdus padaryti labiau prieinamus. Be to, jais būtų galima tirti naujas medžiagas, ar ieškoti paslėptų sprogmenų. Tiesą sakant, tokie plazminio greitintuvo panaudojimo būdo galėtų pasirodyti jau vos po penkių ar dešimties metų, sako Gschwendtner.

Kaip bebūtų, dalelių fizikos ateitis vilioja. Anksčiau šiais metais, pasinaudodama lazerių technologijos proveržiu, Berkeley laboratorija Kalifornijoje, 20 centimetrų plazminiame greitintuve 850 trilijonų vatų lazeriu pasiekė beveik 8 GeV energiją.

Tokie skaičiai turėtų priversti susimąstyti: energijos, prilygstančios LHC, galėtų būti pasiekiamos trumpesnėje, nei poros šimtų metrų trasoje, o ne dabar naudojamuose maratoniniuose atstumuose. Pasvėrus naujos technologijos tobulėjimo tempą su 30 ar panašiai metų, kol būtų pastatytas naujos kartos apskritiminis greitintuvas, plazminiai greitintuvai atrodo visai tinkamas dalelių fizikos ateities variantas, sako Assmanas. „Tokiu laiko masteliu galėtume turėti gerą alternatyvą.“