Mokslo ir technologijų pasaulis

„Pasaulį vaizduoju kaip didelę simfoniją“, – sakė žymus lietuvių kompozitorius ir dailininkas Mikalojus Konstantinas Čiurlionis. Naujausi fizikų atradimai ir kosmologinės teorijos leidžia manyti, kad pasaulio struktūra primena labai harmoningą ir sudėtingą geometrinę figūrą.

E8 teorijoje darniai sąveikauja visos jėgos ir visos elementariosios dalelės. Jos autorius Garrettas Lisi pamėgino sujungti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją su kvantine teorija.

Higgso bozono atradimas 2012 metais – dar vienas svarbus elementas, papildantis šią kol kas hipotetinę struktūrą. Bet iš tiesų tai – bandymų suprasti Visatos struktūrą pradžia, nes kelių dalelių (atstovaujančių tamsiajai medžiagai) šiai ambicingai dėlionei – Visko teorijai – dar trūksta. Tad kas buvo atrasta CERN ir kas planuojama toliau?

Pasaulio aprašymui užtenka vos trijų dalelių

„Pirmiausiai buvo patvirtinta, kad standartinis modelis veikia puikiai. Antra, atrasta, kad Higgso bozonas yra kiek didesnės masės, negu planuota. Tai rodo, kad standartiniu modeliu viskas nesibaigs, ko ir tikėjosi fizikai. Yra net pasakymas – kad Higso bozonas nėra taškas, nagrinėjant elementarių dalelių pasaulį, bet siūlas, kurį patraukus, atsiveria naujos perspektyvos“, – LRT Televizijos laidoje „Mokslo ekspresas“ sakė prof. Juozas V. Vaitkus.

Reiktų priminti, kad standartinis modelis yra teorija, aprašanti stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę sąveikas bei fundamentaliąsias daleles, iš kurių sudaryta materija. Ši teorija remiasi kvantine mechanika ir specialiąja reliatyvumo teorija.

Elementariosios dalelės skirstomos į bozonus – sąveikos jėgų nešiklius ir medžiagos daleles – fermionus. Standartiniame modelyje fermionai savo ruožtu skirstomi į dviejų rūšių elementarius fermionus – leptonus (elektronus ir neutrinus) ir kvarkus. Higgso dalelė yra bozonas, kuriantis savo lauką. Todėl kitų dalelių masė priklauso nuo to, kaip stipriai jos sąveikauja su visur esančiu Higgso lauku.

Norint aprašyti mus supantį pasaulį, užtenka trijų dalelių: elektronų, protonų ir neutronų. Tačiau nagrinėjant įvairius ekstremalius virsmus Visatoje, branduolines reakcijas, tenka pasinaudoti kitomis dalelių šeimomis. Antai aiškinant, kaip iš vandenilio debesies formuojasi žvaigždės, įskaitant ir mūsų Saulę.

„Norint iš vandenilio gauti energijos, jį reikia labai stipriai suspausti, kad dėl vadinamos silpnosios sąveikos (kurioje veikia bozonai) dalis vandenilio atomą sudarančių protonų pavirstų neutronais. Tada pradeda veikti kitos dalelės, vadinamos gliuonais. Neutronams ir protonams jungiantis, susidaro helio atomai ir išsiskiria daug energijos. Taip veikia ir mūsų Saulė“, – pasakoja J. V.Vaitkus.

Tamsiosios medžiagos pėdsakų beieškant

Už tai, kad mūsų planeta nepabėga nuo Saulės, turime padėkoti gravitacinei sąveikai, nepatenkančiai į Standartinio modelio rėmus. Gravitacinių bangų ir šios sąveikos jėgos nešiklių – gravitonų tyrimas yra vienas iš ateities iššūkių.

„Pasibaigus pirmajai tyrimui fazei 2013 metais, pagrindinės jėgos buvo mestos gautų duomenų analizei ir parengti naujus duomenis antrajai eksperimentų fazei. Taip pat ketinama atnaujinti didžiąją greitintuvo dalį, jo infrastruktūrą. Darbo yra labai daug. Kitų metų pradžioje pradėsime antrąją eksperimentų fazę. Kovo mėnesį pradėsime darbus, ir tirsime mūsų naujai atrastos dalelės, Higso bozono, savybes“, – „Mokslo ekspresui“ teigė CERN generalinis direktorius prof. Rolfas-Dieteris Heueris.

Stipriai padidinus greitintuvo energijas, tikimasi aptikti naujų reiškinių ir dalelių. Galbūt net tamsiosios medžiagos pėdsakų. Pavyzdžiui, jeigu po dviejų protonų pluoštų susidūrimo dalis energijos dingtų, tai reikštų, kad susidarė dalelės, kurių detektoriai nesugebėjo užfiksuoti.

Kol kas bene geriausias juodosios medžiagos egzistavimo įrodymas matomas yra kosmose už 3,5 mlrd. šviesmečių. Tai – Kulkos spiečius (angl. Bullet cluster). Susidūrus dvejiems galaktikų spiečiams, karštų tarpžvaigždinių dujų debesų sąveika išskiria rentgeno spindulius, pažymėtus rožine spalva. Juodosios medžiagos gravitacija iškreipė antrame plane esančių objektų šviesą, todėl ji nuspalvinta mėlynai.

„Tikimės, kad padidinus greitintuvo energijas, sugebėsime atverti pirmąjį langą į tamsiąją visatą. Juk mes nesuprantame 95 proc. Visatos. Juodosios energijos, juodosios materijos. Pats laikas įžengti į tamsiąją visatą“, – tvirtina CERN generalinis direktorius.

Padės suprasti, kodėl išnyko antimedžiaga

Netoli Ženevos veikiančiame komplekse po žeme sumontuoti keturi didžiuliai detektoriai. Dviejų pagrindinių, vadinamų „Atlas“ ir CMS, svarbiausias uždavinys buvo surinkti Higgso bozono egzistavimo įrodymus.

„Kitas žingsnis – spręsti tas problemas, kurias iškėlė astronomai. Jie nustatė, kad galaktikos ir jų telkiniai žymiai sunkesni, negu juose yra medžiagos. Tiek žvaigždžių, tiek dujų pavidale. Todėl jie padarė prielaidą, kad turi egzistuoti tamsioji medžiaga“, – aiškina J. V.Vaitkus.

Deja, ji sudaryta iš dalelių, kurių negalima pamatyti, naudojant elektromagnetinę spinduliuotę. Tad ką daryti? Jas tiesiog reikia suskaidyti į žinomas daleles ir iš tų pėdsakų rekonstruoti suskilusių dalelių savybes. Tačiau tam, vaizdžiai sakant, reikia kur kas stipresnio plaktuko.

„Reikia padidinti lekiančių dalelių energiją. Šiuo metu vyksta viso greitintuvo rekonstrukcija. Dėl to vieno protonų srauto energija pasieks maždaug 7 TeV (teraelektronvoltus). Susidaužiančios dalelės išskirs dvigubai didesnę – 14 TeV. energiją“, – skaičiuoja J. V.Vaitkus.

Ne mažiau įdomūs ir fundamentalūs eksperimentai planuojami, naudojant kitus du detektorius. Antai detektorius ALISA analizuoja švino branduolių susidūrimo pasekmes. Tai būdas sužinoti, kaip atrodė ką tik gimęs pasaulis.

„ALISA – patobulintas jonų susidūrimo įrenginys, kuriame numatoma nagrinėti, kokia medžiaga susidarė Visatoje Didžiojo sprogimo metu. Greitintuve naudojami švino branduoliai, kurie susidauždami sukuria sąlygas, egzistavusias Visatos sprogimo pradinėje fazėje. Šiuo metu paskelbta, kad ta medžiaga turėjo tam tikrų skysčio savybių“, – sako J. V.Vaitkus.

Eksperimentas, naudojant detektorių LHC, turėtų padėti mokslininkams suprasti, kodėl mūsų pasaulis sudarytas tik iš medžiagos. Po Didžiojo sprogimo Visatoje buvo po lygiai medžiagos ir antimedžiagos, bet netrukus antimedžiaga išnyko. Kodėl? Šią mįslę tikimasi įminti, ištyrus kai kurių kvarkų elgesį.

Eksperimentai – netikėčiausiose pasaulio vietose

CERN eksperimentus, siekiant suprasti Visatos struktūrą ir jos atsiradimo aplinkybes, papildo kiti projektai. Panašių unikalių, milžiniškų įrengimų galima rasti įvairiose pasaulio vietose, netgi mūsų planetos ašigaliuose arba giliai po žeme.

„Vienas iš tokių intrigą skatinančių eksperimentų – Andų kalnuose įrengta Pjero Ože kosminių spindulių tyrimo laboratorija. Iš kosmoso atlekiančios dalelės yra daug milijardų kartų didesnės energijos, negu tai, ką galima sukurti Žemėje. Nagrinėjant šių kosminių spindulių sąveikos pėdsakus Žemės atmosferoje, matosi energijos, kuriose galima tikėtis kažko, ko dar nežinome. Kitas kelias – labai efektingas eksperimentas Pietų poliuje. Naudojant netoli Amundseno stoties pastatytą radioteleskopą, nagrinėjami mikrobangų poliarizacijos ypatumai visoje dangaus sferoje“, – teigia J. V.Vaitkus.

Tyrimo metu pavyko gauti pirmuosius įrodymus, kad gravitacinės bangos egzistuoja ir jų pėdsakai yra Visatoje sklindančioje spinduliuotėje. Šis atradimas įkvėpė teoretikus detaliau analizuoti procesus, vykusius Didžiojo sprogimo metu.

Tobulėjimui ribų nėra

Prie CERN gimimo ir jo sėkmingos veiklos jau ne vienerius metus prisideda Lietuvos fizikai ir kitų specialybių mokslininkai.

„Lietuvių dalyvavimas CERN prasidėjo dar tuo metu, kada greitintuvo konstravimas nebuvo baigtas. Tuos darbus pradėjo prof. J. Poželos grupė 1993 metais. Buvo sprendžiami uždaviniai, kokią įtaką gali daryti elektronikai ta apšvita, kurią sukuria susidaužiantys protonų pluoštai. Į tą uždavinių ratą įsijungėme mes, nagrinėjant, kokios medžiagos geriausiai tiktų toms elementariųjų dalelių trajektorijoms registruoti“, – prisimena J. V.Vaitkus.

Pirmasis pasirengimo darbams etapas baigėsi 1998 metais, kai buvo priimti sprendimai, koks turi būti didysis hadronų greitintuvas. Tai, kad detektorių gamybai pasirinktos medžiagos po penkerių metų darbo subyrės nuo radiacijos poveikio, paskatino ieškoti būdų, kaip tuos detektorius patobulinti.

J. Vaitkaus žodžiais, tada buvo iškeltas uždavinys – tobulinti medžiagas, kad detektoriai veiktų greičiau ir būtų atsparesni radiacijai.

„2002 metais buvo suburta tarptautinė komanda, į kurią patekome ir mes“, – priduria profesorius.

Medžiagas gamina technologai, tačiau mokslininkai jiems teikia siūlymus, kokios medžiagos geriausios. Jie nagrinėja, kaip įvairios priemaišos, tokios kaip deguonis, keičia kristalinės gardelės stiprumą.

J. V.Vaitkus pasakoja, kad jie nagrinėja procesus, kurie vyksta tuo metu, kai puslaidininkis yra sužadinamas labai trumpais šviesos impulsais. Stebi, kaip pasikeičia jo savybės. Anot jo, pagal tai galima spręsti, ar medžiaga pagerinta, ar pabloginta įvairių technologinių procesų apšvitos metu.

Per dešimt metų šios programos vykdytojams pavyko maždaug penkis kartus pagerinti detektoriuose naudojamos medžiagos parametrus. Tačiau tobulumui ribų nėra, tad programos kolektyvas kas pusę metų susirenka pasitarti dėl naujų tyrimų krypčių.

„2004 metais CERN ir Lietuva pasirašė mokslo bendradarbiavimo sutartį. Šita sutartis atvėrė platesnes galimybes dalyvauti visoms Lietuvos tyrėjų grupėms“, – sako J. V.Vaitkus.

Straipsnyje apie Higgso bozono atradimą – penkios lietuviškos pavardės

Lietuvos informatikai dabar dalyvauja, apdorojant gautus milžiniškus duomenų kiekius. VU teorinės fizikos ir astronomijos instituto mokslininkai nagrinėja Higgso bozono savybes. Lietuvos mokslininkai dalyvavo, įvertinant CMS (Kompaktinio miuonų solenoido) eksperimento rezultatus. Straipsnyje, kuriame paskelbta apie Higgso bozono atradimą, yra penkios lietuviškos pavardės.

„Atliekant minėtus tyrimus, kaip elgiasi medžiaga tuo metu, kai apšvitinama didele radiacijos doze, atradome įdomų efektą. Krūvininkų išnykimo trukmė tiesiogiai priklauso nuo to, kiek laiko puslaidininkis buvo apšvitintas. CERN tuos rezultatus puikiai įvertino ir mūsų paprašė, kad sukurtume prietaisą, kuriuo būtų galima stebėti visos aplinkos radiaciją“, – aiškina J. V.Vaitkus.

Habil. dr. Eugenijaus Gaubo komanda sukūrė prietaisą, skirtą viso CERN radiacijos stebėsenai atlikti, nes šis prietaisas pakeičia tris dabar naudojamus.

Bendradarbiauji geriausi pasaulio protai

Be abejo, CERN – tai visų pirma fundamentinio mokslo tyrėjų vieta. Šiais tyrimais nesiekiama praktinės naudos nedelsiant. Tačiau, kaip liudija ankstesnė patirtis, fundamentinis mokslas yra inovacijų variklis, kurie savo ruožtu skatina vystytis ir fundamentinį mokslą.

„Pasaulinis tinklas (www) buvo išrastas CERN prieš 25 metus. Tai pakeitė pasaulį. Greitintuvus galima naudoti medicinoje, pavyzdžiui, naikinant piktybinius auglius. Šiuo metu pasaulio ligoninėse veikia daugiau kaip 10  000 greitintuvų. Taigi mokslininkų sukurtos technologijos gali būti tiesiogiai naudojamos visuomenės reikmėms“, – sako R. D.Heueris.

Svarbu ir tai, kad tokie tarptautiniai projektai skatina idėjų kaitą ir viso pasaulio geriausių protų bendradarbiavimą. Šiuolaikinė vis spartėjanti mokslo ir technologijų pažanga – vienas iš mokslo tarptautiškumo rezultatų.

„CERN dirba apie dešimt – 11 tūkst. dalelių fizikos specialistų iš viso pasaulio. Tai – fundamentinio mokslo atstovai, tačiau jiems padeda daugybė inžinierių. Jie irgi yra mokslininkai, kadangi visos šios technologijos: kriogenika, elektronika, mechanika, Informacinės technologijos reikalauja įvairių sričių mokslininkų“, – vardija CERN generalinis direktorius.

Ir ne tik mokslininkų. Tai – vieta, kurioje ne tik dirbama, bet ir studijuojama.

„Mūsų biudžetas prilygsta didelio Europos, JAV arba Kanados universiteto biudžetui. Taigi tai nėra kuo nors išsiskiriantis biudžetas. Nereikia pamiršti, kad šiuo metu apie trys tūkstančiai doktorantų atlieka eksperimentus su didžiuoju hadronų kolaideriu. Tad mes iš tiesų panašūs į didelį universitetą. Manau, kad tokia yra ateitis įvairiose mokslo srityse“, – džiaugiasi R. D.Heueris.