Foto: ALEXOVICSATTILA/GETTY IMAGES

Jugoslavija je od osnivanja bila članica CERN-a, jednog od krucijalnih poduhvata ljudskog roda. Kasnije je napustila projekat, a za njene nasljednice danas je pitanje prestiža i političke budućnosti da se tamo vrate

Protekle su 63 godine od osnivanja CERN-a, 34 od otkrića W I Z bozona, 25 godina od izgradnje CMS detektora i pet godina od otkrića Higgsovog (Higzovog) bozona, međutim, ovi nazivi ne znače mnogo većini običnih građana naše zemlje te bude asocijacije samo nekima.

Iza naziva CERN krije se akronim za Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (Evropska organizacija za fundamentalna istraživanja), koji je smješten u Ženevi. Ovo je praktično najveća svjetska naučna institucija, a u njenom osnivanju 1953./1954. godine učestvovala je i Jugoslavija. Nažalost, Jugoslavija izlazi iz projekta CERN šezdesetih godina prošlog vijeka. Supotpisnici ulaska Jugoslavije u projekat CERN bili su Ivan Supek i Pavle Savić, a u početku je bila značajna članica. Čini se da je Aleksandru Rankoviću, tadašnjem šefu policije, ovaj projekat bio interesantan s političko-vojne strane te će on postati i šef Savezne komisije za nuklearnu energiju. Međutim, krajem šezdesetih godina, nakon afere Ranković dolazi do disolucije ove komisije.

Pola vijeka nakon ovoga, zemlje nastale raspadom Jugoslavije ulaze ili se bore ući u projekat CERN. Politički gledano, ulazak u kolaboraciju CERN veoma je bitan za zemlje ovog područja jer je to pozitivan znak spremnosti tih zemalja za ulazak u Europsku uniju. Praktično, u naučnim i političkim krugovima EU  smatra se kako ulazak neke zemlje u CERN, recimo u CMS projekat, predstavlja jednom nogom ulazak i u EU.  Veoma bitan faktor ulaska Hrvatske u EU bila je i kolaboracija sa CERN-om, koja je nastala pod inicijativom CERN-ovog uposlenika profesora Daniela Denegrija. Crna Gora je prije mjesec dana primljena u jedan od CERN-ovih eksperimenata, u CMS. Naša zemlja također pokušava oformiti tim. Nažalost, političari ovih malih zemalja slabije shvataju značaj ulaska u CERN.

Zašto se hadroni sudaraju?

U sklopu CERN-a, odvija se nekoliko značajnih projekata, od kojih je danas najaktivniji i najpoznatiji CMS (The Compact Muon Solenoid, tj. Kompaktni muonski/mionski solenoid). Osim CMS-a, tu su i projekti LHCb (LHC-beauty), ALICE, ATLAS, TOTEM I MOEDAL. Osnovu istraživanja u CERN-u predstavlja istraživanje onoga što se događa u podzemnom tunelu koji prolazi kroz Švicarsku i Francusku, poznatog kao LHC (prema Large Hadron Collider, tj. Veliki hadronski sudarač). Ovdje treba zastati i objasniti šta su to hadroni i zašto bi iko poželio da se oni sudaraju.

Istraživanja CERN-a spadaju u domen fizike visokih energija, što je naziv za jedan način proučavanja subatomskih čestica – čestica manjih od atoma. Dakle, fizika visokih energija spada u fiziku čestica, a ime je dobila po tome što, da bi se čestice manje od atoma dobile, mora doći do sudara nekih većih čestica pri određenim energijama sudara. Kolike će se energije koristiti u sudarima ovisi o tome šta se želi posmatrati i mjeriti, a energije u ovoj grani fizike ne mjere se vatima niti kilodžulima, nego posebnom jedinicom koja se zove elektronvolt. Naime, spomenute standardne veličine za energiju nisu adekvatne za mjerenja u oblasti fizike čestica, nego se koriste za mjerenje makroskopskih fenomena. Kako je elektronvolt (eV) makroskopski veoma mala jedinica (ali velika u svijetu čestica), koriste se i veće, poput kiloelektronvolt (keV), megaelektronvolt (MeV) ili teraelektronvolt (TeV). Zato se fizičare iz ove oblasti često može čuti kako spominju “keve”, “meve” i “teve”. Čestice se mogu proučavati i na niskim energijama, ali su fokus CERN-a istraživanja čestica na visokim energijama.

Objasniti šta je to čestica, malo je teže. Najlakše bi bilo reći da je čestica najmanji dio materije, što je vrlo uprošten pokušaj objašnjenja što je to atom. Atom uistinu spada u čestice, ali nije nedjeljiv, nego se sastoji od manjih struktura koje zovemo protoni, neutroni i elektroni. Kada se početkom 20. stoljeća ustanovilo da se protoni i neutroni nalaze u središtu atoma, tzv. nukleusu, a elektroni kruže oko tog središta, nije se moglo pretpostaviti da, osim razlika u masi i naboju, postoji još jedna bitna razlika između protona i neutrona na jednoj i elektrona na drugoj strani: naime, pokazat će se kako se protoni i neutroni sastoje od još manjih čestica, koje će američki fizičar Murray Gell-Mann nazvati kvarkovi, dok se elektroni ne sastoje iz manjih čestica, nego su to elementarne čestice.

Kompozitne čestice

Također, i kvarkovi iz kojih se sastoje protoni i neutroni predstavljaju elementarne čestice, povezane u triplete pomoću interakcija sa jednom drugom vrstom čestica koju će naučnici nazvati gluoni. Dakle – neutroni i protoni se sastoje od kvarkova, i to samo dva tipa kvarkova od mogućih šest, i gluona. Čestice koje se, poput protona i neutrona, sastoje od još manjih čestica, nazivamo kompozitne čestice te, prema tome, i atomi spadaju u kompozitne čestice. Međutim, protoni i neutroni su, pošto su to subatomske strukture, klasificirani kao kompozitne čestice zvane hadroni. Kako se u CERN-u proučavaju sudari hadrona i šta u tim sudarima nastaje, tako se i ovaj akcelerator i sudarač čestica zove “hadronski”. Sami hadroni dijele se na dvije podgrupe čestica: barione i mezone. Upravo u barione spadaju protoni i neutroni, a njihova je karakteristika da se sastoje od tri kvarka (i gluona), dok se mezoni sastoje od para kvark-antikvark. Antikvarkovi su čestice koje predstavljaju antimaterijski pandan određenom kvarku. Kada se radi o hadronima, spominju se i rjeđe čestice poput tetrakvarka i pentakvarka koje se sastoje od četiri, odnosno pet kvarkova.

Spomenuti elektroni te šest tipova (flavors, “okusa”) kvarkova i gluoni spadaju u elementarne čestice, ali nisu sami: osim njih, u elementarne čestice spada i niz vrsta bozona, poput fotona, gluona, W I Z bozona, Higgsovog bozona te nekoliko vrsta lakih čestica, srodnih po svojstvima elektronu koje se zovu skupnim imenom leptoni (grč. “leptos” znači lagan), a u koje, osim elektrona, spadaju muoni (mioni) i tau čestice te tri vrste neutrina: elektron-neutrino, muon-neutrino i tau-neutrino.

Čestična menažerija

Kako bi se lakše imao uvid u ovaj komplicirani skup različitih čestica, koji ponekad s pravom nazivaju i “zoo-vrt čestica” ili “čestična menažerija” (particle zoo), morao se pronaći sistem koji će uvesti malo reda i klasificirati ove pojave. Taj sistem je nastajao postepeno i u današnjem vidu postoji od sedamdesetih godina prošlog vijeka, a zove se Standardni model (SM). Zapravo, radi se o teoriji koja ujedinjuje tri od poznate četiri fundamentalne sile: elektromagnetnu silu te slabe i jake interakcije. U ovom modelu i klasifikaciji čestica one su podijeljene prema određenim svojstvima koja se objašnjavaju matematički. Tako jedna klasa čestica nosi naziv fermioni (prema imenu naučnika Enrica Fermija), a tu spadaju svi kvarkovi (gornji, donji, strani, čarobni, vršni i dubinski kvark) te svi leptoni (elektron, tau, muon/mion i tri vrste neutrino čestica). Drugu klasu čine čestice zvane bozoni (prema imenu indijskog fizičara Satyendre Nath Bosea). Ako ne bismo htjeli ulaziti u kompleksna matematička objašnjanja i statistike koje determiniraju da li je neka čestica fermion ili bozon, rekli bismo da se fermioni ponašaju kao veliki individualisti i sebičnjaci jer dva fermiona ne mogu biti u istom kvantnom stanju u isto vrijeme i na istom mjestu. Međutim, bozoni su više “komunisti” i “vole” biti zajedno u istom kvantnom stanju.

Detekcija Higgsovog bozona kruna je rada na dokazivanju kako je Standardni model ispravan, međutim, tu nije kraj: LHC nije jedini sudarač čestica na svijetu te su CERN i mnoge druge laboratorije širom svijeta, poput Fermilaba, primijetile određene anomalije, neke stvari koje Standardni model ne može objasniti, jednu vrstu procijepa u neku novu fiziku. To ne znači da Standardni model nije dobar, nego znači da je on tek fragment nečeg mnogo većeg.

Zapravo, kako objašnjava profesor Daniel Denegri, nakon detekcije Higgsovog bozona, veliki pomak u fizici značilo bi otkriće razloga asimetrije između materije i antimaterije koje bi objasnilo zašto i kako danas ima mnogo više materije od antimaterije. Naime, u prvim trenucima nakon Velikog praska, ta asimetrija je bila veoma mala u korist materije, ali su se materija i antimaterija anihilirale (međusobno poništile), dajući fotone i ono malo materije što je preostalo nakon te anihilacije danas gradi praktično čitav nama poznat svemir. Traženje objašnjenja za ovaj fenomen bi možda dalo i proširenje Standardnog modela.

U potrazi za supersimetrijom

Program LHC uključuje nekoliko segmenata, nekoliko problema savremene fizike, poput traženja supersimetrije, s čime do sada fizičari nisu imali sreće, zatim učvršćivanje znanja o Higgsovom bozonu, razumijevanje dodatnih dimenzija, proučavanje mikrocrnih rupa, ispitivanje toga da li su kvarkovi uistinu elementarne čestice i već spomenuto ispitivanje prirode antimaterije. CERN se bavi i Teorijama dodatnih dimenzija prostora (extra dimensions). To su dimenzije koje implicira Teorija struna, a vrlo je zanimljivo jer bi se tada moglo pričati o zakonima ujedinjenja gravitacione sile s ostale tri sile u prirodi (jaka i slaba interakcija te elektromagnetska sila) što se još ne može objasniti. Neka od najvažnijih otkrića u fizici čestica koja su se desila na CERN-u su otkriće međudjelovanja čestica slabom nuklearnom silom, otkriće W i Z bozona, stvaranje antivodika te detekcija bozona koji je po svojim osobinama odgovarao pretpostavljenom Higgsovom bozonu. Upravo je Higgsov bozon čestica koja, uprošteno rečeno, drugim elementarnim česticama daje masu. No, masa kompozitnih čestica, poput protona i neutrona dolazi tek jednim malim dijelom od Higgsovog bozona jer je glavni “krivac” za masu ovih čestica postojanje jake interakcije, čiji su nositelji gluoni. Kvarkovi daju tek oko 1% mase protona.

Međutim, u komentarima portala često nailazimo na mišljenja da su fundamentalna istraživanja čestica nepotrebno rasipanje finansijskih sredstava. Običnom građaninu ova su istraživanja isuviše daleka i nerazumljiva te ne vidi direktnu i brzu korist od njih. Ovo mišljenje nije na mjestu – dovoljno je spomenuti kako je potreba za brzom komunikacijom unutar CERN-a dovela do stvaranja interneta, zahvaljujući naporima inženjera Tima Berners-Leea. Možda je razvoj visokotemperaturnih superprovodnika idući veliki poklon CERN-a svijetu. Također, bitno je napomenuti da je CERN ključna institucija koja je spriječila odljev mozgova iz Evrope u SAD.

Proučavanje interakcije čestica, događaja u prvim trenucima Velikog praska, simuliranje tih događaja te nastojanje razumijevanja fundamentalnih sila našeg kosmosa spadaju u krucijalne poduhvate ljudskog roda te stoga treba ustrajati na naporima približavanja ovih istraživanja široj javnosti, a naročito političarima.