Higsa bozona meklētāja 'biogrāfija': 10 posmi  (57)

Pārtraukums, ko zinātnieki dēvē par "lielo pauzi viens" jeb "LS1", esot nepieciešams, lai izlabotu Lielā hadronu paātrinātāja darbības laikā konstatētās kļūdas iekārtas konstrukcijā. Par šādu uzlabojumu nepieciešamību CERN ziņojusi jau vairākkārt, taču izlīdzējusies ar īsākām apkopēm.

Tūkstošiem zinātnieku savukārt šajā laikā būs ļoti aizņemti, veicot LHC uzlabošanu vai arī analizējot tā trīs gadus ilgušo eksperimentu datus.

Aptuveni 4,66 miljardus latu izmaksājusī ierīce ir viens no dārgākajiem zinātniskajiem instrumentiem, kāds jebkad uzbūvēts. Tā būvniecība prasīja aptuveni desmit gadus, turklāt izmaksās un būvniecības laikā nemaz netiek ieskaitīts 27 kilometrus garais un 175 metrus zem zemes esošais tunelis, kurā atrodas iekārta. Tunelis izrakts jau 1989.gadā citam daļiņu paātrinātājam (Lielā elektronu-pozitronu kolaidera), kuru demontēja 2000.gadā.

Portāls "Delfi" iepazīstina ar iemesliem, kāpēc šāda iekārta tapusi, un ko tā paspējusi paveikt:

Gandrīz gadsimtu fizikā valda divas galvenās teorijas - Einšteina vispārīgā relativitātes teorija, kas Visumu apraksta makrolīmenī, un kvantu lauka teorija, kas to apraksta mikrolīmenī. Starp šīm galvenajām teorijām gan pastāv vairākas pretrunas, kuras tā arī līdz šim nav izdevies atrisināt.

Zinātnieki saprata, ka nepieciešams izstrādāt teoriju, kas spētu apvienot visas četras iespējamās fundamentālās fizikālās mijiedarbības - stipro, vājo, elektromagnētisko un gravitāciju. Einšteins sava mūža pēdējos gados mēģināja izstrādāt vienotā lauka teoriju, kurā tiktu iekļautas tās visas, taču viņam nebija pieejams pietiekošs faktu materiāls.

20.gadsimta otrajā pusē fiziķiem izdevās izveidot tā saucamo Standartmodeli, kas apvienoja trīs no mijiedarbībām, taču izpalika gravitācijas jeb masas skaidrojums. Saskaņā ar patlaban iecienītāko teoriju, elementārdaļiņas iegūst masu, saskaroties ar par Higsa bozoniem dēvēto daļiņu lauku. Nekādu eksperimentu to atklāšanai gan agrāk nebija izdevies izveidot, jo tiem nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums, kādu varētu radīt un kontrolēt LHC.

Jaunākie astronomiskie pētījumi liecina, ka parastā matērija - galaktikas, gāzes, zvaigznes, planētas - aizņem vien 4% no Visuma, 23% izplatījuma ir tumšā matērija, bet 73% - tumšā enerģija. Fiziķi domā, ka LHC ļaus uzzināt vairāk par šo noslēpumaino matēriju un enerģiju, taču ir gatavi arī negaidītiem pavērsieniem.

Līdz ar zinātnieku lielajām cerībām, Eiropā un pasaulē auga arī eksperimenta pretinieku skaits. Daudzi uzskatīja, ka izmēģinājuma laikā varētu atbrīvoties tik daudz enerģijas, ka rastos nekontrolējams melnais caurums, kas aprītu visu Zemi.

LHC projekta ideja CERN radās jau 1984.gadā, taču projektu apstiprināja tikai aptuveni pēc desmit gadiem. LHC izbūvi uzsāka 2001.gadā bijušajā Lielā elektronu-pozitronu kolaidera 27 kilometru garajā apļveida tunelī.

Tunelī, kurš atrodas zem Francijas un Šveices robežas, LHC izbūvēts 175 metrus zem zemes un galvenokārt sastāv no vairāk nekā 10 000 cilindriskiem magnētiem. Ar to palīdzību zinātnieki pa tuneli "stūrē" protonu plūsmas. Viņu mērķis ir paātrināt divas pretējos virzienos plūstošas protonu plūsmas līdz gaismas ātrumam un, kad protoni pa tuneli "apskrien" aptuveni 11 000 apļu sekundē, likt abām plūsmām sadurties. Netālu esošie jaudīgie uztvērēji savukārt reģistrētu sadursmes rezultātu.

Pirmie "sagatavošanas izmēģinājumi" notika 2008.gada vasarā, kad lādētu daļiņu kūlis pārvarēja vairāk nekā 3 kilometrus pa vienu no LHC lokiem, kas nozīmēja daļiņu priekšpaātrinātāja sinhronizācijas veiksmīgu pārbaudi. Pavisam drīz pēc tam - tā paša gada 10. septembrī - LHC tika iedarbināts un notika pirmais izmēģinājums - protonu cirkulācijas pārbaude galvenajā tunelī.

Tikai nedēļu pēc LHC iedarbināšanas elektrības padeves traucējumu dēļ CERN uz laiku apturēja Lielā hadronu paātrinātāja darbību. Zinātnieki skaidroja, ka elektrības padeves traucējumi ir ietekmējuši paātrinātāja dzesēšanas sistēmas darbību, taču solīja LHC darbību atjaunot dienas laikā.

Vienlaikus viņi norādīja, ka paātrinātājs ir tikai izmēģinājumu iedarbināšanas stadijā, un tā kā LHC ir ļoti sarežģīta iekārta, tā darbības apturēšana ir pilnīgi normāla.

Nākamajā dienā tas iedarbināts, bet pamanīta cita problēma - vairāku tonnu šķidrā hēlija noplūde, kas sabojāja vairākus magnētus un vakuuma tuneli padarīja nederīgu eksperimentiem. Tuneļa temperatūra ir -267 grādi pēc celsija, tāpēc remontam (sasildīšanai, problēmas novēršanai un atdzesēšanai) tika ieplānoti vairāki mēneši.

Pasaulē lielākā zinātniskā instrumenta iedarbināšana vairākkārtēju remontdarbu un drošības apsvērumu dēļ galu galā tika atlikta līdz pat 2009.gada novembrim.

Teju gadu pēc ķibeļu rašanās, parādījās baumas, ka sarežģītajā Lielā hadronu paātrinātāja iekārtā atrasts franču maizes gabals, kas izsaucis temperatūras paaugstināšanu divos tā sektoros un tādējādi bijis iemesls liktenīgajam īssavienojumam.

CERN patiešām uz 14 mēnešiem bija spiesta pārtraukt LHC darbību dažādu kļūmju dēļ, kuras aizsāka neizprotama temperatūras paaugstināšanās paātrinātāja magnētos, turklāt atzina, ka bojātajā fragmentā atrasts neliels maizes gabaliņš. Tajā pat laikā organizācijas pārstāvji noliedza, ka tas ir iemesls ilgstošajiem remontdarbiem.

CERN pārstāve Kristīne Satona vēlāk pieļāva, ka maizes gabalu iekārtā varēja iemest kāds putns.

Īsi pirms plānotās LHC atkārtotās iedarbināšanas 2009.gada oktobra vidū Francijas varas iestādes paziņoja, ka izvirzījušas sākotnējas apsūdzības terorismā kādam fiziķim, kurš strādājis CERN.

Kāds 32 gadus vecs alžīriešu izcelsmes Francijas pilsonis tika arestēts Vjennas pilsētā un vēlāk stājies tiesas priekšā Parīzē, kur viņam izvirzīta apsūdzība par "noziedzīgu saistību ar teroristisko grupējumu". Pēc izmeklēšanas versijas, vīrietis internetā sazinājies ar pazīstamiem "Al Qaeda" vervētājiem.

Franču specdienesti atklāja, ka, komunicējot ar kaujinieku vervētājiem, fiziķis izteicis vēlmi īstenot uzbrukumus Francijā.

Viņš veicis eksperimentus CERN galvenajā mītnē uz Francijas un Šveices robežas, kur atrodas arī LHC. Pēc vīrieša aresta CERN gan paziņoja, ka zinātnieks savā darbā nesaskārās ne ar ko, ko varētu izmantot terorismā.

Paātrinātājs no jauna tika iedarbināts 2009. gada 21. novembrī, kad zinātniekiem atkal izdevies palaist daļiņu kūļus pa daļiņu paātrinātāju.

Jau pēc trim dienām zinātnieki pasaulei paziņoja, ka LHC notikusi pirmā protonu kūļu sadursme. "Tas ir liels sasniegums tik īsā laikā," toreiz sacīja CERN ģenerāldirektors Rolfs Heiers, "taču mums vēl ir daudz darāmā, pirms mēs varēsim sākt LHC programmu."

"LHP tika pirmo reizi vienlaicīgi pretējos virzienos palaisti divi kūļi, ļaujot operatoriem veikt kūļu sinhronizācijas testus un sniedzot pirmo iespēju sagaidīt protonu un protonu sadursmes," teikts CERN paziņojumā. Pirmā protonu sadursme tika fiksēta detektorā "Atlas", un pēc tam sadursmes tika fiksētas trīs pārējos detektoros "CMS", "Alice" un "LHCb".

Vēl pēc nepilnas nedēļas jau tika ziņots par LHC sasniegto pasaulē augstāko daļiņu paātrinājumu, paātrinot protonu kūļus līdz 1,18 TeV lielam enerģijas līmenim. (TeV jeb teraelektronvolts jeb triljons elektronvoltu ir līdzvērtīgs lidojoša oda enerģijas līmenim, taču CERN vēlas galu galā sasniegt septiņu teraelektronvoltu spēku.)

Decembra sākumā zinātniskā instrumenta darbība īslaicīgi tika apturēta, jo Šveices pusē ārēju apstākļu dēļ bijuši elektrības padeves traucējumi. Tie gan ātri novērsti.

Drīz pēc ikgadējās ziemas apkopes 2010. gada pavasarī CERN paziņoja, ka LHC būvniecībā pieļautās kļūdas ar plānoto jaudu tam neļaus darboties vēl tuvāko divu gadu laikā.

Lai gan jau tad būtu sasniedzama rekordliela jauda septiņu triljonu elektronvoltu apmērā, lai notiktu protonu kūļu sadursmes eksperimenti, nepieciešama divreiz lielāka - 14 triljonu elektronvoltu - jauda. Līdz ar to tika paziņots, ka tunelī nepieciešami profilaktiskie darbi, kurus plānots sākt 2011. gada beigās.

Septiņu triljonu elektronvoltu jauda tika sasniegta jau pavisam drīz, un marta beigās notika arī pirmie protonu kūļu sadursmes eksperimenti šajā ātrumā.

Gadu vēlāk zinātniekiem izdevās sasniegt citu jaunu rekordu - labot paātrinātājos jebkad uzrādīto spožuma rekordu. CERN skaidroja - jo augstāka spožuma pakāpe jeb protonu apjoms, kas sekundes laikā izlido cauri protonu kūlim, jo augstāks daļiņu sadursmju līmenis un jo ātrāk zinātnieki iegūst nepieciešamo informāciju. Pagājušogad sasniegtais spožuma rekords bija 2 × 10³², kas nu ir palielināts līdz 2,5 × 10³².

Vēl pēc mēneša LHC sasniedza jaunu protonu kūļa blīvuma rekordu. Tā kā kūļa intensitāte ir atslēga veiksmīgajam paātrinātāja darbam, tas ir ļoti svarīgs sasniegums, tobrīd atzina CERN vadītājs Rolfs Hojers. Sasniegtais paātrinātāja protonu kūļa blīvums bija 4,67 × 10³² uz kvadrātcentimetru.

Matemātiķa Pītera Voita blogā 2011. gada aprīlī nezināms komentētājs ievietoja vienas no LHC "ATLAS" laboratorijas iekšējās sarakstes fragmentu. Tajā bija pausts, ka zinātniekiem izdevies novērot Higsa bozona jeb hipotētiskās elementārdaļiņas, kas nosaka visu citu daļiņu masu, sabrukšanas pēdas.

Sūtījumā pārējiem detektora "ATLAS" darbiniekiem ziņojuma autori analizēja datus par mikropasaules notikumiem, kas varētu liecināt par Higsa bozona eksistenci - divu gamma fotonu rašanos, kuros, iespējams, sadalās "vieglais" Higsa bozons, kura hipotētiskais svars ir 115 gigaelektronvolti uz gaismas ātrumu kvadrātā.

Ņemot vērā to, ka Higsa bozona meklējumi ir viens no mūsdienu fizikas un Lielā hadronu paātrinātāja galvenajiem uzdevumiem, šī informācijas noplūde izraisīja daudzu zinātnieku sajūsmu. CERN oficiālie pārstāvji šīs ziņas gan nodēvēja par nepamatotām baumām un paziņoja, ka tie ir tikai sākotnēji pētījuma rezultāti, kuri tālākajās pārbaudēs var negūt apstiprinājumu.

Eiropas kodolpētījumu organizācijas CERN zinātnieki, atkārtoti pārbaudot "ATLAS" laboratorijas savāktos datus, tā arī neatrada noslēpumainā Higsa bozona pēdas.

Pēc teju gadu ilga klusuma, LHC pētnieki paziņoja, ka fiksējuši jaunu elementārdaļiņas stāvokli - pamata ksi-bariona "ierosināto" stāvokli, kurā tas ir daudz smagāks nekā pamatstāvokli. Fiziķi pieļauj, ka var runāt par jaunas elementārdaļiņas atklāšanu, nevis tikai par zināmās daļiņas jauno stāvokli.

Barioni ir elementārdaļiņas, kas sastāv no trīs kvarkiem. Barioni ir protoni (divi augšējie u-kvarki un viens apakšējais d-kvarks) un neitroni (divi apakšējie d-kvarki un augšējais u-kvarks), kas veido atoma kodolu.

Ksi-barioni sastāv no viena augšējā vai apakšēja kvarka un diviem smagākiem kvarkiem. Neitrālais pamata ksi-barions sastāv no viena augšēja u-kvarka, viena "dīvainā" s-kvarka un viena pamata b-kvarka. "Dīvainais" un pamata kvarki ir negatīvi lādēti, to lādiņa lielums ir trešdaļa no elektrona lādiņa, bet augšējais kvarks ir pozitīvi lādēts, tā lādiņa lielums ir divas trešdaļas no elektrona lādiņa. Rezultātā daļiņa kopumā ir neitrāla.

Pamata ksi-barionu 2011.gadā atklājuši CDF pētnieku komandas fiziķi, kas strādā ASV ar Tevatrona paātrinātāju. Pētnieki izmērījuši, ka daļiņas masa ir 5787,8 mega-elektronvolti uz gaismas ātruma kvadrātu.

Tagad Eiropas kodolpētījumu centra CERN Lielā hadronu paātrinātāja CMS detektorā atklāts pamata ksi-barions "ierosinātā" stāvoklī, tas sastāv no tādiem pašiem kvarkiem kā ASV atrastais, taču tam ir lielāka enerģija un attiecīgi lielāka masa. Mērījumi Lielā hadrona paātrinātāja detektorā liecina, ka "ierosinātā" ksi-bariona masa sasniedz 5945,3 megaelektronvoltus. Tieši masu atšķirība ļauj fiziķiem spriest par jaunās daļiņas atklāšanu, nevis jaunā zināmas daļiņas stāvokļa fiksēšanu.

"Ierosinātais" pamata ksi-barions ir nestabils, tas gandrīz momentāni sadalās, veidojot protonu, divus mionus un trīs pionus. Dati par šo rezultātā palikušo daļiņu parametriem arī ļāvuši zinātniekiem izdarīt secinājumu par "ierosinātā" ksi-bariona rašanos.

Pērnā gada 4. jūlijā CERN zinātnieki Ženēvā paziņoja par jaunas elementārdaļiņas atklāšanu, kura atbilstot teorētiski izskaitļotajam Higsa bozonam.

Elementārdaļiņas, kura piešķir matērijai masu, eksistence līdz šim nebija eksperimentāli pierādīta. Tāpat zinātniekiem vēl jāpierāda, ka eksperimentā konstatētā daļiņa ir Higsa bozons.

"Laboratorijas "CMS dati norāda uz Higsa bozona eksistenci ar enerģiju 125,3 GeV un datu ticamību ļoti tuvu 99,999%. "ATLAS" dati norāda uz Higsa bozona eksistenci ar enerģiju 126,5 GeV un datu ticamību 99,999%. Tas nozīmē, ka ilgi meklētais Higsa bozons ir atklāts," pēc CERN paziņojuma vēstīja arī Latvijas Universitātes zinātniskā žurnāla "Terra 2,0" interneta vietne.

Vispārējas pārliecības par šo atklājumu zinātniekiem tomēr joprojām nav, tāpēc arī plānots turpināt pētījumus un pilnveidot pašu paātrinātāju.