S kolesom na lovu za osnovnimi delci

Za opis očem nevidnega sveta imamo standardni model – morda enega najlepših in najbolj genialnih izumov človeštva. Vse, kar vidimo, opiše teorija relativnosti – nič manj lepa in genialna. Toda teoriji ne govorita istega jezika, nista združljivi. Kako je to mogoče, ko pa je vse, kar vidimo, vse vesolje, sestavljeno iz istih osnovnih delcev?



V soparnem meglenem jutru s profesorjema Petrom Križanom in Boštjanom Golobom kolesarimo proti glavnemu detektorju pospeševalnika SuperKEKB. Prazna trikilometrska asfaltirana cestica sledi trasi predora štiri nadstropja pod našimi pedali, po katerem ta trenutek s skoraj svetlobno hitrostjo drvita dva roja osnovnih delcev: v smeri urnega kazalca z energijo 8 gigaelektronvoltov krožijo elektroni, v nasprotni smeri pa z energijo 3,5 GeV njihovi antidelci pozitroni.

Okolica med petminutno vožnjo od upravne zgradbe je zmes filmov Tarkovskega in Kurosawe: pogled pritegnejo betonske zgradbe iz sedemdesetih, ki jih zmagovalno ovija rastlinje, ter zaraščeni parki; divja narava, v kateri se tu in tam skrivajo utice za počitek in meditacijo znanstvenikov, kjer v naravi rešujejo uganke narave.

Roja nabitih delcev pod nami medtem vsako sekundo naredita sto tisoč trikilometrskih krogov in se pod silo magnetov zbirata v žarek, ožji od mikrometra. Dokler operaterji v nadzorni sobi žarkov ne usmerijo v skupno točko, kjer v detektorju čelno trčita. Moje kolo se nezmotljivo uklanja zakonom gravitacije, le nekaj metrov pod mano pa osnovni delci ubogajo povsem druge sile.

SuperKEKB je ime pospeševalnika oziroma trkalnika v Cukubi, mestu 70 kilometrov severno od Tokia. Že v prejšnji inkarnaciji med letoma 1999 in 2010 je bil svetovni rekorder po gostoti žarkov, po osemletnem remontu oziroma nadgradnji detektorja Belle II pa bo gostoto in s tem pogostost trkov (luminoznost) povečal še za štiridesetkrat.



»Trkalnik v Cernu žarek pospeši do rekordnih energij in išče nove delce na 'energijski fronti', SuperKEKB z detektorjem Belle II pa dosega rekordno gostoto trkov. S tem je najbolj zmogljiv pospeševalnik na 'intenzitetni fronti'. Njegova prednost, s čimer poseka tudi pospeševalnik v Cernu, je izjemna natančnost meritev,« razloži Peter Križan.
 

Čudovita teorija z napako

Zakaj sploh trkalnik? Kaj nam lahko pove silovit trk kopice nepredstavljivo majhnih delcev? »Standardni model, ki bi se sicer zaradi dovršenosti po mojem mnenju moral imenovati standardna teorija, je potrjen z nešteto poskusi – na nekaterih mestih do fantastične natančnosti. Po drugi strani pa vemo, da to ne more biti končna teorija, ker nekaterih pojavov ne opiše. Ne pojasni namreč temne snovi, odsotnosti antidelcev in gravitacije,« začne Križan.

Na začetku je bilo vesolje sestavljeno iz enakega števila delcev in antidelcev. A že v prvih trenutkih po velikem poku se je zgodila velika anihilacija in na 10 milijard delcev in 10 milijard antidelcev je ostal en sam delec. Kam so izginili in zakaj so bili redki »srečneži«, ki so ostali, le delci?

Ta nenavadnost, ki ji znanstveniki pravijo kršitev simetrije CP, je eden od razlogov, da gradimo pospeševalnike: ti namreč zmorejo ustvariti razmere, kakršne so vladale v zgodnjem vesolju, zato lahko znanstveniki med trki znanih delcev iščejo sledi neznanih – tistih iz zgodnjega vesolja, in v njihovih lastnostih skušajo najti odgovor na vprašanje, zakaj sploh smo. Saj če se veliko vzajemno izničenje ne bi zgodilo in delci ne bi »premagali« antidelcev, vse to, kar vidimo in kar smo, ne bi moglo obstajati.

Tu smo torej le zaradi tistega enega delca izmed milijarde drugih, ki so izginili. V pospeševalnikih skušajo znanstveniki pojasniti to uganko in prav ekipi, v kateri sta Križan in Golob, je z detektorjem Belle v pospeševalniku KEK uspelo dokazati del omenjene kršitve simetrije. Njihovi eksperimenti so potrdili teorijo Makota Kobajašija in Tošihideja Maskave, ki je japonskima znanstvenikoma prinesla Nobelovo nagrado, a večina asimetrije je še vedno zavita v skrivnost.




S prenovljenim pospeševalnikom nameravajo po Golobovih besedah v Cukubi izmeriti manjkajoče izvore kršitve simetrije. »Z novim detektorjem bi radi ujeli do 50 milijard parov mezonov in izmed teh izluščili približno 5000 razpadov mezonov B, iz katerih si obetamo detekcijo novih delcev in procesov, ki presegajo okvir znanega,« pove Golob.



In kako v pospeševalniku to dosežejo? »Elektrone in pozitrone postopoma v približno 20 minutah injektiramo v cevi, kjer potem s hitrostjo, tako rekoč enako svetlobni, krožijo po trkalniku. Pred točko, kjer se žarka križata in je nameščen detektor Belle II, gruče delcev z magneti močno stisnemo in s tem povečamo možnost trkov,« razloži Boštjan Golob, ki pri poskusih v Cukubi sodeluje že od leta 2001.
 

Vse polno snovi, ki je ni

Pospeševalniki bi nam torej lahko razkrili, kako je mogoče, da je v vesolju ostalo dovolj snovi za planete in galaksije in vesolja. Kaj pa druga siva lisa, ki jo poskušamo razsvetliti s pomočjo pospeševalnikov – temna snov in temna energija?

Naravnost osupljivo je, da je vsa množina zvezd in meglic in planetov, ki jih vidimo, ko zremo v nočno nebo, le drobec vsega, kar sestavlja vesolje. O vsem drugem tam zgoraj ne vemo nič. Ne samo mi, ljubiteljski opazovalci, tudi znanstveniki. »V vesolju poznamo samo pet odstotkov snovi. To je snov, iz katere smo sestavljeni mi, planet, galaksije, medzvezdni prah. Vemo pa, da sta v vesolju še temna snov in temna energija,« pove Križan.

Fiziki se tu znajdejo v nezavidljivem položaju: v zadnjih 150 letih so sestavili zares prekrasen in osupljivo natančen model, ki pa vsebuje le pet odstotkov vesolja. Temna snov, o kateri torej zanesljivo vemo samo to, da obstaja, je takšno temno ime dobila, ker ne reagira z nam znano snovjo na nobenega od načinov, ki jih poznamo iz interakcij med delci snovi; ne trči obnjo, ne vidimo je, ne zaznamo je z nobenim instrumentom. Ne znamo je detektirati na ravni standardnega modela, da obstaja, pa vemo zaradi splošne teorije relativnosti, saj vpliva na gibanje planetov in galaksij ter na pot svetlobe skozi vesolje.

Ker jo v vesolju potemtakem vidimo le posredno, do nas pa ne prileti, si znanstveniki obetajo, da bodo materialni dokaz o njenem obstoju dobili v pospeševalnikih, tako v Cernu kot v Cukubi. »V velikem hadronskem trkalniku bi pri trku dveh protonov lahko nastali znani delci, ki bi odleteli v eno smer, na drugi strani pa bi energije 'zmanjkalo'. Če v detektorjih ne bi izmerili nasprotno enakih gibalnih količin, bi to lahko pomenilo, da je nastalo nekaj, česar ne vidimo. Tradicionalno bi bil to lahko nevtrino, vendar znamo povedati, kdaj je to, česar ne vidimo, nevtrino, kdaj pa ne,« razloži Križan.

In to drugo, kar ni nevtrino, iščemo? »Tako v Cernu kot pri nas. Pri takšnem dogodku v našem pospeševalniku bi pri trku elektrona in pozitrona nastala dva fotona, eden od teh pa bi se iz navadnega spremenil v temni foton. Delec temne snovi pa ne reagira z detektorjem. Izmerili bi torej samo en foton in iz tega bi sklepali, da je na drugi strani nastala temna snov.«

Je mogoče, da na takšen način dokažemo temno snov, še vedno pa o njej ne bomo nič vedeli, ker je ne bomo zmogli detektirati? »Ni vse tako črno,« me potolaži Peter Križan. »Tako kot temna snov nastane, se lahko tudi pretvori nazaj v navadno snov. V takšnem primeru bi tako rekoč iz nič zaznali navadni delec in to bi bil spet dokaz temne snovi.«
 

Enotna teorija – sveti gral

A temne snovi še ne poznamo, razloga za prevlado delcev nad antidelci prav tako ne. Meja med kvantnim in makrosvetom pa je še vedno tako čudna, kot se je zdela Einsteinu pred stotimi leti. Medtem ko vsi drugi s trenutnim stanjem povsem lahko živimo, marsikateri znanstvenik išče in čaka na tretjo revolucijo v fiziki: na teorijo, ki bo povezala vse. Na tisti en prstan iz Tolkienove sage, ki bo razkril mehanizem, ki poganja kozmično uro, nam povedal, od kod prihajajo naravni zakoni in konstante ter ali je vesolje zgrajeno na kvantnem principu nedoločnosti ali pa je deterministično, kjer ima vsak dogodek svoj natančno določen začetek, kot predvideva relativnostna teorija.



Nam bo to uspelo s pospeševalniki in proučevanjem osnovnih delcev? Ali s teleskopi in opazovanjem ustroja vesolja? Ni nemogoče, da bodo fizikom na pomoč priskočili matematiki, ki skrivnost življenja in vesolja iščejo v številkah in enačbah. Morda dokaz prileti do nas iz črne luknje, kjer sta v enem divjem pojavu na skrajni preizkušnji tako relativnostna teorija kot standardni model, o čemer je pred kratkim v Znanosti pisala dr. Gabrijela Zaharijas v članku o nevtrinih.

Medtem ko se vsa ta znanost dogaja prav pod mojimi nogami, ko po tednu dni še zadnjič s kolesom prevozim cesto nad pospeševalnikom v Cukubi, razmišljam, ali je morda združitev dveh tako čudovitih teorij v eno le pikolovska potreba po pospravljenem stanovanju. Kaj pa če sta svet osnovnih delcev in svet kozmičnih razdalij tako različna, da ju ne moremo spraviti na isti imenovalec? Kaj če v resnici ne iščemo mostu, ampak reko? Še dobro, da znanstveniki ne obupajo tako hitro kot jaz. Prav zdaj lovijo kozmične delce v detektorje v tišini na orbitalni vesoljski postaji, globoko pod antarktičnim ledom in pod gorami. V pospeševalnikih pa ustvarjajo nove iz že znanih. Pri tem se najlepše pri življenju in vesolju sploh zdi to, da je sestavljeno tako, da ga očitno nikdar ne bo mogoče do konca razvozlati. Kot bi nekdo poskrbel, da nam nikoli ne bo dolgčas.