Fizica nucleara

Acceleratorul de particule LHC

1. Ce este un accelerator?2. Istoric3. Componente de baza4. Cum functioneaza5. Tipuri de acceleratoare6. La ce sunt intrebuintate 7. Unde exista acceleratoare de particule8. Componente de baza9. LHC

1. Ce este un accelerator?

O data cu patrunderea in lumea microcosmosului, cercetatorii au avut de intmpinat o situatie cu totul neobisnuita. Daca in lumea macroscopica, multe din informatiile asupra structurii obiectelor erau obtinute direct, prin observatii cu ochiul liber, explorarea structurii intime a materiei nu se putea face nici cu cele mai puternice microscoape.

Pentru studierea particulelor subnucleare, pentru investigarea proprietatilor fortelor nucleare, metodele care se folosesc si in prezent constau in principal din procese de ciocnire, prin bombardarea nucleelor cu particule dotate cu energii suficient de mari pentru a putea patrunde nucleele atomice. In acest fel studiind modalitatile in care are loc o interactie, in urma ciocnirii, se pot determina caracteristicile corpurilor care au luat parte, precum si a fortelor care intervin.

Desigur, pentru a putea efectua experiente in lumea subatomica sunt necesare instalatii in care sa fie produse particule-proiectil, apoi aceste particule sa fie organizate in fascicule de energii mari (adica sa fie accelerate) si, in fine, sa aiba o posibilitate de a pune in evidenta rezultatele interactiilor

(detectoare de particule). Aceste instalatii numite acceleratoare, au insotit cu mult succes pe fizicieni in cercetarile lor, ramanand si in prezent principalul instrument de lucru in lumea microcosmosului.

2. Istoric

Primul accelerator construit era de forma unui inel circular cu diametrul de câţiva centimetri. Creat in 1930 de Ernest Lawrence, a fost precursorul marilor maşini acceleratoare de astăzi.

Primul accelerator care a realizat coliziunea dintre electroni şi pozitroni, care utiliza tehnica folosită şi la ora actuală în LEP, a fost construit de fizicienii italieni ai INFN -ului, în Laboratoarele din Frascati în anii ’50-’60.

De la instalatiile simple de accelerare, care puteau fi asezate pe o masa de laborator, s-a ajuns in zilele noastre la instalatii complexe uriase, extrem de costisitoare, care se intind pe zeci de hectare.

3. Componente de baza

Componentele de bază ale unui accelerator sunt:

1. sursa de particule;2. câmpuri electrice ce accelerează particulele;3. câmpuri magnetice care curbează traiectoria şi focalizează fasciculele;4. detectori care ne permit să observăm coliziunea dintre particule şi

particulele produse.

4. Cum functioneaza.

Principiul de functionare al tuturor acceleratoarelor de particule este acelasi: particulele sunt accelerate si dirijate cu ajutorul unor campuri electromagnetice foarte puternice si sunt aduse la viteze apropiate de viteza luminii, dupa care intre particulele astfel accelerate se produc ciocniri. Fiecare astfel de ciocnire se numeste un «eveniment».

Scopul fizicienilor este sa izoleze aceste «evenimente» si sa colecteze datele legate de el, pornind de la care sa incerce sa spuna ce fel de particule au fost implicate in ciocnire. Majoritatea acceleratoarelor de particule produc ciocniri intre fascicule de particule; numarul de evenimente care se intampla intr-o secunda este foarte mare, de ordinul sutelor, miilor sau chiar mai mare.

Ceea ce inseamna ca una dintre problemele majore in construirea unui accelerator este cum vor fi colectate si prelucrate datele legate de « evenimentele » produse in el. Colectarea datelor revine unor detectori specializati care « cauta » anumite tipuri de evenimente.

5. Tipuri de acceleratoare.

Tipul Denumirea Construit in…de…

Camp magnetic

Frecventa campului electric

Raza de rotatie

Particulele accelerate

Performante in prezent

Acceleratori electrostati

Transformator de inalta tensiune

1926 G.Breit

-- --

liniar

ci (directi)

Orice particula incarcata cu sarcina

5 MeV

~ 18 MeV

Tip Cockroft-Walton

1932 J.D. Cockroft E.I.S. Walton -- --

liniar

Tip Van de Graaff

1929 Van de Graaff

-- --

liniar

Acceleratori liniari

liniar 1931 D.H. Sloane

--

const liniar

Particule grele

20 GeV

Acceleratori de rezonanta

ciclotronul 1934 E.O. Lawrence

const const variabil

p, d,

ioni ~ 20 MeV

sincrociclotron (fazatron)

1946 J.R. Richardson const variabil variabil p, d, ~ 10 GeV

sincrotron 1946 F.K. Goward, D.E.Barnes

variabil const const e ~ 680 MeV

Sincrofazotron (cosmotron) (sincroton de protoni)

1947 M.L. Oliphant

variabil variabil const p, d

10 GeV protoni

Acceleratori prin inductie

betatronul 1945 M.Kerst

variabil -- const. e ~ 300 MeV

Acceleratoarele de particule pot fi de două feluri: circulare şi lineare.

a) Generatorul Van de Graaff este o masina electrostatica prin influenta, care permite producerea a milioane de volti. In fig 1 se poate vedea schema unui astfel de generator. El este format dintr-o sfera metalica, goala in interior, de raza R, ce formeaza o cusca Faraday si care prin intermediul colectorului (B) culege sarcinile de pe banda transportoare (C). Banda transportoare primeste, la randul ei, sarcina de la un generator obisnuit, de inalta tensiune (10 – 20 kV), prin intermediul unor varfuri ascutite (a). Pentru realizarea transportului, banda se confectioneaza din cauciuc sau un alt material izolant si este pusa in miscare de catre un motor electric, in sensul indicat in figura, cu viteza constanta v. Sursa de inalta tensiune se aplica (borna pozitiva) unui sistem de varfuri ascutite, plasate in fata benzii transportoare, care, pe partea cealalta, are un electrod la borna negativa. In jurul varfurilor se produce un fenomen de ionizare intens, datorita campului electric foarte mare ce exista in preajma lor. Ca urmare, pe banda transportoare se vor proiecta ionii pozitivi respinsi de varfurile ascutite (efect Corona), fiind astfel antrenate cu viteza uniforma v, si dusa in interiorul sferei. Ajungand in punctul B din interior, sarcina va fi colectata de catre sfera, prin intermediul sistemelor de perii legate electric de ea. Datorita efectului de cusca Faraday, sarcina se va raspandi pe suprafata sferei, de unde nu mai poate reveni. Sfera, avand o capacitate C (=4 0 R fata de Pamant), pe masura ce se va incarca cu sarcina electrica, isi va ridica tensiunea conform relatiei U=Q/C. Limita superioara pe care poate sa o atinga tensiunea este data pe deoparte de raza sferei, pe de alta parte de rigiditatea dielectrica a mediului in care este plasata sfera (limita de strapungere prin scanteie a mediului dielectric). Pentru aer, valoarea maxima a campului electric, in conditii normale, este de Ed=30kV/cm. Deoarece intensitatea campului la suprafata sferei va fi E=U/R , valoarea maxima a tensiunii ce poate fi atinsa este:

Umax =R*Ed

se vede ca tensiunea maxima creste cu cresterea razei sferei.

Pentru a mari tensiunea acceleratoare, se poate cupla doua generatoare Van de Graaff, incarcate cu sarcini opuse, dublandu-se astfel tensiunea. Acest ansamblu se numeste tandem. Un generator Van de Graaff cu raza sferei de 1 m, cu o banda de 50 cm latime, antrenata cu o viteza de 20 m/s va produce o tensiune maxima (teoretica) de 3 MV si un curent maxim de 0,5 mA.

b) Acceleratorul liniar face parte din grupul de acceleratori de rezonanta sau ciclici, deoarece accelerarea se face prin trecerea repetata a particulelor printr-o zona acceleratoare. Existenta unui astfel de ciclu va cere, dupa cum se va vedea, respectarea unei conditii de sincronism. Acceleratorul liniar este construit (fig 2) dintr-o incinta vidata, in care este plasata o sursa de ioni si o serie de cilindri metalici (tuburi de fuga), asezati unul dupa altul, centrati si de lungime crescanda. La capatul lor se aseaza tinta ce va fi bombardata. Alimentarea tuburilor se face de la o sursa de inalta frecventa si inalta tensiune. Accelerarea se petrece in zona dintre tuburi, iar in interiorul tuburilor particulele se misca liber (inertial). Conditia de sincronism (de rezonante sau de ciclitate) se pune astfel: pentru a fi accelerata, particula trebuie sa gaseasca la iesirea din tub un potential accelerator (tubul sa aiba o polaritate inversa semnului sarcinii acceleratoare). Cum viteza va creste la fiecare treapta de accelerare, rezulta ca lungimea acestor tuburi va trebui sa creasca in mod proportional, deoarece frecventa tensiunii aplicate este constanta (f). Daca tensiunea generatorului este U0 , la fiecare regiune de accelerare, energia particulei va creste cu qU0 , iar daca n este numarul de astfel de tuburi, energia totala va fi:

E=n*q*U0 ,

q fiind sarcina particulei accelerate. La prima accelerare particula isi va creste energia de la zero la qU0 . In mod corespunzator, viteza particulei va fi data de legea de conservare a energiei care, in limita neralitivista (E mc)2 , este

v1=( 2∗q∗U 0

m )1/2

In intervalul de timp T/2=1/(2*f) particula va trebui sa se miste in interiorul tubului, timp in care se va petrece schimbarea polaritatii tubului astfel ca la iesirea din primul tub sa-l gaseasca pe cel de-al doilea cu o polaritate convenabila pentru accelerare. De aici rezulta:

l1=v1*T2 =

12∗f ( 2∗q∗U 0

m )1/2

In urmatoarea zona accelerare, particula isi va creste energia de la q*U0

la 2*q*U0 , iar viteza ei va deveni:

q∗U 0+m∗v1

2

2=m∗v2

2

2 ; v2=(v12+2∗q∗U0m )

1/2

=(4∗q∗U0m )1/2

Generalizand aceasta relatie, vedem ca la iesirea din cel de-al n-lea tub,

particula va avea viteza vn=(2∗n∗q∗U 0

m )1/2

, de unde relatia ce ne da lungimea celui de al n-lea tub,

ln=( 2∗n∗q∗U 0

m )1/2

∗ 12∗f

=l1∗(n )1/2

In acest fel se vede ca lungimea tuburilor creste cu (n)1/2 din care cauza obtinerea energiilor mari necesita lungimi de kilometri. Relatia dintre

parametrii geometrici (constructivi) ai acceleratorului si frecventa tensiunii de alimentare. Pentru o energie data, lungimea tuburilor scade cu cresterea frecventei tensiunii de accelerare, motiv pentru care ele se alimenteaza cu tensiuni ce au frecvente de ordinul a 1000 –10000 MHz.

Daca particula accelerata este electronul, atunci ea devine repede relativista si conditia de sincronism nu mai este indeplinita. Variatia masei cu viteza arata ca un electron de 1 MeV (cu viteza de v=0.93*c) are o masa de aproape patru ori mai mare ca masa de repaus.

c) Ciclotronul este tot un accelerator ciclic, de rezonanta in care particulele nu se misca rectiliniu, ci circular, folosindu-se in acest scop campuri magnetice omogene. Ca urmare, dimensiunea ciclotronului este mult mai mica ca a unui accelerator liniar. In centrul sistemului si in camp magnetic se gaseste o sursa de particule. Tot in acest camp se gasesc si doi electrozi de o forma speciala, numiti duanti (au forma asemanatoare literei D). Particulele sunt accelerate la trecerea intre duanti, iar in interiorul lor se misca liber, ca si in tuburile de fuga ale acceleratorului liniar. Conditia de sincronism va cere ca intotdeauna la iesirea din duant, particula sa aiba in fata polaritatea acceleratoare. Miscarea unei particule de masa m, sarcina q si viteza v, intr-un camp de intensitate B, se va face pe o traiectorie circulara de raza r, perioada T si pulsatia dete de relatiile

r = m*v/(q*B); T=2**m/(q*B); = q*B/m

Deoarece perioada de rotatie nu depinde de energia particulei (in limite neralitiviste), conditia de sincronism va fi data de f=2/T, f fiind frecventa tensiunii alternative, aplicata pe duanti. Traiectoria particulei va fi o succesiune de semicercuri cu raze treptat crescatoare. In momentul in care particula atinge raza maxima de rotatie, un electrod special asigura scoaterea ei de pe traiectorie si din ciclotron si o indreapta catre tinta. Energia maxima va fi data de raza maxima R,

Ec = p2/(2*m) = (q*B*R)2/(2*m),

Energia maxima atinsa in mod obisnuit este de 20-30 MeV.

Conditia de sincronism contine masa particulei; deci, pentru particule ce devin rapid relativiste, ciclotronul nu va fi un accelerator potrivit. Ca atare, el va fi bun pentru accelerarea particulelor grele (particule alfa, protoni, deutroni ioni grei) dar nu si pentru electroni.0

Pentru a accelera electroni, va trebui sa variem fie frecventa, fie campul magnetic, fie ambele, pe masura ce particula isi creste energia. Corespunzator celor trei situatii, vor exista trei tipuri de acceleratori:

- sincrotronul , la care campul magnetic variaza, astfel incat raportul m*v/B sa fie constant;

- sincrociclotronul (fazotronul), la care frecventa variaza, astfel incat produsul m*v*f sa fie constant;

- sincrotronul de protoni (sincrofazotronul), la care se produce atat variatia frecventei, cat si variatia campului magnetic, astfel incat m*f/B sa fie constant.

6. Marile Acceleratoare

SLAC: Acceleratorul Stanford Linear Accelerator Center (SLAC, Centrul de Accelerator Linear de la Stanford) de lângă San Francisco, California, SUA, a descoperit cuarcul charm (de asemenea descoperit în mod independent la Brookhaven) şi leptonul tau Acum funcţionează ca accelerator care produce cantităţi mari de mesoni B şi în viitorul mediu se va transforma într-un mare laser bazat pe electroni liberi.

Fermilab: Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL, Laboratorul Naţional Fermi pentru Accelerator), de lângă Chicago, Illinois, SUA, unde au fost descoperiţi cuarcii bottom şi top, precum şi neutrino-ul leptonului tau.

CERN: European Laboratory for Particle Physics (CERN, Laboratorul European de Fizica Particulelor, iniţial numit Centre Europeen de Recherche Nucleaire), aflat chiar pe graniţa eleveţiano-franceză, unde particulele W şi Z au fost descoperite.

BNL: Brookhaven National Lab (BNL, Laboratorul Naţional Brookhaven din New York, New York, SUA, unde s-a descoperit cuarcul charm simultan cu laboratorul SLAC.

CESR: Cornell Electron-Positron Storage Ring (CESR, Inelul de Stocare de Electroni şi Pozitroni), din Ithaca, New York, SUA. Unde s-au efectuat studii detaliate asupra cuarcului bottom.

DESY: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Sincrotronul German cu Electroni), Hamburg, Germania, unde au fost descoperiţi gluonii.

KEK: High Energy Accelerator Research Organization (KEK, Organizaţia de Cercetare pentru Accelerator de Înaltă Energie), Tsukuba, (cam două ore de Tokyo), Japonia, unde se produc cantităţi mari de mesoni B.

IHEP: Institute for High-Energy Physics (IHEP, Institutul pentru Fizică de Energie Inaltă) din Beijing, Republica Populară Chineză, unde efectuate studii detaliate ale leptonului tau şi cuarcului charm.

7. La ce sunt intrebuintate

Mii de acceleratoare funcţionează la ora actuală în întreaga lume. Fasciculele de particule pe care le generează sunt folosite pentru distrugerea tumorilor, ajută la diagnosticarea medicală, precum şi la analiza şi controlul procesului industrial de manufacturiere. În acceleratoare speciale, cunoscute ca „surse de lumină”, particulele se rotesc în jurul unui inel pentru a genera raze X strălucitoare, ce iluminează structuri biologice complexe şi alte fenomene.

Cele mai puternice acceleratoare sunt destinate cercetării fundamentale, care să ne avanseze cunoştinţele despre structura materiei şi natura Universului. Aceste maşinării funcţionează ca nişte super-microscoape şi dezvăluie cele mai mici componente ale materiei. Ele lovesc particulele de ţinte imobile, sau accelerează două fascicule aproape până la viteza luminii,

ciocnindu-le frontal. Particulele se transformă instantaneu în energie, conform faimoasei ecuaţii a lui Einstein: E = mc2

c- fiind viteza luminii, arată că energia E poate fi transformată în masa m. Pentru a creea o masă mică, este necesar ca să avem o mare concentrare de energie.

Cu cât acceleratorul e mai puternic, cu atât este mai mare energia de coliziune şi cu atât mai grele vor fi particulele produse.

Apoi toată energia eliberată în urma ciocnirii se transformă înapoi în materie, creând noi particule care, poate, să nu mai fi fost întâlnite niciodată înainte.

8. Large Hadron Collider

Proiectare

Large Hadron Collider (engl. pentru Mare Accelerator de Hadroni; pe scurt: LHC) este un accelerator de particule, construit la Centrul European de Cercetări Nucleare CERN, între Munţii Alpi şi Munţii Jura, lângă Geneva. Construcţia a fost finalizată în mai 2008 şi a costat peste trei miliarde de lire sterline. Are o lungime de 27 km la 100 m sub pământ. LHC este considerat cel mai performant accelerator de particule din lume.

LHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, şi cel care atinge cele mai mari energii. Colliderul se află într-un tunel circular, cucircumferinţă de 27 km, aflat la o adâncime între 50–175 m sub pământ.

Tunelul, învelit într-un strat de 3,8 m grosime de beton, construit între 1983 şi 1988, a fost folosit anterior ca gazdă pentru Large Electron-Positron Collider. El trece graniţa dintre Elveţia şi Franţa în patru puncte, o parte mai mare din el fiind în Franţa. Clădirile de la suprafaţă adăpostesc echipamente auxiliare, cum ar fi compresoare, echipamente de ventilaţie, electronica de control şi uzine de refrigerare.

Tunelul conţine două ţevi adiacente separate care se intersectează în patru puncte, fiecare ţeavă conţinând o conductă de protoni, care se deplasează în direcţii opuse în inel. Aproximativ 1.232 dipoli magnetici păstrează fluxurile pe calea lor circulară, şi 392 cuadripoli magnetici sunt utilizaţi pentru a păstra fluxurile focalizare, pentru a maximiza şansele de interacţiune între particule în cele patru puncte de intersecţie, unde se intersectează cele două fluxuri. În total, sunt instalaţi peste 1.600 magneţi supraconductori, majoritatea cântărind peste 27 tone. Sunt necesare aproximativ 96 tone de heliu lichid pentru a păstra magneţii la temperatura lor de operare de 1,9 K, făcând din LHC cea mai mare uzină criogenică la temperatura heliului lichid.

Detectoare

Au fost construite şase detectoare la LHC; acestea se află sub pământ, în nişte excavaţii săpate în dreptul punctelor de intersecţie la LHC. Două dintre ele, Experimentul ATLAS şi Compact Muon Solenoid (CMS), sunt detectoare de particule mari şi au roluri generice.[2] A Large Ion Collider Experiment (ALICE) şi LHCb au roluri mai specifice şi ultimele două, TOTEM şi LHCf sunt mult mai mici şi sunt folosite pentru cercetări foarte specializate. Sumarul BBC al principalelor detectoare este după cum urmează:[6]

ATLAS – unul dintre cele două detectoare generice. ATLAS va fi folosit pentru a căuta semne de informaţii noi, inclusiv originile masei sau dimensiuni superioare.

CMS – celălalt detector generic, ca şi ATLAS, caută bosonul Higgs şi alte indicii cu privire la natura materiei întunecate.

ALICE – studiază starea de agregare a materiei, numită plasmă quark-gluon, care a existat la scurt timp după Big Bang.

LHCb – cantităţi egale de materie şi antimaterie au fost create în Big Bang. LHCb va încerca să investigheze ce s-a întâmplat cu antimateria lipsă.

Scop

Scopul LHC este de a explora validitatea şi limitările Modelului Standard, modelul teoretic de bază din domeniul fizicii particulelor. Teoretic, acceleratorul ar trebui să confirme existenţa bosonului Higgs, acoperind elemente lipsă ale Modelului Standard şi explicând felul în care particulele elementare capătă anumite proprietăţi, cum ar fi masa.

O diagramă Feynman a felului în care ar putea fi produs bosonul Higgs la LHC. Aici, două quark uri emit fiecare un boson W sau Z, care se combină pentru a obţine un boson Higgs neutrup.

În general, fizicienii speră ca LHC îi va ajuta să răspundă la următoarele întrebări:

Este cu adevărat aplicat în natură mecanismul Higgs de generare a maselor particulelor elementare din Modelul Standard? Dacă e aşa, câţi bosoni Higgs există, şi care sunt masele lor?

Electromagnetismul, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă sunt doar manifestări diferite ale unei singure forţe unificate, după cum prezic multiplele teorii ale unificării?

De ce este gravitaţia cu atâtea ordine de mărime mai slabă decât celelalte trei interacţiuni fundamentale?

Se realizează în natură Supersimetria, adică au particulele din Modelul Standard câte un partener supersimetric?

http://ro.wikipedia.org/wiki/Fi%C5%9Fier:BosonFusion-Higgs.svg

Măsurările mai precise ale maselor şi ale dezagregărilor quarkurilor vor continua să mai fie consistente mutual în Modelul Standard?

De ce pare că există violări ale simetriei între materie şi antimaterie? Care este natura materiei întunecate şi a energiei întunecate? Există dimensiuni superioare, după cum prezic diferitele modele

inspirate din teoria corzilor şi le putem detecta?

Dintre descoperirile posibile pe care le-ar putea face LHC, doar descoperirea particulei Higgs este relativ necontroversată, dar nici aceasta nu este considerată o certitudine. Stephen Hawking a spus într-un interviu acordat BBC că "cred că va fi mult mai interesant dacă nu găsim Higgsul. Aceasta va arăta că am greşit undeva, şi că trebuie să regândim. Am pus un pariu pe o sută de dolari că nu găsim Higgsul." În acelaşi interviu, Hawking aduce în discuţie posibilitatea găsirii de superparteneri şi adaugă că "orice ar găsi sau nu ar găsi LHC, rezultatele ne vor spune multe despre structura universului."

Poate cea mai mare realizare a oamenilor de stiinta implicati in proiectul LHC este dovedirea existentei particulei Higgs, asa numita „particula a lui Dumnezeu”, element ipotetic, imposibil de dovedit pana in prezent, despre care se crede ca ar inzestra cu masa toate particulele din Univers, exceptie facand fotonii si neutrinii (a nu se confunda cu neutronii – particulele din nucleul atomic). Termenul a aparut in 1964, atunci cand fizicianul englez Peter Higgs a postulat ideea mecanismului care ii poarta numele. Conform britanicului, totul pluteste intr-o mare de particule Higgs, capatand, la nivel de electroni, o masa si o greutate proprie.

Se stie astazi ca materia, in totalitatea sa, - planete, stele si galaxii – nu reprezinta decat maxim 4% din intregul Univers. O cantitate de aproape 26% este reprezentata de materie neagra, in timp ce restul de 70% din Cosmos este format din energie intunecata, asa numita „energie noire”, cea „vinovata”, printre altele, de continua expansiune a Universului si de accelerarea galaxiilor in directii opuse uneia fata de cealalta. Ceea ce nu si-au putut explica oamenii de stiinta este modul in care acestea s-au format si modul in care ele interactioneaza.

O alta expectanta a cercetatorilor CERN este cea legata de dovedirea existentei unor alte dimensiuni decat cele cunoscute. Daca experimentul care va avea loc la Geneva va functiona la parametrii astepati, oamenii de stiinta

spera sa confirma teoria superstringurilor, cea care sustine ca quarcurile, particule subdivizionare atomilor, sunt corzi vibrante infime.

Cum functioneaza

Înca la începutul secolului XX, în fizica au aparut doua teorii fundamentale – teoria generala a relativitatii a lui Albert Einstein, care pretinde sa descrie Universul la nivelul macro, si teoria cuantica a câmpului, destinata pentru nivelul micro. Dar se iscase o problema – aceste teorii s-au dovedit a fi incompatibile. In unele cazuri ele se contrazic. Pentru descrierea proceselor care au loc în gaurile negre, de exemplu, e nevoie de ambele teorii. In ultimii ani ai vietii Einstein a depus eforturi considerabile pentru elaborarea unei teorii unite a câmpului, dar materialul empiric (experimental) necesar era insuficient. Abia în a doua treime a secolului XX, fizicienii au reusit sa creeze asa numitul Model Standard , care a unit trei din cele patru interactiuni cunoscute– tare, slaba si electromagnetica .

Si tocmai la finele secolului XX fi zicienii au început sa elaboreze teoria care ar putea uni toate cele patru tipuri de interactiuni, adica ar include în MS si interactiunea gravitationala . Aceste incercari pâna în prezent nu s-au încununat cu succes din cauza dificultatilor în procesul de creare a teoriei cuantice a gravitatiei. Pentru unirea interactiunilor fundamentale într-o singura teorie sunt propuse diferite abordari: teoria stringurilor, ulterior dezvoltata în teoria branilor (M-teoria), teoria supergravitatiei si altele. Fiecare teorie are probleme interne, dar niciuna nu are verificare experimentala. Pentru experimentele respective sunt necesare energii care depasesc cu mult cele accesibile la acceleratoarele construite pâna în prezent.Fizicienii cred ca fragmente esentiale, care lipsesc din modelul actual al Universului, vor fi dezvaluite prin intermediul celor aproximativ un miliard de ciocniri de protoni pe secunda, care se vor produce la LHC. În urma coliziunilor pot fi create sute si mii de particule, printre care si unele necunoscute pâna în prezent, dar care sunt prezise de teorie. Cea mai enigmatica particula prezisa de teoreticianul Peter Higgs, numita bozonul Higgs poate fi produsa asociativ împreuna cu o pereche top cuarc-top anticuarc. Top cuarcul descoperit la Tevatronul din Laboratorul Fermi de lânga Chicago este cea mai grea particula elementara (de 180 ori mai grea decât protonul).

Bozonul Higgs, numit si particula Dumnezeiasca, pare sa fie responsabil de valorile maselor celorlalte particule, printre care si protonii cu neutronii, care alcatuiesc nucleele atomice, iar împreuna cu electronii – si materia din

Univers. Energia protonilor accelerati la LHC poate fi suficienta pentru crearea acestor particule masive si aceasta ar fi o tema principala pentru LHC – de a achizitiona în primii ani de functionare date care sa certifice existenta particulei Higgs, creându-se astfel premise pentru studierea ei aprofundata.

Un alt obiectiv al cercetarilor preconizate la LHC este studierea antiparticulelor. Acestea se creaza asociativ, adica în pereche cu partenerii lor obisnuiti, deosebindu-se de ei prin sarcina electrica sau barionica cu semn opus si au fost descoperite la acceleratoarele precedente. Energiile accesibile la LHC ar putea fi suficiente pentru crearea super-particulelor! Acestea sunt “produse” ale teoriei supersimetriei (SUSY) care, ca si Modelul Standard(MS), pretinde sa unifi ce într-un singur model cele trei tipuri de interactiuni: SUSY propune pentru fiecare particula o superparticula cu o masa mult mai mare.

Conform unor modele teoretice, aceste particule supersimetrice constituie asa numita materie întunecata (Dark Matter), sau mai bine ar fi sa-i spunem materie ascunsa sau necunoscuta , deoarece esenta ei a fost adusa în realitate într-un mod indirect, adica nu prin masurari experimentale, ci în urma unor calcule teoretice care au sugerat ca în Univers mai exista “ceva” ce noi nu putem sesiza cu aparatele obisnuite. Acest “ceva” nu emite niciun fel de radiatii obisnuite (lumina , raze X, radiatie gamma, etc.) care ar nimeri în detectoarele cunoscute. Se presupune ca aceasta materie stranie ar alcatui aproximativ 26% din materia existenta în univers. Înca cca 70% din materia Universului ar putea fi asociata cu energia întunecata (Dark Energy), care ar fi responsabila pentru expansiunea accelerata a Universului.

Experimentatorii de la LHC planifica sa efectueze în anumite locuri, unde se întâlnesc fasciculele accelerate în directii opuse, nu numai ciocniri de protoni, dar si de nuclee de plumb. La ciocnirile frontale a doua nuclee cu energii ultrarelativiste pentru un timp foarte scurt ar putea sa se creeze un ghem de materie cu o densitate care ar depasi de zeci de ori densitatea nucleara în nucleele obisnuite si cu o temperatura care ar imita conditiile presupuse într-o fractiune de secunda dupa Marea Explozie (Big Bang), initiala la crearea Universului acum 12-15 miliarde de ani. În aceste conditii cuarcii constituenti ai protonilor si neutronilor cu gluonii, care tin cuarcii întemnitati în acestea, obtin o libertate asimtotica, astfel încât se produce o tranzitie de faza în starea cuarc-gluonica. Revenirea în starea obisnuita hadronica se produce în scurt timp dupa ce densitatea si temperatura descresc, dând “viata ” unei varietati largi de noi particule, printre care si necunoscute. Conform teoriei, imediat dupa Marea Explozie particulele create ar fi fost fara masa, ca si fotonii sau neutrinii, datorita unei simetrii speciale, iar mai apoi datorita unui câmp purtator al caruia ar fi bozonul Higgs “s-ar

îmbraca”, devenind masive. Studierea acestor scenarii sunt necesare pentru elaborarea unei teorii mai perfecte a interactiunilor tari care ar fi utila atât pentru fizica nucleara, cât si pentru astrofi zica .

Datele experimentale, obtinute la LHC, ar putea ajuta fizicienii sa raspunda la întrebarea, daca este sau nu lumea noastra multidimensionala. Apropo, numai în acest caz teoretic este posibila aparitia în accelerator a unui fenomen gravitational - a gaurii negre foarte mici, dar nu mai putin periculoase. De altfel, fi zicienii care au analizat acest scenariu, au demonstrat ca aparitia unei gauri negre stabile este imposibila. Chiar daca gaura neagra se va produce, ea nu va putea absoarbe materie, iar din cauza radiatiei Howking se va evapora în particule obisnuite înainte de a prezenta vreun pericol. În calitate de argument contra scenariilor catastrofale fizicienii aduc faptul ca Pamântul, Luna si alte planete sunt permanent bombardate de particulele razelor cosmice cu energii mult mai mari, atingând 10 TeV, decât energia maxima a particulelor ciocnite în LHC - 7 TeV(10 TeV) (accelerate în sensuri opuse => 14 TeV energia ciocnirii). Calculele demonstreaza ca pentru aparitia gaurilor negre sunt necesare energii de 10 ori mai mari. In acest grandios experiment sunt antrenati sute de fizicieni importanti din diferite tari ale lumii.

Scopul acestui proiect este, de asemenea, cercetarea proprietatilor fundamentale ale materiei nucleare formate la ciocnirile nucleelor atomice la energii relativiste. În domeniul de energii al complexului NICA (4-9 GeV/nucleon) este presupusa aparitia unei stari mixte de materie cuarc-gluonica si hadronica.

Pericolul LHC

In ciuda tuturor dezmintirilor date de cercetatorii implicati in proiectul LHC, conform carora sansele ca acesta sa produca o catastrofa globala ar fi de 1 la 50 de milioane, echivalenta cu cea a castigarii unui bilet la loterie, exista inca multi contestatari ai proiectului.

Una dintre teoriile criticilor prevede aparitia in timpul experimentului a ipoteticelor particule numite strangeleti, fapt ce ar putea duce la o conversie nucleara a atomilor, si la transformarea Pamantului intr-un corp lipsit total de viata. Un alt risc semnalat de cercetatorii contestatari este cel legat de crearea unor microscopice gauri negre, gauri negre ce vor traversa planeta dintr-o parte in alta, absorbind materia din jurul lor, pana in momentul in care vor fi suficient de puternice pentru a inghiti intregul Pamant.

Desi nu neaga posibilitatea, destul de mare, ca astfel de gauri negre sa apara in timpul experimentului, oamenii de stiinta de la CERN sustin ca acestea, datorita marimii lor infime, se vor dezintegra de la sine. „Natura a generat pe Terra, de-a lungul miliardelor de ani, milioane de astfel de reactii, iar planeta continua sa existe. Nu trebuie sa ne temem de aparitia unor noi particule sau a unor forme necunoscute de materie care sa duca la distrugerea Pamantului. Astfel de teorii tin, mai degraba, de domeniul SF”, sustine Brian Cox, profesor in cadrul Universitatii din Manchester si unul dintre oamenii de stiinta implicati in proiectul LHC.

Tarile membre CERN sunt : Belgia, Danemarca, Franta, Grecia, Germania, Suedia, Italia, Norvegia, Elvetia, Olanda, Austria, Marea Britanie, Spania, Portugalia, Polonia, Finlanda, Ungaria, Cehia, Slovacia si Bulgaria. Cele 20 de tari membre CERN sunt asistate de opt tari si organizatii internationale cu statut de observatori : Israel, Statele Unite ale Americii, Japonia, Turcia, Rusia, India, UNESCO si Comisia Europeana.

Bibliografie

Fizica nucleara

Documents

Transcript of Fizica nucleara