Iščejo pojave zunaj standardnega modela

Prejšnji teden je bila v Ljubljani 27. mednarodna konferenca fizike visokih energij Lepton Photon 2015, na kateri so najuglednejši fiziki z vsega sveta predstavili znanstvene dosežke iz eksperimentalne in teoretične fizike delcev, astrofizike in kozmologije. Fizikalna smetana se je srečala v Ljubljani predvsem po zaslugi prof. dr. Marka Mikuža, prof. dr. Petra Križana in prof. dr. Boštjana Goloba. Vsi trije so profesorji Univerze v Ljubljani in raziskovalci na Institutu Jožef Stefan ter dejavni v mednarodnih raziskovalnih projektih.

Kaj sploh je fizika visokih energij? Kdaj je bila tako poimenovana oziroma kdaj je prišlo do te specializacije?

Golob: Kvantna mehanika nam pove, da se delci z visoko energijo vedejo kot valovanje z zelo majhno valovno dolžino. To pomeni, da predstavljajo nekakšno svetlobo, ki pa očem ni vidna. Manjša ko je valovna dolžina (torej višja ko je energija), manjše podrobnosti s takim snopom »svetlobe« lahko preiskujemo. Zato ni čudno, da znanost, ki se ukvarja z najmanjšimi sestavnimi deli snovi, imenujemo fizika visokih energij. Pri tem je treba povedati, da vsebino fizike visokih energij dandanes prvenstveno niti ne predstavljajo več najmanjši sestavni deli snovi, ampak predvsem lastnosti sil, ki med temi osnovnimi gradniki delujejo.

V času med in po drugi svetovni vojni se je področje, povezano z osnovnimi raziskavami delcev, združevalo z jedrsko fiziko. Z razvojem eksperimentalnih metod, še posebno dosegljivih energij v pospeševalnikih delcev, sta se obe področji vsebinsko ločili. Medtem ko so za jedrsko fiziko pomembni predvsem gradniki atomskih jeder, protoni in nevtroni, se je področje, ki ga zdaj imenujemo fizika visokih energij, spustilo v naslednje »nadstropje« narave, med gradnike protonov in nevtronov, to je kvarke. Energije, pri katerih se raziskuje in poteka jedrska fizika, so namreč precej nižje od teh, s katerimi imamo opravka v raziskavah osnovnih delcev.

Za tovrstno raziskovanje so potrebne velike naprave, laično jih posplošeno imenujemo pospeševalniki delcev, v resnici pa gre za precej različne pospeševalnike oziroma trkalnike. V čem se v grobem razlikujeta, na primer, veliki hadronski trkalnik (LHC) v Cernu ob Ženevskem jezeru in japonski pospeševalnik KEK? Kakšne raziskave so mogoče na enem in drugem?

Golob: Osnovni motiv fizike delcev dandanes je iskanje tako imenovane nove fizike, torej delcev in procesov, ki jih še ne poznamo. To je, v grobem rečeno, mogoče na dva načina: prvega imenujemo energijsko obzorje, drugega pa obzorje natančnosti. Pri energijskem obzorju, katerega glavni in tako rekoč edini predstavnik je veliki hadronski trkalnik, gre za doseganje čim višje energije trkov delcev (trki protonov pri energiji 13 tera elektron voltov), v katerih se na račun visoke energije lahko tvorijo novi, do zdaj neznani delci z veliko maso (masa Higgsovega bozona je, na primer, enaka masi okoli 130 protonov). Seveda je treba pri tem med množico že znanih delcev, ki v trku nastanejo, poiskati še neznane oziroma najzanimivejše.

Pri obzorju natančnosti pa opravljamo meritve pri nižjih energijah. Gre za zelo natančne meritve, katerih rezultate primerjamo s teoretičnimi izračuni v okviru znanih delcev in procesov, oziroma za iskanje nekaterih zelo redkih procesov, ki zgolj z znanimi delci niso mogoči. Če med meritvami in izračuni zaznamo odstopanja, to kaže na prispevek nove fizike. Najbolj izpostavljena eksperimenta na zadnjem področju sta LHCb – ki prav tako deluje na Velikem hadronskem trkalniku – ter bodoči Belle II na trkalniku SuperKEKB na Japonskem. Pri tem bodo trkali elektroni in pozitroni pri približno tisočkrat nižji energiji kot protoni v velikem hadronskem trkalniku; mogoče pa bo opaziti nekatere redke razpade posameznih delcev, ki se zgodijo le enkrat v milijardi primerov.

V širši javnosti je seveda najbolj znan Cernov veliki hadronski trkalnik, ki je v zadnjem obdobju povezan z odkritjem Higgsovega bozona. Po dveletni zaustavitvi je letošnjo pomlad trkalnik spet aktiven, in to pri višjih energijah kot v preteklosti. Kaj to pomeni, za svetovno fizikalno skupnost? Kakšne raziskave to omogoča?

Mikuž: Zmogljivost hadronskih trkalnikov, v konkretnem primeru med sabo trkajo protoni, določata dva parametra: energija trkov in njihova pogostost, strokovno podana s svetilnostjo (ang. luminosity). Po dveletnem premoru, uradni izraz je bil konsolidacija trkalnika, je v njem mogoče rutinsko dosegati energijo trkov 13 TeV v primerjavi z 8 TeV izpred dveh let. Pogostost trkov previdno narašča, do zdaj smo dosegli približno petino maksimalne izpred treh let. Čez kako leto načrtujemo desetkrat več, torej podvojeno pogostost proti tisti na koncu prvega obdobja delovanja. Višja energija in pogostost bosta omogočili raziskave pri najvišjih energijah, ki jih v mikrosvetu obvladuje človeštvo. Pričakovanja so velika, od novih delcev, ki bi, denimo, pojasnili obstoj temne snovi v vesolju, pa do bolj eksotičnih napovedi. Kaj pa bomo zares odkrili, ve le narava.

Laična javnost si napačno predstavlja, da fizikalni eksperimenti še vedno potekajo kot nekoč, da na primer, zdaj ko je odkrit in potrjen Higgsov bozon, poenostavljeno rečeno, lahko vidite. Dejansko pa ni tako; kako ga torej »vidite« oziroma veste, da dejansko obstaja?

Golob: Delce, kot je Higgsov bozon, ki takoj po nastanku v trkalnikih razpadejo v druge, obstojnejše delce, opazimo prek njihovih razpadnih produktov. Ti obstojnejši delci na poti skozi detektor pustijo ustrezne signale, iz katerih določimo njihove fizikalne lastnosti (energijo, maso itd.). Le-te pa so odvisne od tega, iz kakšnega »starševskega« delca razpadni produkti izvirajo. Tako s študijem fizikalnih lastnosti razpadnih produktov lahko določimo, kakšna je masa začetnega delca in tudi nekatere njegove druge lastnosti. Tako lahko ugotovimo, da razpadni produkti izvirajo iz (ne)znanega delca z določenimi lastnostmi.

Mikuž: Videti tudi v ožjem smislu pomeni zaznati spremembe v okolici, konkretno odbito svetlobo, ki jo povzroča videni predmet. V Cernu smo pri »gledanju« Higgsovega bozona tudi razbrali spremembe v detektorju, ki jih je povzročil njegov razpad. Težava pri tem je le, da moramo biti prepričani, da takih sprememb ne morejo povzročiti drugi naravni pojavi. Žal aparature, ki bi take procese, pravimo jim ozadje, vnaprej izključila, ne moremo sestaviti, zato potrebujemo veliko opazovanj, tako imenovanih dogodkov, da na podlagi statistične analize lahko sklepamo na obstoj Higgsovega bozona.

Lahko naštejete najzanimivejše novosti oziroma predstavitve raziskovalnih rezultatov, ki so po vašem mnenju najbolj izstopali na pravkar končani ljubljanski konferenci?

Križan: V začetni fazi konference so gotovo prevladovali novi rezultati iz LHC, velikega hadronskega trkalnika v Cernu. Po dveh letih izboljšav je pospeševalnik uspešno začel delovati, vsi njegovi veliki detektorji pa so pokazali rezultate analize svežih eksperimentalnih podatkov. Detektorji očitno dobro delujejo, potrebujejo le dovolj časa, da bodo zbrali dovolj podatkov in lahko izvedli zanimive meritve. Raziskovalci eksperimentov iz LHC so poročali tudi o razburljivem odkritju novega delca, vezanega stanja petih kvarkov, tako imenovanega pentakvarka (glej: V Cernu odkrili novo vrsto delca – pentakvark; Znanost, 23. julija 2015; op. p.), pa o najnovejših rezultatih meritev lastnosti Higgsovega bozona kot tudi o iskanju fizikalnih pojavov zunaj standardne teorije, povezanih s tako imenovano supersimetrijo, dodatnimi dimenzijami in temno snovjo.

Poskusi na pospeševalnikih so prispevali tudi nove rezultate študija prehodov med kvarki, kjer nas zanima predvsem morebitni vpliv fizikalnih pojavov zunaj standardne teorije na redke procese, recimo na kršitev simetrije med delci in antidelci. Predstavljene so bile tudi natančnejše meritve lastnosti nevtrinov, nevtralnih delcev, ki jih zelo težko zaznamo.

Iskanje delcev temne snovi, posebne vrste snovi, ki je je petkrat več kot običajne snovi v zvezdah in na Zemlji, je postalo pomembno raziskovalno področje, ki ga je pokrivalo kar nekaj preglednih predavanj. Videli smo rezultate iskanja z detektorji globoko pod zemljo, na satelitih in pospeševalnikih.

Pomemben delež raziskav pomeni tudi proučevanje vesolja prek detekcije nabitih delcev, visokoenergijskih žarkov gama in nevtrinov; pri tem velja omeniti odkritje visokoenergijskih nevtrinov v kubični kilometer velikem detektorju globoko v antarktičnem ledu prav na Južnem polu. Posebna sekcija je bila posvečena proučevanju razvoja vesolja, s tega področja pa je bilo tudi zelo dobro obiskano poljudno predavanje prof. Alan Gutha z univerze MIT.

Za konferenco je bil velik interes, zato so v Cernu poskrbeli za neposreden prenos na spletu, posnetki vseh predavanj pa bodo objavljeni na spletni strani konference.

Kateri so glavni raziskovalni izzivi, ki so pred svetovno fizikalno srenjo visokih energij? Če špekuliramo, kaj novega si obetate v prihodnjih desetih, petnajstih letih, ko boste še aktivni raziskovalci? Bo to odkritje temne snovi?

Mikuž: Sveti gral eksperimentalne fizike visokih energij so pojavi zunaj standardnega modela, tako imenovana nova fizika, ki bi teoretikom dala namige, v kateri smeri iskati odgovore na vprašanja o dogajanju v naravi pri visokih energijah, kakršne so vladale pri nastanku vesolja. Temno snov, tako kot tudi temno energijo, so odkrili astrofizki, zdaj jo skupaj poskušamo razumeti – iz česa je. Dinamika področja nekako poteka v skokih, saj priprave na posamezni eksperiment lahko trajajo več desetletij, pa še takrat ni nikakršnega zagotovila za epohalno odkritje. Pa kljub temu, če pogledate razumevanje sveta delcev pred 33 leti, ko sem ta posel začel, in danes, je napredek skoraj neverjeten.

Gotovo je bila organizacija pravkar končane konference Lepton Photon 2015 v Ljubljani priznanje za slovenske fizike. Kolikšna je torej vaša vloga na tem področju?

Križan: Slovenski fiziki smo se pod vodstvom prof. dr. Gabrijela Kernela sredi 70. let vključili v raziskave v mednarodnih raziskovalnih centrih. Od takrat smo sodelovali v več projektih v Cernu, na institutu DESY v Hamburgu ter v centru KEK v Tsukubi na Japonskem. V tem času smo odigrali opazno vlogo pri več pomembnih odkritjih, mešanju mezonov B in D, meritvi kršitve simetrije na obrat časa, meritev kršitve simetrije med delci in antidelci, odkritju Higgsovega bozona. V velikih mednarodnih raziskovalnih skupinah smo pri tem prevzemali vse večjo odgovornost, od koordinacije delovnih skupin pa vse do vodenja celotnega eksperimenta. Ob tem smo razvili kup novih eksperimentalnih metod, nekatere od njih nam je celo uspelo uporabiti za nove vrste slikanja v medicini.

Koliko slovenskih fizikov sodeluje pri raziskavah v Cernu in v Keku ali morda še kje?

Golob: Slovenski fiziki visokih energij prihajamo z univerz v Ljubljani, Mariboru in Novi Gorici ter z Instituta Jožef Stefan. Na eksperimentalnem področju smo razdeljeni med dve veliki mednarodni skupini, ATLAS na velikem hadronskem trkalniku (okoli deset raziskovalcev) v Cernu in Belle (Belle II) v japonskem središču KEK (deset raziskovalcev). V obeh skupinah deluje še osem mladih raziskovalcev ter trije tehniki. Poleg tega nekaj raziskovalcev sodeluje pri raziskovanju visokoenergijskih kozmičnih in gama žarkov v mednarodnih skupinah Pierre Auger in Cherenkov Telescope Array. Na teoretičnem področju se s fiziko visokih energij ukvarja osem slovenskih fizikov (glej: Pot pred nami je še resnično dolga; Znanost, 9. julija 2015; op.p.).

Koliko vas pri tem ovira to, da Slovenija ni polnopravna članica Cerna?

Mikuž: V Cernu slovenski fiziki delujemo že 40 let. Če bi nam pri tem CERN postavljal še dodatne ovire, bi nas verjetno že zdavnaj minila volja. Poudariti pa je treba, da smo pri tem omejeni le za znanstveno sodelovanje, pri inženirstvu, izobraževanju ter predvsem tehnologiji in z njo povezanim gospodarstvom pa smo močno prikrajšani. O političnem vidiku, kako si kot evropska država tak status lahko privoščimo, pa raje ne bi razpravljal. CERN so evropske države dojele kot priložnost, ne obveznost, kot investicijo, ne strošek. Čas je, da to stori tudi Slovenija.

Za konec še nekoliko »poletno« vprašanje: kaj bi rekel Albert Einstein, če bi vedel za takšno raziskovalno napravo in njene rezultate, kot je veliki hadronski trkalnik?

Mikuž: Dobro vprašanje. Gotovo bi njegov genialni um v nekaj dneh prispeval še kako idejo, kaj s takšno »mašino« početi v prihodnje.

Golob: Einsteinova znamenita enačba E=mc2 je na delu v vsakem trkalniku delcev; energija se »porabi« za tvorbo delcev, katerih masa ustreza tej enačbi. Tako bi morda Einstein menil, da so trkalniki »aplikacija« njegove teorije. Nedvomno bi bil navdušen nad dejstvom, da pri energijah, dosegljivih s sodobnimi trkalniki delcev, ne moremo pojasniti tako rekoč ničesar brez uporabe enačb njegove posebne teorije relativnosti.