Gospodar osnovnih delcev
Dr. Peter Križan bo z denarno spodbudo Evropskega raziskovalnega sveta iskal nove delce in novo fiziko.
Odpri galerijo
Odkritje novih fizikalnih pojavov bi lahko povzročilo podobno revolucijo, kot jo je prineslo odkritje kvantne mehanike. Foto Shutterstock
Osnovni delci so kot legokocke, iz katerih je sestavljeno življenje. So povsod okoli nas, so v nas, so mi, pravzaprav so vse, kar vidimo, in tudi tisto, česar ne vidimo – temna snov. A malo je poligonov, na katerih lahko opazujemo, kakšni so, kje se skrivajo, kako se vedejo. Eden takšnih je pospeševalnik SuperKEK v Cukubi na Japonskem, ki je drugi dom fizika osnovnih delcev Petra Križana.
Tudi zdaj bi bil tam, če mu poti ne bi preprečil virus. Vsako jutro bi se spustil v nadzorno sobo in pregledal, kaj so zaznali detektorji, s kolegi znanstveniki bi po ceveh pospeševalnika v nasprotnih smereh spuščali roje elektronov in njihovih antidelcev pozitronov ter jih na ukaz usmerili v silovite trke, nato pa sledi njihovih razbitin opazovali v detektorju in iskali dokaze za obstoj novih delcev, morda prav tistih, ki sestavljajo temno snov – skrivnostno materijo, ki zavzema krepko več kot polovico vse snovi v vesolju, a je ne moremo videti, ne vemo, kakšni delci jo sestavljajo, kljub temu pa usmerja gibanje galaksij, planetov, sonc.
Odkritje takšnih delcev, za katerega si prizadeva veliko skupin po vsem svetu, ne bi bilo kar tako, le še eno v vrsti odkritij. Takšno odkritje tudi ne bi bil »zgolj« dosežek, za katerega podelijo Nobelovo nagrado. Ujetje delcev izmuzljive temne snovi bi bilo primerljivo z Einsteinovimi enačbami in definiranjem standardnega modela. »Fizika je na razpotju: standardni model je fantastična teorija, po drugi strani pa z njim nekaterih pojavov ne moremo razložiti. Zato v tej teoriji iščemo razpoke, in fiziki smo jih našli tako v našem pospeševalniku v Cukubi kot tudi v Cernu in v Kaliforniji. Zdaj nam manjka le še dovolj velik vzorec podatkov, da bi dokazali, da ne gre samo za naključna odstopanja,« je povedal Križan v radijskem intervjuju v oddaji Frekvenca X.
Potencial eksperimenta Belle II, kakor se imenuje raziskovalni projekt na pospeševalniku KEK v Cukubu, pri katerem je Peter Križan tehnični koordinator, je pred kratkim prepoznala tudi komisija Evropskega raziskovalnega sveta in Križanu namenila 2,5 milijona evrov za oblikovanje skupine in nadaljevanje raziskav.
Zadnjič sredi februarja. Zdaj se seveda moram zadovoljiti z delom na daljavo.
Seveda jo zdaj že pogrešam, navsezadnje tam običajno preživim kar nekaj časa. Ja, Fudži je zares veličastna gora, moraš pa imeti srečo, da jo vidiš. Od Cukube je oddaljena sto petdeset kilometrov in je običajno skrita za čadastim zastorom, pokaže se samo po dežju.
Nikakor ni nenadoma zacvetela, slovenska fizika je bila zmeraj odlična, ti trije projekti so samo dodatna potrditev. Konec koncev znanstveni dosežki fizikov precej pripomorejo k visokemu mestu, ki ga ljubljanska univerza zaseda na svetovnih lestvicah univerz.
Bil je zares zanimiv trenutek, ko sem po e-pošti dobil to dobro novico. Tisti teden sredi marca sem bil namreč član bruseljskega panela, ki je ocenjeval predloge ERC-projektov znanstvenikov na začetku kariere. Ker je bil sestanek seveda na daljavo, sem dobival veliko sporočil z geslom ERC. Tudi to usodno sporočilo sem odprl kot še eno od množice, ga začel čitati s polovično pozornostjo, potem pa se mi je posvetilo, da bo to za šampanjec.
Ta dva svetova povezujeta dve veliki uganki: zakonitosti gibanja zvezd v galaksijah in gibanja galaksij v jatah galaksij kažejo na obstoj nam neznane temne snovi, ki je je v vesolju petkrat toliko kot običajne snovi, iz katere smo sestavljeni mi in svet okoli nas. Druga uganka je povezana z antimaterijo: poleg delcev, ki sestavljajo običajno snov, poznamo tudi antimaterijo, ki je sestavljena iz dvojnikov delcev, ki sestavljajo običajno snov. V današnjem vesolju je antimaterije samo za vzorec, medtem ko je je bilo v zgodnjem vesolju toliko kot materije. V fiziki delcev med drugim zato iščemo odgovor na obe vprašanji: skušamo najti delce temne snovi in iščemo izvor kršitve simetrije med delci in antidelci.
Delci imajo dvojno naravo, po eni strani se obnašajo kot delci, po drugi pa kot valovanje. Ko jih pospešujemo v pospeševalniku in jih vodimo skozi magnete, se obnašajo kot električno nabite kroglice, ko pa opazujemo njihovo gibanje v atomih, molekulah in kristalih, pride do izraza njihova valovna narava.
Ta tako imenovana kvantna prepletenost je pomembna tudi pri naših poskusih. Pri trku elektrona in pozitrona nastane par delcev, mezonov B, ki odletita vsaksebi in sta v takem kvantno prepletenem stanju. Kvantna mehanika opisuje pojave na ravni molekul in atomov, ki se razlikujejo od pojavov v makrosvetu, kjer imamo ljudje vsakodnevne izkušnje, zato primerjava pojavov ni mogoča.
Za fizike je odkrivanje simetrij ključno pri iskanju opisov narave. Prek simetrij pri osnovnih delcih smo, na primer, prišli do odkritja kvarkov. Po drugi strani pa nam kršitev simetrije lahko kaže na zakonitosti, ki jih trenutna teorija ne obsega. Tako nam, na primer, kršitev simetrije med delci in antidelci, ki je kriva za to, da v današnjem vesolju ni skoraj nič antidelcev, kaže na obstoj pojavov, ki jih še nismo srečali.
Seveda imamo fiziki kar nekaj idej o tem, kaj bi lahko bila temna snov, med drugim tudi tako imenovani supersimetrični partnerji navadnih delcev. Edino, kar zares šteje, pa je potrditev idej s poskusi – na to še čakamo, zato izvajamo eksperimente.
Eksperiment Belle II stoji ob elektronsko-pozitronskem trkalniku SuperKEKB, v katerem trkajo visokoenergijski elektroni in njihovi antidelci pozitroni. Pri trku elektrona in pozitrona se del njune energije pretvori v maso zelo težkih delcev, takih, ki jih običajno v naravi ne najdemo. Ti delci niso obstojni, zato zelo hitro razpadajo, pri tem pa nastane množica lažjih, obstojnih delcev. Te nato prestrežemo z zapletenim sistemom detektorjev.
Pri eksperimentu Belle II bomo predvsem iskali posredne dokaze za obstoj novih delcev, tudi takih, ki bi lahko sestavljali temno snov, tako da bomo zelo natančno izmerili nekatere izbrane pojave in rezultate meritev primerjali z zelo natančnimi napovedmi teoretskih izračunov. Iz morebitne razlike med obema, ki jo bomo opazovali pri več različnih pojavih, bomo sklepali na obstoj novih delcev in na naravo fizikalnih pojavov, ki jih do zdaj nismo poznali.
Eksperiment v fiziki osnovnih delcev je tek na dolge proge, vaja v potrpežljivosti. Od ideje, ki jo razviješ s somišljeniki, preteče do začetka poskusov kakšnih deset let, ko načrtuješ detektor in pospeševalnik, ju sestaviš in usposobiš za uporabo. Naslednjih deset let porabiš za meritve, obdelavo rezultatov in njihovo interpretacijo. Delovni dan je zato odvisen od faze, v kateri je eksperiment. Mi trenutno merimo. Če bi bil v Cukubi, bi del dneva preživel v kontrolni sobi eksperimenta, del pa v pisarni, kjer bi ovrednotil rezultate današnjih meritev. V času pandemije smo se seveda prilagodili, večina dela poteka na daljavo, prek računalnika nadzorujemo delovanje detektorja, pregledujemo podatke in se dobivamo na delovnih sestankih.
Pri eksperimentih ob pospeševalnikih iščemo nove pojave pri osnovnih delcih na dva dramatično različna načina. Prvi način iskanja uporabljajo na velikem hadronskem trkalniku (LHC) v Cernu: protone pospešijo do največjih možnih energij na Zemlji in med nastalimi delci iščejo takšne, ki jih do zdaj še nismo našli. V Cukubi smo z eksperimentom Belle II izbrali drugo pot: odstopanja od znanih pojavov iščemo z izredno natančnimi meritvami pri nekoliko nižjih energijah.
Odkritje delcev temne snovi, sploh odkritje novih fizikalnih pojavov, ki so zunaj sicer izjemno uspešne teorije osnovnih delcev in njihovih interakcij, imenovane standardni model, bi lahko povzročilo podobno revolucijo, kot jo je prineslo odkritje kvantne mehanike v prvi polovici 20. stoletja. V fiziki bo marsikaj treba razmisliti na novo, dolgoročno pa bo to odkritje gotovo prineslo tudi spremembe v vsakdanjem življenju, podobno kot je kvantna mehanike prinesla tranzistorje, miniaturizacijo elektronike, računalnike, mobilne telefone.
Eksperiment v fiziki osnovnih delcev je tek na dolge proge, vaja v potrpežljivosti, pravi dr. Peter Križan, ki je zaposlen na Institutu Jožef Stefan ter kot profesor na Fakulteti za matematiko in fiziko, poleg tega pa je tehnični koordinator eksperimenta
Odkritje takšnih delcev, za katerega si prizadeva veliko skupin po vsem svetu, ne bi bilo kar tako, le še eno v vrsti odkritij. Takšno odkritje tudi ne bi bil »zgolj« dosežek, za katerega podelijo Nobelovo nagrado. Ujetje delcev izmuzljive temne snovi bi bilo primerljivo z Einsteinovimi enačbami in definiranjem standardnega modela. »Fizika je na razpotju: standardni model je fantastična teorija, po drugi strani pa z njim nekaterih pojavov ne moremo razložiti. Zato v tej teoriji iščemo razpoke, in fiziki smo jih našli tako v našem pospeševalniku v Cukubi kot tudi v Cernu in v Kaliforniji. Zdaj nam manjka le še dovolj velik vzorec podatkov, da bi dokazali, da ne gre samo za naključna odstopanja,« je povedal Križan v radijskem intervjuju v oddaji Frekvenca X.
Potencial eksperimenta Belle II, kakor se imenuje raziskovalni projekt na pospeševalniku KEK v Cukubu, pri katerem je Peter Križan tehnični koordinator, je pred kratkim prepoznala tudi komisija Evropskega raziskovalnega sveta in Križanu namenila 2,5 milijona evrov za oblikovanje skupine in nadaljevanje raziskav.
Zaposleni ste sicer na Institutu Jožef Stefan in kot profesor na Fakulteti za matematiko in fiziko, a začniva na drugem koncu sveta, v vam tako dragi Cukubi – kdaj ste bili nazadnje tam?
Zadnjič sredi februarja. Zdaj se seveda moram zadovoljiti z delom na daljavo.
Jo pogrešate? In pogled na goro Fudži?
Seveda jo zdaj že pogrešam, navsezadnje tam običajno preživim kar nekaj časa. Ja, Fudži je zares veličastna gora, moraš pa imeti srečo, da jo vidiš. Od Cukube je oddaljena sto petdeset kilometrov in je običajno skrita za čadastim zastorom, pokaže se samo po dežju.
Na razpisu ERC ste sredstva za razvijanje projekta dobili kar trije fiziki na en mah. Poleg vas še dr. Igor Muševič in dr. Matej Praprotnik. Kaj je s to slovensko fiziko, da je nenadoma tako zacvetela?
Nikakor ni nenadoma zacvetela, slovenska fizika je bila zmeraj odlična, ti trije projekti so samo dodatna potrditev. Konec koncev znanstveni dosežki fizikov precej pripomorejo k visokemu mestu, ki ga ljubljanska univerza zaseda na svetovnih lestvicah univerz.
Športnika ob olimpijski kolajni ponavadi vprašamo, kakšni so bili občutki. Torej kakšni so bili občutki, ko ste izvedeli, da ste s svojim projektom prepričali komisijo?
Bil je zares zanimiv trenutek, ko sem po e-pošti dobil to dobro novico. Tisti teden sredi marca sem bil namreč član bruseljskega panela, ki je ocenjeval predloge ERC-projektov znanstvenikov na začetku kariere. Ker je bil sestanek seveda na daljavo, sem dobival veliko sporočil z geslom ERC. Tudi to usodno sporočilo sem odprl kot še eno od množice, ga začel čitati s polovično pozornostjo, potem pa se mi je posvetilo, da bo to za šampanjec.
Raziskovali boste osnovne delce, svoj projekt pa nam laikom predstavljate na popolnoma nasprotnem koncu z zvezdami. Nam lahko povežete ta dva svetova?
Ta dva svetova povezujeta dve veliki uganki: zakonitosti gibanja zvezd v galaksijah in gibanja galaksij v jatah galaksij kažejo na obstoj nam neznane temne snovi, ki je je v vesolju petkrat toliko kot običajne snovi, iz katere smo sestavljeni mi in svet okoli nas. Druga uganka je povezana z antimaterijo: poleg delcev, ki sestavljajo običajno snov, poznamo tudi antimaterijo, ki je sestavljena iz dvojnikov delcev, ki sestavljajo običajno snov. V današnjem vesolju je antimaterije samo za vzorec, medtem ko je je bilo v zgodnjem vesolju toliko kot materije. V fiziki delcev med drugim zato iščemo odgovor na obe vprašanji: skušamo najti delce temne snovi in iščemo izvor kršitve simetrije med delci in antidelci.
Preden zagrizeva v vaše raziskovanje, nujno nekaj, kar me bega. Vse življenje se učimo, da gre pri protonih, elektronih in celo kvarkih za delce, že v šoli jih rišemo kot pikice. A v resnici ne gre samo za kroglice, ki bi potovale po prostoru in krožile po svojih orbitah, kajne? Kaj so sploh osnovni delci, zakaj se obnašajo tako zagonetno?
Delci imajo dvojno naravo, po eni strani se obnašajo kot delci, po drugi pa kot valovanje. Ko jih pospešujemo v pospeševalniku in jih vodimo skozi magnete, se obnašajo kot električno nabite kroglice, ko pa opazujemo njihovo gibanje v atomih, molekulah in kristalih, pride do izraza njihova valovna narava.
In takrat delci podrejo naše razumevanje sveta, »prekršijo« »Einsteinovo« fiziko in so nenadoma lahko na dveh mestih hkrati ter se »pogovarjajo« na daljavo?
Ta tako imenovana kvantna prepletenost je pomembna tudi pri naših poskusih. Pri trku elektrona in pozitrona nastane par delcev, mezonov B, ki odletita vsaksebi in sta v takem kvantno prepletenem stanju. Kvantna mehanika opisuje pojave na ravni molekul in atomov, ki se razlikujejo od pojavov v makrosvetu, kjer imamo ljudje vsakodnevne izkušnje, zato primerjava pojavov ni mogoča.
Še en krasen pojem, ki ima svoje mesto tudi v pojmovanju lepega, je simetrija. Za vas pa je pomembno iskanje kršenja simetrije. Lahko pojasnite?
Za fizike je odkrivanje simetrij ključno pri iskanju opisov narave. Prek simetrij pri osnovnih delcih smo, na primer, prišli do odkritja kvarkov. Po drugi strani pa nam kršitev simetrije lahko kaže na zakonitosti, ki jih trenutna teorija ne obsega. Tako nam, na primer, kršitev simetrije med delci in antidelci, ki je kriva za to, da v današnjem vesolju ni skoraj nič antidelcev, kaže na obstoj pojavov, ki jih še nismo srečali.
Fizika delcev, ki jo raziskujejo astrofiziki na enem koncu ter fiziki delcev na drugem, nosi v sebi eno največjih skrivnosti sodobne znanosti: vse, kar vidimo, je le pet odstotkov tistega, kar v resnici zavzema vesolje. Gotovo se vam vsaj malo sanja, kaj je tisto, kar sestavlja in poganja skoraj celotno vesolje?
Seveda imamo fiziki kar nekaj idej o tem, kaj bi lahko bila temna snov, med drugim tudi tako imenovani supersimetrični partnerji navadnih delcev. Edino, kar zares šteje, pa je potrditev idej s poskusi – na to še čakamo, zato izvajamo eksperimente.
Pospeševalnik SuperKEK v Cukubi je manjši od cernskega, zato pa omogoča natančnejše meritve. Foto KEKKako boste sledi delcev, ki sestavljajo skrivnostno temno snov, iskali v eksperimentu Belle II?
Pospeševalnik SuperKEK v Cukubi je manjši od cernskega, zato pa omogoča natančnejše meritve. Foto KEK
Eksperiment Belle II stoji ob elektronsko-pozitronskem trkalniku SuperKEKB, v katerem trkajo visokoenergijski elektroni in njihovi antidelci pozitroni. Pri trku elektrona in pozitrona se del njune energije pretvori v maso zelo težkih delcev, takih, ki jih običajno v naravi ne najdemo. Ti delci niso obstojni, zato zelo hitro razpadajo, pri tem pa nastane množica lažjih, obstojnih delcev. Te nato prestrežemo z zapletenim sistemom detektorjev.
Pri eksperimentu Belle II bomo predvsem iskali posredne dokaze za obstoj novih delcev, tudi takih, ki bi lahko sestavljali temno snov, tako da bomo zelo natančno izmerili nekatere izbrane pojave in rezultate meritev primerjali z zelo natančnimi napovedmi teoretskih izračunov. Iz morebitne razlike med obema, ki jo bomo opazovali pri več različnih pojavih, bomo sklepali na obstoj novih delcev in na naravo fizikalnih pojavov, ki jih do zdaj nismo poznali.
Kako poteka vaš delovni dan v Cukubi, kaj počnete, kako človek sploh išče sledi novih delcev?
Eksperiment v fiziki osnovnih delcev je tek na dolge proge, vaja v potrpežljivosti. Od ideje, ki jo razviješ s somišljeniki, preteče do začetka poskusov kakšnih deset let, ko načrtuješ detektor in pospeševalnik, ju sestaviš in usposobiš za uporabo. Naslednjih deset let porabiš za meritve, obdelavo rezultatov in njihovo interpretacijo. Delovni dan je zato odvisen od faze, v kateri je eksperiment. Mi trenutno merimo. Če bi bil v Cukubi, bi del dneva preživel v kontrolni sobi eksperimenta, del pa v pisarni, kjer bi ovrednotil rezultate današnjih meritev. V času pandemije smo se seveda prilagodili, večina dela poteka na daljavo, prek računalnika nadzorujemo delovanje detektorja, pregledujemo podatke in se dobivamo na delovnih sestankih.
Zapis tipičnega dogodka v detektorju, ki je rezultat trka med elektronom in pozitronom. Ukrivljene sledi nabitih delcev, ki so nastali pri reakciji, zazna velik sledilni detektor v močnem magnetnem polju. Vir KEKV čem se vaš pospeševalnik oziroma vaš eksperiment razlikuje od cernskega pri Ženevi?
Zapis tipičnega dogodka v detektorju, ki je rezultat trka med elektronom in pozitronom. Ukrivljene sledi nabitih delcev, ki so nastali pri reakciji, zazna velik sledilni detektor v močnem magnetnem polju. Vir KEK
Pri eksperimentih ob pospeševalnikih iščemo nove pojave pri osnovnih delcih na dva dramatično različna načina. Prvi način iskanja uporabljajo na velikem hadronskem trkalniku (LHC) v Cernu: protone pospešijo do največjih možnih energij na Zemlji in med nastalimi delci iščejo takšne, ki jih do zdaj še nismo našli. V Cukubi smo z eksperimentom Belle II izbrali drugo pot: odstopanja od znanih pojavov iščemo z izredno natančnimi meritvami pri nekoliko nižjih energijah.
Kako si predstavljate svet in fiziko v času, ko se bo posrečilo še bolj tesno povezati razvoj vesolja s fiziko osnovnih delcev? Kaj vse bi lahko prineslo takšno odkritje?
Odkritje delcev temne snovi, sploh odkritje novih fizikalnih pojavov, ki so zunaj sicer izjemno uspešne teorije osnovnih delcev in njihovih interakcij, imenovane standardni model, bi lahko povzročilo podobno revolucijo, kot jo je prineslo odkritje kvantne mehanike v prvi polovici 20. stoletja. V fiziki bo marsikaj treba razmisliti na novo, dolgoročno pa bo to odkritje gotovo prineslo tudi spremembe v vsakdanjem življenju, podobno kot je kvantna mehanike prinesla tranzistorje, miniaturizacijo elektronike, računalnike, mobilne telefone.
