Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară, cunoscută sub acronimul CERN, repune în mişcare acceleratorul de particule – Large Hadron Collider (LHC) de la Geneva. Fizicienii doresc să realizeze un experiment prin care să descopere un univers paralel.

Fizicienii de la CERN sunt pregătiţi să schimbe istoria şi eventual să rescrie cărţile de fizică. Ei doresc să creeze artificial una sau mai multe găuri negre şi apoi să poate observa un univers paralel cu al nostru.

De partea cealaltă, există numeroşi oameni care cred că odată creată o gaură neagră, ea nu mai poate să dispară şi din acest motiv va creşte continuu până va înghiţi întreaga planetă. Acest scenariu pare unul apocaliptic şi nu este deloc de neglijat pentru că omul încă nu cunoaşte comportamentul găurilor negre.

Crearea unei găuri negre le va permite fizicienilor să observe un univers paralel aflat pe o dimensiune superioară. Formarea artificială a găurii negre va fi pasul cel mai greu, pentru că în prezent se cunoaşte că o gaură neagră are nevoie de o energie imensă pentru a funcţiona.

LHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, situat într-un tunel de lângă Geneva, în Elveţia, și a trecut printr-un proces de retehnologizare în ultimii doi ani, iar în prezent este pregătit pentru demararea accelerării de protoni.

„Cu acest nou nivel energetic, LHC va deschide noi orizonturi în fizică şi pentru viitoare descoperiri. Abia aştept să văd ce surprize ne mai rezervă natura”, a declarat directorul general al CERN Rolf Heuer.

LHC este îngropat într-un tunel circular de 27 de kilometri, care se întinde sub graniţa franco-elveţiană, la poalele munţilor Jura. Întreaga instalaţie este deja aproape răcită la 1,9 grade deasupra lui zero absolut (minus 273,15 grade Celsius/ zero grade Kelvin, cea mai mică temperatură posibilă, n.r.), ca pregătire pentru următorii trei ani de funcţionare.

foto: Accelerator de particule circular

Prima serie de experimente desfăşurate de LHC, care a avut loc la o putere mai redusă decât cele ce vor debuta în 2015, a dus, în 2012, la confirmarea existenţei particulei bosonul lui Higgs, care explică modul în care materia fundamentală a dobândit masă pentru a forma stelele şi planetele.

Această descoperire a fost un eveniment extrem de important pentru fizică, dar mai sunt o mulţime de mistere care aşteaptă să fie descifrate, incluzând natura „materiei întunecate” şi a „energiei întunecate”.

Cele mai recente calcule sugerează că „materia întunecată” constituie 27% din Univers, iar „energia întunecată”, care face ca galaxiile să se îndepărteze unele de altele, reprezintă 68% din Univers, în timp ce materia vizibilă, observată în galaxii, stele şi planete, constituie doar 5% din Univers.

Alte întrebări încă fără răspuns includ relativa lipsă a antimateriei din Univers, în condiţiile în care se presupune că cantităţi egale de materie şi antimaterie au fost create în momentul Big Bang-ului, în urmă cu 13,8 miliarde de ani, şi posibila existenţă a noi tipuri de particule.

Cei mai mulţi fizicieni susţin o teorie ce nu a fost încă demonstrată, cunoscută ca supersimetrie, potrivit căreia toate particulele de bază au un partener mai greu, dar „invizibil”.

Înţelegerea acestor chestiuni cere accesul la informaţii mai profunde privind „cărămizile” cosmosului, lucru pe care savanţii speră să îl obţină prin creşterea nivelului energetic la care au loc experimentele din cadrul LHC.

„Avem treburi neterminate legat de înţelegerea Universului”, a declarat Tara Shears, profesoară de fizică la Universitatea din Liverpool, care lucrează la unul dintre cele patru mari experimente realizate cu ajutorul acceleratorului de particule.

Cel mai mare accelerator de particule din lume a fost oprit din funcţionare în februarie 2013, pentru realizarea unor îmbunătăţiri şi a unor lucrări de mentenanţă.

Large Hadron Collider a fost pus în funcţiune în noiembrie 2009, după ce a fost construit într-un tunel subteran circular, ocupat de predecesorul său, LEP (Large Electron Positron), în perioada 1998 – 2008. Spre deosebire de LEP, LHC accelerează protoni (din familia hadronilor), pentru a produce coliziuni. LEP accelera electroni sau pozitroni.

Această pauză de aproape doi ani a fost prima oprire din exploatare pentru LHC, denumită LS1 (Long Shutdown 1). Timp de doi ani, nu au mai avut loc coliziuni de particule, însă au fost întreprinse lucrări pentru a renova instalaţiile şi pentru a pregăti LHC pentru un nou ciclu de exploatare, la o energie mai înaltă. În plus, au fost efectuate o serie de lucrări la alte acceleratoare de la CERN, precum Sincrotonul cu protoni (PS) şi Supersincrotonul cu protoni (SPS).

În cazul SPS, aproximativ 100 de kilometri de cabluri au fost înlocuite, din cauza „îmbătrânirii” lor, cauzată de expunerea la radiaţiile din tunel. Pe parcursul primei perioade de funcţionare, LHC a produs „peste 6 milioane de miliarde de coliziuni, iar această performanţă a depăşit toate aşteptările”, a declarat Steve Myers, directorul departamentului de acceleratoare şi de tehnologie din cadrul CERN.

Echipele de savanţi de la CERN au reuşit să reducă la jumătate intervalul dintre pachetele de protoni care alcătuiesc fasciculele, iar luminozitatea acestora nu a încetat să crească. Această îmbunătăţire a performanţelor obţinute pe parcursul unui an a permis experimentelor derulate la LHC să obţină rezultate importante şi mai repede decât era prevăzut.

Din cele 6 milioane de miliarde de coliziuni protoni-protoni produse de LHC, 5 miliarde au fost catalogate ca fiind interesante. Dintre acestea, doar aproximativ 400 de coliziuni au condus la descoperirea particulei de tipul Higgs.

În 2012, performanţa LHC a fost de două ori mai importantă decât în 2011. Luminozitatea sa a atins o valoare de două ori mai mare faţă de cea maximală din 2011 şi energia de coliziune a crescut de la 7 TeV (tera electronvolţi) în 2011 la 8 TeV în 2012. În 2015, în momentul repunerii sale în funcţiune, LHC va fi exploatat cu o energie de coliziune şi mai mare, de 13 TeV, şi cu o luminozitate şi mai mare.

Pionierii accelatoarelor de particule:
• John Cockcroft, fizician britanic, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 1951, a lucrat la acceleratoare liniare.
• Robert Van de Graff a folosit inițial bobina Tesla la Universitatea Princeton din SUA și apoi a trecut, în 1929, la generatoarele Van de Graaff.

Un accelerator de particule este o instalație complexă folosită în domeniul fizicii de înaltă energie pentru a accelera particule elementare. Se accelerează în general doar particulele ce poartă sarcină electrică. Accelerarea are loc sub acțiunea unor câmpuri electrice și magnetice. Este utilizat la studiul particulelor elementare și al structurii nucleului atomic. Există o mare varietate de acceleratoare de particule, ele putând fi clasificate după în funcție de forma traiectoriei fascicului de particule accelerate, caracterul câmpurilor acceleratoare, domeniul de energii imprimate particulelor și în funcție de natura particulelor accelerate. În acceleratoare este nevoie de asigurarea stabilității traiectoriei, adică menținerea permanentă a particulelor aflate în procesul accelerării pe traiectorii care să nu permită abateri mari de la traiectoria de echilibru(sau de referință).

Scurt istoric:

La începutul secolului XX, ciclotronii erau denumiți în mod normal ”spărgători de atomi”. În ciuda faptului că ciocnirile de particule moderne, de fapt, propulsează particulele subatomice – atomii înșiși acum sunt relativ simplu de scindat fără a utiliza acceleratorul de particule – termenul persistă în limbajul cotidian când ne referim la acceleratorul de particule în general.

Radiațiile de particule cu energie mare sunt folositoare atât pentru cercetările fundamentale și aplicate în știinte, cât și în multe domenii tehnice și industriale fără legătură cu cercetările fundamentale. A fost estimat ca sunt aproximativ 26.000 de acceleratoare în întreaga lume. Dintre acestea, doar ~ 1% reprezinta mașinile de cercetare cu peste 1 GeV, ~44% sunt în domeniul radioterapiei, ~41% pentru implantarea de ioni, ~9% pentru procesarea și cercetarea industrială, ~4% pentru cercetări biomedicale și alte cercetări cu cantități mici de energie.

Pentru anchetele de bază în dinamica și structura materiei, spațiului și timpului, fizicienii caută cele mai simple genuri de interacțiuni la cele mai înalt posibile energii. Acestea, în mod normal, implică energii ale particulelor de mulți GeV și interacțiuni ale celor mai simple particule: leptoni (de exemplu: electronii și protonii) și cuarci sau fotoni și gluoni în câmpul cuantei. Din moment ce cuarcii izolați sunt indisponibili datorită paletei mici de culori, cele mai simple experimente disponibile implică interacțiunile, în primul rând, a leptonilor între ei și, în al doilea rând, a leptonilor cu nucleonii, care sunt compuși din cuarci și gluoni. Pentru a studia ciocnirile cuarcilor între ei, savanții recurg la coliziunile dintre nucleoni, care la energii mari ar putea fi considerați ca interacțiuni între două corpuri ale cuarcilor și gluonilor din care sunt compuși. Astfel, fizicienii au tendința să folosească mașini care creează raze de electroni, protoni, și antiprotoni, care interacționând între ei sau cu cele mai simple nuclee (cum ar fi hidrogenul sau deuteriul) la cele mai mari energii posibile, generează sute de GeV sau mai mult. Fizicienii nucleari sau cosmologii pot folosi razele atomilor nucleici, fară electroni, pentru a investiga structura, interacțiunile și proprietățile nucleilor înșiși și condensul la temperaturi extreme și densități așa cum au apărut în primele momente ale Big Bang-ului. Aceste investigații implică, adeseori, ciocniri ale nucleilor grei – ale atomilor ca Fe sau Au – la energii de cativa GeV per nucleon. La energii mici, raze de nuclei accelerați sunt folosiți, de asemenea, în medicină, cum ar fi tratamentul cancerului.

Pe lângă faptul că sunt de interes fundamental, electronii de mare energie ar putea fi forțati să emită raze foarte deschise și coerente de fotoni de mare energie – raze ultraviolete sau raze X – pe calea radiației sincrotonului, ale căror fotoni are numeroase utilizări în studiul structurii atomului, chimie, biologie, tehnologie. Exemplele includ ESRF în Europa, care a fost recent utilizat pentru a extrage imagini detaliate 3D a insectelor prinse în chihlimbar. Astfel, este o mare cerere pentru acceleratorul de electron de energii moderate (GeV) și intensitate mare.