LHC eksperiment

AFP / Scanpix

10. oktoobril 2008.a. käivitati maailma suurima osakestekiirendi LHC (Large Hadron Collider). Selle peamine ülesanne on kinnitada või ümber lükata standardmudel, mis võtab kokku meie arusaamad elementaarosakestest ning looduse fundamentaaljõududest.

Standardmudel on kvantfüüsika teooria, mis seob valemite süsteemi seni tuntud elementaarosakesed ning kolm fundamentaaljõudu neljast: tugeva ja nõrga vastasmõju ning elektromagnetilise jõu. Standardmudeli vooruseks on asjaolu, et juba aastakümneid on ta kõigile katsumustele vastu pidanud ning võimaldanud eksperimentide tulemusi hõlpsasti prognoosida.

Tema peamine puudus on aga see, et neljas fundamentaaljõud – gravitatsioon – ei ole mudelisse hõlmatud. Ehkki see asjaolu pole seganud mudeli toimimist, ei saa teadlased rahu enne, kui on vastuolu lahendanud, olgu siis standardmudeli lõpliku kanoniseerimise või täieliku lammutamise teel.

LHC käivitamine kujutabki endast kõige otsustavamat katsest asjasse selgust tuua. «Tõenäoliselt täpsustame nüüd füüsikat täpselt sama moodi nagu sadakond aastat tagasi,» ennustab akadeemik Endel Lippmaa. «Toonane revolutsioon muutis meie elu tundmatuseni ja ma arvan, et praegune katse teeb sedasama.»

Siiski pole LHC esimene ega ainus aparaat, millega teadlased standardmudeli kallal urgitsevad, ning on võimalik, et revolutsiooniline läbimurre tuleb hoopis mõnest vähemtuntud laboratooriumist.

Alates 2001. aastast töötab USAs Illinoisis Fermilabis (Fermi National Accelerator Labo­ra­tory) osakestekiirendi nimega Tevatron, mis kiirendab prootoneid ja antiprootoneid energiaga kuni üks teraelektronvolt. See on küll vaid seitsmendik LHC potentsiaalsest energiast, kuid Tevatroni aastatepikkuse tööga kogutud andmete hulk võib talle siiski anda edumaa võimsama konkurendi ees.

Nimelt on osakestevahelised kokkupõrked, mis produtseerivad uusi standardmudeli väliseid osakesi, ülimalt harvad ning isegi hiiglaslikes kiirendites tuleks nende ilmnemist kaua oodata. Seetõttu ongi kogutud andmemassiiv vähemalt sama oluline kui eksperimendis rakendatav energia. Tevatronil säilib andmekogude osas LHC ees ülekaal veel ka järgmisel aastal.

Ning Tevatronil on tõepoolest juba ette näidata mõned tulemused, mis võivad vihjata standardmudelivälistele osakestele.

Üks sääraseid niidiotsi hargneb kõrvalekalletest, mis on avastatud osakese nimega veider B-meson (Bs) mõõtmistest. See veidra nimega osake ei näi lagunevat päriselt standardmudeli ennustuste kohaselt ning see võib viidata mõnele senitundmatule osakesele või siiani sõnastamata printsiibile, ütles ajakirjale Nature Tevatroni esindaja Dmitri Denisov.

Teine koht, kust standardmudel võib saada saatusliku suure paugu, on kosmos. Seal tiirlev Itaalia, Venemaa, Saksamaa ja Rootsi koostööna valminud satelliit PAMELA (Pay­load for Antimatter Matter Ex­plo­ration and Light-nuclei Astro­physics) võib juba olla tuvastanud jälje tumeda aine osakeste omavahelisest kokkupõrkest – ja seeläbi esimese tõendi tumeda aine olemasolust üldse.

Nagu teada, moodustab nähtav aine vaid 4% kogu universumist, 22% langeb nähtamatu tumeda aine osaks ning 74% skoorib tume energia. Nature esialgu veel mitteametlikel andmetel on satelliit registreerinud suure energiaga positronide (elektronide antiosakeste) voo, mis võis tekkida tumeda aine osakeste kokkupõrkel.

Niisuguseid voogusid on satelliitidel ja õhupallidel paiknevate aparaatide abil märgatud varemgi, kuid varasemad leiud on olnud palju nõrgema energiaga ning mõõtmistulemused märksa ebamäärasemad kui PAMELA-l.

Tumeda aine olemasolu on uurijatele teada vaid seetõttu, et kuidagi lihtsalt tuleb seletada gravitatsiooni, mis hoiab koos galaktikaid ning seeläbi kogu universumit. Tumedat ainet pole võimalik näha ega mõõta, selle osakesed ignoreerivad meelekindlalt nähtava aine osakesi ega reageeri nendega.

Supersümmeetria teooria kohaselt peaks standardmudeli igal osakesel leiduma raskem vastand väljaspool mudelit. Ühte niisugustest hüpoteetilistest osakestest, neutraliinot, peetaksegi kõige paremaks kandidaadiks tumeda aine osakeste rollile. PAMELA teadlased usu­vad, et kahe «musta» neutraliino kokkupõrke tulemusena tekkisidki elektronide antiosakesed, mille voo nende aparaat registreeris.

Kosmoses võib standardmudeli kallal suuri tegusid teha ka tänavu suvel üles lennutatud Fermi gammakiirguse teleskoop (Fermi Gamma-ray Space Tele­scope), mis otsib kogu taevalaotusest ülisuure energiaga footoneid, sest need võivad samuti kajastada neutraliinode omavahelisi kokkupõrkeid.

Lisaks avakosmosele jälitatakse tumedat ainet pingsalt ka sügaval maa all. Endistesse kaevandustesse või tunnelitesse rajatud detektorite abil, mis on kaitstud nii kosmilise kiirguse kui ka maiste mõjutajate eest, loodetakse märgata detektoreist läbi lendavate tumeda aine osakeste juhuslikku reageerimist nähtava aine osakestega.

Niisugused seadeldised töötavad näiteks USAs Minnesotas ja Itaalias Gran Sassos ning viimase teadlased teatasid tänavu kevadel, et ongi saanud esimese signaali tumedast ainest. Gran Sasso mäe all asuvas detektoris DAMA/LIBRA (Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes) täheldati sähvatusi, mida tõlgendati tumeda aine osakeste reageerimisena detektoris asuvate radioaktiivsete kristallide osakestega.

Rooma tuumafüüsika instituudi teadlase Rita Bernabei meeskond on koguni täheldanud selliste sähvatuste sageduse kõikumist aasta lõikes: need tihenevad juunikuus ja harvenevad uuesti detsembris. Itaallaste meelest on see seletatav oma aastaringi tegeva Maa liikumisega meie Galaktikat ümbritseva tumeda aine hoovuse suhtes.

Tegelikult on standardmudeli müüri juba esimene mõra löödud ning see juhtus tervelt kümme aastat tagasi. Teadlased olid toona juba mõnda aega tähele pannud, et Päikeselt lähtub Maa suunas vähem neutriinosid – neutraalseid ning standardmudeli kohaselt ka massita osakesi – kui teooria eeldaks.

Puudujääki seletati teoreetilise võimalusega, et osa neutriinosid muutub millekski muuks, kuid niisugune muutumine saanuks toimuda ainult juhul, kui neutriinol siiski on mass. 1998. aastal registreerisidki jaapanlased Super-Ka­mio­kande detektori 50 000 tonnis vees neutriino «ümberlülitumise», mis on siiani jäänud ainsaks standardmudelit eitavaks eksperimentaalseks tulemuseks. Uut teavet on oodata veelgi võimsamatelt detektoritelt Vahemere all (ANTARES) ja Antarktika jää all (IceCube).

Võistlus on niisiis äge ning standardmudeli saatuse otsustaja loorberitele pretendeerib lugematu arv teadlasi. Füüsikute senisele maailmapildile on antud elada kas veel mõned kuud – või igavesti.

Suur hadronite põrguti (LHC) arvudes

• 27 kilomeetrit – LHC ringi ümbermõõt

• 50 km/h – füüsikutele LHCs liikumisel kehtestatud kiirusepiirang

• 32 minutit – seaduskuuleka füüsiku ringiaeg

• Miljard kilomeetrit tunnis (99,9999991% valguse kiirusest) – prootoni maksimumkiirus LHC ringis

• Üks kümnetuhandik sekundit – prootoni ringiaeg

• 0.00000000047 grammi – LHC ringlevate prootonite kogumass.

• 362 megadžauli – LHC prootonite koguenergia tippkiirusel

• 88 000 tonni – lennukikandja USS Ronald Reagan kaal

• 361 megadžauli – USS Ronald Reagani energia kiirusel 5,6 sõlme

• 4,1 miljardit dollarit – LHC ehitamise maksumus

• 4,5 miljardit dollarit – USS Ro­nald Reagani ehitamise maksumus

• 9000 kuupmeetrit – LHC peamise vaakumsüsteemi maht

• 4650 kuupmeetrit – Big Beni kellatorni siseruumi maht

• 14 aastat – LHC ehitamise aeg

• 13 aastat – Big Beni ehitamise aeg

• 6 miljonit – LHC kogutavate andmete hoidmiseks vajalike DVD-de hulk