FizicaPrima privire fugară a umanităţii asupra celor mai mari adâncimi din ocean a părut cu adevărat dezamăgitoare. Un mic echipaj a lucrat timp de doi ani pentru a pregăti Trieste - unul din cele numai două submersibile din lume, la acea vreme - pentru plonjonul de 11 mii de metri adâncime, până la fundul groapei Marianelor.

 

 

Dar când locotenentul marinei americane Don Walsh şi inginerul elveţian Jacques Piccard au atins fundul în 1960, tot ce au putut vedea prin hublou a fost mâlul stârnit de aşezarea batiscafului pe fundul oceanului. "Era ca şi cum ne-am fi uitat într-un bol cu lapte" îşi aminteşte Walsh, acum în vârstă de 81 de ani.

Cu toate astea, în analele explorărilor, scufundarea a fost un mare succes. A dezvoltat şi testat echipamentele care au făcut posibilă explorarea adâncimii oceanelor, deschizând un nou tărâm înţelegerii ştiinţifice. În sute de scufundări pe parcursul celor câteva decade următoare, cercetători în submersibile au descoperit o lume a abisurilor plină de creaturi fragile, gelatinoase şi ecosisteme exuberante alimentate de ape geotermale aflate la mare adâncime. Descoperirile lor vor revela rolul crucial al oceanului în buna funcţionare a planetei noastre, şi poate chiar, în începuturile vieţii pe Pământ.

Astăzi, în întreaga lume, fizicienii particulelor elementare desfăşoară propriile lor scufundări la adâncime, în cea mai fundamentală explorare dintre toate. Ţelul lor este să afle cum funcţionează Cosmosul, prin studierea celor mai mici constituenţi - particulele subatomice - şi a forţelor care acţionează asupra lor.

Precum oceanul, tărâmul pe care îl explorează este vast, extrem şi extravagant de ciudat. Uneori ei descoperă lucruri neaşteptate într-un moment de inspiraţie, alteori le ia ani sau chiar decenii de efort încăpăţânat pentru a îndepărta lucrurile neimportante, a dezvălui o descoperire şi a înţelege semnificaţia ei.

Ca în orice călătorie în necunoscut şi aceasta cere creativitate, bărbăţie, pregătire meticuloasă, priceperea de a improviza, obsesia unui dezlegător de enigme şi o minte curioasă, fără a menţiona banii pentru a plăti toate astea. Rezultatele sunt minunat de nepredictibile.

"Este o combinaţie de vis şi pasiune de a descoperi cum funcţionează în fond lumea fizică", spune fiziciana experimentatoare Maria Spiropulu de la California Institute of Technology, a cărei echipă a dezvoltat recent o metodă nouă de analiză a datelor de la Large Hadron Collider (Marele Accelerator de Hadroni) din Europa. "Trebuie să fii pregătit să tai nodul gordian - nu numai să încerci a-l desface - când acesta îţi stă în cale. Întâlnim o mulţime de eşecuri şi dezamăgiri în cale, o mulţime de capcane şi pericole şi e necesară multă perseverenţă şi spirit neîmblânzit în acţiune pentru a continua".


Declararea intenţiilor

Fie prin valurile tălăzuite de furtună, fie prin hăţişul junglei, fiecare expediţie începe cu o hartă. În acest caz călătoria începe cu Modelul Standard, care descrie particulele şi forţele fundamentale pe care le ştim astăzi. Ca şi o hartă veche a lumii cunoscute, ea se extinde pentru a cuprinde noile descoperiri; bosonul Higgs, de exemplu, şi-a luat recent locul pe diagrama Modelului Standard, alături de cele 12 tipuri de quarcuri şi leptoni cunoscute, şi cele 4 particule purtătoare a forţelor.

Modelul Standard nu explică totul. Gravitaţia de exemplu este neexplicată, iar ceea ce ştim despre neutrini nu se prea potriveşte. Şi, în fond, cu cât fizicienii află mai multe, cu atât mai derutant arată Universul.

Există încă principii nedescoperite ale naturii? Ce este cu dimensiunile suplimentare ale spaţiului? De ce există atât de multe tipuri de particule? Există mai mult decât un singur tip de boson Higgs? Ce sunt materia întunecată şi energia întunecată care alcătuiesc mai mult de 95% din Cosmos şi cum putem afla mai multe despre ele? Unde încadrăm neutrinii în înţelegerea noastră despre materie, energie spaţiu şi timp? Cum s-a născut Universul? De ce suntem noi, şi tot ceea ce ne înconjoară, făcuţi din materie mai degrabă decât din antimaterie?

Pentru a ataca aceste probleme dificile fizicienii îşi adună forţele. Teoreticienii se ocupă mai mult de navigaţie, indicând direcţiile promiţătoare. Experimentatorii sunt santinelele, furnizorii, naturaliştii şi cei cu logistica: ei concep, construiesc şi pun în funcţiune acceleratoare de ultimă generaţie, detectori şi alte maşinării, adună datele şi le verifică atent pentru a găsi ceva nou. Nu ar fi putut ajunge prea departe fără ajutorul simulărilor pe computer, care îi ajută să înţeleagă unde i-ar putea conduce aparatelel lor.

"Odată ce am decis ce idei sunt mai atrăgătoare şi ce călătorii sunt posibile", spune fizicianul Tim Nelson de la SLAC, "ne echipăm şi pornim la drum".

Aventuri în spaţiul parametrilor

În povestirile clasice de aventuri, oamenii pătrund într-un tărâm necunoscut - munţi colţuroşi, pustietăţi, deşerturi inospitaliere. În experimentele clasice de fizica particulelor cercetătorii creează un set de condiţii - cum ar fi energiile eliberate la ciocnirea particulelor - care ar permite apariţia unor particule necunoscute anterior. Aceste condiţii sunt cunoscute ca "spaţiul parametrilor" şi explorarea acestui spaţiu, unde o particulă nouă ar putea fi descoperită, este o parte importantă în procesul descoperirii. În multe cazuri este un proces de eliminare - nu, nu este aici! nici aici, de asemenea! - ceea ce treptat încolţeşte prada, fie că este un quark top, un boson Z sau Higgs.

Ca şi în viaţa obişnuită, toate terenurile uşor accesibile au fost deja străbătute şi colonizate. Astfel încât a căuta noi particule şi forţe ce pot sta la pândă în spaţiul parametrilor, devine din ce în ce mai dificil cu trecerea timpului.

Fizicienii particulelor elementare folosesc trei abordări de bază, cunoscute ca frontiere ale descoperirilor.

La frontiera energiei ei fac particulele să se ciocnească la energii înalte, eliberând mari cantităţi de energie care se pot contopi în particule noi, necunoscute anterior.

La frontiera intensităţii ei folosesc acceleratoare de particule puternice şi detectoare de o sensibilitate incredibilă, pentru a urmări procese foarte rare şi care ar putea să dezvăluie particule sau forţe ascunse.

La frontiera cosmică ei construiesc detectoare pentru a capta particule venind din spaţiu. Unele dintre aceste detectoare sunt îngropate adânc în subteran, pentru a le proteja de interferenţe; altele sunt lansate pe orbită pentru o vedere nestingherită.

Nici una dintre frontiere nu este complet singură; ele se întreţes şi se alimentează una pe cealaltă într-un mod care accelerează rata descoperirilor. Nici o abordare singulară nu poate rezolva toate problemele cărora nu li s-a găsit răspuns.

"Întrebările pe care le punem sunt atât de simple şi fundamentale încât oricine - de la copii la pensionari - le poate înţelege şi se poate raporta într-un fel la ele", spune Ian Shipsey, un fizician experimentator de la Universitatea Purdue la o conferinţă Snowmass, ţinută în Minnesota în august, pentru a trece în revistă posibilităţile de descoperiri în domeniu. "Suntem uniţi în dorinţa noastră de a înţelege Universul ce ne înconjoară".


La pândă. Forţa întunecată

O mare parte a fizicii particulelor implică proiectarea şi construirea de echipamente pentru derularea experimentelor.

Pentru Nelson de la SLAC, această provocare tehnică este o mare parte a atracţiei către domeniu. Un miros uşor de componente electrice pluteşte în biroul lui; pe pupitru sunt foarfeci, mănunchiuri de fire, o ruletă, o ceaşcă de espresso şi componente ale unui detector, înfăşurate în hârtie pentru a le păstra curate. Se descrie ca având înnăscută asumarea de riscuri, pasionat de călătorii cu cursiera lui, care îl aduc într-o stare de meditaţie propice rezolvării problemelor. Dar în acelaşi timp spune el, când vine vorba de experimente un fizician nu poate fi niciodată prea precaut: "încercăm să ne gândim la orice lucru care ar putea merge rău, încercăm să ne asigurăm că am verificat fiecare detaliu".

Chiar acum lucrează la un experiment numit Heavy Photon Search (Căutarea Fotonilor Grei), care sondează un foarte incitant spaţiu al parametrilor. Va pune un detector de particule chiar alături de un fascicul de particule - un mediu fierbinte, complicat şi zgomotos - pentru a căuta un semnal extrem de slab, care ar putea fi produs de dezintegrarea unui foton de materie întunecată. În Modelul Standard fotonul este purtătorul forţei electromagnetice, inclusiv al luminii; nimeni nu ştie ce ar face particula lui corespondentă din materie întunecată, dacă ea chiar există.

Experimentul va necesita un detector foarte rapid cu siliciu, un foarte fin control al fasciculului de particule şi oameni cu cunoştinţe şi deprinderi unice, spune Nelson. Din fericire, cele două duzine de cercetători de la echipa HPS, alcătuite din persoane de la laboratoarele naţionale SLAC şi Thomas Jefferson, de la câteva universităţi din SUA, cât şi de la institute din, Franţa, Italia şi Canada, le deţin pe toate trei; şi testele iniţiale de la laboratorul Jefferson, unde va fi efectuat experimentul, au fost promiţătoare.

Chiar şi aşa, nu există o garanţie sigură a succesului

"Aceasta este acolo undeva, foarte departe. Asta înseamnă cu adevărat a ţinti la distanţă, un pas uriaş" spune Nelson. "Este covârşitor, ca şi cum ne-am uita prin acest întreg spaţiu al parametrilor şi nu am găsi nimic. Dar dacă vom găsi, va fi cea mai mare descoperire din istorie de la descoperirea electronului - ca şi descoperirea vieţii extraterestre, este ceva atât de străin de fizica cunoscută".

Ca şi Columb lansând o expediţie, spune Nelson, "trebuie să-ţi aduni corăbiile, să faci rost de echipaj, să primeşti totodată sprijinul necesar şi toate astea nu se întâmplă peste noapte. Şi apoi mai este elementul de noroc - pentru că dacă nu este nimic acolo, nu vom găsi nimic. Nu poţi şti niciodată. Norocul are întotdeauna un rol într-o descoperire majoră".

Acest experiment propus este unul din cele câteva duzine de căutări planificate, sau în desfăşurare, ale materiei întunecate, fiecare verificând un anumit parametru, pentru a descoperi sau elimina o particulă de materie întunecată cu anumite caracteristici. Cu această abordare largă, cu mai multe "cârlige", oamenii de ştiinţă vor să ofere norocului o mână de ajutor si să-şi sporească şansele de succes.

Este nevoie de o expediţie

A organiza o expediţie bine pusă la punct este o parte importantă în practica fizicii particulelor. Cele mai mari experimente, ca cele de la Large Hadron Collider, au nevoie de mii de oameni care să imagineze, proiecteze şi să construiască hardware-ul necesar - fizicienii au o îndelungată tradiţie în a-şi construi propriile lor unelte - să deruleze experimentele, să adune şi să analizeze datele, să rezolve problemele, să-şi imagineze noi idei pentru a fi testate şi să coordoneze întreaga întreprindere.

Şi - aceasta poate să pară ciudat cuiva din afara domeniului - când cred că au descoperit ceva interesant, este datoria lor solemnă să încerce să dovedească că este o greşeală, să omoare descoperirea înainte de a o face altcineva.

Dar asta este un lucru bun. “Nu poţi merge prea mult pe un drum greşit”, spune JoAnne Hewett, teoreticiană la SLAC. “Când sunt 3000 persoane într-o colaborare, ai 2999 de colegi care te urmăresc când verifici corectitudinea concluziilor. Astfel încât căutarea se autocorecteaza”.

O întreprindere atât de mare poate părea greoaie. Dar în fond, este formată din multe echipe mai mici, cu persoane cu cunoştinţe şi deprinderi înalt specializate, împărţind atât munca, cât şi creditul pentru realizările lor, şi aducând ajutor din exterior când acesta este necesar.

De exemplu, Valerie Halyo, de la Universitatea Princeton, caută căi de a îmbunătăţi performanţele sistemului de declanşare de la Marele Accelerator de Hadroni. Declanşatorul urmăreşte marea cantitate de date referitoare la ciocnirea particulelor ce ies de la detectorul LHC şi selectează automat un mic procentaj al celor mai interesante evenimente pentru analiză ulterioară. Decât să înceapă de la zero, ea a consultat experţi de la Nvidia şi Intel. Echipa ei foloseşte tehnologia existentă a acestor companii pentru a scrie algoritmii care selectează tipuri anume de particule, pentru a le urmări - inclusiv particule cu durată de viaţă îndelungată care călătoresc 30 cm sau mai mult după coliziune, înainte de a se dezintegra - şi o fac mai repede decât înainte. Tehnica promite să extindă mult căutările fizicii noi.

"Dacă tehnologia există deja şi nu trebuie să dezvolt hardware-ul, nimic nu poate fi mai bine decât asta" spune Halyo. "Oamenii din afara mediului academic sunt foarte bine informaţi şi competenţi, entuziaşti că pot contribui la progresul ştiinţific. Cred că astăzi multe lucruri pot fi obţinute numai dacă ai o atitudine interdisciplinară; e nevoie de un sat întreg; fiecare trebuie să pună pe masă ceea ce are".

Schimbarea direcţiei

Ca şi în cazul lui Cristofor Columb, care a dat peste Lumea Nouă în timp ce căuta un drum către Asia, aceste călătorii pot sfârşi în locuri complet neaşteptate. Aşa a fost în cazul neutrinului. Această căutare particulară a început cu o teorie despre cum funcţionează Soarele: fuziunea nucleelor de hidrogen pentru a produce heliu eliberează cantităţi înfricoşătoare de energie - lumina şi căldura Soarelui - precum şi un număr de particule, inclusiv neutrini.

Ray Davis, fizician la Laboratorul Naţional Brookhaven, s-a gândit că ar putea captura câţiva dintre aceşti neutrini solari, şi astfel să afle câte ceva despre interiorul Soarelui, într-un experiment situat la 1600 metri în subteran, într-o mină de aur din Dakota de Sud.

"Când a planificat acest experiment discuţia a fost de maniera "Cui îi pasă?", spune Joshua Klein de la Universitatea din Pennsylvania, un fizician ce se ocupă de neutrini şi care este purtător de cuvânt al SUA la experimentul SNO+ desfaşurat la SNOLAB din Canada. Oamenii erau încrezători că fuziunea era cea care alimentează Soarele, spune el. Ce altceva ar mai putea fi? Ce va aduce în plus detectarea câtorva neutrini?

Dar în 1968 Davis a lansat o bombă: numai o treime din numărul aşteptat de neutrini solari apăreau în detectorul lui. Era ceva greşit cu teoria despre cum funcţionează Soarele? Poate că el produce mult mai puţini neutrini decât se aştepta. Adăugându-se la neliniştea oamenilor de ştiinţă, teoriile acceptate spuneau că neutrinii nu au masă, dar ceea ce a găsit Davis implică că au cumva o masă. Erau acele teorii incorecte? Davis a revenit asupra fiecărui detaliu al experimentului lui verificând de două şi de trei ori, dar nu a găsit nimic greşit. Cum misterul se adâncea, din ce în ce mai mulţi cercetători au intervenit în discuţie, dezvoltând tehnici şi construind experimente care au adus problema şi mai mult în centrul atenţiei.

În final au descoperit ceea ce se întâmpla. Neutrinii electronici emişi de către Soare se schimbau, sau oscilau, în alte două tipuri de neutrini pe parcursul călătoriei lor de cca 150 milioane km către Pământ. În 2002, după trecerea, pe tăcute, a problemei neutrinilor solari în rezervă şi trecând neinspirat la un domeniu cu totul nou de cercetare, Davis a primit premiul Nobel pentru fizică.

Astăzi oamenii de ştiinţă croiesc drumuri prin jungla de neutrini în orice direcţie posibilă - studiind neutrinii creaţi în stelele ce explodează şi în reactoarele nucleare, sosind din adâncimile spaţiului, venind din adâncimile Pământului, cât şi produşi în acceleratoarele de particule. Ei încearcă să răspundă la întrebări la care nimeni nu s-ar fi gândit înaintea experimentului lui Davis: cât cântăresc cele trei tipuri de neutrini? Care sunt detaliile despre cum se amestecă sau oscilează unul în celălalt? Câteva experimente studiază extrem de rarele dezintegrări care pot dezvălui dacă neutrinul este propria sa antiparticulă; răspunsul ar putea revela motivul pentru care Universul este atât de deficient în antimaterie. Şi vânătoarea continuă pentru un al patrulea tip de neutrin, aşa numitul neutrin "steril"; dacă ar fi descoperit, ar fi prima particulă fundamentală în afara Modelului Standard.

"Există încă multe lucruri bune de descoperit", spune Klein. "Putem găsi surprize, aşa cum a făcut Ray Davis".

Următorul val


În 2012, la mai mult de 50 de ani după ce submersibilul Trieste s-a asezat pe fundul groapei Marianelor, exploratorii au revenit în sfârşit la cele mai mari adâncimi din ocean. Cu regizorul de film James Cameron la cârmă, submersibilul Deepsea Challenger a petrecut ore întregi adunând mostre, fotografii şi imagini video de înaltă definiţie. Minunile găsite includ protozoare gigantice, covoare dense şi vâscoase de microbi, vulcani noroioşi activi şi un crustaceu asemănător crevetelui, care conţine o substanţă chimică identică cu ingredientul activ dintr-un medicament folosit în tratamentul bolii Alzheimer. Oamenii de ştiinţă vor reflecta mult timp asupra rezultatelor acestei expediţii, iar Cameron a donat submersibilul unui institut oceanografic pentru a-l folosi la cercetări.

Ca şi voiajul lui Deepsea Challenger şi cel al lui Trieste înaintea lui, recenta descoperire a bosonului Higgs nu este decât un început. Descoperirea oscilaţiilor neutrinului a fost numai un început. Şi descoperirea naturii materiei întunecate şi a energiei întunecate vor fi numai începutul unui nou val de explorări care ne va conduce mai adânc către adevărurile fundamentale.

Uneori drumul duce direct la o descoperire premiată; alteori se dovedeşte a fi o fundătură. Adevăratul explorator îşi ridică rucsacul, înşfacă maceta şi se pregăteşte să croiască o nouă cale către incitanta lume nouă de dincolo de ceea ce cunoaştem acum.



Traducere de Marian Stănică după the-great-physics-quest, cu acordul editorului.