Pe lângă căutarea faimosului boson Higgs, la acceleratorul de la Geneva, Large Hadron Collider (LHC), cercetătorii se pregătesc să realizeze şi să studieze ciocniri ale protonilor cu ioni de plumb şi ale ionilor de plumb între ei. De ce? Aflaţi detalii în cele ce urmează...
Acest studiu va ajuta oamenii de ştiinţă să înţeleagă mai bine procesele care au avut loc imediat după Big Bang.
Acceleratorul de la Geneva pe scurt
Reamintim, pe scurt, câteva dintre caracteristicile acceleratorului Large Hadron Collider (LHC) de la Geneva. Acceleratorul LHC, împreună cu aparaturile experimentale care sunt instalate acolo, ATLAS, CMS, LHCb şi ALICE, reprezintă una dintre cele mai importante aventuri ale spiritului uman. Nu atât din punct de vedere financiar, cât din cel al explorării unor noi aspecte ale Naturii din care facem parte şi a legilor acesteia. LHC este un accelerator de formă (aproximativ) circulară, instalat într-un tunel la circa 100 de metri sub pământ, între Elveţia şi Franţa, şi are o lungime (circumferinţă) de aproximativ 27 de kilometri.
Obiectivul acestui accelerator este de a realiza şi studia interacţiuni între fascicule de protoni sau ioni de plumb, la energii record, pentru a găsi răspunsuri la întrebări profunde despre lumea ce ne înconjoară şi chiar şi despre Univers. Miile de magneţi care sunt folosiţi la LHC nu sunt magneţi “normali", ci magneţi construiţi din materiale speciale care funcţionează în aşa-numitul regim de supraconductibilitate – adică aceştia consumă foarte puţin curent electric, însă doar atunci când sunt răciţi la temperaturi extrem de joase, ceea ce înseamnă în acest caz circa 2.3 K (circa -270 C!!!), cu ajutorul heliului lichid. Folosirea acestui tip de magneţi este necesară, altfel costul energie electrice ar fi enorm.
Ce se face la LHC?
La LHC se ciocnesc fascicule de particule, la energii extreme. Energia la care sunt acceleraţi la ora actuală protonii într-un fascicul este de aproximativ 3.5-4 TeV. În fizica particulelor elementare unitatea de energie este aşa-numitul electron-Volt (eV), ceea ce corespunde energiei câştigate de un electron care străbate un câmp electric cu o diferenţă de potenţial de 1 Volt. 1 TeV înseamnă o mie de miliarde de eV! Energia de 4 TeV este de circa 4,000 de ori mai mare decât masa de repaus a protonului (care este circa 1 GeV) şi viteza la care circulă protonii în cadrul LHC-ului este foarte apropiată de viteza luminii, fiind necesar să ţinem cont de teoria relativităţii pentru a face ca LHC să funcţioneze corect.
Două fascicule de protoni care circulă în direcţii contrare se ciocnesc violent şi dau naştere la noi particule (prin conservarea energiei E=mc2). Energia extrem de mare – energie record, nici un alt accelerator a ajuns la energii aşa de mari – face că numărul de particule care se pot forma în starea finală, după ce protonii au interacţionat, să fie de câteva mii. Printre acestea s-ar putea ascunde şi bosonul Higgs – cel căutat de detectoarele ATLAS şi CMS.
Pe lângă ciocniri de protoni, la LHC se pot realiza şi ciocniri de fascicule de ioni de plumb. În urma acestora rezultă un amestec foarte dens şi cald de quarcuri şi gluoni (protonii şi neutronii sunt alcătuiţi din quarcuri ţinute împreună de gluoni), aşa-numita plasmă de quarcuri şi gluoni, care ar fi putut exista în Univers în primele momente de după Big Bang. Studiul acesteia, realizat în special în cadrul experimentului ALICE, este deosebit de important – tocmai pentru a înţelege mai bine primele momente de viaţă ale Universului nostru.
Studiul plasmei de quarcuri şi gluoni
Pentru studiul acestei stări ale materiei, numită plasmă de quarcuri şi gluoni, la LHC se pregăteşte realizarea ciocnirilor de fascicule ioni de plumb la energii extreme. În urma acestor ciocniri, pentru un timp foarte scurt, ar trebui să se realizeze această stare a materiei care ar fi putut exista imediat după Big Bang.
La ora actuală însă, cercetătorii nu au o înţelegere adecvată, detaliată, a ionilor de plumb pentru a-i puteau folosi în studiul plasmei de quarcuri şi gluoni. Motiv pentru care, un prim pas îl reprezintă studiul ionilor de plumb prin procese de ciocnire între un fascicul de protoni şi unul de ioni de plumb, având în vedere faptul că protonii sunt mult mai simpli decât ionii de plumb.
Deci, în urma analizei acestor ciocniri se pot înţelege detalii legate de ionii de plumb care să fie ulterior folosite în studiul proceselor mult mai complicate de ciocnire între două fascicule de ioni de plumb.
Primele teste au fost un succes
Un prim test cu fascicule de protoni şi ioni de plumb a fost realizat la LHC luni, 31 octombrie 2011 şi a durat 16 ore. Un fascicul de protoni, alcătuit din 304 pachete (bunches) cu energia de 3.5 TeV a circulat la LHC împreună cu unul de ioni de plumb, alcătuit din câteva pachete (bunches) cu energia de 284 TeV (adică 1.38 TeV pe nucleon). Cele două fascicule nu au fost deocamdată în condiţii de "ciocnire" ; au fost ţinute separate, deoarece în acest prim test se dorea transportarea acestora în detectorii care urmează să studieze procesele de ciocnire şi verificarea calităţii fasciculelor.
În următoarele săptămâni la LHC se intenţionează studiul în paralel a interacţiunilor de protoni cu ioni de plumb, dar şi a ionilor de plumb între ei.
LHC este cu un pas mai aproape de înţelegerea primilor paşi ai Universului – primele momente de după Big Bang, în care o "supă" caldă şi densă de quarcuri şi gluoni, aşa-numita plasmă de quarcuri şi gluoni, a existat, înainte de formarea nucleonilor, a atomilor şi a materiei cu care la ora actuală suntem obişnuiţi.
Detalii (în engleză): http://physicsworld.com/cws/article/news/47703
