 |
|
|
| |
Kiirenditega
mikromaailma avastama
MARGUS SAAL(1974)
Tartu Ülikooli Teoreetilise Füüsika Instituudi magistrant
|
|
| |
Maalilises paigas veitsi-Pransusmaa piiril, Genfi lähedal,
asub Euroopa Elementaarosakeste Labor CERN (lüh. pr. k.
nimetusest Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire).
Kõik sai alguse 29. septembrist 1954, mil jõustus kaheteistkümne
Euroopa riigi konventsioon, mida võibki lugeda CERNi asutamisdokumendiks.
Euroopa ühislaboratooriumi ideega tuli aga esmakordselt
välja kuulus Prantsuse füüsik Louis de Broglie juba 1949.
aastal Lausanne'is Euroopa Kultuurikonverentsil. Organisatsioon
loodi rangelt mittesõjalistel eesmärkidel ja hakkas tegelema
elitaarseima füüsikaharuga - tuuma- ja elementaarosakeste
füüsikaga.
MILLEKS CERN?
Milleks kulutatakse miljardeid selleks, et panna põrkuma
mõned elementaarosakesed? Milleks kulutatakse tuhandeid
töötunde, et püüda ära arvata, mis siis ikka juhtub, kui
see põrge ka aset leiab? Vaevalt saab põhjus olla üksnes
lootuses kulutatu kunagi kaugemas perspektiivis kuhjaga
tasa teenida. Olgugi, et me ei või iial ette teada, milleni
praegune uurimistöö viib ja missugune ootamatu rakendus
võidakse leida praegu äärmuslikult fundamentaalseks peetavatele
teadustulemusele, jääb ilmselt enamus elementaarosakeste
vallas saadavatest tulemustest siiski praktiliselt rakendamatuks.
Arvatavasti on põhiline põhjus elementaarosakeste füüsikaga
tegelemiseks siiski tema tunnetuslikus ja kultuurilises
väärtuses. Iga sammuke teel mõistmaks maailma mingit uut
aspekti on kallis ja vaevarikas. Aga leidub inimesi, kes
on valmis seda vaeva nägema, ja leidub inimesi, kes on mõistnud
selle tunnetuse väärtust kogu inimkonnale.
Samas on CERNi tegevusega seotud ja sellest huvitatud paljud
juhtivad tehnoloogiafirmad, kes arendavad ja katsetavad
CERNis oma uusimaid ja keerukaimaid tooteid. Arvatavasti
on nii mitmetelgi kordadel ülikeerukate tehnoloogiliste
lahendusteni esmakordselt jõutud just CERNi jaoks toodetud
seadmetes. Seega on osakestefüüsika inspireerinud nii mitmeidki
tehnoloogilisi uuendusi ja samas on tehnoloogiline areng
muidugi eelduseks, et teha järgmine samm eksperimentaalses
osakestefüüsikas. CERN on endale tehnoloogia muretsemisel
seadnud kolm juhtmõtet: kõrgeim kvaliteet, võimaluse korral
peab tegu olema Euroopa (mõne liikmesriigi) tootega ja madalaim
hind. Kindlasti leiavad (ja on leidnud) need arendatud tehnoloogiad
rakendusi ka märksa praktilisematel eesmärkidel kui osakeste
jahtimine, näiteks meditsiinitehnikas ja materjaliteaduses.
Kuna CERN on avatud organisatsioon, siis on seal tehtav
arendustöö kõigile kättesaadav. Kahtlemata otsitakse ka
ise koostöökontakte oma saavutuste tutvustamiseks ja rakendamiseks.
Maailmas on vaid mõned instituudid, kus tegeldakse osakestefüüsika
mõlema aspektiga - nii uute teoreetiliste seisukohtade väljatöötamisega
kui ka olemasolevate eksperimentaalse kontrollimisega. Eksperimentide
kõrge hind ja tehnoloogiline tipptase on viinud siin ülima
konsolideerumiseni, ja on hea meel, et Euroopa riigid on
leidnud võimaluse oma sellealaste pingutuste ühendamiseks
ühise laboratooriumi näol. See, mida isegi rikas riik endale
üksi lubada ei suuda, on saanud teoks paljude riikide ühisel
jõul. Ja veel parem meel on tõdeda, et selle ühistöö tulemusena
on sündinud maailma üks juhtivamaid teadusasutusi.
MIDA SIIS IKKA ON SAAVUTATUD?
Iga teadustöö koosneb oma põhiosas tuhandetest pisiasjadest
ja vahel harva viivad paljude inimeste ühised (või üksiku
geeniuse) jõupingutused suurtulemuseni, mis saavad tunnetusliku
maailmapildi aluseks.
Oma rohkem kui neljakümne tööaasta jooksul on CERNis tehtud
sadu erinevaid eksperimente ning need on kinnitanud ja aidanud
edasi arendada meie praegust ettekujutust maailma ehituskividest,
mida kokkuvõtlikult nimetatakse Standardmudeliks (tavaliselt
mõeldakse standardmudeli all elektronõrga interaktsiooni
teooriat ehk Glashow'-Salami-Weinbergi (GSW) mudelit ja
sellest sõltumatult tugeva interaktsiooni teooriat ehk kromodünaamikat).
Nende eksperimentide seast paistab silma vähemalt neli suurtulemust,
mis olulisel määral on mõjutanud Standardmudeli kujunemist.
Vähem kui kui kümme aastat pärast neutriino avastamist 1956.
aastal oldi jõutud arusaamisele, et ka neutriinosid peab
olema rohkem kui üks liik. Püstitati hüpotees, et elektronile
ja müüonile vastavad leptonite perekonnas erinevad neutriinod.
Esmased tõendid selle hüpoteesi kinnituseks saadi 1962.
aastal Brookhaveni Rahvuslikus Laboratooriumis USAs. Lõpliku
"otsuse" vähemalt kahe neutriino olemasolu kohta tegi aga
1964. aastal CERNg prootonite-antiprootonite sünkrotron.
See prootonite-antiprootonite sünkrotron oli esimene CERNi
suur kiirendi ja ta valmis 1959. aastal. Maksimaalne temaga
saavutatav energia on 28 GeV ja ta paikneb maapinnal, 200-meetrise
läbimõõduga hallide kompleksis. Praeguseks on lisaks elektronile
ja müüonile avastatud veel ka leptonite perekonna kolmas
osake - tauon, aga temale vastav neutriino on praeguseni
avastamata, olgugi, et tema olemasolus ollakse üksmeelselt
veendunud.
Järgmine tähtis avastus tehti 1973. aastal samal prootonite-antiprootonite
sünkrotronil. Nimelt ennustab Glashow'-Salami-Weinbergi
mudel nn. neutraalsete voolude olemasolu, mis vastutavad
selliste protsesside eest, kus neutriino ei muutu vastavaks
laetud leptoniks (sellised protsessid toimuvad nn. laetud
voolude vahendusel), vaid jääb ikka neutriinoks. Mullikamber
"Gargamelle", kus vastavaid protsesse esmakordselt registreeriti,
on praegu CERNi muuseumi auväärne eksponaat.
Neutraalsete voolude avastamine sillutas teed järgmisele
suurtulemusele - nõrga interaktsiooni vahebosonite olemasolule.
Nende avastamine 1983. aastal kujunes Glashow'-Salami-Weinbergi
teooria triumfiks. Selleks käivitati prootonite-antiprootonite
supersünkrotron (valmis 1976. aastal), kus masskeskmeenergial
540 GeV põrkuvad prootonite ja antiprootonite vood. See
kiirendi paikneb juba maa-aluses tunnelis, mille läbimõõt
on 2,2 kilomeetrit. Vahebosonid tekkisid küll väga harva,
aga siiski suudeti määrata nende kõige olulisemad parameetrid.
Vahebosonid avastanud uurimisgrupi juhid, Carlo Rubbia
ja Simon Van der Meer, said selle avastuse eest 1984.
aasta Nobeli füüsikapreemia.
Selleks et uurida täpsemalt vahebosonite omadusi ja selle
kaudu kogu teooria struktuuri alustati veel samal, 1983.aastal,
uue võimsa kiirendi ehitamist ja see valmis 1989. aastal.
Selles kiirendati elektrone ja positrone, mille põrgetel
pidi tekkima oluliselt rohkem vahebosoneid, kui prootonite-antiprootonite
põrgetel. Kiirendatavate osakeste järgi sai see kiirendi
endale nimeks Suur Elektronide-Positronide Kollaider (Large
Electron-Positron Collider - LEP). LEP paikneb 27 kilomeetri
pikkuses maa-aluses ringtunnelis ja teda võib pidada suurimaks
teadusaparaadiks, mis inimkond seni on suutnud konstrueerida.
LEPi tunnel paikneb, olenevalt maapinna profiilist, 50-150
meetri sügavusel maa all. Osakeste vood põrkuvad neljas
detektoris (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL), kus võib toimuda kuni
11 000 sündmust sekundis. Põrgetel tekkinud ja laiali lennanud
osakesed jätavad detektoritesse jäljed, mis registreeritakse
ja kirjutatakse andmekandjatele. Seejärel algab nende andmete
pikk teekond läbi arvutite, kus nendest eraldatakse üksnes
huvipakkuv. Möödunud kaheksa tööaasta jooksul on detailselt
uuritud vahebosoneid ja teisi standardmudeli parameetreid.
Näiteks on ülitäpselt määratud neutraalse vahebosoni Z mass:
91,187 GeV.
Tavaliselt jaotatakse LEPi töö perioodideks, kus kiirendi
on töötanud erinevatel energiatel. Algul oli see 91,2 GeVi
- võrdne just neutraalse vahebosoni Z massiga, ja sobis
seetõttu eriti hästi tema omaduste tundmaõppimiseks. Tema
suurim saavutatav energia peaks olema umbes 190 GeV ja enne
LEPi sulgemist 1999. aastal "kombatakse" kindlasti ka see
piirkond hoolikalt läbi.
Tunnetuslikult vahest kõige olulisemaks LEPi saavutuseks
tuleb pidada tulemust, mis suure tõenäosusega väidab, et
looduses leidub ainult kolm generatsiooni fundamentaalosakesi
- leptoneid ja kvarke. See on kooskõlas ka mitmete teoreetiliste
ennustustega, nii elementaarosakeste, kui ka kosmoloogia
vallast. Öeldust arvestades võime väita, et tunneme neid
kõige fundamentaalsemaid ehituskive (muidugi üksnes oma
praeguste teadmiste ja arusaamade valgusel), millest maailm
on tehtud. Natuke segasem on olukord osakestega, mis kannavad
ehituskivideks nimetatute vahel valitsevaid jõude ja seovad
nad keerukamateks struktuurideks. Nimelt ennustab elektronõrga
interaktsiooni ühendteooria, lisaks juba mainitud vahebosonitele,
veel ühe massiivse bosoni olemasolu. Vastasmõjus selle,
Higgsi bosoniks nimetatava osakesega, genereeritakse vahebosonite
massid nn. Higgsi mehhanismi abil. Niisuguse bososi avastamist
peetakse nüüdisaja osakestefüüsika tähtsaimaks ülesandeks
ja praegu tehakse kõigis maailma laborites suuri jõupingutusi,
et säärase eesmärgini ka jõuda. Kahjuks ei ütle standardmudel
midagi Higgsi bosoni massi kohta ja see raskendab tunduvalt
eksperimentide planeerimist. Mass arvatakse olevat isegi
nii suur, et LEPg energiast jääb väheseks otsitava osakese
tekitamiseks.
Üheaegselt osakestega on otsitud ja ka leitud neile vastavaid
antiosakesi. Isegi mitmeid antituumi on õnnestunud juba
aastakümneid tagasi tekitada ja registreerida. Värskeim
CERNi uudis on pärit 1996. aasta algusest, mil registreeriti
CERNi eksperimendis LEAR (Low Energy Antiproton Ring)
esmakordselt antiaine (täpsemalt antivesiniku) aatomeid
(vt. Jaak Lõhmus, Ilmar Ots. Antiaine esimesed aatomid.
"Horisont " nr. 5 1996).
MIS SEAL KIIRENDIS IKKA TOIMUB ...
Kiirendatavad vastassuundades liikuvad elektronid ja
positronid ei torma LEPi ringis mitte pideva joana, vaid
parvekaupa. Parvede liikumine on rihitud nii, et vastassuundades
kihutavad osakesed peaksid kokku saama just nendes punktides,
mida ümbritsevad detektorid. Kuigi parvedes on tihedalt
koos miljonid elektronid ja positronid, vihisevad nad tavaliselt
üksteisest mööda erilise kärata. Ainult mõnikord juhtub,
et kogu seltskonnast üks elektron ja positron kokku põrkavad,
seda nimetatakse sündmuseks. Põrkel elektron ja positron
annihileeruvad, kuid jäävusseaduste tõttu tekib neist siiski
hulk igasuguseid uusi osakesi, mis nüüd suvalises suunas
laiali lendavad. Just nende uurimise kaudu saab elementaarosakeste
füüsika võimaluse korrigeerida oma teooriaid ja ammutada
mikromaailma kohta uusi teadmisi.
Iga detektor on konstrueeritud mõttega, et tekkivate põrkeproduktide
kohta kätte saada võimalikult üksikasjalik info. Seepärast
koosneb detektor musttuhandest täpselt paika pandud eri
tüüpi andurist, mille suurus on mõõdetav mikromeetrites.
Näiteks mõned on tundlikud elektromagnetkiirguse suhtes,
teised neelavad osavalt osakesi jne. Lõpuks väljub igast
andurist viik või kaablike, mida mööda edastatakse signaal
vastavalt sellele, kas mõni osakene tema tundlikkuse piirkonnast
läbi läks. Kõigi andurite signaalid salvestatakse momentaalselt
andmefaili ning detektor on valmis ootama järgmist sündmust.
Hoolimata algsest täpsusest hajuvad elektronide ja positronide
parved paljude tiirutamise käigus paratamatult. (Valguse
kiirusel kimades teevad nad minutiga üle poole miljoni 28
km pikkuse ringi, kusjuures trajektoori täpsus peab olema
millimeetri või isegi mikromeetrite suurusjärgus.) Kui paistab,
et parved on juba liialt hajunud, võetakse nad rajalt maha
ning antakse start uuele vahetusele.
MIS SAAB EDASI ...
Kahe aasta parast lõpetatakse LEPil eksperimendid ja
LEPi paigaldatakse uue prootonite-antiprootonite kiirendi
LHCi (Large Hadron Collider). Esimesed tulemused
sealt peaksid jõudma avalikkuse ette aastail 2003-2004.
LHCi projekteerimine näitab CERNi inseneride suurepärast
planeerimisoskust. Nimelt arvestati LEPi tunneli ehitamisel
asjaoluga, et sinna oleks võimalik paigaldada lisaks olemasolevale
veel üks suur kiirendi. Praegu moodustavad kõik CERNi varem
ehitatud kiirendid üksteisega läbipõimunud terviku. Näiteks
kasutatakse vanu prootonite-antiprootonite sünkrotrone kui
eelkiirendeid, nii LEPi, kui ka valmiva LHCi jaoks. LHC
peaks kiirendama prootoneid ja antiprootoneid, kuni nende
põrke masskeskme energia on 14 TeVi. Sellise energiaga põrkuvad
osakesed lähenevad teineteisele kaugusele 10-19
m ja protsessid, mis seal aset leiavad, on omased umbes
10-12 sekundi vanusele
Universumile. Kindlasti peaks LHC-l saavutatav energia olema
piisav nii Higgsi bosoni kui võib-olla ka mõnede supersümmeetria
ennustatud osakeste tekitamiseks. Samuti loodetakse tema
abil lahendada aine ja antiaine asümmeetriaga seotud probleemid
- leida vastus küsimusele miks on maailm meie ümber tehtud
ainest, mitte antiainest? Seos kosmoloogia ja elementaarosakeste
füüsika vahel on aasta-aastalt tihenenud ja praegu võime
väita, et samapalju, kui suured võimsad teleskoobid, annab
kosmoloogia jaoks ka osakeste ja nende omaduste tundmine,
sest just nendega toimunud protsessid, Universumi arengu
esimestel hetkedel, viisid meie poolt praegu uuritava Universumi
kujunemisele.
Muidugi on nii grandioosse projekti puhul veel ridamisi
probleeme, näiteks vajatakse tuhandeid ülijuhtivaid magneteid,
mis tuleb jahutada vedela heeliumi temperatuurini (umbes
2 K). Üllatuslikult on mõningaid probleeme ka arvutustehnikaga,
nimelt toimub LHCi detektorites kuni 800 miljonit sündmust
sekundis ja igas sündmuses tekib kümneid uusi osakesi, millede
jaoks omakorda on vaja kümnete parameetrite registreerimist
ja salvestamist. Selliste hiiglaslike andmehulkadega toimetulemiseks
vajatakse seega ülivõimsaid arvuteid.
Loomulikult on leidnud selles jutukeses mainimist vaid CERNi
suuremad projektid, aga lisaks neile toimub veel kümneid
väiksemaid ja vähemkeerukaid eksperimente (näiteks mitu
eksperimenti neutriinode ostsillatsioonide avastamiseks),
mis võivad anda samuti väga häid ja uudseid tulemusi.
tagasi ...
|
|
|