Otkrivamo kako svjetski znanstvenici stvaraju uvjete za postanak svemira

Nakon vožnje od 11 kilometara od centra Ženeve prema Francuskoj ugledat ćete sasvim osobite predmete: golemu drvenu kuglu, a pokraj nje skulpturu, svijeni komad metala na koji su upisane sve najvažnije matematičke i fizikalne formule. U kugli se održava izložba o najvažnijim istraživanjima u CERN-u, a ako ste zaista sretni, pustit će vas i da se popnete do vrha.

To su neposredni simboli CERN-a, odnosno Conseil européen pour la recherche nucléaire – Europskog centra za nuklearna istraživanja. Iako je riječ o lokalnoj atrakciji, skulptura i drvena kugla, odnosno Globus znanosti i inovacije, koja je CERN-u darovana nakon Svjetske izložbe 2004. godine, ne govore dovoljno o svemu na čemu se radi u CERN-u, čiji je ulaz preko puta. Potaknuti najavom hrvatske Vlade da će Hrvatska postati pridružena članica CERN-a, dok čekamo potvrdu da smo primljeni, otputili smo se u Ženevu kako bismo se uvjerili zašto je važno postati članicom CERN-a, koji je jedna od najvažnijih svjetskih znanstvenih institucija koja je, sigurno otkrićem Higgsova bozona, pa i zaslugom “Da Vincijeva koda” Dana Browna, stekla kultni status.

Video: Sandra Šimunović/PIXSELL

– Ipak više volimo da nas se prepoznaje po znanosti nego po filmu i knjizi. Iako je svaka popularizacija dobra, ovdje je održana premijera “Anđela i demona”, bio je i Tom Hanks. Možda smo i zbog toga sada peta znanstvena ustanova u Europi po broju turista koji nas posjećuju, no znanost je ovdje uvijek prvo o čemu se razmišlja – govori nam Abha, simpatična Nepalka iz CERN-ova ureda za odnose s javnošću. Ali, uvjerit ćemo se vrlo brzo, CERN je doista ono što se o njemu govori, zaista je kao iz kakvog filma. Dio je naše misije, naravno, bio i posjet hrvatskim znanstvenicima koji danas ondje rade. A bila je prava sreća ondje susresti jednog od najvažnijih naših fizičara uopće – dr. sc. Daniela Denegrija, čija se povijest vezana uz CERN proteže na gotovo 50 godina. Nažalost, kao predstavnika francuske znanosti, jer bez članstva Hrvati u CERN-u mogu raditi samo na “posudbi”.

– Moji profesori u Zagrebu onog vremena, poglavito dr. Ivan Supek, govorili su mi 1965. godine da moram ići u Ameriku jer ondje se proučava fizika elementarnih čestica. I doista, to je bilo vrijeme kad su Europljani odlazili u Ameriku, bilo je to doba brain draina, na John Hopkinsu bilo je tek 60 posto Amerikanaca, a sve ostalo stranci. Kad sam se 1971. godine vratio u Francusku, o tome se pričalo vrlo uznemireno, govorilo se kako nam Amerikanci uzimaju najbolje, ne samo za fiziku nego i za sve ostale. CERN je 1954. godine i napravljen kako bi se umanjio utjecaj dviju novih velesila – Amerike i Sovjetskog Saveza. Ideja je, dakle, bila da se osnuje jedan centar u Europi u koji bi europske zemlje uložile svoj novac, a radi se o skupim znanstvenim disciplinama, u kojem se mogu graditi uređaji i akceleratori kakve imaju Amerika i SSSR. Ni jedna europska država tada sama to ne bi mogla. I Europa je uspjela vratiti svoje mjesto u toj disciplini, sada se brain drain preokrenuo u našu korist. Ako pogledate malo bolje, sada je sve ovdje prepuno mladih Amerikanaca, s MIT-a, Princetona, Chicaga, UCLA-e. Oni sada doktoriraju ovdje, ne ide se više u SAD kao u moje vrijeme – kaže dr. Denegri, koji danas iz svojeg ureda u CERN-u dovršava i dvije knjige vezane za to važno mjesto znanosti. Za njega je ta institucija od nesumnjive važnosti.

Kako se stvara oblak?

– Pokazala je što je Europa kad ujedini svoje snage jer ni jedna država sama po sebi ne može konkurirati ni Americi ni Rusiji, a ni Kini u budućnosti. Ali, zajedno europske zemlje imaju znanstveni i financijski potencijal. Sada je Europa prva u domeni fizike elementarnih čestica, ali taj se put prati i u domeni kozmologije i astrofizike u kojima su dugo vremena dominirali Amerikanci. I zato od 90-ih godina zagovaram ulazak i Hrvatske u CERN – kaže jedan od naših najuglednijih znanstvenika.

Znamo da je u velikom otkriću Higgsove čestice sudjelovao i jedan naš znanstvenik, dr. sc. Ivica Puljak s FESB-a u Splitu. CERN smo posjetili upravo u vrijeme kada je i on bio tamo, detektor CMS ili Compact Muon Solenoid vrijedan 500 milijuna eura na kojem rade i znanstvenici iz Hrvatske u pogonu je. Zgrada u kojoj rade znanstvenici koji rade eksperimente na CMS-u biser je dizajna izvana, ali mnogo više iznutra, gdje je prostor organiziran kružno, a katovi ukrašeni velikom slikom detektora. Takvih je prizora koji pozivaju oko na igru CERN pun. Očito je da se i s te strane vodi računa da se već na prvi pogled jasno da do znanja kako je riječ o vrhunskoj znanstvenoj ustanovi.

Foto: Sandra Šimunović/Pixsell

– CERN financiraju zemlje članice, dok ATLAS i CMS financiraju zemlje članice kolaboracija, Hrvatska je članica CMS-a i manje kolaboracije ALICE – objašnjava naš znanstvenik. Za njega nema dvojbe – u CERN trebamo ući, tako postajemo ravnopravna članica svjetske znanstvene zajednice, ulazimo među one koji odlučuju o važnim stvarima u znanosti danas.

– Naši se znanstvenici ne mogu ovdje zaposliti, naši studenti ne mogu raditi doktorate koje financira CERN, a zanimljivo da CERN financira doktorate samo iz tehničkih znanosti, strojarstva, elektrotehnike i sličnih disciplina. Naše tvrtke ne mogu se natjecati u tenderima koje CERN raspisuje, a koji mogu vrijediti i 500 milijuna eura godišnje. I k tome, naša znanost nema potpuni pristup razvoju najmodernijih tehnologija koji se odvija ovdje na CERN-u – kaže dr. Puljak.

Kad se kaže Higgsova ili Božja čestica, obično taj pojam ide s jednom kraticom – LHC ili Large Hadron Collider, Veliki sudarač hadrona. Sve o LHC-u te njegovoj budućoj nadogradnji, High-Luminosity LHC-u doznali smo od dr. Lucija Rossija koji je voditelj i začetnik projekta HL-LHC. Dr. Rossi stručnjak je za supravodljivost, čudan ali vrlo važan fenomen kod kojeg neki materijali kada ih se dovede na izuzetno nisku temperaturu, hladnu poput praznog svemira, izgube na otpornosti i počnu biti savršeno vodljivi, postaju supravodiči. Zbog njih je moguće napraviti snažan kompleks elektromagneta kakav je potreban kod LHC-a.

– LHC je najkompleksniji i najveći znanstveni instrument na svijetu. On je nešto kao teleskop, no umjesto da gledamo zvijezde, mi radimo obrnuto, gledamo najmanje čestice. Osim što je LHC poput mikroskopa, on je i vremenski stroj. Na neki način mi se vraćamo u doba početka svemira, stvaramo stanja koja su postojala na početku njegova stvaranja. Tako smo stvorili i stanje u kojem se u svemiru pojavio Higgsov bozon. Iako je otkriven relativno kratko nakon početka rada LHC-a, s istraživanjima nije ni približno gotovo. Primjerice, još ne znamo koje su njegove karakteristike, i u tome bi nam trebao pomoći projekt HL-LHC – tumači dr. Rossi uspoređujući svoj projekt s običnom sobnom rasvjetom. Ugasiti akcelerator, tumači, isto je kao ugasiti svjetlo u sobi, nešto vidite, otkrijete, ali onda želite bolje razumjeti što je to što ste pronašli. HL-LHC treba omogućiti više svjetla.

– Sasvim je jasno da svako novo otkriće daje odgovor na neko pitanje, no uvijek otvara i niz novih. HL-LHC pomoći će da manje lutamo, da odaberemo pravi smjer u kojem treba ići u istraživanju kada se radi o Higgsovu bozonu. Promjenom na samo kilometar i pol u uređaju koji je dug 27 km povećat ćemo njegovu snagu za deset puta, dobit ćemo mnogo veći broj sudara čestica nego do sada – govori dr. Rossi. Krajnji rezultat projekata poput HL-LHC-a u CERN-u pronalazak je novih čestica, baš poput Higgsove.

– Znamo da vjerojatno postoji cijeli jedan svijet iza Higgsova bozona. Danas smo praktično u ulozi Kristofora Kolumba koji je otišao otkriti Novu Indiju, a zapravo je otkrio Ameriku. S njim smo dobili nešto poput karte koja nam daje smjer kojim ići dalje, no ona ne kazuje i gdje je to blago koje tražimo – kaže talijanski znanstvenik. Normalno, nije sve vezano za LHC, nego se radi i o drugim istraživanjima, primjerice CLOUD-om kroz fiziku čestica u CERN-u nastoje bolje razumjeti kako se stvara oblak i počinje padati kiša, što će pridonijeti boljem razumijevanju klime, projektima koji su vezani za atomsku fiziku, astrofiziku, kroz dva eksperimenta istražuje se tajna antitvari.

Soba u kojoj je stvoren web

– No, ima i ljudi koji rade izravno na razvoju tehnologije koja bi mogla biti zanimljiva industriji. Takva je, primjerice, hadronska terapija koja se danas primjenjuje na nekoliko mjesta u Europi. Riječ je o terapiji kojom se umjesto radijacije koriste čestice kojima se zrači tumor. Jedan takav centar, čujem, planira se i na Balkanu. Nastojimo ostvariti transfer tehnologije i u energetici, tom sektoru mogli bi biti zanimljivi supravodiči kakve ćemo, recimo, razvijati za HL-LHC. A vjerojatno znate kako je ovdje izumljen i World Wide Web – kaže dr. Rossi. Tako je – web!

– Želite vidjeti sobu gdje se to dogodilo? Možemo tamo, nema se previše toga vidjeti, ali postoji ploča – kaže naš “turistički vodič” Abha. U običnom hodniku kakvi se mogu vidjeti i u našim znanstvenim ustanovama, na zidu stoji ploča na kojoj piše: “Ovdje je rođen web”, s prigodnom pričom o Timu Bernersu-Leeju. Samo – to nije ta soba. Berners-Leejeva soba je dvoja vrata dalje i u upotrebi je.

– Dogodilo se da ljudi jako vole posjećivati mjesto i slikati se, a to je znanstveniku koji je sada koristi jako smetalo u radu. Zato je zalijepio prozore i tražio da se ploča odmakne – slušamo priču baš u trenutku kada vjerojatno najnesretniji znanstvenik na svijetu otvara vrata jedne od najslavnijih soba u znanosti.

– Činjenica da je World Wide Web izumljen u javnom laboratoriju bitna je jer je time postao vlasništvo cijelog svijeta. Da ga je izmislila neka korporacija, vjerojatno bismo ga plaćali! Druga je važna činjenica da nas ovdje ne zanima razvoj tehnologije, nas fizičare zanima kako je nastao svemir. Zbog toga što uređaje koji nas do toga vode ne možemo kupiti u dućanu jer ih nema. Jedan su zanimljiv primjer takvog uređaja PET skeneri, oni koriste tehnologiju koja je razvijena upravo tu u CERN-u. Razvijamo dosta čipova, koji su i trodimenzionalni, u tome nas prati i industrija, ovdje je jako prisutan Intel. Šest će kolega iz Splita zajedno s Amerikancima sada raditi na sasvim novoj generaciji čipova. CERN je bio začetnikom strojnog učenja u znanosti i najveći je njezin korisnik, mi smo to koristili u otkrivanju Higgsova bozona, a nismo je zvali umjetna inteligencija, kako se danas popularno zove! Isto, takve se stvari nikada ne bi razvile da u CERN-u ne postoje zahtjevi koji su izuzetno kompleksni, a članstvom ostvarujete pristup ljudima koji imaju takva znanja. Njima trebamo mi da im pomognemo, oni trebaju nama da naučimo – iznosi još neke razloge za pridruživanje CERN-u dr. Ivica Puljak.

Vrijeme je za pauzu. I kafeterija na ulazu u kojoj smo se susreli s dr. Rossijem može se nositi s većinom zagrebačkih ne zalogajnica, već restorana. Švedski stol, ili meni, doista velika ponuda jela obećavajućih sastojaka, ali i doista ukusnih, kako smo se i sami uvjerili. Ili pak pizza, hamburger, roštilj, pa i vegetarijanska kuhinja, teško da netko može biti razočaran ponudom. I uz cijene koje su bitno jeftinije od onih u samoj Ženevi, koja je, doduše, i jedan od skupljih europskih gradova. Takav mali restoran ili kafeteriju ima svaka zgrada. CERN doista funkcionira kao svijet za sebe, ondje se znanstvenik ne brine praktički ni o čemu, postoji rent-a-car, rent-a-bike, hostel za CERN-ove goste, povezanost je s gradom odlična. I treba biti s obzirom na broj studentskih i drugih ekskurzija koje dolaze u posjet, ulaz je, za razliku od UN-ova ureda u Ženevi, koji je njihov četvrti najveći u svijetu, besplatan, može doći svatko tko se najavi.

Prelazak u industriju

U kafeteriji, gdje je smješten projekt CMS, susrećemo još jednog hrvatskog znanstvenika koji radi u CERN-u. Dr. sc. Srećko Morović postdoktorand je koji radi za američki Fermilab, a ovdje se bavi sustavom za prikupljanje podataka na CMS-u.

– Diplomirao sam fiziku na PMF-u 2005. Onda sam razmišljao što dalje pa sam dospio u grupu na Institutu Ruđer Bošković koja se bavila fizikom visoke energije i nedavno bila ušla u CMS. Zaslužan za to moj je bivši mentor Vuko Brigljević. Godinu dana sam volontirao da bih dospio do pozicije asistenta. Počeo sam raditi na više stvari unutar CMS-a, jedna je ovo što radim i danas, drugi je dio analiza podataka, što je i glavni zadatak svakog fizičara na CMS-u i na čemu sam doktorirao. Mi smo potvrdili postojanje jednog kanala koji je predviđen standardnim modelom, potvrdili da je detektiran na CMS-u. Prije doktorata uspio sam osigurati financiranje koja mi je omogućilo da već tada dođem na CERN i radim devet mjeseci unutar grupe. Nakon doktorata prijavio sam se za fellowship na CERN-u te radio ovdje tri godine. Nakon toga me zaposlio američki Fermilab. Inače, za fellowship je vrlo mala kvota za one iz država koje nisu članice CERN-a. Ali, zasad namjeravam ovdje ostati iako uvijek postoji mogućnost prelaska u industriju. Jedan je kolega nedavno otišao raditi za kompaniju koja je dio grupe Oculus, koja je pak dio Facebooka. CERN je doista dobra referencija za nekoga tko želi izaći iz znanosti. No, u CERN-u možete biti dijelom velikog otkrića, ovdje je to stvar napora i tisuću ljudi od kojih jedan možete biti i vi – kaže naš znanstvenik koji je u CERN-u upoznao i svoju suprugu, znanstvenicu iz Meksika koja radi na detektoru ATLAS.

– Eksperimenti su odvojeni pa je teško da ćemo dijeliti tajne! – šali se dr. Morović. Još je izuma koji potječu s CERN-a, a u upotrebi su svaki dan. Riječ je o ekranu na dodir. U prostoriji u kojoj je on pronađen, sada kontrolnoj sobi upravo detektora ATLAS, odnosno A Toroidal LHC ApparatuS, radi jedna hrvatska znanstvenica – dr. sc. Ljiljana Morvaj. I taj se eksperiment provodi u jednoj izdaleka vrlo prepoznatljivoj zgradi.

– Završila sam fiziku na PMF-u u Zagrebu, nakon toga sam doktorirala na ATLAS-u na Sveučilištu Nagoya u Japanu. Sada sam postdoktorand američkog Sveučilišta Stony Brook. Na ATLAS-u i CERN-u sam ukupno osam godina. Počeo me zanimati Japan, pa sam istraživala kako se ondje može pronaći stipendija za doktorat, a u isto vrijeme sam bila ljetni student ovdje. Svidjelo mi se kako se ovdje istražuje fizika, kako se živi i radi, spojila sam ugodno s korisnim, započela doktorat u Japanu, ali koji se radi na CERN-u. I tako sam još ovdje, jako mi se sviđa. U ATLAS-u radim na fizici Higgsova bozona. Znamo da je on otkriven i da ima određene raspade u okviru standardnog modela, a ja tražim nove čestice koje nastaju njegovim raspadom, a nisu dio standardnog fizikalnog modela – govori naša znanstvenica, kojoj je ambicija ostati u znanosti, ali i nešto malo više od toga.

– Svatko sanja o otkriću nečeg novog. Neki se bave mjerenjem procesa u standardnom modelu, nastoje ga razumjeti s većom preciznošću ili otkriti nove devijacije, a ja se bavim traženjem nekih novih procesa – govori dr. Morvaj, koja živi u Ženevi.

Tunel seže i u Francusku

– Imam slobodnog vremena koje se ovdje može iskoristiti na različite načine, skijanje, jedrenje... No moja je osnovna ljubav znanost, stvarno bih željela ostati u znanosti, ovdje u CERN-u gdje mi se baš sve sviđa – kaže naša znanstvenica.

Dragulj znanosti, akcelerator LHC, skriven je na dubini od stotinu metara ispod površine zemlje. Uskoro slijedi period održavanja, zamjena njegovih dotrajalih dijelova. Preciznost u postavljanju svega što je u tunelu usporediva je s izradom bolida Formule 1. Kako je već dr. Rossi rekao, riječ je o uređaju dugom 27 km, toliko da se veći njegov dio nalazi na teritoriju susjedne države – Francuske. Ondje je, na suprotnom dijelu, njegova kontrolna soba, mjesto s kojega se upravlja svim procesima u Velikom sudaraču i pridruženim mu akceleratorima. Glavni je čovjek ovdje još jedan Talijan – dr. Mirko Pojer – koji nam odmah priznaje da zna nešto o tome da mu je podrijetlo negdje u hrvatskim krajevima. Ali zna i da u CERN-u ne postoji samo jedan akcelerator, nego čestice prolaze kroz njih još četiri prije nego što uđu u LHC – Linac 2, Proton Synchrotron Booster, Proton Synchrotron, Super Proton Synchrotron. I nisu svi ni tako novi, Proton Synchrotron postavljen je još 1959. Ali još radi.

– Paketi čestica ulaze u LHC u oba smjera kroz cijevi koje su udaljene samo dvadeset centimetara jedna od druge. Putuju dok jedna drugoj ne prijeđu put u jednom od četiri detektora, a njihove se čestice tako sudare u nekom od detektora – ATLAS-u, ALICE, CMS-u ili LHCb-u. Bogatstvo je cijelog sustava to što se ne moramo fokusirati samo na ono što se događa u LHC-u već snop čestica možemo preusmjeriti i u drugim smjerovima, sekundarnim linijama, gdje će se, primjerice, stvarati izotopi koji imaju brojne primjene u medicini. Možemo napraviti i antitvar i pokušati bolje razumjeti svemir, zašto ona uzrokuje uništenje svemu s čime dođe u dodir – opisuje ukratko talijanski znanstvenik proces koji dovodi do sudaranja čestica kojima je detektirana i Božja čestica – Higgsov bozon. Tih se sudara dogodi milijardu svake sekunde.

Nakon tog kraćeg predavanja ulazimo u sobu koju bismo mogli zamijeniti za neku prostoriju Nase.

– Tko zna, možda su nas i kopirali! – šali se dr. Pojer. Golemi ekrani po zidovima, dvadesetak ljudi raspoređeni po grupama, u sredini stol koji očito služi za dnevne brifinge. Atmosfera opuštena kao da ovi ljudi ne upravljaju najvažnijom spravom na svijetu.

– Cijeli se kompleks kontrolira iz ove sobe podijeljene na četiri “otoka”, svaki sa svojim zadatkom. Recimo, na desnoj strani su ljudi koji kontroliraju kriogeniku. Jer, LHC se hladi, i to na temperaturu od -269 Celzija. I to se kontrolira odavde. Zavojnice elektromagneta u LHC-u sačinjene su od kabela napravljenih od posebna materijala, legure niobija i titana. Kada se oni ohlade na nisku temperaturu, kroz kabel presjeka tek 30 kvadratnih milimetara mogu se njima prenijeti struje visoke jakosti, tisuću puta više od bakrene žice slična promjera. To rezultira vrlo jakim magnetskim poljem koje je oko 160.000 puta jače od Zemljina. Uskoro će LHC prestati raditi na dvije godine i krenut će obnova – tumači dr. Pojer.

Brzina kojom se protoni sudare tek je fragment manja od brzine svjetlosti, dosegne se energija od 6,5 TeV, teraelektronvolta. Ni jedan akcelerator na zemlji ne postiže takve energije. A i znanstvenici su ljudi. U vitrini u prostoriji stoje boce šampanjca, nabrojali smo ih 30-ak. Svaka označava neku važnu točku uspjeha, uspješan eksperiment, pokretanje sustava ili detektora.

– Boca vodika koju koristimo kao izvor protona ne mijenja se cijelu godinu, što govori kako se unatoč velikom broju sudara koje godišnje napravimo, riječ je o deset kvadrilijuna, radi o nanogramima svjetlosti koja se tako u LHC-u dobiva. Također, ovih 6,5 TeV energija je koju nije još dosegao ni jedan akcelerator na svijetu, američki Tevatron i Fermilab nisu dosegli energiju ni od jednog TeV-a. Energija koju mi ovdje koristimo usporediva je s Boeingom 747 koji pri brzini od 100 km/h udara o zid. Ali, sve se događa sto metara ispod zemlje pa nema opasnosti ni za koga. Jedino što se može dogoditi u slučaju zatajenja jest da se oštete ili unište komponente, kao što se već jednom dogodilo zbog loše napravljenih spojeva, bilo je to samo devet dana nakon što je LHC pokrenut. Naravno, to nije mala stvar jer to košta novca i traži vremena. Iako zvuči impresivno da je energija koja vlada tunelom LHC-a dovoljna da rastopi stotinu kilograma bakra – ističe dr. Pojer.

Nakon što se uskoro sustav zaustavi, dvije godine unapređivat će se kako bi se doseglo 7 TeV, postat će precizniji što će omogućiti i više sudaranja čestica, čak deset puta više. Godine 2032. završit će eksploatacijski vijek LHC-a.

– U Europi se već raspravlja o budućnosti. Hoće li to biti još jedan LHC, ali ne u 27-kilometarskom tunelu, već u 100-kilometarskom tunelu, ne na 13 TeV, nego na 100 TeV, hoće li se to moći financirati u dovoljnoj mjeri da to ostane u CERN-u ili će ga financirati Kinezi koji žele imati takav projekt, vidjet ćemo. Oni su u punom usponu, da bi jedna zemlja postala sila, ne može to biti samo ekonomski. A ovo ovdje je najkompleksniji sustav koji je čovječanstvo ikada izgradilo pa je prirodno da ga želi imati i takva velesila – kaže dr. Daniel Denegri.