Vino si tu pe pagina de Facebook pentru o stire de stiinta, explicata simplu, in fiecare zi!
Pagina de Facebook!
În fiecare zi, o nouă fotografie din universul nostru fascinant împreună cu o explicaţie scrisă de către un astronom profesionist: Astronomy Picture Of the Day
   
Fizica Povestita

I
Fizica Povestita

De la particule elementare la gauri negre care inghit Pamantul

Autor: 40

Iata ca maine (miercuri, 10 septembrie) oamenii de stiinta vor porni acceleratorul de particule ‘Large Hadron Collider’ (LHC) de la CERN. Acest accelerator aflat intr-un tunel la 100 m sub pamant are lungimea de 27 de km, este format din aproximativ 5000 de magneti supraconductori raciti pana la temperatura de −271.25C si care va accelera protoni in ambele sensuri ale tunelului (strict vorbind LHC este de fapt o pereche de doi acceleratori concentrici) . Energia pana la care are loc acelerarea acestor protoni este de 7 TeV (Tera electroni volti). Spre comparatie energia echivalenta a unui proton este de 1GeV iar a unui electron este de 0.5MeV . Cel mai puternic accelerator din ziua de astazi, Tevatron situat langa Chicago, accelereaza protoni la 1 TeV.

Pentru a avea idee cat de greu este sa accelerezi protoni la aceasta energie si ce inseamna acest lucru ne putem imagina ca incercam sa reducem masa unei masini de formula 1 la un proton 8 dar pastrand puterea motorului. In LHC fiecare proton este ”incarcat” (accelerat) cu o energie echivalenta cu energia cinetica a unei masini de formala 1 la viteza maxima. Daca viteza maxima a masinilor de formala 1 la acea energie este in jur de 360km/h, viteza la care ajung protonii este aproape egala cu viteza luminii. Si cand spun aproape egala inseamna mai exact 99.9999991% din viteza luminii. Dar ce se intampla cand acesti protoni se ciocnesc avand fiecare 7 TeV de energie disponibil? In principiu pot pune la dispozitie energie petru creearea de noi particule de pana la maxim 14 TeV (mai mult decat au in comun nu pot da!). In realitate din cauza ca protonii nu sunt particule elementare (aduc aminte ca sunt formati din 3 quarci) energia maxima disponibila pentru creearea de noi particule este ceva mai mica. Totusi aceasta energie este suficient de mare pentru a produce particula sau particulele mediatoare ale campului care da nastere masei.

Procesele care au loc la ciocnirea a doi protoni sunt probabilistice. Probabilitatea ca au anumita reactie sa aiba loc este constanta, insa procesele considerate interesante (creearea particulelor care dau masa) au o probabilitate de realizare foarte mica. Daca ne gandim la un zar, probabilitatea de a obtine numarul 3 (un exemplu) la o aruncare este 1/6 (16%). Daca sunteti tentati sa spuneti ca atunci cand aruncam zarul de 6 ori probabilitatea de a obtine exact o data numarul 3 este 1 (sau 100 = sigur = cu certitudine) v-ati insela. Folosind calculul probabilistic aceasta probabilitate este de 40%, totusi exista o probabilitate mai mult decat dubla sa observam o data numarul 3 din 6 aruncari decat din 1. Ca o scurta recapitulare, daca dorim sa vedem numarul 3 de pe 1 zar exact o singura data, aruncand o singura data probabilitatea de a-l vedea este 16% iar aruncand de 6 ori aceasta creste la 40%.

Deci pentru a observa un eveniment in care suntem interesati trebuie sa repetam experimentul de un numar de ori pana cand suntem siguri ca avem cateva evenimente in care suntem interesati. Cu cat repetam mai mult experimentul cu atat suntem mai sigur ca exista un numar minim de evenimente in care suntem interesati. La LHC repetarea experimentului se face de fiecare data cand protonii se ciocnesc. In cazul LHC se produce o ciocnire de 40 de milioane de ori pe secunda in fiecare punct in care protonii sunt adusi in ciocnire.

In fizica nu avem insa cu un zar cu fete egale sau cu reactii care au aceeasi probabilitate. Daca ne uitam la figura alaturata observam niste linii (denumite sectiuni eficace) pentru o serie de procese. Valoarea acestor sectiuni eficace sunt proportionale cu probabilitatea producerii respectivului proces. Daca vrem de exemplu sa aflam care e probabilitatea de producere a Higgs-ului in raport cu toate celelalte procese ne uitam in figura si trebuie sa impartim sectiunea eficace pentru Higgs(σHiggs) cu sectiunea eficace totala(σtot). Aceasta operatie ne da 10−10 si deci acesta inseamna ca avem o situatie in care avem un zar cu 1010 fete si doar pe o fata avem inscriptionat procesul Higgs, toate celelalte fete avand inscriptionate alte procese. Va dati seama de cate ori trebuie aruncat acest zar pentru a observa o asemenea particula ?

sectiune efice Higgs

Figura: Sectiunile eficace de producere a anumitor reactii la Tevatron si LHC. Sectiunile eficace sunt proportionale cu probabilitatea de realizare a unei anu- mite reactii

Si dificultatea nu se opresete aici! Nu este suficient doar a arunca zarul (a ciocni protonii) mai este necesar si inregistrarea(stocarea) si catalogarea(analiza) acestor evenimente. Pentru analiza si stocarea datelor de la experimentele LHC s-a pus la punct o retea de calculatoare special dedicata acestui scop. Aceste ferme de calculatoare se afla la mai multe institutii si laboratoare din lume si isi impart automat rolurile de analiza si stocare.

Printre multele reactii care ar putea avea loc la LHC unii teoreticieni prezic si unele in care obiecte numite gauri negre cuantice ar putea fi produse. O gaura neagra este un corp cu o densitate suficient de mare pentry ca viteza de scapare din campul gravitational produs de acesta sa fie mai mare decat viteza luminii. Aceasta inseamna ca orice obiect care ar cadea in aceasta gaura neagra ar fi pierdut pentru totdeauana. In teoriile clasice gaurile negre sunt formate prin colapsul stelelor cand acestea isi consuma tot combustibilul nuclear.

In acest caz masa minima pe care trebuie sa aiba o stea pentru a putea forma o gaura neagra este de aproximativ 1.4 mase solare (1 masa solara este egala cu masa soarelui). O data ce o stea ajunge in stadiul de gaura neagra incepe sa inghite materia aflata in apropiere si asftel in creste masa. Pamantul pentru a fi o gaura neagra ar trebui contractat intr-o boaba de mazare. Hawking a demonstrat teoretic ca gaurile negre pot de fapt emite radiatie (adica in unele cazuri particule pot scapa din gaura neagra, acesta fiind un proces complex care are la baza mecanica cuantica si teoria relativitatii). Deci prin urmare aceste gauri negre ar putea pierde masa … chiar putand sa se evapore daca sunt suficient de mici.

Gaurile negre care sunt prezise a fi produse la LHC sunt gauri negre extrem de mici (de aici numele de cuantice) si marea majoritate a fizicienilor este de parere ca acestea se vor evapora inainte de a avea sanse de a ”inghiti” alte particule. Alt grup este de alta parere. Acestia cred ca aceste gauri negre ar putea cadea in centrul pamantului si blocate acolo ar incepe sa ”manance” pamantul. Aceasta este o viziune simplista, in realitate aceste gauri negre ar trebui sa oscileze in jurul centrului pamantului pentru o anumita perioada. Alta probleme pe care acest ultim grup nu a reusit sa o adreseze este cum nu s-au observat pana acum astfel de mici gauri negre ”mancand” alte planete sau stele mai mici.

De foarte mult timp au fost puse in evidenta particule venite din spatiu care lovesc atmosfera pamantului si care dau nastere asa numitelor raze cosmice. Aceste particule au energii imense (pana la 108 TeV) de 100 de milioande mai mult decat cele intalnite la LHC. Din anumite date s-a concluzionat , ca cel mai probabil acest particule trebuie sa fie protoni. Aceste protoni ultra-energetici ar trebui sa dea nastere la astfel de mici gauri negre la ciocnirea cu particulele aflate in atmosfera. Cum pana acum un astfel de fenomen nu a fost observat producerea unor gauri negre cuantice stabile (care nu se evaporeaza instantaneu) este putin probabila 9.

Un alt aspect care de multe ori nu este spus raspicat este faptul ca LHC va fi pornit la energii mult mai mici decat cele nominale. Astfel Miercuri 10 Septembrie cand se va incerca pronirea acceleratorului , energia la care vor fi accelerati protonii este de 450 GeV, mult mai mica decat energia nominala. In timp aceasta va fi marita pana la energia nominala de 7TeV, dar aceasta va dura probabil mai mult de jumatate de an. Prin urmare in prima zi LHC va avea o energie mult mai mica decat rivalul sau Tevatron, iar pana acum la Tevatron nu a fost observat nici un fenoment care sa provoace panica.

Probabilitatea ca LHC sa porneasca sfarsitul lumii este foarte mica. Daca universul cu energiile lui fantastice nu a reusit acest lucru, este greu de crezut ca omul va reusi acest lucru. Singura lume de care LHC are sansa sa o darame este aceea a paradigmei actuale referitoare la teoria particulelor elementare. Ne aflam intr-o criza, un moment in care pe masa se afla multe teorii care toate ar putea fi in principiu teoria corecta. Datoria de capatai a LHC este sa faca curatenie intre ele, sa faca curatenie pe birou, sa arunce toate teoriile gresite la cosul de gunoi si sa pastreze pe masa de lucru a fizicieniilor doar acele teorii care se dovedesc a fi corecte.

LHC trebuie privit doar ca ceea ce este: unul dintre cele mai extraordinare experimente realizate vreodata de omenire. Un experiment in spatele caruia se afla mai bine de 10.000 de fizicieni si ingineri din toate tarile planetei si care au lucrat la acest proiect de mai bine de 20 de ani. Un proiect care a fortat tehnologia sa inainteze in multe domenii. Un proiect care aduce cu el internet mai rapid pentru utilizatorii de rand si sper cat mai multe raspunsuri la toate intrebarile pe care noi fizicienii urmeaza sa i le spunem.

Astfel ca Miercuri 10 Septembrie puteti fi martorii pornirii unei masini care va schimba fata lumii asa cum o stim. De aceea merita sa urmariti acest proiect si sa stati cu ochii pe el nu din frica unui iminent sfarsit al lumii ci din bucuria de a fi martori la un moment care va revolutiona stiinta de astazi.

Un articol care introduce mai pe larg problematica de mai sus, si porneste de la elemente mai cunoscute (ca atomul) poate fi descarcat de aici. Informatii actualizate si alte comentarii ale autorului asupra startului LHC puteti gasi in urmatoarele zile la adresa: www.blog.lucianshome.nl

Abonează-te la newletter:

Caută în site



Formular de contact

Advertisment ad adsense adlogger