Cijeli LHC trenutno se zamrzava na izuzetno nisku temperaturu, a uređaji se nadograđuju kako bi mogli raditi na mnogo višim energijama. U novim, moćnijim sudarima po prvi put bi se mogle otkriti čestice koje bi potvrdile teoriju supersimetrije i istovremeno razotkrile ključne misterije tamne tvari, a možda i tamne energije.

Sveti gral fizike

Teorija supersimetrije je dodatak tzv. standardnom modelu fizike koji odlično opisuje fundamentalne čestice i njihove interakcije u prirodi, ali ima i neke nedostatke.

Ova teorija, koja se skraćeno naziva SUSY, popunjava određene rupe u modelu i predstavlja temelj za objedinjenje sila prirode. Prema njoj, svaka bi čestica trebala imati svojeg partnera. Tako bi primjerice foton koji nosi svjetlost trebao imati partnera koji se naziva fotino, a kvarkovi, od kojih se sastoje protoni i neutroni, skvarkove.

U dosadašnjim sudarima u LHC-u nisu otkriveni tragovi čestica koje bi potvrdile supersimetriju. To je iznenadilo mnoge fizičare, međutim svi se nadaju da bi one mogle biti pronađene kada LHC počne raditi na višim energijama.

LHC neće izravno 'vidjeti' misteriozne čestice, već bi ih trebao prepoznati po njihovim karakterističnim raspadima. Najvažniji proizvod tih raspada trebao bi biti tzv. neutralino, čestica od koje bi se mogla sastojati tamna tvar – velika masa u svemiru koju ne vidimo, ali je prepoznajemo po tome što gravitacijskom silom drži galaksije na okupu. Naime izračuni su pokazali da masa vidljive tvari - zvijezda, planeta, kozmičke prašine, plinova itd. - nije dovoljno jaka da se galaksije tijekom rotacije ne razlete svemirom. Na osnovi toga su znanstvenici zaključili da postoji nevidljiva, tamna tvar koja ih svojom gravitacijom drži na okupu. Ova hipoteza je potvrđena još nekim eksperimentima, poput mjerenja pozadinskog zračenja, gravitacijskih leća, eksplozije supernova itd.

'To bi otkriće uzdrmalo svijet. Za mene bi ono bilo uzbudljivije od Higgsova bozona', rekla je prof. Beate Heinemann koja radi na eksperimentu Atlas.

Nove čestice tražit će i Hrvati

U zanimljivoj potrazi sudjelovat će i hrvatski znanstvenici koji rade na eksperimentu CMS.

Dr. sc. Ivica Puljak s FESB-a u Splitu kaže da je standardni model, iako najbolje opisuje čestice i njihovo ponašanje, ipak nepotpun.

'To je najpreciznija teorija prirode koju smo do sada otkrili, ali ima i svojih nedostataka. Tako primjerice ona ne daje dogovor na pitanje zašto imamo toliko puno čestica - 12 čestica i 12 antičestica - zašto imamo tri sile u prirodi, a ne samo jednu. Ranije smo mislili da ih imamo čak četiri, no prije 50-ak godina smo dvije - elektromagnetizam i slabu silu u atomima - uspjeli ujediniti u jednu, elektroslabu. Također nam nije jasno zašto je masa Higgsova bozona tolika koliku smo pronašli. Ona bi prema teoriji trebala divergirati prema beskonačnosti. Konačno ne znamo ni zašto je materija izgrađena samo od čestica koje imaju spin što nije cjelobrojni, nego je ½', rekao je Puljak.

Zbog svega navedenog znanstvenici smatraju da bi u teoriji trebalo postojati još nešto, neka nadogradnja koja bi odgovorila na neodgovorena pitanja. Supersimetrija je najbolji kandidat za to. Prema njoj, u svemiru postoji potpuna simetrija, dvostruko je više čestica, a svaka ima svojeg partnera.

Najavažnije pitanje još uvijek nema odgovora

'Danas se u znanosti smatra da je najvažnije pitanje na koje još nismo našli odgovor pitanje od čega se sastoji svemir. Sva vidljiva materija čini tek pet posto svemira. Oko 95 posto svemira je nešto drugo, nešto što ne vidimo. Od toga je oko 25 posto tamna materija, a ostatak, oko 70 posto, tamna energija. Tamna materija bi se trebala sastojati od čestica, međutim one ne reagiraju s elektromagnetskim silama pa ih ne vidimo. Tamna energija je pak nešto za što uopće ne znamo što je. Teorija supersimetrije pretpostavlja postojanje nekih čestica koje bi mogle biti kandidati za tamnu materiju. Mi tražimo supersimetriju iz drugih razloga, no moglo bi se dogoditi da pritom nađemo česticu tamne tvari koja se ne raspada, koja ispunjava svemir. To bi bila najspektakularnija stvar koju bismo mogli pronaći – bio bi to kandidat za tamnu materiju i ujedno prva čestica koja bi potvrdila supersimetriju. To bi pak značilo da postoji još mnogo novih čestica koje bismo trebali tražiti', rekao je Puljak.

U novom ciklusu istraživanja u LHC-u povećat će se energija sudara, što znači da će se znanstvenici vratiti još bliže samom početku svemira i studirati potpuno novo područje.

'Može se dogoditi da u njemu neće biti ničega novog. U tom slučaju morat ćemo još povećavati energiju. U našoj potrazi mi moramo pretpostaviti što bismo mogli pronaći kako bismo mogli najbolje iskoristiti naše detektore. Od milijardu sudara u sekundi izdvajamo samo oko 400 njih koji bi mogli predstavljati fenomene koje tražimo jer više ne možemo pohraniti za daljnju analizu. Postoji realna opasnost da u tom procesu previdimo neke stvari koje ne očekujemo. Također se može dogoditi da naiđemo na nešto potpuno nepoznato, što uopće nismo predviđali. Rezultate mjerenja najprije uspoređujemo s nama poznatim znanjem. Kada naiđemo na nešto što odudara od njega, to je znak da smo našli nešto novo. Drugi je korak, koji može trajati i nekoliko godina, utvrđivanje onoga što je pronađeno. Tako je bilo i s Higgsovim bozonom', kaže Puljak.

Objedinjavanje svih sila u jednu

Budući da je svemir na svojem početku bio sav koncentriran u jednoj točki, znanstvenici pretpostavljaju da su sve sile bile objedinjene u jednoj sili, odnosno da su se one kao zasebne pojavile tek nakon velikog praska. No jedan od ključnih problema standardnog modela jest činjenica da se u njemu ne vidi mogućnost za objedinjavanje svih sila u jednu.

'U standardnom modelu nema točke u kojoj bi se tri sile, jaka, elektromagnetska i slaba, ujedinile. To je problem. Međutim kada u model dodamo supersimetrične čestice, odjednom se otvara prostor za susretanje i objedinjavanje ove tri sile. Zbog toga mnogi fizičari misle da bi supersimetrija mogla postojati – jer se u njoj sile ujedinjuju. Znanstvenici pretpostavljaju da je početno stanje svemira bilo stanje potpune simetrije. U tom trenutku sve sile su bile jedna, a čestice nisu imale masu. Čim je svemir nastao, gravitacijska sila se odvojila od drugih, a vrlo brzo se jaka sila odvojila od elektromagnetske i slabe sile. Potom je Higgsovo polje zauzelo određeno stanje koje nije nula, pa su neke čestice dobile masu. Prema standardnom modelu, čestice zapravo ne bi trebale imati masu', pojasnio je naš sugovornik.

Znanstvenici ne bi imali problema s činjenicom da se danas u svemiru ne vidi simetrija kada bi mogli utvrditi da je ona postojala na početku.

'To bi značilo da je u određenom trenutku došlo do lomljenja simetrije, a supersimetrija rješava mnoge probleme u standardnom modelu i istovremeno daje rješenje za tamnu materiju. Zato nam se ona jako sviđa', kaže naš fizičar.

Za potrebe novih istraživanja cijeli LHC, svih 27 kilometara tunela, zajedno s uređajima, hladi se već mjesecima. Da bi se postigle dvostruko veće energije od dosadašnjih, uređaji moraju raditi s mnogo većim strujama tako da kroz sve magnete LHC-a mora teći struja od 20.000 ampera. Normalni vodiči to ne bi mogli izdržati pa se hlade na temperaturu tekućeg helija, na oko četiri stupnja iznad apsolutne nule. Tako se pretvaraju u supervodiče koji ne pružaju otpor, pa ne postoji opasnost da se pregriju i rastope.