Slovenski znanstveniki v prvih vrstah iskanja odgovorov na nova vprašanja o vesolju

Pospeševalnik SuperKEKB je posodobljena in bistveno bolj zmogljiva različica pospeševalnika KEK, ki je z 10-letnim delovanjem prenehal leta 2010. Od takrat so znanstveniki načrtovali in sestavljali nov pospeševalnik. "Marsikaj je bilo potrebno storiti, bilo je res 'herkulsko delo'," je v okviru cikla pogovorov Znanost med knjigami povedal tehnični koordinator eksperimenta Belle II v Tsukubi, profesor na ljubljanski fakulteti za matematiko in fiziko in raziskovalec Instituta Jožef Stefan (IJS) Peter Križan.

Pospeševalnik je bil po besedah slovenskega znanstvenika rekorden že v svojem prejšnjem življenju. Za še boljše meritve pa potrebujejo večji vzorec podatkov in s tem tudi večjo zmogljivost pospeševalnika in detektorja.

Trenutno v pospeševalniku spajajo še zadnje komponente, ki so v pospeševalniku zato, da žarke elektronov in pozitronov krmilijo po tri kilometre dolgem obroču. Popolnoma obnovljen je tudi detektor, s katerim zaznavajo rezultate trkov in ki bo po gostoti trkajočih žarkov najzmogljivejši detektor na svetu, je dejal Križan.

Naslednji pomemben korak se bo zgodil v torek, ko bodo 1400-tonski detektor premaknili v končno lego, kar je po besedah Križana "delikatna celodnevna operacija". Nato jih čaka še mesec dni pripravljalnih del, konec maja pa bodo pričeli s testiranje detektorja s kozmičnimi žarki. Septembra bodo vgradili del detektorja, imenovan detektor obročev Čerenkova, pri izdelavi katerega je sodelovala tudi slovenska industrija, po septembru pa sledijo zaključni testi.

Kot je še dejal Križan, znanstveniki že komaj čakajo, da novembra ponovno poženejo pospeševalnik in začnejo z resnimi meritvami. Izgradnja novega pospeševalnika sicer združuje 700 ljudi iz 23 držav s celega sveta, od tega 13 iz Slovenije.

Delovanje pospeševalnika

V pospeševalniku nabite delce pospešijo do velikih energij ter jih nato pustijo, da se zaletijo eni v druge. Pri trku se sprosti večina njihove energije, del tako dobljene energije pa se lahko pretvori v maso zelo težkih delcev, ki jih v naravi običajno ne najdemo.

Težki delci, ki pri trkih nastanejo, niso obstojni in zato zelo hitro razpadajo, pri tem pa nastane množica lažjih, obstojnih delcev. Ti letijo skozi detektor, kjer jih znanstveniki prestrežejo in zaznajo z zapletenim sistemom detektorjev ter iz tega sklepajo, kaj se je zgodilo. Slovenski prispevek je največji predvsem v dveh sklopih detektorja, ki so namenjeni identifikaciji delcev oz. ugotavljanju, katere vrste delec je pri trku nastal.

Za identifikacijo delcev uporabijo pojav sevanja Čerenkova. "Svetloba, ki jo seva delec, leti skozi snov in se giblje s hitrostjo, ki je večja od hitrosti svetlobe v snovi - podobno kot udarni val nadzvočne letala," je pojasnil Križan.

Posebno zahtevno pri detekciji je to, da je fotonov malo. "Opravka imamo s številom fotonov, ki jih lahko preštejemo na prste dveh rok, vsak je dragocen in vsakega moramo zaznati, zato potrebujemo dober senzor za svetlobo."

Niso še odgovorili na vsa vprašanja

V zgodnjem vesolju je bilo število delcev enako kot število anti-delcev, danes pa v vesolju anti-delcev ni. Na 10 milijard delcev in 10 milijard anti-delcev v zgodnjem vesolju je preživel en sam delec in noben anti-delec, je pojasnil Križan. V 10 letih delovanja prvega pospeševalnika so znanstveniki poskušali razumeti to razliko.

Z eksperimentom Belle so torej preučevali, kako se delci (mezoni B) razlikujejo od antidelcev (anti-B). Ugotovljena razlika med delci in antidelci se je ujemala z napovedjo japonskih fizikov Kobayashija in Maskawe, ki sta nato leta 2008 prejela tudi Nobelovo nagrado.

Znanstveniki pa po besedah Križana še niso odgovorili na vsa vprašanja. V prihodnje želijo odkriti izvor razlike med delci in anti-delci. Poleg tega pa želijo ugotoviti, kaj predstavlja preostalih 95 odstotkov vesolja, ki ga sestavljata temna snov in temna energija.

"Slovenci smo v prvih vrstah iskanja odgovorov na nova vprašanja, ki se postavljajo na tem področju. Pričakujemo, da se bo razjasnilo kup vprašanj, ki jih zastavlja narava. Odkritja novih delcev pa bi lahko spremenila dojemanje sveta okoli nas, podobno kot ga je odkritje kvantne mehanike v začetku 20. stoletja."

Koristi osnovnih raziskav tudi za vsakdanje življenje

Tovrstne osnovne raziskave pa nimajo koristi le za odkrivanje skrivnosti vesolja, temveč tudi za vsakdanje življenje, je dejal Križan. Detektorji, s katerimi so zaznavali delce, so denimo pomembni za izboljšave pri medicinskem slikanju.

Ker želijo zdravniki pridobiti več slik pacienta naenkrat, bi radi združili metodo medicinskega slikanja, imenovano pozitronska tomografija, ter magnetno resonanco. Kot je povedal Križan, so se že pojavili aparati, ki ti dve metodi kombinirajo.

Eksperiment Belle 2 pa ponuja priložnost tudi slovenski visokotehnološki industriji. Pri projektu tako denimo sodelujeta podjetji Instrumentation Technologies iz Solkana in CosyLab iz Ljubljane, katerih krmilni sistemi so na vseh večjih pospeševalnikih na svetu.

Prof. dr. Peter Križan

Križan je doktor fizike, profesor na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, raziskovalec na IJS, koordinator eksperimenta Belle II v Tsukubi na Japonskem ter gostujoči profesor na Univerzi v Nagoji. Njegovo raziskovalno področje je fizika osnovnih delcev, predvsem fizika mezonov B in D, poskusi na pospeševalnikih, razvoj novih detektorjev za osnovne delce, razvoj novih metod za slikanje v medicini.