captcha

Jūsų klausimas priimtas

Juozas Vidmantis Vaitkus. Naujausieji Visatos ir Materijos tyrimai (radijo paskaita)

Visa tai, kas mus supa: žvaigždės, galaktikos – sudaro Visatą. Ji labai įvairi, todėl nenuostabu, kad žmonija nori suprasti, kodėl ji yra tokia bei ką slepia dar neištirti jos klodai. Taip pat norima išsiaiškinti, kokia jos sandara, praeitis ir kokia bus ateitis.
AFP/Scanpix nuotr.
AFP/Scanpix nuotr.

Visa tai, kas mus supa: žvaigždės, galaktikos – sudaro Visatą. Ji labai įvairi, todėl nenuostabu, kad žmonija nori suprasti, kodėl ji yra tokia bei ką slepia dar neištirti jos klodai. Taip pat norima išsiaiškinti, kokia jos sandara, praeitis ir kokia bus ateitis.

Kita vertus, viskas, ką matome ar jaučiame (patys ar prietaisais) yra medžiaga ir spinduliuotė. Tas medžiagas, kurios mus supa, jau mokame gana sėkmingai panaudoti, ir jos keičia, o kartais ir valdo mūsų buitį. Todėl vėl kyla natūralus noras suprasti, kokios dar kitos medžiagos ir spinduliuotės egzistuoja ar egzistavo Visatoje.

Apie medžiagų savybes ir jų reikšmę diskutuojama įvairiuose pokalbiuose, kai kurių naujų medžiagų reikšmė tokia didelė, kad jų atradėjams skiriamos Nobelio premijos, pvz., už puslaidininkių tyrimus ir jų pritaikymą elektronikoje bei optoelektronikoje paskirtos net keturios premijos (1956, 1973, 2000, 2009 m.), už nanosluoksnines magnetines sandaras (2007 m.), panaudojamas informacijos laikmenose, už anglies naujas modifikacijas – fulerenus bei grafeną (1996 m. paskirta chemijos, o 2010 m. fizikos Nobelio premija), kurie skverbiasi į biomediciną bei elektroniką.

Šį kartą gilinsimės į tas medžiagų ir spinduliuotės savybes, kurios reikšmingos siekiant suprasti procesus vykstančius ar vykusius Visatoje.

Pirmiausia keletas faktų, kuriuos nustatė astronomai. Atkreipčiau dėmesį, kad astronomai priklauso labai specifinei mokslininkų grupei: jie gali tik stebėti savo tiriamus objektus neturėdami galimybės vykdyti su jais eksperimentų, bet tai nemenkina jų reikšmės.

Astronomai, panaudodami fizikų sukurtais metodus, nustatė:

1. Visos galaktikos tolsta viena nuo kitos, o tai reiškia, kad kažkada praeityje jos visos turėjo būti viename kamuolyje, kuris sprogo išmesdamas galaktikas į visas puses. Sprogimo pasekmes matome per dideles šventes ar sukaktis, kai leidžiami fejerverkai. Grožimės išsilakstančiais šviesuliais, kuriuos sprogmens konstruktoriai priverčia ar išsilakstyti, ar lėkti įvairiai besisukant. Tie patys dėsniai valdo ir galaktikas, todėl mokslininkai, analizuodami galaktikų sukimąsi bei jų trajektorijas, bando sukurti šio Visatos sprogimo, vadinamo Didžiuoju sprogimu, eigą.

2. Registruodami žvaigždžių ir galaktikų spinduliuotės spektrą, astronomai nustatė, kad daugelis galaktikų sukasi, o jei surastas sukimosi periodas, tada galima įvertinti besisukančio kūno masę (analogiškai, kaip ir besisukančio vilkelio). Astronomai buvo nustebinti: pasirodė, kad galaktikos yra gerokai sunkesnės, negu jose yra žvaigždžių ir dujų. Buvo paskelbta, kad egzistuoja astronomams nematoma medžiaga, kuri buvo pavadinta „tamsiąja materija“.

Ši hipotezė buvo patikrinta ir kitu būdu. Jau prieš 100 metų buvo numatyta (Einšteino reliatyvumo teorijoje), kad šviesa, lėkdama šalia masyvaus kūno, yra užlenkiama. Astronomai, stebėdami tolimas galaktikas pastebėjo, kad, jei jų šviesa mus pasiekia lėkdama per arčiau esančias galaktikas, tolimųjų galaktikų vaizdas yra padidintas ir iškraipytas. Detali šių vaizdų analizė parodė, kad ir galaktikų telkinių aplinkoje, matyt, yra dideli telkiniai tos pačios tamsiosios materijos.

3. Žvelgiant į Visatą visomis kryptimis, buvo pastebėta, kad ji visa užpildyta mikrobange spinduliuote, kurios spektro forma tokia pati, kaip įkaitinto kūno. Tiesa, sunkoka teigti, kad tai įkaitinto kūno spinduliuotė, nes tai labai šalto kūno spinduliuotė. Jo temperatūra vos 2,7 laipsniai virš absoliutaus nulio temperatūros, kuri yra lygi 273 laipsniai šalčio. Tiesa, buvo pastebėta, kad viena jos pusė yra maždaug tūkstantąja laipsnio dalimi šiltesnė, iš ko buvo nustatyta, kad tai lemia Saulės sistemos judėjimas maždaug 400 km/s greičiu Liūto žvaigždyno link. Dar įdėmiau ištyrus šios mikrobangės spinduliuotės vienalytiškumą, buvo atrasta, kad jį sudaro chaotiškai, bet iš dalies susietai su galaktikų telkiniais išsidėstę temperatūros nevienalytiškumai, išreiškiami dešimttūkstantosiomis laipsnio dalimis.

 

Jau ir šių faktų fizikams pakanka suformuluoti klausimams ir uždaviniams:

1. Kokia medžiaga sprogo Didžiojo sprogimo metu?

2. Kokie procesai vyko ir kaip kito medžiaga Didžiojo sprogimo metu, t. y. nuo jo pradžios iki dabar? 

3. Kaip keičiasi Visata dabar, ir kas turėtų vykti ateityje?

4. Kokia medžiaga yra „tamsioji materija“, kurios negalima pamatyti?

 

Fizikai, žinodami medžiagų savybes ir procesus, kurių metu yra spinduliuojama šviesa bei kitokia elektromagnetinė spinduliuotė, tiria medžiagos sandarą bei įsijungė į problemų, kurias suformulavo astronomai, sprendimą. Savo teorijų išvadas fizikai gali patikrinti atlikdami eksperimentus, kas sustiprina šių išvadų patikimumą.

Vienas iš ypatingos reikšmės rezultatų gautas prieš dvejus metus, o aukščiausią įvertinimą – Nobelio premiją – gavęs pernai, yra Higgso bozono atradimas. Šis atradimas visos Visatos supratimo reikmėms reikšmingas tuo, kad tapo aišku, kodėl dalelės ir visi kūnai turi masę. Kitaip tariant, buvo patvirtinta teorija, paaiškinanti, kodėl egzistuoja gravitacija.

Kita vertus, Higgso bozono atradimas padėjo tašką pripažįstant elementariųjų dalelių pasaulį, aprašantį Standartinį modelį. Tam, kad būtų padarytas šis atradimas, teko sukonstruoti Didįjį hadronų ( t. y. sunkių dalelių – protonų ar švino branduolių) kolaiderį, šių dalelių greitintuvą. Jis įrengtas Europos branduolinių tyrimų centre CERN`e, kuris 1954 m. buvo įkurtas siekiant materijos tyrimus vykdyti žmonijos labui, o ne siekiant kurti karines technologijas, ką tuo metu vykdė JAV ir SSRS. Tai milžiniškas įrenginys: maždaug 25 km ilgio apskritiminis įrenginys, įrengtas 100 m gylyje esančiame tunelyje, kuriame dviem kanalais priešingomis kryptimis lekia pagreitinti iki didelės energijos protonai arba švino branduoliai.

Eksperimento esmė – dalelių masės priklausomybės nuo jų greičio. Ją aprašo gana gerai žinoma formulė E=mc2. Protonams bus galima suteikti tokią energiją (7 TeV), kad jų masė padidės maždaug 7 500 kartų. Jų greitis skirsis nuo šviesos greičio tik 3 m/s. (Šviesos greitis - ~300 000 km/s). Kaktomuša susiduriant protonams, visa ši perteklinė energija virsta įvairiomis dalelėmis, kurių trajektorijas užregistruoja ir jas atpažįsta eksperimentiniai įrengimai.

Čia galima atkreipti dėmesį į du momentus.

I. Didysis hadronų kolaideris skirtas kelių uždavinių sprendimui:

a) vienas jų jau pasiektas – Higgso bozonas atrastas. Nors ši analizė dar nėra baigta, nes norima patikslinti visas reakcijas, kuriose Higgso bozonas pasirodo. (Higgso bozonui pagauti užteko pagreitinti protonus iki maždaug 3,5 TeV energijos). Kartais teigiama, kad norima įsitikinti, ar šis Higgso bozono atradimas yra „taškas, padėtas sukūrus Standartinį modelį“, ar „siūlo galas, kurį traukiant atsivers Naujoji fizika, kurią numato naujas Supersimetrinis modelis“. Šis Supersimetrinis modelis fizikams yra patrauklus, nes numato, kad didelių energijų srityje susilygins gamtoje veikiančios elektromagnetinė, dėl kurios egzistuoja atomai ir medžiagos, silpnoji, dėl kurios vyksta elementariųjų dalelių virsmai ir branduolinės reakcijos, ir stiprioji, dėl kurios egzistuoja atomų branduoliai bei sudėtinės elementariosios dalelės, sąveikos. Kita vertus, šis modelis numato, kad turi egzistuoti dalelės, kurios nesąveikauja su elektromagnetinėmis bangomis, t.y., tokios, kurios gali sudaryti astronomų aptinkamą Tamsiąją materiją.

b) todėl yra suformuluotas uždavinys Didžioj hadrono kolaiderio ATLAS ir CMS eksperimentams ieškoti „naujosios fizikos“, t. y. dalelių, atitinkančių Supersimetrinio modelio prognozes, o atrastasis Higgso bozonas gali priklausyti Higgso bozonų šeimai, kuri numatoma šiame modelyje.

c) trečias uždavinys susietas su Didžiojo sprogimo modeliu, kurį analizuodami fizikai prognozuoja, kad labai susispaudusi medžiaga turi virsti atomo branduolį sudarančių dalelių – kvarkų ir gliuonų plazma. Tokios medžiagos savybėms tirti yra skirtas ALICE eksperimentas, kuriame susmogiami iki beveik šviesos greičio pagreitinti švino atomo branduoliai. Dėl milžiniško greičio tie branduoliai, ramybėje esantys rutulio formos, susiploja į „blynus“, kuriems susismogus ir sukuriama ši Visatos Didžiojo sprogimo pradžioje buvusi medžiaga. Dar ji ypatinga ir tuo, kad joje medžiagos ir antimedžiagos turi būti tiek pat. Kadangi mūsų matomas pasaulis sudarytas iš medžiagos, Didžiajam hadronų kolaideriui suformuluotas dar vienas uždavinys:

d) kodėl mūsų pasaulis yra sudarytas iš medžiagos? Tam yra ketvirtasis eksperimentinis įrenginys LHC(b) (LHCb – the beauty experiment), skirtas „b“ kvarko ir jo antipodo – „b“ antikvarko savybių tyrimui, nes ankstesni tyrimai parodė, kad šis kvarkas gali būti atsakingas už antimedžiagos išnykimą. Čia reikia atkreipti dėmesį į labai svarbius mūsų pasaulio bruožus: stebime daugybę simetrinių objektų, tačiau daugelyje jų pastebime ir nukrypimus nuo idealaus simetriškumo. Tai matome pažvelgę į veidrodį: abi veido pusės panašios, bet nėra tiksliai simetriškos. Matematikai, nagrinėdami įvairias fizikines situacijas, nustatė, kad tiksli simetrija atitinka kažkurį fizikinį dydį, kuris išsilaiko, t. y. kuriam galioja tvermės dėsnis. O jei simetrija yra pažeidžiama, tai reiškia, kad egzistuoja naujas dydis bei reiškinys, kuris lemia šį simetrijos pažeidimą.

Pavyzdžiui, simetrija laike atitinka energijos tvermės dėsnį, tačiau, nors energija neatsiranda ir neišnyksta, neįmanomi procesai idealiai simetriški. Tai nereiškia, kad negalioja šis tvermės dėsnis, o tik tai, kad vyksmo metu dalis energijos išsisklaido, vyksta atsitiktiniai procesai, sakome – dalis energijos dėl trinties virsta šiluma, o tuos procesus aprašo jau statistinė teorija, įvedanti temperatūros sąvoką, tiesiogiai susietą su energijos mainais, ir entropijos sąvoką, parodančią energijos sklaidos procesus.

Dėl tam tikrų simetrijos pažeidimo efektų Higgso ir Englerto teorijoje teko įvesti dalelių masės sąvoką. O šis Didžiojo hadronų kolaiderio „b“ eksperimentas ir tikrina priežastį, kodėl pasaulis sudarytas iš medžiagos likusios dalies, nes didžioji medžiagos dalis virto spinduliuote anihiliuodama su antimedžiaga. Taip pat reikia pažymėti, kad tie eksperimentai taip pat susieti su jau paminėta Naująja fizika, santykinai vadinama Supersimetriniu modeliu.

 

II. Būtina atkreipti dėmesį ir į kitą fizikų veiklos momentą. Siekiant gilintis į gamtos paslaptis, tenka sukurti naujus prietaisus, informacijos apdorojimo metodus, atrandami nauji efektai, ir fizikai sugeba šiuos atradimus pasiūlyti pritaikyti ir kitiems. Štai konkretūs pavyzdžiai:

a) sukonstravus protonų greitintuvus, buvo nustatyta, kad protonai ardo medžiagą tik tada, kai jų energija sumažėja iki tam tikros reikšmės. Todėl buvo sugalvota protonų pluoštą panaudoti chirurgijoje – naikinti vėžio metastazes, nes tinkamai nutaikyti protonai pažeidžia tik vėžinių ląstelių sankaupą, o aplinkiniai audiniai lieka nepaveikti. Tai geriau, negu naikinti šiuos auglius gamma spinduliais, kurie pažeidžia visas ląsteles, esančias jų kelyje;

b) atradus pirmąją antidalelę – elektrono antipodą – pozitroną, buvos nustatyta, kad pozitronui susidaužiant su elektronu jie abu virsta gamma kvantais, lekiančiais priešingomis kryptimis. Atradus, kad pozitronai sukuriami savaime skylant anglies, azoto, deguonies, fluoro radioaktyviesiems izotopams, kuriuos fizikai sugeba pagaminti, juos galima patalpinti gliukozėje, vandenyje, amoniake ir pan., t. y. medžiagose, dalyvaujančiose žmogaus organizme medžiagų apykaitoje, todėl registruojant gamma spindulius, išlekiančius iš paciento, išgėrusio atitinkamą preparatą, galima nustatyti, kurioje organizmo vietoje vyksta intensyviausia medžiagų apykaitą. Tai labai efektingas diagnostikos metodas, vadinamas PET – pozitronų emisijos tomografija. Ši diagnostika jau vykdoma Lietuvoje, Lietuvos sveikatos mokslų universiteto klinikose;

c) analizuojant elementariųjų dalelių reakcijas CERN`e buvo sukurta informacijos perdavimo technologija, kuri sutrumpintai vadinama „www“, o viešai paskelbta ji sulaukė plataus pritaikymo, nes sudaro interneto pagrindą;

d) aptikus, kad mikrobangos atskrieja iš kosminės erdvės, teko sukurti daug antenų turinčius radioteleskopus, o tų antenų priimamus signalus reikia valdyti, kad jie sumuotųsi, o ne naikintų vienas kitą, jei dėl Žemės sukimosi ar oro drėgmės signalas pavėluotų ateiti. Už šios technologijos sukūrimą ir naujo tipo žvaigždžių – pulsarų, kitaip vadinamų neuroninėmis žvaigždėmis, tyrimus 1974 m. buvo suteikta Nobelio premija. Tuometinį radioteleskopą, kaip pasakojo laureatas, sudarė radiolokatorių antenos, pastatytos ant 5 kilometrų geležinkelio linijos, o sukurta elektronika valdė visas antenas taip, kad visi signalai sumavosi. Dabar kuriamas gerokai didesnis radioteleskopas, kurio tūkstančiai antenų statomos Australijoje, Naujojoje Zelandijoje ir Pietų Afrikos Respublikoje. Jų valdymo elektronika yra gerokai modernizuota, palyginti su pirmąja versija, o vienas jos variantų įdėtas į mikroelektronikos lustą tapo visame pasaulyje paklausia preke – tai Wi-Fi technologija.

Tikiuosi, kad pateikti pavyzdžiai parodo, kad vykdant fundamentinius materijos tyrimus yra sukuriamos technologijos, kurių reikšmė tokia, kad, galima sakyti, jos keičia gyvenimo būdą.

Keliais žodžiai galima aptarti jau paminėto reikšmingo atradimo – profesorių Higgso ir Englert`o sukurtos teorijos, kurią patvirtino Higgso bozono atradimas, esmę. Iš šios teorijos išplaukia, kad egzistuoja anksčiau nežinotas Higgso laukas, su kuriuo visos dalelės sąveikauja, ir šios sąveikos stipris nusako priežastį, kodėl jos juda lėčiau, negu skrieja šviesa, ir ši sąveika lemia, kad dalelės turi masę. Čia galima priminti mokyklinį humoristinį pasakojimą, kad Izaokas Niutonas apie gravitaciją pradėjo galvoti, kai, sėdint po obelimi, jam kaktą praskėlė nukritęs obuolys – tada jis atrado Visuotinės traukos dėsnį. Komentuojant šį epizodą, galima būtų pasakyti, kad Higgsas ir Englert`as paaiškino, kodėl obuolys krito, t. y. kodėl egzistuoja gravitacija.

Toliau plėtojant pradėtą temą, reikia prisiminti, kad gravitacijos problemą nagrinėjo ir dar vienas genijus – Albertas Einšteinas, kuris sukūrė bendrąją reliatyvumo teoriją, iš kurios seka, kad didelė masės sankaupa gali iškreipti erdvę, o judant masyviam kūnui yra sukuriamos gravitacinės bangos. Tos bangos – tai reiškinys (ar objektas), kurio tyrimas yra viena iš šiandieninio fizikos mokslo aktualijų.

Tiesa, čia verta priminti, kad tiek specialiosios, tiek bendrosios reliatyvumo teorijų sukūrimui ypatingą reikšmę turėjo keturmatės erdvės modelis. Teoriją sukūrė Kaune gimęs ir gimnazijoje mokęsis, studijavęs Karaliaučiaus ir Berlyno universitetuose, dirbęs Bonos, Karaliaučiaus, Ciuricho, Getingeno universitetuose mokslininkas Hermanas Minkovskis (1864–1909). Jis, jau tapęs žinomu mokslininku, 1905 m. atvyko į Kauną, į savo gimnazijos jubiliejų. Mes lengvai suvokiame tris erdvines koordinates, o ketvirtąja koordinate yra įvestas laikas. Tokia keturmatė erdvė vadinama įvykių erdve, arba Minkovskio erdve. Jo, tiksliau abiejų brolių, vardai Kaune, Aleksote, yra įamžinti – jų vardu pavadinta gatvė.

Pritaikius Einšteino reliatyvumo teoriją Visatos Didžiajam sprogimui, gauta, kad pradiniu metu Visatos visa medžiaga sudarė tokią masės sankaupą, kad visa erdvė buvo taip iškreipta, jog ji tapo uždara erdve, ir fizikai šią Visatos būseną vadina singuliariniu, t. y. ypatingu tašku. Tas taškas, pagal sukurtą teoriją, turi būti tiek mažas, kad jį analizuoti reikia panaudojant kvantinę teoriją, kuri išvystyta norint suprasti atomų savybes. Iš tos teorijos išeina, kad tame singuliariame taške turi pasireikšti kvantinės teorijos numatomos osciliacijos.

Visatos Didįjį sprogimą aiškinanti teorija numatė, kad besiplečiant Visatai jos tankiui mažėjant vyks erdvės atsivėrimo procesas, vadinamas Infliacijos periodu, kurio metu minėtos kvantinės osciliacijos lems netolygų materijos pasiskirstymą erdvėje. Tuo pačiu metu vyksta dalelių ir antidalelių anihiliacija, t. y. jų virtimas spinduliuote. Šios spinduliuotės temperatūra Visatai besiplečiant vėsta, ir šiuo metu ji yra virtusi paskaitos pradžioje minėta reliktine spinduliuote, kurios būdinga temperatūra yra 2,7 laipsniai virš absoliutaus nulio, ir ji yra mikrobangų diapazone. Minėti temperatūros nevienalytiškumai charakterizuojami dešimttūkstantosiomis laipsnio ir yra tų kvantinių osciliacijų pasekmė ir atspindi medžiagos, tiek matomos, tiek tamsiosios pasiskirstymą Visatoje.

Labai reikšmingas atradimas padarytas šių metų kovo mėnesį, kai buvo baigti apdoroti trejus metus trukę šios reliktinės spinduliuotės struktūros ypatumų tyrimų rezultatai. Kalifornijos technologijos universiteto su kitais mokslo centrais (Reaktyvinio judėjimo laboratorija, Nacionaliniu standartų ir technologijos institutu, San Diego, Harvardo, Stanfordo, Britų Kolumbijos, Čikagos, Minesotos, Toronto ir Wales Cardiffo universitetais) jungtinė komanda pagamino ypatingo jautrio mikrobangų diapazonui teleskopą ir jį įrengė labai vienalytėje aplinkoje, Admunseno stotyje Antarktidoje, arti Pietinio Žemės ašigalio. Žema aplinkos temperatūra ir ledo kupolo aplinka leido išnaudoti sukurtos aparatūros jautrį, ir mokslininkams pavyko ne tik užregistruoti šios mikrobangės spinduliuotės nevienalytiškumus gana dideliame dangaus sferos plote, bet ir nustatyti bangų poliarizacijos ypatumus visame tame plote. Analizuodami šiuos rezultatus, mokslininkai nustatė, kad užregistruoti mikrobangų nevienalytiškumai ir jų poliarizacija yra Didžiojo sprogimo Infliacijos periodo metu vykusių procesų atspindys. Jie nustatė, kad jau minėtų kvantinių osciliacijų lemtų materijos nevienalytiškumai lėmė gravitacinių bangų sukūrimą, o jos savo ruožtu padarė įtaką reliktinės spinduliuotės poliarizacijai. Tinka palyginimas, kaip jūros bangos sukuria jos dugne esančio smėlio paviršiuje bangeles, taip tos gravitacinės bangos paliko savo pėdsaką mikrobangėje Visatą užpildančioje spinduliuotėje. Tai pirmasis akivaizdus gravitacinių bangų pėdsakų užregistravimas  ir kosmologų (Visatos Didįjį sprogimą analizuojančių mokslininkų) sukurto šio sprogimo modelio Infliacijos periodo patvirtinimas.

Neseniai turėjau galimybę aptarti šiuos rezultatus su Glazgo universiteto Gravitacinių bangų tyrimo instituto vadovu prof. Houghu, kurio sukurta gravitacinių bangų registravimo metodika yra realizuojama aparatūromis įrengtomis JAV, Vokietijoje, JK ir kurių rezultatų laukiama kitąmet. Jis labai aukštai įvertino reliktinės spinduliuotės nevienalytiškumuose išaiškintus gravitacinių bangų pėdsakus ir pažymėjo, kad tuo prasideda naujas kvantinės gravitacijos modelio plėtros etapas.

Apibendrinant paskutiniaisiais metais gautas mokslines išvadas, galima teigti, kad suprasta medžiagos masės prigimtis ir gravitacijos priežastis bei patvirtinta Visatos Didžiojo sprogimo schema. Šie rezultatai palengvina tolesnius mūsų pasaulio sandaros tyrimus, nes dar lieka nesuprasta Tamsiosios materijos prigimtis, yra neaiškumai lengvųjų dalelių – neutrinų – fizikoje. Dar naujas problemas iškėlė astronomai, panaudoję supernovų ryškio matavimą atstumui iki galaktikų išmatuoti. Šie rezultatai, kurių atradėjai apdovanoti 2011 m. Nobelio premija, įrodo, kad Visatos Didžiojo sprogimo procesas dabar vyksta greitėjimo fazėje. Tai reiškia, kad egzistuoja mechanizmas, verčiantis galaktikas tolti sparčiau, negu tai vyko ankstesniame periode. Tokį reiškinį galima paaiškinti padarius prielaidą, kad egzistuoja tamsioji (kartais vadinama ir „neigiama“) energija, t. y. papildomas narys Visatą aprašančioje formulėje. Šį narį į Visatą aprašančią lygtį prieš šimtą metų įvedė A. Einšteinas, mėgindamas sukurti stacionarios Visatos modelį. Paaiškėjus, kad Visata plečiasi, A. Einšteinas pripažino, kad to nario įvedimas yra jo didžiausia gyvenimo klaida. Dabartiniai nauji stebėjimų rezultatai pareikalavo grąžinti šį narį į Visatą aprašančią lygtį ir įvesti Tamsiosios materijos sąvoką. Ką ji reiškia, mokslininkai kol kas nesugalvojo. Kai kurie mokslininkai dar abejoja, ar tikslus yra supernovų taikymo atstumui iki galaktikų matuoti metodas. Jei supernovos keitėsi galaktikų evoliucijos metu, tada gal ir nėra tos Tamsiosios energijos.

Tyrimai tęsiasi.

Gal ir paprasta sakyti, kad fizikai sugalvojo ištirti kokį nors reiškinį ar pagauti Higgso bozoną, todėl ėmė ir sukonstravo tam tinkančią aparatūrą. Noriu atkreipti dėmesį, kad dabartiniams eksperimentams reikalinga aparatūra yra ypač sudėtinga.

Pažvelkime į Didįjį hadronų kolaiderį kiek detaliau. Jau minėta, kad tai apskritiminis įrenginys, kuriame dviem kanalais priešingomis kryptimis lekia pagreitinti beveik iki šviesos greičio protonai. Kad nebūtų jiems kliūčių skrieti tais kanalais, iš jų išsiurbtas oras. Likutinis slėgis yra maždaug dešimt kartų mažesnis, negu yra Mėnulio paviršiuje, o sakoma, kad ten oro nėra.

Kodėl reikalingas toks didelis įrenginys? Jo reikia, nes skriedamos ratu įelektrintos dalelės spinduliuoja šviesą, todėl, norint sumažinti dėl šios spinduliuotės patiriamus nuostolius, daromi kiek sugebama didesnio spindulio įrengimai. Protonai pagreitinami įrengtuose elektromagnetiniuose rezonatoriuose, per kuriuos skriedami jie yra po truputį pagreitinami, kol pasiekiama reikiama jų energija.

Tam, kad protonai skrietų tais kanalais, turi būti sukurtas magnetinis laukas, kuris pagal mokykloje nagrinėjamą kairiosios rankos taisyklę yra atlenkiamas taip, kad visą laiką skrietų kanalais, išskyrus tą momentą, kai abu priešingomis kryptimis lekiantys protonų pluoštai yra nukreipiami į eksperimentinius įrenginius tam, kad susidurtų ir suskiltų į sudėtines dalis bei jų turima perteklinė kinetinė energija virsta įvairių dalelių kombinacijomis, tarp kurių kartais gali būti ir Higgso bozonas. Protonams, kuriems suteikiama energija iki 7 TeV, reikalingas magnetinis laukas viršijantis 8 T, jis 200 tūkst. kartų stipresnis už Žemė magnetinį lauką, ir, norint tokį pasiekti, reikia, kad elektromagnetais tekanti elektros srovė viršytų 11 000 A srovę. Tokia srovė gali tekėti tik elektromagnetų apvijas padarius iš superlaidininkų, kuriuos reikia atšaldyti iki kelių laipsnių virš absoliutaus nulio temperatūros. Dideli aparatūros matmenys pareikalavo magnetų temperatūrą žeminti iki 1,9 laipsnio virš absoliutaus nulio. Tai žemesnė temperatūra negu galaktikų išorinėje erdvėje. Jau minėjome, kad ten yra 2,7 K temperatūra. 1,9 laipsnio virš absoliutaus nulio temperatūra reikalinga, nes toje temperatūroje skystas helis tampa supertakus, todėl jis gali atšaldyti visus magnetus. Sudėtinga ir paleisti elektros srovę į atšaldytus iki tokios temperatūros magnetus. Išorinių elektros laidų temperatūra yra kambario temperatūroje, arčiau magnetų laidus šaldo skystas azotas ir toje temperatūroje laidai padaryti iš aukštos temperatūros superlaidininkų, kurie yra geri šiluminiai izoliatoriai, leidžiantys įjungti į grandinę iki ypač žemos temperatūros atšaldytus žematemperatūrius superlaidininkus.

Sukurtų dalelių trajektorijoms ir jų energijai registruoti sukurti įvairūs detektoriai. Jais galima nustatyti dalelių atlėkimo į reikiamą tašką laiką kelių milijardinių sekundės dalių tikslumu, o jų trajektorijas – milijoninių metro dalių tikslumu. Arčiausiai dalelių susidūrimo taško yra puslaidininkiniai detektoriai, kurių yra daug sluoksnių. Atskiras detektorius yra maždaug 50–100 mikrometrų dydžio, t. y. maždaug dviejų žmogaus plauko skersmens. Tokiais detektoriais skirtinguose įrengimuose yra padengta nuo kelių iki keliasdešimt kvadratinių metrų ploto. Labiau nutolę nuo susidūrimo taško yra kristaliniai detektoriai, kuriuose dalelės sukuria šviesos signalus, kurie šviesolaidžiais nukreipiami į juos užregistruojančius detektorius. Toliausiai yra detektoriai, kuriuose pralekiančios dalelės jonizuoja dujas ir dėl to registruojamas elektrinis signalas. Šie detektoriai, skirti sunkesniųjų elektronų registravimui – miuonų, – yra maždaug 3 cm diametro iki 6 metrų ilgio vamzdeliai. Tokiais detektoriais bei magnetais, kurie priverčia įelektrintas daleles judėti kreivomis trajektorijomis, yra užpildytas visas detektoriaus tūris. O jis yra gana įspūdingas: ATLAS detektoriaus ilgi – 44 metrai, o skersmuo – 25 metrai. CMS – kompaktinis miuonų solenoidas – yra mažesnis, jo skersmuo tik 15 m. Šie eksperimentiniai įrengimai, kaip ir visas juos jungiantis tunelis, yra maždaug 100 metrų gylyje. Tokia eksperimentinių įrenginių vieta pasirinkta dėl dviejų priežasčių: pirma – siekiama sumažinti iš kosmoso atlekiančių dalelių poveikį, nes jos, nors ir daug kartų susidurdamos su joms kelią pastojančiais atomais, pasiekia net ir giliai žemėje esančius detektorius. Antra priežastis – susismogiant protonams ar švino branduoliams, sukuriama daug ir įvairių dalelių bei gamma spindulių, nuo ko taip pat reikia saugotis. Ši radiacija sukuria problemas ir pačiuose įrengimuose: jonizuojanti radiacija sukuria defektus detektoriuose, t. y. ji ardo kristalus, kurių suardytos vietos gadina puslaidininkinius detektorius ir elektroninius įtaisus, kurie stiprina signalus, liuminoforus, net ir šviesolaidžius. Todėl skiriamas didelis dėmesys tų medžiagų tobulinimui, siekiama surasti atspariausias medžiagas šiems eksperimentams.

Čia susiduriama su ekonominiu požiūriu: jei detektoriai bus suardomi greitai, juos reikės pakeisti naujais, o tam reikės stabdyti visą įrenginį – Didįjį hadronų kolaiderį. Tai brangi operacija. Dar jo konstravimo metu šie darbai jau buvo vykdomi, ir mūsų komanda, t. y. Vilniaus universiteto puslaidininkių fizikų kolektyvas, jungėsi į tuos darbus. Tai įvyko jau gana seniai – 1997 metais. Tada buvo parodyta, kad iš visų tirtų medžiagų geriausiai tiko silicio detektoriai. Tiesa, ir kitų puslaidininkinių medžiagų tyrimai nenuėjo veltui. Pavyzdžiui, ištyrus GaAs savybes, buvo gauta, kad neutronai ir protonai šią medžiagą sparčiai ardo, tačiau gamma ir rentgeno spindulių ardantis poveikis yra labai mažas, t. y. šiems spinduliams tai atspari medžiaga, o tie spinduliai sukuria daug nepusiausvyrių krūvininkų, dėl kurių šis puslaidininkis sėkmingai tinka šių spindulių detektorių kūrimui. Taip CERN`e buvo pradėta MediPix programa, sukūrusi detektorius dantų tomografams ir mamografijos prietaisams, t. y. tarnaujantys medicininei diagnostikai, patologijų vaizdinimui. Tuo metu ir Puslaidininkių fizikos instituto mokslininkai buvo įsijungę į elektronikos, skirtos Didžiajam hadronų kolaideriui, atsparumo radiacijai tyrimus.

Baigiamosios Didžiojo hadronų kolaiderio konstravimo fazės metu 2001 m. buvo susigriebta, kad paleidus kolaiderį jo detektoriai pradės degraduoti, todėl reikia ieškoti galimybių, kaip sukurti atsparesnius radiacijai puslaidininkinius detektorius, nes jie labiausiai apšvitinami. Taip buvo suformuota tyrimų programa RD50 „Radiacijai atsparūs jonizuojančios radiacijos detektoriai didelio šviesingumo kolaideriams“. Man teko koordinuoti naujų medžiagų tyrimus, ir buvo pademonstruota, kad nauja medžiaga, iki tol netaikyta jonizuojančios radiacijos detektoriams GaN kurti, būtų tinkama, tačiau išanalizavus ekonominius rodiklius išaiškėjo, kad pasaulyje nėra tokių pajėgumų, kurie užtikrintų reikiamo kiekio kristalų detektorių gamybai, todėl visos jėgos buvo mestos tobulinti silicio detektoriams, ir per dešimtmetį pasiekta didelių rezultatų. Tai pavyko padaryti į silicio kristalus įvedant pasyvią priemaišą – deguonį, kuris sustiprina silicio kristalo gardelę.

Pradėti darbai atkreipė CERN`o dėmesį į Lietuvą, ir 2004 m. buvo pasirašyta Lietuvos ir CERN`o bendradarbiavimo sutartis. Tai atvėrė kelius platesniam bendradarbiavimui. Efektingai įsijungė informatikai ir fizikai, dalyvaudami gaunamų eksperimentinių duomenų valdymo programose, jungiasi į darbus fizikai teoretikai siekdami analizuoti gaunamus eksperimentinius duomenis. O jų gaunama daug – per sekundę bus atliekami šimtai milijonų eksperimentų, t. y. protonų susidūrimų, ir kiekvienas jų gali būti įdomus ir atveriantis Naujosios fizikos puslapį. Tokia eksperimentinių rezultatų gausa ir skatina CERN`ą pritraukti kuo daugiau fizikų, galinčių analizuoti eksperimentų rezultatus. Valdyti duomenų srautus sklindančius per 200 gigabaitų per sekundę yra sudėtinga ir perspektyvu.

Dalyvavimas tokiuose darbuose ir gebėjimas valdyti milžiniškus duomenų masyvus turi ir papildomą pridėtinę vertę, nes šios programos gali būti taikomos bet kurių duomenų valdymui ir atpažinimui: tinka tiek ekonomikai, tiek medicinai.

Šiuose darbuose vilniečių atrastas radiacijos poveikio puslaidininkių savybėms efektas ir jį panaudojantis naujas prietaisas sėkmingai diegiamas CERN`e radiacijos monitoringui, kas gali būti pritaikoma ir branduolinėje, ypač termobranduolinėje energetikoje. Sukonstruota unikali įranga detektoriams tirti didelės radiacijos zonose sėkmingai keliauja po pasaulio mokslo centrus.

Baigiant paskaitą galima teigti, kad tarptautinės tyrėjų komandos pastaraisiais metais gavo daugybę naujų rezultatų, padedančių geriau suprasti Visatos sandarą ir joje vykstančius procesus, o Lietuvos mokslininkai nėra nuošalyje nuo šių fundamentinių darbų.

Tačiau dar norisi pro specifinę prizmę pažvelgti į bent jau dalies žmonijos svajonę: keliauti į kitas žvaigždžių sistemas bei atkreipti dėmesį, ką su tomis idėjomis turintys ryšį projektai duoda kasdieninių problemų sprendimui.

Norint keliauti tarp žvaigždžių, reikia žinoti, kas yra tarpžvaigždinėje erdvėje. Stebint kitas galaktikas, buvo pastebėta, kad tarp žvaigždžių sklinda dideli srautai ultravioletinių spindulių, kurių negali išspinduliuoti jokie atomai. Buvo suprasta, kad tai gali būti nulemta didelės energijos įelektrintų dalelių srautų, judančių magnetiniame lauke. Šitaip generuoti šviesos spinduliai šiuo metu pasaulyje jau panaudojami įvairioms problemoms spręsti. Tai, kad elektronai skriedami ratu privalo spinduliuoti šviesą, buvo žinoma jau daugiau kaip prieš šimtą metų, ir tos žinios sugriovė visiems labai patikusį Rezerfordo atomo modelį, kuris teigė, kad elektronai skrieja orbitomis aplink branduolį, kaip planetos aplink Saulę. Kadangi skriedami orbita elektronai spinduliuos šviesą, turės prarasti energiją ir nukristi ant branduolio, kas nevyksta. Sukurta kvantinė teorija patobulino modelį įrodžiusi, kad elektronai sudaro stovinčias bangas toje erdvėje, kurią ir toliau vadiname orbita, o ratu skriejantys elektronai panaudojami didelio intensyvumo ir norimos energijos šviesos kvantams generuoti. Japonai tokius prietaisus vadina fotonų fabrikais, o juose sukurta šviesa panaudojama tiek medicinoje, tiek įvairių technologijų realizavimui.

Lengviau pamatyti dalelių srautų generuojamą šviesą kitose galaktikose negu mūsų galaktikoje. Kas darosi Žemės aplinkoje? CERN`o mokslininkai neseniai iškėlė į tarptautinę kosminę stotų 64 kubinių metrų dydžio įrenginį (AMS – Alfa magnetinį spektrometrą), kuriuo jau atrasta, kad Žemės aplinkoje aptinkami didelės energijos dalelių srautai, susieti ne tik su Saulės vėju, bet ir su tolimesnėje kosmoso erdvėje vykstančiais procesais.

Norėdama sužinoti, kas darosi dar toliau, žmonija, tiksliau, JAV, paleido kosminius laivus, turinčius išskrieti iš Saulės sistemos ribų. Dabar tie laivai (Voyager 1 ir 2) jau pasiekė Saulės sistemos pakraštį ir nustatė, kad dalelių spektras ženkliai keičiasi. Tai, viena vertus, įrodo, kad tolimasis Oorto debesis, kurį sudaro milijardai kometų (kosminio ledo kūnai), bent iš dalies apsaugo nuo tarpžvaigždinės pavojingos spinduliuotės, kita vertus, parodo, kad Žmogaus sukurta technika ištisus dešimtmečius gali sėkmingai funkcionuoti be priežiūros. Galima tik paklausti: kas maitina tuos kosminius laivus? Atsakymas: tos medžiagos, kurias Lietuvoje vadiname radioaktyviomis atliekomis. Jų skleidžiamą šilumą termoelementai paverčia elektros energija, ir yra teigiama, kad tokių energijos šaltinių garantinis laikas gali siekti ar viršyti 70 metų. Galima tik klausti: gal ir Žemėje tiktų vadinamąsias atliekas priversti tarnauti mažosios energetikos sistemoms, jei jos negalės gaminti energijos didžiajai energetikai?

Todėl norisi palinkėti į naujoves ir vykdomus darbus žvelgti dėmesingai, o tuos darbus vykdančius mokslininkus skatinti nepamiršti, kad gauti rezultatai turi tarnauti tiek sprendžiant pasaulio, tiek žmogaus problemas.

Komentarai

Spausdami siųsti mygtuką sutinkate su Taisyklėmis ir atsakomybe

Kalba Vilnius

 

Susiję įrašai

 
Visi įrašai
Kraunasi ...
 
GrojaraštisIrašaiKeisti
Kraunasi ...
  
VartotojasPašalinti
Kraunasi ...