Modul în care înţelegem Universul este pe care de a se schimba. În ultimile câteva decenii fizicienii au putut descrie din ce în ce mai amănunţit particulele fundamentale care alcătuiesc Universul şi interacţiunile care acţionează asupra acestor particule. Acestă înţelegere este încapsulată în ceea ce este cunoscut drept Modelul Standard al fizicii particulelor. Cu toate acestea, fizicienii recunosc că modul lor de înţelegere este incomplet. Pentru a afla ce este necesar să fie adăugat sunt necesare date experimentale, iar următorul mare pas pentru a vedea direct ce se ascunde în spatele Modelului Standard este Large Hadron Collider (LHC, Marele Accelerator de Hadroni), care îşi va începe activitatea în 2007 (n.t. în 2008, după ultimele estimări) la CERN, laboratorul european de fizica particulelor, situat la graniţa franco-eleveţiană de lângă Geneva.

Fizicienii sunt încântaţi de LHC. Va fi cel mai puternic accelerator de particule din lume, ciocnind protonii unii de alţii la o energie de 14 TeV (tera-electonvolţi) şi dând acces la fenomene fizice ce au loc la energii de zece ori mai înalte decât cele ce fuseseră deschise explorării până acum. Fiecare coliziune de protoni, în timp ce aceştia călătoresc în direcţii opuse în jurul unui inel situat adânc în pământ, cu o circumferinţă de 27 de kilometri, va dezvălui mai multe informaţii despre cele mai fundamentale părţi ale Universului.

Fizicienii cred că părţi cruciale care lipsesc din modelul nostru actual pentru Univers vor fi dezvăluite prin intermediul celor aproximativ un miliard de coliziuni de protoni pe secundă. De exemplu, procesul care dă masă particulelor ar trebui să fie lămurit. Acest proces s-ar putea anunţa prin intermediul producţiei a unuia sau a mai multor tipuri de aşa-numite «particule Higgs», iar tema principală pentru LHC este aceea de a le căuta şi de a le studia. 

O particulă Higgs trebuie să existe pentru ca Modelul Standard să rămână cea mai bună teorie a particulelor pentru gama de energie pe care LHC o examinează. Fie Higgs-ul va fi descoperit, ducând la o mai bună înţelegere a Modelului Standard, fie Higgs-ul nu va apărea în modul în care fizicienii se aşteaptă, iar ceva chiar mai interesant se va ivi.

O întrezărire a unui Univers mai exotic?

De asemenea, LHC ar trebui să dezvăluie şi fenomene fizice noi dincolo de Modelului Standard, cum ar fi supersimetria sau dimensiuni suplimentare ale spaţiului. Supersimetria ar putea furniza o modalitate de a unifica forţele  electomagnetică, slabă şi tare, însă ea de asemenea prezice o suită de particulele încă neobservate. Cele mai uşoare din aceste particule supersimetrice ar putea fi o parte principală a materiei cosmice întunecate despre care ştim că există, însă pe care nu o putem caracteriza încă.

Dimensiuni suplimentare ale spaţiului ar putea furniza o nouă direcţie către o teorie fizica dincolo de Modelului Standard. Ele ar fi invizibile nouă în viaţa de zi cu zi, tot aşa cum o a treia dimensiune nu ar fi percepută de o furnică care se târăşte pe o coală netedă de hârtie. Însă dacă dimensiunile suplimentare există, ele ar putea produce efecte măsurabile la LHC. Acesta ar putea permite LHC-ului să pătrundă în domeniul gravitaţiei cuantice, contribuind astfel la mult căutata reconciliere a mecanicii cuantice şi relativităţii generale.

LHC-ul este o maşină a superlativelor. Este cea mai mare instalaţie din lume ce foloseşte superconductoari. Este mai rece decât spaţiul cosmic. Conţine un vid « mai perfect » decât oriunde între Pământ şi Staţia Spaţială Internaţională. Va produce aproape un miliard de coliziuni proton-proton pe secundă. Toate acestea fac din LHC nu doar o maşină ce va testa limitele fizicii, dar şi o maşină care foloseşte limitele tehnologiei.

Doi magneţi într-unul

Găzduit într-un tunel circular, lung de 27 de km, LHC este un adevărat uriaş. Este cel mai complex instrument ştiinţific construit vreodată. Centrul său este reprezentat de nişte magneţi superconductori extrem de eficienţi, bazaţi pe bobine făcute din fire de niobiu şi titan care conduc electricitatea fără a impune rezistenţă la temperaturi joase. Magneţii LHC-ului vor funcţiona la o temperatură de aproximativ 1.9 grade peste 0 absolut (în jur de -271˚ C), fiind răciţi de heliu superfluid.

Fiecare magnet are o arhitectură doi în unul pentru a ghida ambele fascicule într-o singură structură. LHC-ului foloseşte 1232 magneţi bipolari pentru a ghida fasciculul, împreună cu aproximativ 400 de magneţi cu patru poli pentru a focaliza fasciculele şi alţi câteva mii de magneţi suplimentari pentru a direcţiona bine orbitele. Cu totul, LHC-ul foloseşte suficiente filamente superconductoare pentru a se întinde până la Soare şi înapoi de cinci ori, rămânând suficiente pentru a face încă şi câteva călătorii pe Lună.

Înalta intensitate a fasciculelor LHC-ului, care dă naştere enormei rate de coliziune, prezintă propriile sale provocări. De exemplu, la intensitate maximă fiecare fascicul deţine aproape acceaşi cantitate de energie ca şi un tren TGV aflat în viteză. Acesta înseamnă de 200 de ori mai mult decât energia cea mai mare obţinută de un accelerator precedent.

Culturi diferite, scop comun

LHC este situat la aproximativ 100 metri sub pamânt, nefiind vizibil de la suprafaţă, cu excepţia clădirilor de deasupra coloanelor care conduc către inel, unele din ele duc către cavernele experimentale care conţin detectoarele de particule care vor captura rezultatele coliziunilor de particule din LHC.

Patru experimente principale - ALICE, ATLAS, CMS, şi LCHb - se pregătesc la LHC. De asemenea, două experimente mai mici, TOTEM şi LCHf au fost aprobate şi alte propuneri sunt în discuţie. ATLAS şi CMS sunt detectoare cu scop general, construite pentru a « vedea » orice ar putea LHC dezvălui. Fiecare înconjoară un punct în care protonii se ciocnesc şi măsoară energiile şi traiectoriile particulelor apărute. Fiecare a fost construit de o colaborare a aproximativ 2000 de cercetători din toată lumea, un prim exemplu de culturi diferite care lucreazâ pentru a îndeplini un scop comun. Particulele Higgs şi supersimetria sunt capul listei de priorităţi pentru a fi descoperite în aceste detectoare. ALICE şi LHCb sunt experimente mai mici care se concentrează într-o singură direcţie de cercetare. ALICE va studia materia aşa cum era ea în primele clipe ale Universului într-o încercare de a înţelege cum a evoluat în materia pe care noi o cunoaştem astăzi. LHCb va studia de ce Natura preferă materia mai mult decât antimateria.

De fiecare dată când protoni se ciocnesc în interiorul unui detector de particule, sute sau milioane de particule vor apărea. Din moment ce vor fi aproape un miliard de coliziuni pe secundă, rezultă că se va produce o cantitate enormă de date experimentale. Sisteme electronice performante vor selecta coliziunile interesante, respingându-le pe acelea care sunt neinteresante şi înregistrând datele rămase. Chiar şi în urma acestei selecţii riguroase, volumul de date care va fi înregistrat de fiecare experiment va umple în fiecare an o stivă înaltă de 20 km de CD-ROM-uri.

La graniţa fizicii

Conceput în anii 1980, aprobat în anii 1990 şi planificat să înceapă în 2007 (n.t. 2008, după ultimele estimări), LHC-ul este o învestiţie uriaşă şi un proiect pe termen lung. În prima sa fază de funcţionare, el va explora o vastă arie nouă din fizică şi va ajuta la alegerea unei strategii de cercetare pentru viitor. Ce noi experimente va aduce viitorul ramâne de văzut, însă LHC-ul va rămâne cel puţin un deceniu experimentul unde se poate studia cel mai bine fizica particulelor. Mai mult, LHC-ul însuşi ar putea să facă parte din viitorul peisaj al ştiinţei, căci el poate fi îmbunătăţit pentru a produce mai multe coliziuni de energie mai înaltă.

Ceea rezultate va aduce LHC-ul nu se cunoaşte încă, însă oricum, o întreagă lume de potenţiale descoperiri ni se în timp ce încercăm să înţelegem structura fundamentală a Universului.

(Tradus de Marinela Spiridon din revista "Symmetry", din august 2006, originalul putând fi găsit aici, autorul fiind James Gillies.)