CERN: Europako partikulen fisikaren ikerketa

LEP 27 kilometrotako luzera duen tunelean kokatua dago eta LHC azeleragailu berri ere bertan egingo da

CERN

Ikerketa Nuklearreko Europar Erakundeak (CERN) Frantzia eta Suitzaren artean dagoen LEP partikula-azeleragailua (Large Electron-Positron collider) ixtea erabaki du. Hasiera batean, 2000ko irailean itxi behar zuten, baina Higgs-en partikula misteriotsuak aurkituko zituzten itxaropenarekin, itxiera azaroaren 2ra atzeratzea erabaki zuten. Higgs-en partikulak aurkitzea aurrerapauso handia litzateke partikulen masaren jatorria ulertzeko. Nahiz eta ondorio nahiko itxaropentsuak lortu, nahiago izan dute LEPen jarduera 2001. urtera arte ez luzatzea, LHC azeleragailuaren eraikitze-lanetan eta CERNeko gainerako proiektuetan eragin handia izango bailuke.

LHC azeleragailurako bi poloo iman upragidatzailearen eskema.

CERN

Luziano Maiani CERNeko zuzendariak esan duenez, ez da erabaki erraza izan, LEPek Europako ikerketa zientifikoan berebiziko garrantzia eta partikulen fisikan dihardutenen onespen osoa baitzuen. Izan ere, LEP Estatu Batuetan egin zena baino askoz aurreratuagoa zen lehen azeleragailu europarra izan zen. Dena dela, erabaki zail hori beharrezkoa zela esan dute, hamaika urteko etengabeko jardueran emaitza asko lortu badira ere, jada, LEPek ez baitzuen behar adinako zehaztasuna bermatzen. Adibidez, partikulek duten energia ezagutzeko, beharrezkoa da egiten duten ibilbidea zehaztasun osoz ezagutzea. Arazoa da, besteak beste, ilargia eta eguzkiaren eraginez, poliki-poliki lurzorua deformatu egiten dela, eta ondorioz, nahiz eta 27 kilometroko luzeran milimetro bakarreko deformazioa sortu, CERNeko ikerketetan kontuan hartzeko eragina da. Hala ere, partikulen fisikan diharduten europarrek ez dute kezkatzeko arrazoirik, leku berean LHC azeleragailuak beteko baitu LEPek utzitako hutsunea. LHC azeleragailuak teraelektronvolt bateko energia altuan lan egiteko aukera emango du.

Zer da partikula-azeleragailua?

Azeleragailuak materia osatzen duten oinarrizko partikulak ikertzeko erabiltzen dira eta adituen iritziz, gizakiak egin dituen zientzia-tresna handi eta zehatzenak dira. Bi azeleragailu-mota daude: linealak (linac deiturikoak) eta zirkularrak (ziklotroiak), baina bietan dira beharrezko eremu elektrikoa eta magnetikoa. Eremu elektrikoak partikulei energia ematen die, eta horrela azeleratu egiten dira, eta eremu magnetikoak, berriz, partikula-sortaren fokalizazio zehatza mantentzen du. Linac-etan, partikulek beren energia handitzen duten eremu elektriko jarraikiak iragaiten dituzte eta, ziklotroietan berriz, behin eta berriz itzuliak emanez eta eremu elektriko berdinetik pasatuz, lortzen dute energia metatzea. Partikulen abiadura lastertzen doan heinean, desbideratzeko joera ere areagotu egiten da eta, maila horretan, LEPek abantaila nagusi bat zuen: 27 kilometroko zirkunferentziari esker, kurba txikiagoak ukaitea alegia.

Higgs bosoiaren simulazioa.

CERN

Azeleragailuen azken funtsezko piezak partikulak eta beraien arteko talkak behatzeko detektagailuak dira. Partikulek aski abiadura handia lortzen dutenean, itu finkoen aurka edo elkar joz hautsi egiten dira. Detektagailuei esker lortzen da partikulak identifikatu eta bakoitzaren bidea zehaztea. LEPek lau detektagailu zituen: Aleph, L-3, Delphi eta Opal.

LEP azeleragailuaren aurkikuntzak

Duda barik, LEP partikula-azeleragailua Europako ikerketa zientifikoaren ikur garrantzitsuenetakoa da. Duela hamaika urte martxan jarri zutenetik azken hilabetera arte, etengabeko aurkikuntzen lekuko izan da. Partikulen fisikan adituak direnek laudorioak baizik ez dizkiote egin, urtetik urtera, azeleragailu horretan, gero eta zehaztasuneko neurketa gehiago egin baitira.

Neurketa horien ondorioz, fisikariak lau elkarrekintza, elektrikoa, magnetikoa eta nuklear bortitz eta ahula, batzeko bidean dira. Jadanik, partikulen fisikan eredu estandarra deituriko teorian elkarrekintza elektromagnetikoak eta nuklear ahulak batu dira, eta orain, elkarrekintza nuklear bortitzak (subnuklearrak) gehitzea falta da. Dena dela, zehaztasun handiko neurketei esker, azken teoria hori eta eredu estandarra, fisikaren historian, kontzeptuen esparru osatu eta garatuenak izatea lortu da.

Neurketa zehatzen artean elkarrekintza bortitzen intentsitatea, Z eta W partikulen masa eta propietate zehatzenak aipa daitezke. Z eta W partikulak elkarrekintza ahulen arduradun dira eta, batez ere, desintegrazio erradioaktiboen oinarrian daude. Era berean, leptoi, quark xarma eta behe partikulen propietateen neurketa zehatzak ere aipa daitezke.

CERNen LEP azeleragailuaz gain adin eta maila guztitako publikoari irekia den erakusketa ere badago. Irudian neska bat plasma baloiarekin jolasean.

CERN

Baina, duda barik, LEPen egin diren neurketa garrantzitsuenak energia handian (90.000 eta 210.000 milioi elektronvolt) egin diren elkarrekintza elektromagnetikoena izan da. Neurketa horien ondorioz, quarken masa, quark goien existentzia eta masa ondorioztatzea posible izan zen.

Hemendik aurrera, partikulen masaren jatorria identifikatzea da partikulen fisikarien lan nagusia. Eredu estandarrean, partikulek Higgs izena eman zaion mekanismoaren bidez lortzen dute beren masa. Teoria horren arabera, partikula orok eta indar-bektoreek higgs-en bosoia deituriko partikularekin elkarreragiten dute. Elkarrekintza horren intentsitateak sortuko luke guk masa deritzogun hori: zenbat eta intentsitate handiagoa, orduan eta masa handiagoa. LEPen azken hilabeteetan, Higgs-en partikula identifikatu nahian ibili dira buru-belarri. Emaitza aski onak lortu dituzte, baina ezinezkoa izan da lan hori amaitzea.

Ikuspuntu politikotik, fisikari europarren kezka nagusia, aurkikuntza garrantzitsu horrengandik hain hurbil egon ondoren, LHC azeleragailua martxan jarri baino lehen, bost urteko epean, galdera horren erantzuna fisikari amerikarrek aurkituko ote duten da.

Ikerketa baliotsuak

Hasiera batean azeleragailuak fisikarako garatu baziren ere, gaur egun, beste arlo zientifiko batzuetan, industrian eta medikuntzan helburu praktikoetarako erabiltzen dira, besteak beste, polimerizazio prozesuetan, hondakinak tratatzeko eta elikagaiak esterilizatzeko. Medikuntzan ere aplikazio anitz dituzte, ziklotroiek gizakiaren gorputzean lokaliza daitezkeen isotopoak ekoizten baitituzte. Bestalde, sakoneko tumoreak suntsitzeko ere protoi-azeleragailuak erabiltzen dira, protoiek energiaren zati handiena ibilbidearen amaieran pausatzen baitute, azaleko geruza eta organo zaurgarriak kaltetu gabe.

Opal detektagailua desegiten.

CERN

Partikula-azeleragailuen gaur egungo aplikazio arrakastatsuenetakoa energia garbi eta mugagabea segurtasun osoz ekoizteko ahalmena da. Carlo Rubbia CERNeko zuzendari ohiaren ideia partikula-azeleragailua eta erreaktore-nuklearra elkartzea izan da. Fisio nuklearrerako nahitaezkoak diren neutroiak ekoizteko partikula-azeleragailua erabiliko da. Sistema berri horrek, fisiorako erreaktore konbentzionalak ez bezala, energia behar du funtzionatzeko, baina sortzen duen energia-kantitatea, kontsumitzen duena baino askoz handiagoa da. Horregatik, bere egileak energia-anplifikagailua deitzen dio. Gainera, sistema horrek ez luke hondakin nuklear arriskutsurik sortuko. 1995ean, energia-anplifikagailua iraupen luzeko hondakin-nuklerrak errausteko erabiltzea ere pentsatu zen. Ideia torioari plutonioa bezalako hondakin arriskutsuak gehitzea da, hausketa erreakzioetan parte har dezaten eta, horrela, arriskutsuak ez diren elementuetan desintegra daitezen. 1996an CERNen ideia garatu zuten eta hondakinak desintegra daitezkeela frogatzeaz gain, azpi produktuak medikuntzan aplikazioak dituzten isotopoak direla ohartu ziren.

Zerk osatzen du materia?

Inguratzen gaituen mundua materia-mota anitzez egina dago, eta benetan harrigarria da materia horiek guztiak, oinarrizko partikula gutxi batzuez osatuak daudela ikustea. Bi familiatan batu daitezke oinarrizko partikulak, quarkak eta leptoiak.

Lau materia-mota bereizten dira, materia arrunta, materia kosmikoa, energia handiko materia eta antimateria.

Materia arrunta

Unibertsoan orain arte ezagutzen dugun materia guztia, ehun bat atomo-motaz egina dago. Atomoak nukleoa eta bere inguruan biraka dabiltzan elektroiez osatuak daude. Nukleoa nukloiez -protoi eta neutroiez- konposatua dago. Elektroiek ez dirudi barne-egiturarik dutenik. Aldiz, nukleoiak hiru quarkez osatutako partikula konposatuak dira. Soilik bi quark, gora eta behera, dira beharrezkoak protoiak eta neutroiak osatzeko. Oinarrizko partikulen taula osatzeko beste partikula bat gehitu behar da: neutrino-elektroia. Partikula neutro eta oso arina da, eta nahitaezkoa da protoiak neutroi bihurtzen diren erreakzioetan, baita alderantzizkoetan ere. Erreakzio horiek materia bere forma egonkorrera iristeko beharrezkoak dira.

Materia kosmikoa

Erradiazioak espaziotik etorritako energia handiko nukleo atomikoak (gehienbat protoiak) goi-atmosferako atomoekin talka egitean sortzen den partikula-sortaren ondorio dira.

Materia-kosmikoa ez da soilik elektroi, neutroi eta protoiez osatua; beste era bateko partikulak ere badaude. Erradiazio kosmikoak ulertzeko muoi, neutrino-muoi eta quark arrotza behar dira. Eguzkitik hurbileko erradiazio kosmikoetan elektroiak baino 210 aldiz pisuagoak diren muoiak daude. Muoiak 2,2 mikrosegundo iraun ondoren, elektroi bihurtzen dira. Bere gehiegizko masa, elektroi, neutrino-elektroi eta neutrino-muoien artean energia zinetiko moduan banatzen da.

Energia handiko materia

Erradiazio kosmikoak hein batean energia handiko laborategi naturalak dira, baina oso zaila da bertan ikerketak egitea. Horregatik, CERN bezalako laborategietan oraintsu arte ezin aurki zitezkeen partikula berriak atzeman dira, adibidez taua. Tau partikula elektroia bezala kargaduna da, baina elektroia eta muoia baino askoz ere pisuagoa da eta oso bizialdi laburra du. Taua elektroi eta muoi bihur daiteke, baina desintegrazio bakoitzean bere homologoa den neutrino-tau partikula sortzen du. Energia handiko talketan sorturiko beste partikula batzuk quarkez osatuak daude, baina ez dira orain arte ezagutzen genituen quark-formak. Askoz ere pisuagoak diren xarma, goi eta behe quarkez osatuak daude.

Antimateria

Oinarrizko partikula guztiek dute beren antipartikula. Antipartikulak ispiluko irudia bezalakoak dira; hau da, partikularen antz handia dute, baina propietate batzuk aurkakoak dituzte, esaterako karga elektrikoa. Elektroiak adibidez, karga elektriko negatiboa du eta bere antipartikulak, berriz, positroi deiturikoak, karga positiboa. Antipartikula partikularekin batera sortzen da. Partikula bat berari dagokion antipartikularekin elkartzen denean, deuseztapen deritzon prozesu baten bitartez, energia bihurtzen dira.