Universumi saladuste jälil
Samal ajal on suure hadronite põrkuri ehk LHC-nimeline projekt pälvinud tähelepanu ka maailmalõpu ootajate seas, kelle arvates võib elementaarosakeste kokkupõrgatamisest sündida musti auke, mis laienedes neelaksid endasse kogu elu planeedil Maa.
Enam kui poole sajandi vanune CERN on jõudnud oma programmidega mitmel korral teadusmaailmast popkultuuri avarustesse. “Da Vinci koodi” autor Dan Brown kirjutab oma raamatus “Inglid ja deemonid”, kuidas üks salaühing soovib purustada Vatikani. Kaabakad on nimelt varastanud CERN-ist antiainet ja pannud selle pommisse.
Antiainet küll CERN-is kogutakse, ent teadlased naeravad Browni väljamõeldiste peale, sest kogutud antiaine kogused on üliväikesed. Tavainimestes aga tekitab Prantsusmaa ja ·veitsi piiril asuv tuumauuringute keskus pakitsevaid küsimusi.
Enamik meist ei suuda ju tungida elementaar-osakeste füüsika saladustesse ning salapära lisab CERN-ile seegi, et umbes kuus miljardit eurot maksma läinud suur hadronite põrkur asub rohkem kui saja meetri sügavusel maa all. Kuigi CERN-i täisliikme staatuses on 20 Euroopa riiki, lööb nimetatud programmis kaasa umbes 50 riigi esindajaid. Kohapeal on tööga hõivatud üle 4000 inimese, kellele lisandub kaks-kolm korda sama palju lepingulisi töötajaid üle terve maailma, kaasa arvatud kümmekond Eesti füüsikut Tallinnas. CERN on niisiis asutus, mille juurde kuuluvad hirmsuured arvud. Aga mida seal siis nii hullupööra otsitakse?
Sügavale mateeriasse
Selleks et mõista, mis hakkab sel suvel toimuma 27-kilomeetrise ümbermõõduga osakestekiirendis LHC, tuleb korraks pöörduda tagasi koolifüüsika juurde. Aine sisse minnes kohtame kõigepealt molekule, mille seest vaatavad meile juba vastu aatomid. Aatomituuma ümber tiirlevad elektronid ning tuuma enda moodustavad neutronid ja prootonid, mille sees on omakorda leptonid, kvargid, gluuonid ja muud tibatillukesed tegelased, kes on leidnud endale koha standardmudelis. Selle suurepärase pusle ülejäänud osakesed on kenasti kindlaks tehtud, ent Edinburghi ülikooli füüsiku Peter Higgsi poolt teooriasse põimitud Higgsi boson ehk kogu mateeriale massi andev “jumala-osake” on seni visalt teadlaste pilkude eest kõrvale põigelnud ja teinud seda juba 40 aastat. Oma osa mängib Higgsi bosoni puhul ka see, et tema kindlakstegemiseks on tarvis luua olukord, mis oli vahetult pärast Suurt Pauku. Seda LHC nime kandvas kiirendis teha üritataksegi.
Laetud prootonite kimbud saadetakse vaakumis peaaegu valguse kiirusega tiirlema kiirenditorusse, mida ümbritseb tohutu magnetitest vöö. Kuna nii väikesed osakesed eelistavad kulgeda oma radu pidi ehk sirgjooneliselt, annavad magnetid neile ringikujulisel rajal n-ö õige teeotsa kätte. Elektrienergia hulk, mida LHC tarvitab, toidaks ära Pärnu linna. Enamik energiat kulub siiski jahutamaks ülijuhtivaid magneteid, mis ümbritsevad mõnesentimeetrise läbimõõduga kiirenditoru. Kui LHC kasutaks väga energiasäästlike ülijuhtmagnetite asemel tavalisi elektromagneteid, ületaks kiirendi energiatarve kaugelt kogu Eesti elektritarbimise.
“Ühe juuksekarvast veidi peenema prootonite kimbu energia on umbes sama suur kui kiirteel sõitva suure rekka energia,” näitlikustab kiirendis toimuvat Andi Hektor, kes lööb kaasa Eesti CERN-i meeskonnas. Tunnelis tiirlevate prootonite energia on kokku võrdne kahe TGV-tüüpi superkiirrongi energiaga, mis kihutavad umbes 300 km tunnis. Samas kaaluvad kõik need kiirustavad prootonid kokku samapalju, kui üks veidi kopsakam bakter. Kui ühelt poolt päripäeva ning teiselt poolt vastu-päeva kihutavad osakesed on õige hoo sisse saanud, pannakse nad omavahel kokku põrkama ning sekundi murdosa jooksul muutub energia massiks.
Säärast Suure Paugu imitatsiooni aga jälgivad neli hiiglaslikku detektorit, mis salvestavad kokkupõrkel tekkiva tohutu infovoo. Ainuüksi ühe sekundiga toimub nimelt 600 miljonit põrget. Kui see hulk panna tavamõistusega haaratavasse kogusesse, võib öelda, et LHC-s täisvõimsusel toimuvad protsessid toodavad umbes 100 000 DVD jagu informatsiooni aastas. Ent see on alles algus. Sellest meeletust kogusest teadmistest tuleb veel üles leida Higgsi boson. “Sisuliselt võime öelda, et pärast kokkupõrget hakkavad teadlased otsima nõela heinakuhjast. Selle kohta on hea ütlus, et see, mis on täna andmed, on homme juba müra,” lausub Eesti CERN-i meeskonna liige Kristjan Kannike. Suurem osa kiirendis toimuvaid kokkupõrkeid tekitab juba teadlastele tuntud protsesse, ent Higgsi bosoni jahtimiseks tuleb andmevoost üles leida just meid huvitav osa, mis on vähem kui triljondik kogu infost, kinnitab ka Hektor.
Kuidas see nõel ikkagi üles leitakse? Ettevalmistusi suvel algavaks eksperimendiks alustati juba paarkümmend aastat tagasi. Ehkki interneti algus ulatub varasemasse aega, pandi nüüdsele veebile ehk WWW-le algus just nimelt CERN-is. 1990-ndate alguses tuli tuumauuringute keskuse juures töötav Tim Berners-Lee mõttele ühendada arvutid omavahel nõnda, et olemasolevatele andmetele pääseks ligi iga neid vajav teadlane. Seega lõi ta aluse hüpertekstikeelele ehk HTML-ile ning seda kasutama hakkav teaberuum saigi veebi nime. Praeguseks on internetikasutajaid maailmas juba tublisti üle miljardi, ent CERN-is toimuva eksperimendi analüüsimiseks tuli luua uus, supervõimsatest arvutitest koosnev võrk Grid ehk Võre.
Superarvutite võrk
LHC täisvõimsuse saavutamise ajaks peaks Võresse olema ühendatud umbes 200 000 üle maailma laiali paiknevat arvutit ja andmehoidlat. CERN-ist sööstavad andmed kiirusega 10 gigabitti sekundis 11 arvutuskeskusse. Veebi isa Berners-Lee sõnul peaks Võre saavutama 10 000 korda kiirema ühendusvõimsuse, kui võimaldab praegune lairibal põhinev internet. Tegemist pole veel päris valmis tehnoloogiaga ja välja on pakutud mitmeid eri lahendusi. Oma panuse annavad ka meie teadlased: Tallinnas Keemilise Bioloogia ja Füüsika Instituudis asub ilmselt Eesti võimsaim arvutiklaster, kuhu on praegu ühendatud üle 100 protsessori ja ligikaudu 90 terabaidi jagu kõvakettaruumi. See võrdub umbes 1000 keskmise igapäevakasutaja personaalarvuti võimsusega. Koos ülejäänud Balti riikide, Poola, Rootsi, ·veitsi ja Valgevenega on aga moodustatud Balti Võre (Baltic Grid), mille üheks ülesandeks on CERN-ist tulevate andmete analüüs.
Kui tahta veel kord arvudega kedagi pikali lüüa, tuleb ära mainida, et üks kiirendi küljes olev detektor CMS, mil kõrgust viiekordse maja jagu, on suuteline ühes sekundis tootma 20 korda enam infot kui kõik maailma telejaamad kokku. “Siinjuures muutub oluliseks tehnoloogia nimega andmekaevandus ehk data mining, mis peaks aitama nõela heinakuhjast üles leida,” ütleb Hektor. Lisades, et CERN-i juures tegutsevate eestlaste üks panuseid ongi andmekaevanduseks vajaliku tarkvara arendamine ja katsetamine.
Üle maailma hajutatud supervõrk aga pakub oma arvutusvõimsust füüsikute kõrval ka näiteks materjaliteadlastele, bioloogidele ja teistele. Interneti tavakasutaja jaoks kõlab ehk hästi Berners-Lee hiljutine sõnum, mille kohaselt saab Võrest tuleviku interneti selgroog. Praegusest lairibaühendusest tuhandeid kordi võimsam ja kiirem võrk oleks tavatarbijale suur õnnistus, ent esialgu jahutab CERN nende päid, kes loodavad tulevikus näiteks filmifaile sekunditega alla laadida – et sellest lõbust osa saada, peaks inimene olema CERN-i projektis tegev, sest Võre on esialgu mõeldud siiski vaid teadusliku info edastamiseks.
Innovatsioonimootor
Tegelikult tuleb CERN-i puhul pidevalt meeles hoida tõika, et kõik sealsed saavutused ja tehnoloogiad on sisuliselt inseneritehnika viimane sõna. “Lisaks veebile on seal pandud alus ka hajusandmebaasidele, mida praegu kasutavad paljud pangad ja teised suuri andmemahte töötlevad süsteemid,” toob Hektor näite.
Võimalus tohutus teaduskompleksis oma seeriatootmisesse minevaid seadmeid katsetada on keskuse juurde toonud hulga tehnoloogiafirmasid, nagu IBM, HP, Cisco ja Oracle. Muide, ka Eestist alguse saanud ettevõte Skype on sõlminud CERN-iga koostöölepingu.
Eelmised suuremad CERN-is tehtud eksperimendid aga võimaldasid välja töötada tänapäevaseid ülijuht-tehnoloogiaid, mis on abiks ka LHC puhul. Samuti käivad keskuses meditsiinikatsetused. “Kiirenditehnoloogiat saab kasutada ka näiteks vähi ravimisel. Üks võimalus on kiiritada vähki röntgen- või gammakiirgusega, ent seal on probleemiks, et kiiritamisest saab kahjustatud ka terve kude, mis vähikollet ümbritseb. Kui suunata vähikolde pihta gammakiirguse asemel näiteks prootonite kimp, siis õigesti valitud energiaga prootonid läbivad tervet kudet praktiliselt seda kahjustamata ja jõuavad oma vähki lõhkuva energiaga täpselt õigesse kohta,” toob Kannike näite CERN-i praktilisest väljundist. Nii võime ehk tulevikus kohata onkoloogide kabinettides laual seisvaid kiirendeid, mis vähihaiguse taganema sunnivad.
Keskuse täisliikme staatuses olevad riigid, kes ei maksa programmis osalemise eest sugugi astronoomilisi summasid, saavad osa CERN-i allhangetest. Jutt on homse päeva tipptehnoloogiast, mis nõuab eelkõige häid ajusid. Nii on näiteks Soome riik CERN-i panustades sealt võitnud tunduvalt rohkem, kui on väärt sissemakstud raha. Eestil on keskusega praegu sõlmitud üksnes koostööleping, mis võimaldab meie teadlastel CERN-is töötada ning füüsika- ja IT-tudengitel seal praktikal käia. Pidevalt teadmistepõhisest majandusest ja innovatsioonist rääkiv Eesti riik peaks seega CERN-i poole vaatama tunduvalt julgema pilguga. Seda enam, et praeguse eksperimendiga pole tuumauuringute keskuse päevad loetud, sest juba valmistatakse ette uut tüüpi lineaarkiirendit, mille puhul läheb samuti vaja uusi inimesi ning teadmisi.
Kaome musta auku?
Ehkki LHC käivitamist on lubatud viimase aasta jooksul juba mitu korda, on niivõrd suure teadus-aparaadi puhul ette tulnud viivitusi. Hektori sõnul on see ka normaalne, kuna 27-kilomeetrise kiirenditoruga on seotud loendamatu hulk detaile, mida järjepanu katsetatakse. Praegu lubatakse siiski, et algkatsetused algavad juuli lõpus. Märtsis aga andis USA füüsik Walter Wagner CERN-i kohtusse süüdistusega, et kiirendis toimuvad protsessid võivad väljuda kontrolli alt ja tekitada musta augu. Wagneri meelest võib must auk hävitada elu meie planeedil üheainsa hetkega.
Hektori sõnul on aga LHC puhul kõikvõimalikud turvariskid väga hoolega läbi mõeldud. “Musti auke ennustab üks väga eksootiline teooria, mis väidab, et on lisadimensioonid, ja seal võivad tõesti eri juhul tekkida väikesed mustad augud. Need on aga väga ebastabiilsed, nad tekivad ja ka kaovad kohe, aurustuvad. Kolmas tõik on asja juures see, et ka kosmosest tuleb meile pidevalt väga kõrge energiaga osakesi, mille energia on tuhandeid kordi suurem kui LHC puhul. Need osakesed põrkavad atmosfääri osakestega ja tekitavad kiirendis toimuvate protsesside sarnaseid olukordi. Kahjuks on selliste protsesside jälgimine väga keeruline, sest need toimuvad atmosfääri ülemistes kihtides ja seda piisavalt harva juhuslikes kohtades. Aga nagu näha, on maakera veel alles ja seni pole kardetud musti auke tekkinud.”
Turvalisus on üks aspekte, miks prootonite kiirendi on kohati kuni 200 meetri sügavusel maa all. Juhul kui torus ringi kihutav prootonite voog peaks oma teelt eksima ja torust läbi tungima, summutavad löögi kohe selleks otstarbeks maa-alusesse tunnelisse paigaldatud grafiitplokid. Seega võime me suve teisel poolel ilmselt rahulikult magada, kui meid just ei vaeva himu CERN-ist tulevate uute teadmiste järele.
Vastus universumile, elule ja kõigele?
Seni on osakestefüüsika aluseks olevad teooriad hästi toiminud ja katsetused on andnud täpselt ennustatud tulemusi. LHC eksperimendi tulemusel peaks Standardmudeli pusles oma koha leidma ka kogu mateeriale massi andev Higgsi boson, mida on otsitud juba 20 aastat. “Teoorias on alumine ja ülemine piir talle ette antud, kui nüüd LHC seda ei avasta, siis on standardmudelis tõsine probleem ja kogu teooria tuleb üle vaadata. Aga mõnes mõttes ongi alati huvitav, kui avastatakse midagi, mis ei lähe varasemaga kooskõlla,” lausub eestlane Hektor, kelle hääles võib aimata teadlasele omast erutusenooti.
Kartust, et tuhandete teadlaste töötunnid ja miljardid eurod lendavad vastu taevast ja eksperiment ebaõnnestub, õnneks ei ole. Ükskõik mis vastuse suurimas laboris toimuv katse ka annaks, igal juhul on see inimkonna jaoks uus teadmine, mille põhjal saab kavandada uusi samme. Mida üks imepisike mateeriakilluke meile ikkagi öelda saab? “Üle-eelmisel sajandil, kui Maxwell oma katseid tegi, ei osanud ka keegi arvata, et see toob kaasa elektrifitseerimise, laserite ja valgustite tekke,” suunab Andi Hektor pilgu tulevikku. See on aga teatavasti ebamäärane ajaühik ning inimene üks kannatamatu olend. Praeguse seisu järgi lülitatakse LHC sisse juuli lõpus, aparaadi käivitamine aga võtab aega vähemalt kuu. Pärast edukat katseperioodi antakse kiirendile täisvõimsus ning CERN-ist väljuvat andmevoogu hakkab töötlema tuhandeist arvutitest koosnev Võre. Aga millal jõuab kätte aeg, kui saame teada tõe “jumala-osakese” ehk Higgsi bosoni kohta?
“Kui püüda mitte väga täpselt ennustada, siis peaks olema vastus käes järgmise aasta lõpuks,” loodab Hektor, muie suunurgas.
ehk Euroopa tuumauuringute keskus loodi 1954. aastal ning selle peakorter asub Prantsuse-Šveitsi piiril Genfi linna lähistel.
• Asutajariikide hulka kuulusid Belgia, Taani, Prantsusmaa, Lääne-Saksamaa, Kreeka, Itaalia, Holland, Norra, Rootsi, Suurbritannia, ·veits ja Jugoslaavia. Praegu osaleb keskuse töös 20 täisliiget ning kaheksa vaatlejat.
• Liikmesriigid on ainuüksi sel aastal panustanud keskuse töösse umbes 660 miljonit eurot.
• CERN-i territoorium on eristaatusega diplomaatiline ala, kuhu ei tohi siseneda Prantsuse ega ·veitsi politsei.
• CERN-is töötavad füüsikud on pälvinud 1984. ja 1992. aastal Nobeli preemia.
• Esimene osakeste kiirendi alustas
keskuses tööd 1957. aastal.
• Eesti poolelt osaleb CERN-i töös Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi uurimisrühm ühe Eesti tippfüüsiku Martti Raidali juhendamisel.
• Vaata ka http://hep.kbfi.ee/
