ALICE otsib imedemaad Suure Paugu aegadest
Üsna Šveitsi piiri ääres, Juura mägede jalamil asub kaunis Prantsuse linnake kauni nimega Saint-Genis-Pouilly. Kahest turulinnast kokku kasvanud linna ei hoia ülal ega tee tuntuks mitte vanad, Juura ajastule nime andnud mäed, vaid selle alla umbes poole sajandi eest rajatud tunnel. Selles tunnelis kulgeb nüüd üks osa Euroopa tuumauuringute keskuse CERN suurimast katseseadmest, suure hadronite põrgati (LHC) torust. Ja siit kulgeb alla toruni üks neljast selle šahtist, jõudes üheni neljast LHC suurest eksperimendist. Eksperimendist ilusa akronüümiga ALICE, mis on pandud kokku sõnadest A Large Ion Collider Experiment, eesti keeli suur ioonpõrgati eksperiment.
Merepinnast poole kilomeetri kõrgusel asuva Saint-Genis-Pouilly ajalugu ulatub tagasi 2060 aastat, Rooma imperaatori Julius Caesari aegadeni. Juura mägede ajalugu ulatub vähemalt 200 miljoni aasta taha. Kuid füüsikud on eksperimendis ALICE läinud tagasi 13,7 miljardit aastat – ehk aega kümme mikrosekundit pärast Suurt Pauku.
„Me ei põrgata kokku mitte prootoneid, vaid pliiaatomi ioone,” selgitab eksperimendi ALICE kõneisik Johannes Wessels. Nõnda siis ei püüa nad uusi osakesi või tumeainet ega loo ka antiainet. Nemad taastavad universumi minevikku. Suure energiaga põrked raskete ioonide vahel simuleerivad aine olekut universumi algaegadel, mil valitses hiiglasliku temperatuuriga kvark-gluoonplasma. Põrgete tulemusel tekkivaid osakesi mõõtes saab teada, kuidas aatomituuma koostises olevad kvargid käituvad.
„Selliste põrgete tulemusena tekib väga suure tihedusega aine, nõnda et kvargid ei tunne enam, et nad oleksid aatomituumaga seotud,” ütleb Wessels. Tekib nõndanimetatud plasmavedelik. Seda ei tohi ära segada „tavalise”, gaasilise plasmaga, millist näiteks püütakse stabiilsena tekitada ühes teises, Prantsusmaale rajatavas eksperimendis ITER, termotuumaelektrijaama prototüübis.
Tavamateeria on tehtud aatomitest, millest igaüks koosneb elektronide pilvega ümbritsetud tuumast. Tuumad on tehtud prootonitest ja neutronitest, need omakorda koosnevad kvarkidest. Kvargid on kõige elementaarsemad osakesed, ent need on tugeva vastastikmõju poolt prootonitesse ja neutronitesse vangistatud. Tugevat vastastikmõju vahendavad osakesed, mis on ristitud gluoonideks. Keegi pole näinud eraldiolevat kvarki, need tunduvad olevat määratud igaveseks koos olema. Selle vangistatud seisundi olemust siiani ei teata.
Kuid praegune tugeva vastastikmõju teooria, mida kutsutakse kvantkromodünaamikaks, ennustab, et väga kõrgetel temperatuuridel ja väga suurtel tihedustel peaks kvargid ja gluoonid üksteisest vabanema ning hulpima vabalt, ent üheskoos uues aine seisundis nimetusega kvark-gluoonplasma.
Üleminek sellesse ekstraordinaalsesse olekusse toimub siis, kui temperatuur ületab kriitilise läve, mis on 2000 miljardit kraadi – see on sada tuhat korda kuumem kui Päikese tuumas.
Nii kuum aine esines vaid vahetult pärast Suurt Pauku ehk universumi sündi. Siis hakkas aine muudkui jahtuma. Teadlased arvavad, et mõni miljondik sekundit pärast Suurt Pauku oli temperatuur ülalpool kriitilist piiri ja kogu universum oli kvark-gluoonplasma olekus.
Tore on, kuid füüsikule tuleb kohe pähe küsimus: kas sellist olekut saab kuidagi kunstlikult luua ja siis katseliselt uurida? Kas laboris saaks luua sellise ekstremaalse aine oleku?
Selgub, et saab küll. Kuid vaid siis, kui labori ümbermõõt on 27 kilomeetrit ning selle mõõteseade kaalub üles Eiffeli torni. Ehk siis just sellises seadmes, nagu on kehastunud suures hadronite põrgatis.
Kui sellesse põrgatisse lasta sisse eelnevalt kiirendatud plii-aatomite rasked tuumad ning kiirendada need edasi peaaegu valguse kiiruseni ja siis lasta kaks eri suundades kihutavat osakeste kimpu omavahel peadpidi kokku põrgata, siis võib selline imeaine tekkida. Kuid tekib vaid väga tillukeses ruumalas, mis on võrreldav tuuma enese ruum-alaga. Ja imepisikeseks ajaks, pärast mida see ainetilgake paisub ja jahtub ning muutub taas tavaliseks aineks. Umbes samamoodi, kui Alice’il imedemaal tuli paigalseismiseks kogu aeg joosta, nõnda peab ALICE muudkui aga plii-ioone kokku põrgatama ja põrgatama ja põrgatama.
Johannes Wessels selgitab, et nende katses simuleeritakse aine olekut universumi algaegadel. Põrgete tulemusi mõõdavad hiiglaslikud andurid.
Ülimalt voolav ülivoolavus
Esimest korda ei tekitanud sellist imedemaad mitte LHC, vaid ameeriklaste Brookhavenis asuv relativistlik raskete ioonide põrgati, kus lasti kokku põrkuda kulla-aatomi ioonidel. „Nii neil kui ka meil selgus, et tohutul temperatuuril ja rõhul käituvad kvargid nagu osakesed vedelikus, mis oli meile üsna üllatav,” ütleb Wessels. Füüsikas on nõnda, et mida huvitavam tulemus saadakse, seda tähtsam on seda teises eksperimendis korrata. Seda on ALICE juba nüüdseks teinud. Kuid et LHC suudab luua tummapõrgetel tulekera, mis on ameeriklaste omast kuumem, pikema elueaga ja suurem, siis oodatakse siin ka kuumemaid tulemusi tuumade siseelu kohta.
Juba on selgunud, et sellise vedelikulaadse imeaine viskoossus on veel pisem, kui ülivoolaval vedelikul ongi. „Prooton on väga keeruline osake, ehkki selles on vaid kolm kvarki,” selgitab Wessels. Kaks neist kuuluvad ülespidi kvarkide suguvõssa, üks aga alaspidi kvarkide suguvõssa. Kokku on kvarkidel kuus sugu-võsa. Prootoni kvarkide spinn ehk sisemine pöörlemismoment on üks kahendik. „Vahel tekib olukord, mida nimetame spinn-kriisiks, kui kvargid ei käitu päris tavapäraselt,” ütleb Wessels.
Tugev tuumajõud on kui superliim, mis kvargid kokku liimib, ent selle liimi mõju ei ulatu aatomituumast kaugemale. Ja kindlasti mitte meie argipäeva, nii nagu ulatuvad elektri ja külgetõmbe jõud.
Kuid kvarkide ja gluoonide imelist plasmaolekut ei saa jälgida otseselt nagu mõni linnusõber haruldast lindu. Tuleb kasutada kaudseid ja kavalaid nippe. Jahtudes maha imelise plasma olekust, sünnitavad kvargid iga sekundis toimuva 8000 põrke kohta umbes 20 000 uut osakest. Neid jahib 18 alamdetektorist koosnev, ümber Punase Magneti põimuv süsteem. Punane Magnet on CERN-i jaoks tähenduslik kui taaskasutuse hiiglaslik kehastus. See 16 meetri kõrgune koloss teenis ka üht eelnenud eksperimenti.
Detektorid mõõdavad tekkivate osakeste trajektoore, liikumise kiirust ja energiat. Wessels viib mind ühe nende siseehitust tutvustava stendi juurest teise juurde ega varja uhkust, kui keeruline see kõik on. Tunnen äkitselt end eeslina, kes ei saa enam millestki aru.
Lahkudes ALICE-i keskusest sõidame mööda kolmest eeslist, kes isanda tagaaias isukalt kevadist veel kõrbemata rohtu nosivad. „Need olid meie füüsikud,” ütleb Wessels. Nüüd mõistan minagi.
Autori viibimist CERN-is toetas teaduse populariseerimise projekt TeaMe.
