Maailma suurim põrgati-eksperiment taastab universumi algusaegu
Kallidus siinseid asukaid ei näi heidutavat. Pole ka ime – kolmandik neist töötab mitmesugustes rahvusvahelistes organisatsioonides nagu ÜRO Euroopa peamaja, Punane Rist ja loenduv, ent lugematu arv igasuguseid põgenike ja asunike, töötajate ja töötute, naiste ja meeste, loomade ja taimede, tehnika ja teaduse, kiriku ja ilmaliku, öö ja päeva rõõmu ning muredega tegelevaid instituute, institutsioone ja muid installatsioone.
Taganeda pole vaja kusagile, isegi mitte majanduskrahhide eest, sest selja taga on emake Lääs.
Protestantlikuks Roomaks nimetatud Genf lõi 16. sajandil vägeva trükimajanduse, tekstiilitööstuse ja muidugi kellatööstuse, mille toodangut müüb nüüdses Genfis igast kahest poest kolm. Ning jah, muidugi ka noad. Mida läks tollal vaja vaata et iga päev, sest ega siis rikast linna rahule jäetud. Praegu on rahu siiski majas – või õigemini toimub võitlus hoopis teistel rinnetel. Millest üks ja üle maailma kuulus on suur hadronite põrgati, inglise keelest pärit akronüümiga LHC – Large Hadron Collider. Suur, sest selle kiirendiringi ümbermõõt on 27 kilomeetrit. Hadronid, sest siin kiirendatakse aatomituuma koostisosakesi prootoneid ja pliiaatomi isotoope, mis mõlemad on elektriliselt laetud, ja neid liigitatakse kvarkidest koosnevate hadronite perekonda. Ning kollaider ehk põrgati, kuna siin kiirendatakse prootonid kahes kiires, millest ühes kihutavad peaaegu valguse kiirusel päri-, teises vastupäeva ja siis suunatakse osakeste kimbud neljas paigas kiirendiringil üksteisele vastu põrkama.
Suured arvud, väiksed kogused
Neis neljas põrkepaigas seisavad suured ja erilaadsed detektorid, mis peavad määrama põrgetel tekkivate osakeste iseloomu: mõõtma nende asukoha, laengu, kiiruse, massi ja energia. Iga hiiglaslik detektor ise koosneb paljudest alamdetektoritest.
Iga põrkepaiga katset haldab erinev rahvusvaheline kollaboratsioon, kokku on tegev umbes 6000 teadlast, inseneri ja muud tegelast. Eesti on olnud CMS-nimelise eksperimendi osaline – või õigemini sellega kaasneva pisema eksperimendi TOTEM osaline akadeemik Endel Lippmaa kaudu alates 1990. aastatest. CMS on eksperiment, mille käigus otsitakse vastust, kas osakestele massi andev Higgsi boson eksisteerib või mitte ja sellega on praegu seotud mõnigi Eesti teadlane. „Kuigi ka kodus arvuti taga saab tööd teha, on kohalolek siiski vajalik, et kolleegidega ühist mõtteõhku hingata,” ütleb KBFI teadlane Andi Hektor. Võimaliku Higssi osakese kanali analüüsiga tegeleb ka KBFI teadlane Mait Müntel, suvel töötab siin seitse füüsikust ja infotehnoloogist tudengit, rühma tegevust juhib KBFI teadlane Martti Raidal.
Osakesed ei ole kiires jaotatud ühtlaselt, vaid liiguvad kobaratena. Igas kiires on umbes 3000 iga seitsme meetri tagant korduvat kobarat, neis on küll väga suur arv prootoneid, ent siiski nõnda hõredalt, et iga kord, kui kaks vastassuuna kiire kobarat omavahel kokku juhitakse, toimub vaid 20 põrget.
Üheks töötsükliks, mis kestab umbes kümme tundi, juhitakse kiirtesse sisse prootonid, mis on vesiniku aatomi tuumad. Neid kiirendatakse enne õige mitmes kiirendis ja LHC kiirtes kiirendatakse neid elektrivälju tekitavate resonaatorite abiga ning hoitakse koos, painutatakse ning fookustatakse magnetväljades.
Kuigi osakeste arv on tohutu, kasutab põrgati iga päev vaid kaks nanogrammi vesinikku – nõnda et ühe grammi vesiniku kiirendamiseks läheks siin aega miljon aastat. Mis muidugi on universumi 13,7 miljardi kõrval tühine aeg.
Siinses arvumaailmas tuleb mängu mikromaailma ja makromaailma lahknevus. Seda peab huviline arvestama. Kui ka kiires kihutavate osakeste koguenergia on sama suur, kui Prantsuse kiirrongil vastu betoonseina põrkudes, siis sellest ei tasu hirmuda – ei kogune need osakesed kunagi kokku. Ühel kahe prootoni omavahelisel põrkel vabanev energia on tervelt 60 miljonit korda pisem kui meetri kõrguselt meie jalale kukkuval kilogrammisel kivil. Mida siin teadlased mõõdavad, on umbes sama, nagu suudavad astronoomid mõõta kärbest Kuul.
Kuid seadmeid, mis neid tillukesi energiakoguseid mõõdavad, kaalutakse mitte grammides või kilogrammides, vaid tonnides. Ainuüksi CMS magnetsüsteemi ehitamiseks kulus ära enam rauda, kui pakkunuks seda Eiffeli torn.
Kõige lihtsamalt öeldes tahetakse LHC eksperimentides saada kinnitust eelkõige ühele maailmamudelile, mille füüsikud on valemitega üles ehitanud ja mis kannab nime standardmudel. Maailma korrastatuses veendunud teadlaste lootus on, et see mudel suudab kirjeldada kogu algosakeste maailma ja seega siis nende läbi kogu universumit alates Suures Paugust läbi meie aja kuni … jah, ei tea kuhu välja. Häda on selles, et standardmudel ei suuda ära seletada mõningaid väga ilmseid asju. Nagu näiteks seda, miks saab kaupmees suhkrut kaaluda ehk siis miks suhkrul nii nagu muul ainelgi on mass. Siis veel seda, et miks meie maailm koosneb peamiselt vaid ainest ega ole siin võrdses koguses antiainet, nagu arvatakse olnud Suure Paugu ajastul. Ja siis veel seda, et kuidas on nõnda, et kõige suuremat osa, 96 protsenti ainest ja energiast ei näe me oma mõõteriistadega üldse ja sestap tuleb seda kraami nimetada tumeaineks ja tumeenergiaks.
Nõnda siis pole LHC puhul tegu mitte uute energiaallikate või hiigelpommide otsingutega, vaid inimliku uudishimu rahuldamisega. Ja selle uudishimu rahuldamiseks on mängu pandud kogu inimkonna teaduslik ja tehnoloogiline oskus. Kui näha mõõteseadmete keerukust, neis sisalduvate osiste ja osiste vaheliste ühenduste tohutut hulka, siis peab küll imestama, et see kaadervärk üleüldse töötab. Praegu töötab põrgati poolel energial, ja nõnda järgmise aasta lõpuni. Siis pannakse see plaani kohaselt seisma, seadistatakse ümber ja saavutatakse projekteeritud energia 14 teraelektronvolti.
Genfi järv lebab 400 meetrit üle merepinna ja on ümbritsetud mägedest, millest enamik kuulub Prantsusmaale. LHC 27-kilomeetirise ümbermõõduga osakeste kiirendi on merepinnale sada meetrit lähemal. „Seal all sajameetrises sügavuses on vibratsioon palju pisem, ja pole vaja karta ka, et kiirgus maapinnani jõuab,” ütleb eksperimendi ALICE kõneisik Johannes Wessels. Ta jätab lisamata, et see süvend oli juba enne olemas eelmise, aastal 2000 demonteeritud kiirendi LEP tarbeks ning üks põhjusi, miks see maa alla uuristati, on selleski, et nõnda polnud vaja omanikelt puid ja maid ära osta või rentida.
Wessels ja tema kolleegid uusi osakesi ei püüa ega tumedat ainet ei jahi. Nemad taastavad universumi minevikku. Jura mägede alla uuristatud ALICE põrgatab kokku mitte prootoneid, vaid pliiaatomi ioone. Need suure energiaga põrked simuleerivad aine olekut universumi alg-aegadel, mil valitses hiiglasliku temperatuuriga kvark-gluoon-plasma. Põrgete tulemusel tekkivaid osakesi mõõtes saab teada, kuidas aatomituuma koostises olevad kvargid käituvad. „Juba on selgunud, et nad käituvad nagu osakesed vedelikus, mis oli meile üsna üllatav,” ütleb Wessels.
Saja meetri sügavust maad ei tule osta, kuid mida osta tuleb, see on energia. Ja seda oskab LHC neelata. Tarvis minev võimsus on 120 MW, umbes pool kogu CERN-i vajadustest, mis omakorda on umbes pool Eesti elektrijaamade püsikoormusest. Elektrit saadakse põhiliselt Prantsusmaa firmalt EDF ja teadagi on see tuumaelekter. Mis antud juhul isegi kongeniaalne tundub – kuivõrd on tegemist tuumauuringute keskusega. „Oleme hädas selle tuumanimega,” kurdab CERN-i pressikeskuse töötaja Renilde Vanden Broeck, „kunagi tuumaoptimismi ajastul keskusele selline nimi pandi ja nüüd ei sobi seda enam muuta, ehkki inimestele tekitab tahtmatut hirmu.”
Energianäljas hiiglane
„Meie arvutusvõimsuse laiendamist ei piira miski muu enam kui energianälg,” tunnistab CERN-i arvutuskeskuse kohta võrgutehnoloogia ja informatsioonitehnoloogia osakonna teadlane Markus Schulz kurba ilmet ette manades. Tema sõnul ei jää praegu 2,4 MW võimsust tarbiva keskuse laienemiseks üle muud kui otsida paiku Euroopast. Nii käivad läbirääkimised Norraga. „Ja sealne elekter tuleb hüdrojaamadest,” rõhutab ta.
Arvutuskeskus on kahtlemata üks ebafotogeensemaid paiku, kuid üllatusi siin leidub. Kui töö kiirendil käib, siis igas sekundis toimub prootonite vahel 600 miljonit põrget. Kavalate programmide abiga, mis suudavad välja sõeluda teadlastele huvitavad põrked, jääb sellest hulgast arvutuskeskuse töödelda ja säilitada sada põrget sekundis. Siiski on see nõnda suur andmehulk, et kui see salvestada CD-del, siis aastaga koguneb kettasammas, mille kõrgus oleks 20 kilomeetrit.
Andmestik tuleb turvaliselt säilitada, et tulevikus sellest uusi andmeid kaevandada. Nõnda tehakse kõigist andmetest lisakoopiad ja saadetakse üle maailma 11 keskusesse. Tähtsaimad andmed kopeeritakse magnetlintidele, mida uutele kandjatele kopeeritakse iga paari aasta tagant. Magnetlindikapid on kui hiiglaslik raamatukogu, ja raskeim pole siia mitte andmeid lisada, vaid nad vajaduse korral kätte saada. Selleks on robotid, mis mööda siine õige kärmelt vajaliku kohta tõttavad ja oma haarmetega 75 000 seast vajaliku lindikasseti välja otsivad.
„Küberrünnakud on vältimatud, kuid nendega tegeldakse, me ei oota, kui asjad juhtuvad,” ütleb Schulz. Arvutuskeskuse tulevik on pilve piiril. „Pilvearvutuse arenedes kaob vajadus ise endale suuri arvutussüsteem ehitada, saab kasutada ülemaailmselt kättesaadavaid,” hindab ta.
Omamoodi paradoksaalne on ka LHC. Selle prootonkiirt ümbritsev vaakum on kümme korda hõredam kui Kuul. Selle kümme tuhat magnetit hoitakse käimas kosmose temperatuurist poolteist korda külmemas keskkonnas. Selle magnetite kaablid on kokku keeratud imepeentest, juuksekarvast seitse korda õhematest traatniitidest, mis kõik kokku ulatuks viis korda Päikesele ja tagasi ning jääks mõneks Kuu-reisiks ka üle.
LHC vastutav insener Mirko Pojer tutvustab juhtimiskeskust, mis näeb välja nagu ikka üks arvutiekraanidest tapetseeritud suur tuba. Ühe erandiga – selleks on vanamoodsa ilmega paneel, millest küünitab välja kolm eri värvi peadega võtit. Mis saab, kui ma seda võtit keeraks? „Siis peatatakse ühe põrgatiala töö, kuna keegi võib olla ohus,” ütleb Pojer.
Füüsikud armastavad akronüüme, nagu lapsed mängivad nad nendega ja mida kummalisemaid varjundeid need omandavad, seda õnnelikumad nad on. Mõned akronüümid on muundunud tavasõnadeks – nagu näiteks laser ja radar. Teised jälle on tavasõnadega äravahetamiseni sarnased. Nii nagu TOTEM, milles Eesti akadeemik Endel Lippmaa algusest alates tegev on. Kõneisik, professor Karsten Eggert naerab, et nende 70-liikmeline teadlaskond on kui sääsk CMS-i 2000 kõrval. Kuid eksperiment väärib tegemist, selles mõõdetakse mitte prootonite otsepõrgetes tekkivaid osakesi, vaid nõndanimetatud elastseid põrkeid – sündmusi, mil prootonid üksteisest mööduvad, kuid ei jäta üksteise trajektoore mõjutamata. Nõnda saab teha põhjapanevad järeldusi prootonite suuruse ja siseehituse kohta.
Selleks ehitati mõõteseade, mis liigub prootonite kiirele ühe millimeetri lähedusele ja mõõdab siis toimuvat iga nurga all. Mis juhtub, selle registreerivad Rooma pottide nime all tuntud andurid – mis meenutavadki antiikse Rooma potte.
Vaevalt et Julius Caesar, kes siinse kenasti kindluseks sobiliku paikkonna Doonau allobroogidelt vallutas ja Genuaks nimetas, nägi ette et kunagi hakatakse siin Rooma pottide sarnaste seadmete abiga uurima, kuidas kõiksus tekkis. Ometi uuristasid roomlasedki oma majade alla keldreid, millest annab tunnistust Püha Peetruse katedraali all asuvad välja kaevatud ning konserveeritud müüritised.
Genfi teadusajaloo muuseumis on kena paiga leidnud kesk-aja Genfi alkeemikute katseriistad ja nende ideoloogiat tutvustavad salajasemad ja avalikumad trükised. Mida alkeemikud tahtsid saavutada – ja nimelt muuta tavametalle kullaks –, see on füüsikutel praeguseks saavutatud. Püüeldakse enama suunas – muuta maailm nooremaks. Seda küll mitte globaalselt, vaid üsna lokaalselt.
Kui Genfis sündinud Jean-Jacques Rousseau hõiskas oma vihavaenlase Voltaire’i vastu „Tagasi looduse juurde!”, siis LHC rahvas hõiskab nüüd omakorda: „Tagasi universumi algaegade juurde!”
Enam esitatavad küsimused
•• Mis on elektronvolt?
Elektronvolt on sellise elektroni energia, mis läbib ühevoldise potentsiaalide vahe. See on meie mõistes imetilluke energia. Suur põrgati annab prootonite põrkeks energia 14 teraelektronvolti, mis on 60 miljonit korda pisem kui meetri kõrguselt maha kukkuva kilogrammise kivi energia.
•• Kas prootonite põrked on ohtlikud? Kas tekivad mustad augud ja Suured Paugud?
LHC annab prootonitele Maal suurima energia. Kuid võrreldes kosmiliste kiirte energiaga on see väike. Siinsete põrgete energia on võrreldav sääse energiaga. Kosmilised kiired, mis on algosakeste vood, on Maad pommitanud 4,5 miljardit aastat. Sellest hoolimata pole toimunud mini Suuri Pauke ega moodustunud musti auke. Mustad augud tekivad siis, kui kokku kukuvad hiiglaslikud tähed.
•• Kas prootonite kiirendamisel tekib radiatsioon?
Jah, tekib, see on vältimatu. Kuid selle suurus on väike, võrreldes loodusliku fooniga, mille annab Maa sisemuses olevate radioaktiivsete elementide lagunemine ja kosmilised kiired. Kiirendav toru on sada meetrit maa all ja see kiht neelab kiirguse, ka puhastatakse tunneliõhk enne selle väljumist atmosfääri. Radioaktiivsus suureneb õhus kuni 10 mikrosiivertsit aastas, mis on 240 korda looduslikust foonist pisem.
•• Mis juhtub, kui kiir muutub ebastabiilseks?
Kui nõnda juhtub, suundub kiir läbi spetsiaalse tunneli stopp-plokki, mis suudab kogu kiire energia ohutult neelata. Selle kest on tehtud erinevatest grafiitplaatidest. Kiire koguenergia on võrdne 150-kilomeetrise tunnikiirusega sõitva Prantsuse TGV rongi energiaga ning see suudaks üles sulatada 500 kg vaske. Magnetites hoitav energia on 30 korda suurem.
•• Mida põrgati abiga teada tahetakse?
Tahetakse saada kinnitust ühele maailmamudelile, mille füüsikud on valemitega üles ehitanud ja mis kannab nime standardmudel. Maailma korrastatuses veendunud teadlaste lootus on, et see mudel suudab kirjeldada kogu algosakeste maailma ja seega siis nende läbi kogu universumit ja selle ajalugu. Standardmudel ei suuda ära seletada, miks saab kaupmees suhkrut kaaluda ehk siis, miks suhkrul nii nagu muul ainelgi on mass. Ja seda, miks meie maailm koosneb peamiselt vaid ainest, ega ole siin võrdses koguses antiainet, nagu arvatakse olnud Suure Paugu ajastul. Ja seda, miks kõige suuremat osa, 96 protsenti ainest ja energiast ei näe me oma mõõteriistadega üldse – ehk saab teada, mis on tumeaine ja tumeenergia. Samuti ei suuda standardmudel seletada gravitatsiooni olemust. Loodetakse leida kinnitust supersümmeetria oletusele, mis tähendab, et kõigi tuntud osakestel on palju massiivsem teisik.
•• Kas seda saab kasutada halbadel eesmärkidel?
Vaevalt küll, selleks on palju enam ja palju lihtsamaid võimalusi.
Autori viibimist CERN-is toetas teaduse populariseerimise projekt TeaMe. Nähtust tuleb edaspidi juttu ka EPL-i teadusküljel.
