Učenici Gimnazije Petra Preradovića iz Virovitice posjetili su jedan od najvećih i najuglednijih svjetskih centara za znanstvena istraživanja – CERN. Ime mu je izvedeno iz akronima na francuskom jeziku, “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire”. To je Europska organizacija za nuklearna istraživanja osnovana davne 1954.godine. Tada su istraživanja bila usmjerena na razumijevanje fizike unutar atoma (stoga je razumljiv naziv „nuklearni“).

Danas su istraživanja usmjerena na fiziku čestica. Znanstvenici proučavaju temeljne sastojke tvari i međudjelovanja tih sićušnih čestica. Stoga se CERN često naziva Europskim laboratorijem za fiziku čestica. Čestice ubrzavaju u akceleratorima do velikih brzina i proučavaju njihove sudare. Detektorima promatraju i bilježe energije čestica koje se sudaraju. Tako izučavaju osnovne zakone prirode. Nadaju se da će objediniti istraživanja spoznajom o jedinstvenoj teoriji sila.

Laboratorij je smješten na francusko-švicarskoj granici u blizini Ženeve. To je bio jedan od prvih europskih zajedničkih pothvata.

Danas laboratorij ima ugovor o suradnji s 21 državom. Države članice imaju posebne dužnosti i privilegije, te odgovornost za važne odluke i aktivnosti. Naša država je nečlanica s ugovorom o suradnji. Znanstvenici sa Splitskog Sveučilišta (točnije, Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, popularno nazvan FESB), i Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu sudjeluju u istraživanjima koja se provode u CERN-u. Na isto mjesto dolazi oko 10.000 gostujućih znanstvenika iz više od 113 zemalja.

cern

Na početku školske godine u Školskom je kurikulumu objavljen projekt „60 godina znanosti za mir“, projekt popularizacije prirodoslovlja i izvanučionične nastave fizike. Poslije anketiranja učenika matematičkih razreda i izjašnjavanja učenika i roditelja o zainteresiranosti za posjet CERN-u, uslijedio je proces prijave i traženje datuma posjete za zainteresiranu grupu učenika. Termin posjeta treba ugovoriti unaprijed. Zbog velikog interesa rezervirani su unaprijed i za vremenski period veći od pola godine. Treba čekati ponovno otvaranje termina za aplikaciju. Nakon dvomjesečnog čekanja, konačno je, nakon aplikacije, stigla potvrda posjete za 10.04.2015. Oglašavanje natječaja, odabir najpovoljnije ponude, potpisivanje ugovora,…Ukratko, sve aktivnosti koje provodimo za putovanja učenika.

Korisne informacije o posjetu CERN-u dobila sam od našeg poznatog znanstvenika, fizičara dr. sci. Ivice Puljka sa splitskog FESB-a. Uz njegovu smo pomoć dobili (jeftiniji) smještaj u atomskom skloništu. U vrijeme izgradnje Laboratorija, mislilo se da treba u potpunosti omogućiti preživljavanje u prostoru u kojem nuklearna zračenja ne bi ugrožavala ljudske živote. Točnije, ljudi bi u skloništima mogli preživjeti neko vrijeme. Prostor je opremljen kuhinjom, sanitarnim čvorovima, zajedničkom kupaonicom sa 6 kabina, velikim spavaonicama. I u povjerenju, nema interneta…

Dočekao na je mladi Splićanin, dr. sci. Roko Pleština i pokazao nam naše smještajne kapacitete za dvije noći. Bilo je to naše carstvo zajedništva, dobrog raspoloženja, dobrog druženja, zabave, pripreme zajedničkih obroka. Frane više nikada neće moći slaviti rođendan na ovako posebnom mjestu. I, moram priznati, palačinke su bile izvrsne.

Višestruko je trebalo potvrđivati dolazak u CERN. Nakon pomnog proučavanja službenih stranica, polako se upotpunila slika o putovanju i dolasku u „središte znanstvenog svijeta“. Vrijeme do polaska na put proteklo je uz redovne školske aktivnosti, česte upite o putovanju, uz nasmiješena lica mojih učenika, ali i moje, te dogovor s učenicima i roditeljima.

I konačno, krenuli smo na put. Ukupno, 42 učenika i u pratnji tri profesorice fizike. I još sedam odraslih, radoznalih, kao i naši učenici. I dugo putovanje (oko 2600 km u odlasku i povratku), počinje. Vrijeme bolje no u našoj zvaničnoj prognozi. Pravo proljetno. Ugodna atmosfera, lijepe destinacije. Upravo onako kako i želimo kada nekamo putujemo.

Svi posjetitelji žele vidjeti veliki sudarač čestica, Large Hadron Collider (LHC). Već pri prijavi posjete, naglašeno je da nikome ne jamče silazak u podzemni objekt ako su pokusi u tijeku.

Sve su aktivnosti ovog laboratorija javne. U svakom se trenutku može tražiti odgovor na postavljeno pitanje od voditelja, istraživača u nekom projektu. Unutar službenih prostorija u bilo kom trenutku, sve se može snimati.
Na recepciji Laboratorija treba biti bar 15 minuta prije ugovorenog vremena. Za posjetitelje trosatni obilazak počinje uvodnim izlaganjem nekoga iz brojnog tima znanstvenika. Naš je izlagač bio Mark Tyrrell. Izlaganje je trajalo približno 45 minuta. Gledali smo desetominutni film o povijesti izgradnje CERN-a. Uz stručno vodstvo mladih znanstvenika, u manjim smo grupama obišli pripremljene eksponate, vidjeli izloške i čuli objašnjenje zašto se radi baš na takav način. Obilazak je trajao dodatna 2 sata.

Poslije ovog obilaska mogu se razgledati izložbe (http://home.web.cern.ch/)

Saznali smo da u 27 km tunela ima 1232 dipolna magneta od 15 metara koji zakreću snopove i 392 kvadrupola koji fokusiraju snop čestica. Sa svim magnetima za korekciju ukupno ih je oko 9600. Veliki magneti od 15 m težine su oko 35 tona i posloženi s točnošću pozicije od 100 milijuntih dijelova metra. Sve skupa ohlađeno na temperaturu od -271,3°C (1,9°K), temperaturu nižu od prosječne temperature svemira! Za hlađenje se koristi više od 60 tona tekućeg helija. Proces traje oko dva mjeseca (prvo se hladi tekućim dušikom na 80 K pa na 4,5 K a potom tekućim helijem na potrebnih 1,9 K). Tako niska temperatura potrebna je da bi se postigla supravodlijvost NbTi (niobij-titan supravodič) vodiča koji provode struje od oko 11 850 A kako bi stvorile magnetsko polje jačine 8,33 T. Kako bi se izbjegla mogućnost sudara snopa s česticama plina, stvara se vakuum poput onog u međuplanetarnom prostoru, a tlak iznosi oko 10-13 atm, što je 10 puta manje nego na Mjesecu!

Dobivanje snopova koji će se sudariti u akceleratoru kompleksan je proces. Prvo se vodiku oduzimaju elektroni i tako dobiveni protoni ubacuju u akcelerator PSB koji ih ubrza do 1,4 GeV. Potom se oni prebacuju u PS koji ih ubrza na 25 GeV iz kojeg odlaze u SPS na ubrzavanje od 450 GeV, da bi na kraju bili pušteni u LHC (Large Hadron Collider – Veliki hadronski sudarač) gdje se ubrzavaju do konačne brzine od 7 TeV. Snopovi se kreću brzinom od 99,99% brzine svjetlosti u 10 sati mogu napraviti put dovoljan da se ode do Neptuna i nazad!

Otvorena su pitanja iz fizike, ona na koje traže kompletnije odgovore: supersimetrija, masa Higssiva bozona, tamna tvar, simetrija tvari i antitvari te pitanja vezana za kvarkove i gluone.

U Laboratoriju trebaju ostvariti iznimno niske temperature (od -271 °C), do znatno viših, kakve su na zvijezdama. Dimenzije objekata koje istražuju variraju od dimenzija protona, 10-15 m do udaljenosti 1024m. Za usporedbu, udaljenost Zemlje i Sunca je 1,5*1011 m.

Vremenski intervali koji obuhvaćaju istraživanja su od nastanka Velikog praska (10-45 s), do 15 milijardi godina. Pokušajte se informirati o svojim predcima (roditelji, bake i djedovi, prabake i pradjedovi…Koliko bi to bilo generacija predaka ?).

U svijetu mikročestica, ali i u našem, makrosvijetu, energija je iznimno važna. Želimo li podići čokoladu mase 1 kg (u neposrednoj blizini planete Zemlje, težina joj je 10 N), na visinu 1 m, trebamo izvršiti rad podizanja W=F*s=10 J. Jedinica 1 J je velika. U mikrosvijetu rabimo jedinicu elektronvolt, 1eV=1,6*10-19J. To je energija elektrona (ili protona naboja e) kada prođu razliku potencijala od 1 V. U nuklearnim procesima energije su reda veličine milijun elektronvolta.

Raspon energija koje znanstvenici izučavaju su od 0,7 meV (što odgovara energiji 1,12*10-22J), do 1017 TeV (odgovara energiji 1,6*1010J).

Promatramo li brzine gibanja velikh tijela u svakodnevnom životu ( brzina automobila na autocesti ograničena je na 130 kmh-1 (odgovara brzini tijela koje svake sekunde pređe približno 36 metara svake sekunde), do brzina bliskih brzini svjetlosti 3*108 ms-1. Kada bi svjetlost mogla skretati sedam bi puta obišla planetu Zemlju oko ekvatora.

Masa i energija su dva vida postojanja materije povezana poznatom Einsteinovom jednadžbom E=mc2.
Čestice se ubrzavaju u električnom polju do energija E=QU. Magnetsko polje B skreće putanju nabijene čestice kada je brzina čestice okomita na magnetsko polje B te se ona giba po kružnici polumjera R.

Subatomske čestice se sastoje od sitnijih čestica. U sudarima se raspadaju na sitnije čestice. Protoni će se raspasti na kvarkove i gluone. Kvarkovi imaju naboj približno jedne trećine elementarnog naboja e. Gluoni prenose sile među kvarkovima. Kvarkovi nose oko 10% energije protona, gluoni još manje.

Naše razumijevanje fizike čestica počiva na Standardnom Modelu, razvijenom u sedamdesetim godinama prošlog stoljeća. Model je uspješno opisao sve elementarne čestice poznate u to vrijeme, kao i odnose među njima. Predviđao je postojanje čestica koje do tada još nisu bile opažene, poput b kvarka, t kvarka i tau neutrina.
Higgsov bozon ili Higgsova čestica je elementarna čestica kojom se prema Standardnom modelu objašnjava masa drugih čestica. Foton nema masu mirovanja (znači da postoji samo kad se giba). Jedna je od 17 elementarnih čestica u Standardnom modelu. 16 preostalih čestica su: 6 kvarkova, 6 leptona, foton, gluon, W i Z bozon. Kvarkovi i leptoni su primjeri skupine čestica zvani fermioni. Oni su ti koji čine svu tvar koju svakodnevno vidimo oko nas. Foton, W, Z, gluon i Higgsov bozon su u drugoj skupini zvani bozoni. Odgovorni za sve sile u prirodi, osim gravitacije.

Postojanje Higgsova bozona ima veliku važnost u objašnjenju Higgsovog polja – najjednostavniji od nekoliko predloženih mehanizama za objašnjenje kako elementarne čestice dobivaju masu. Higgsov bozon je oko 130 puta teži od protona. Higgsov bozon raspada se na Z bozone, oni na mione, a njih možemo detektirati.
Postojanje takvog bozona predviđeno je teorijom koju su nezavisno i skoro istovremeno predložile 1964. godine tri grupe istraživača: François Englert i Robert Brout, Peter Higgs, te Gerald Guralnik, Carl Hagen i Tom Kibble.

Nakon gotovo 50 godina eksperimentalno je potvrđeno postojanja ove čestice. Dana 4. srpnja 2012. dvije skupine znanstvenika (CMS i Atlas), promatrajući sudare protona na velikom hadronskom sudarivaču u CERN-u su, nezavisno jedna od druge, objavile otkriće nove čestice. Znanstvenici François Englert i Peter Higgs podijelili su Nobelovu nagradu za fiziku 2013. godine.

Svemir je građen gotovo isključivo od materije. A materiju čine čestice poput protona i elektrona. Na najmanjoj skali, u svijetu subatomskih čestica, postoji simetrija između materije i antimaterije. Antimateriju čine antičestice, primjerice antiprotoni i antielektroni (ili pozitroni). Antičestica ima masu kao i čestica, ali joj je naboj suprotan naboju čestice. Tako je pozitron po svemu jednak elektronu osim što je suprotnoga naboja. Neutron nema električni naboj pa se od antineutrona razlikuje po smjeru magnetskog momenta. Neke elementarne čestice, poput fotona, identične su svojim antičesticama.

Antiprotoni i pozitroni mogu graditi antiatome. To je laboratorijski provjereno. Antiatomi mogu dalje graditi antitvar.

Antimaterija i materija pri dodiru se ponište (anihiliraju). Poništi se svaki par čestica-antičestica, ali ostane njihova energija koja je bila sadržana u masi. Ako je masa čestice bila m, i masa antičestice je bila m, energija oslobođena anihilacijom minimalno je 2mc2. Ako ove čestice nisu mirovale, treba računati i njihove kinetičke energije. Tu energiju najčešće nose dva fotona (zbog zakona sačuvanja energije i količine gibanja). Fotoni nastali anihilacijom neke čestice i antičestice, zbog ogromne energije koju dobiju, redovito pripadaju području gama-zraka.

Brojni timovi surađuju na ovim zahtjevnim istraživanjima. Za bolju komunikaciju jedan od znanstvenika, Tim Berners-Lee osmislio je world wide web, www. prije 25 godina.

Naziv dolazi iz engleskog jezika a može se prevesti kao ‘svjetska mreža’. Jedna je od najkorištenijih usluga Interneta koja omogućava dohvaćanje hipertekstualnih dokumenata. Dokumenti mogu sadržavati tekst, slike i multimedijalne sadržaje a međusobno su povezani tzv. hiperlinkovima. Za dohvaćanje i prikaz sadržaja koriste se računalni programi koji se nazivaju web-preglednici.

Pojava i brzina primjene mrežne tehnologije potvrdila je masovnu društvenu potrebu za novim oblikom razmjene informacija, ali i omogućila bolje razumjevanje nove medijske tehnologije interneta.

Brojnim istraživanjima, na brojnim projektima, znanstvenici traže mogućnost ujedinjavanja teorije sila. U prirodi postoje gravitacijske sile, sile dugog dosega . Javljaju se između objekata koji imaju masu. Mogu biti samo privlačne sile. Važne su za svemirska promatranja.

Električne sile mogu biti odbojne i privlačne. Postoje između električnih naboja. Znatno su većeg iznosa od gravitacijskih sila. Čestice koje imaju naboj mogu ubrzavati (ili usporavati).

Magnetske sile nabijenim česticama koje ulaze u magnetsko polje mijenjaju vektor brzine (po smjeru, ali ne po iznosu). Izazivaju gibanje po zakrivljenoj putanji. Djeluju kao centripetalne sile (svaka sila koja je okomita na vektor brzine djeluje kao centripetalna).

U jezgri atoma među nukleonima djeluje privlačna, nuklearna sila. To je sila kratkog dosega. Djeluje samo u jezgri atoma.

Kad bismo jezgru atoma povećali toliko da bude vidljiva ljudskom oku, jezgra bi bila zrno bibera (promjera 1 mm) u centru nogometnog igrališta. Omotač u kojem se nalaze elektroni bio bi kružnog oblika veličine nogometnog igrališta (100 m). U jezgri bi vladale privlačne gravitacijske sile među nukleonima, odbojne električne među protonima i privlačne nuklearne sile među nukleonima.

Razgledali smo i izložbu o svemiru.
Posjetili smo suvenirnicu.
Naš je posjet CERN-u završio. Kako opisati zadovoljstvo ovim posjetom? I dalje su, naravno, ostala mnoga otvorena pitanja:

Što je tamna tvar ? Gdje su granice novih istraživanja ? Puno je pitanja. I sva traže odgovore…
Kasnije nas je posjetio dr. sci. Roko Pleština. Dobili smo ponudu da četiri učenika krenu na „noćnu šihtu“ u Laboratorij. Ispričavam se svim zainteresiranima što nisu mogli svi otići u radne prostore naših znanstvenika, u Komandnu sobu. Prema rezultatima natjecanja iz fizike, odabrani su maturanti Lea Pavelko, Fran Hercigonja i Filip Stevanovski, te Vedran Hrvoić iz trećeg razreda. Naš ih je Roko dopratio ujutru u atomsko sklonište s još jednim Splićaninim, fizičarem dr.sci. Nikolom Godinovićem. Domaćini su ih poučili o svom radu u CERN-u. O tome će nam ova četvorka pisati.

Bila je to najbolja projektna nastava. Zahvaljujem svim učenicima i svim odraslim putnicima koji su od 08.04.2015. do 12.04.2015. bili njeni sudionici.

Toliko nam je bilo dobro da printamo majice s datumom našeg posjeta i „formulom svih formula“.

Zahvaljujem našoj „Splitskoj vezi“, dr. sci. Ivanu Puljku, dr. sci. Roku Pleštini i dr.sci. Nikoli Godinoviću na ljubaznosti i dobroj volju da Slavoncima put u CERN ostane u nezaboravnim sjećanjima.

A tko zna, možda će jednog dana, netko od ovih učenika biti istraživač u CERN-u. Možda će pomoći nekim drugim mudrim glavicama da prošire svoje spoznaje i vrate se kući radoznaliji no što su otišli…

Slobodanka Polašek, prof.