banner_ardu-grill.PNG

et et

Tartu Hoiu-laenuühistu finantskool. Rahakool

Seksuaaltervise kool

Beebikool

Moekool

Õigusabikool

NAISELT NAISELE

MEHELT MEHELE

Toidukool

Väikelaste kool

Põhikool

Ametikool / Kutsekool

Gümnaasium

Ülikool / Kõrgkool

Liikluskool / Autokool

Elukool / Elukestev õpe



turvakood

lapsevanem-logo.gif

Kiirenditega mikromaailma avastama

Lapsevanem.ee - Sisukestev õpe lapsevanemale :: Kiirenditega mikromaailma avastama Matemaatika, füüsika, ajalugu, inimeseõpetus jne. Kõik selleks et abistada õppijat.Kiirenditega mikromaailma avastama,Matemaatika, ekool, e-kool, füüsika, ajalugu, seks, abort

Kiirenditega mikromaailma avastama
MARGUS SAAL(1974)
Tartu Ülikooli Teoreetilise Füüsika Instituudi magistrant


Maalilises paigas Šveitsi-Pransusmaa piiril, Genfi lähedal, asub Euroopa Elementaarosakeste Labor CERN (lüh. pr. k. nimetusest Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Kõik sai alguse 29. septembrist 1954, mil jõustus kaheteistkümne Euroopa riigi konventsioon, mida võibki lugeda CERNi asutamisdokumendiks. Euroopa ühislaboratooriumi ideega tuli aga esmakordselt välja kuulus Prantsuse füüsik Louis de Broglie juba 1949. aastal Lausanne'is Euroopa Kultuurikonverentsil. Organisatsioon loodi rangelt mittesõjalistel eesmärkidel ja hakkas tegelema elitaarseima füüsikaharuga - tuuma- ja elementaarosakeste füüsikaga.

MILLEKS CERN?
Milleks kulutatakse miljardeid selleks, et panna põrkuma mõned elementaarosakesed? Milleks kulutatakse tuhandeid töötunde, et püüda ära arvata, mis siis ikka juhtub, kui see põrge ka aset leiab? Vaevalt saab põhjus olla üksnes lootuses kulutatu kunagi kaugemas perspektiivis kuhjaga tasa teenida. Olgugi, et me ei või iial ette teada, milleni praegune uurimistöö viib ja missugune ootamatu rakendus võidakse leida praegu äärmuslikult fundamentaalseks peetavatele teadustulemusele, jääb ilmselt enamus elementaarosakeste vallas saadavatest tulemustest siiski praktiliselt rakendamatuks. Arvatavasti on põhiline põhjus elementaarosakeste füüsikaga tegelemiseks siiski tema tunnetuslikus ja kultuurilises väärtuses. Iga sammuke teel mõistmaks maailma mingit uut aspekti on kallis ja vaevarikas. Aga leidub inimesi, kes on valmis seda vaeva nägema, ja leidub inimesi, kes on mõistnud selle tunnetuse väärtust kogu inimkonnale.

Samas on CERNi tegevusega seotud ja sellest huvitatud paljud juhtivad tehnoloogiafirmad, kes arendavad ja katsetavad CERNis oma uusimaid ja keerukaimaid tooteid. Arvatavasti on nii mitmetelgi kordadel ülikeerukate tehnoloogiliste lahendusteni esmakordselt jõutud just CERNi jaoks toodetud seadmetes. Seega on osakestefüüsika inspireerinud nii mitmeidki tehnoloogilisi uuendusi ja samas on tehnoloogiline areng muidugi eelduseks, et teha järgmine samm eksperimentaalses osakestefüüsikas. CERN on endale tehnoloogia muretsemisel seadnud kolm juhtmõtet: kõrgeim kvaliteet, võimaluse korral peab tegu olema Euroopa (mõne liikmesriigi) tootega ja madalaim hind. Kindlasti leiavad (ja on leidnud) need arendatud tehnoloogiad rakendusi ka märksa praktilisematel eesmärkidel kui osakeste jahtimine, näiteks meditsiinitehnikas ja materjaliteaduses. Kuna CERN on avatud organisatsioon, siis on seal tehtav arendustöö kõigile kättesaadav. Kahtlemata otsitakse ka ise koostöökontakte oma saavutuste tutvustamiseks ja rakendamiseks.

Maailmas on vaid mõned instituudid, kus tegeldakse osakestefüüsika mõlema aspektiga - nii uute teoreetiliste seisukohtade väljatöötamisega kui ka olemasolevate eksperimentaalse kontrollimisega. Eksperimentide kõrge hind ja tehnoloogiline tipptase on viinud siin ülima konsolideerumiseni, ja on hea meel, et Euroopa riigid on leidnud võimaluse oma sellealaste pingutuste ühendamiseks ühise laboratooriumi näol. See, mida isegi rikas riik endale üksi lubada ei suuda, on saanud teoks paljude riikide ühisel jõul. Ja veel parem meel on tõdeda, et selle ühistöö tulemusena on sündinud maailma üks juhtivamaid teadusasutusi.

MIDA SIIS IKKA ON SAAVUTATUD?
Iga teadustöö koosneb oma põhiosas tuhandetest pisiasjadest ja vahel harva viivad paljude inimeste ühised (või üksiku geeniuse) jõupingutused suurtulemuseni, mis saavad tunnetusliku maailmapildi aluseks.

Oma rohkem kui neljakümne tööaasta jooksul on CERNis tehtud sadu erinevaid eksperimente ning need on kinnitanud ja aidanud edasi arendada meie praegust ettekujutust maailma ehituskividest, mida kokkuvõtlikult nimetatakse Standardmudeliks (tavaliselt mõeldakse standardmudeli all elektronõrga interaktsiooni teooriat ehk Glashow'-Salami-Weinbergi (GSW) mudelit ja sellest sõltumatult tugeva interaktsiooni teooriat ehk kromodünaamikat). Nende eksperimentide seast paistab silma vähemalt neli suurtulemust, mis olulisel määral on mõjutanud Standardmudeli kujunemist.

Vähem kui kui kümme aastat pärast neutriino avastamist 1956. aastal oldi jõutud arusaamisele, et ka neutriinosid peab olema rohkem kui üks liik. Püstitati hüpotees, et elektronile ja müüonile vastavad leptonite perekonnas erinevad neutriinod. Esmased tõendid selle hüpoteesi kinnituseks saadi 1962. aastal Brookhaveni Rahvuslikus Laboratooriumis USAs. Lõpliku "otsuse" vähemalt kahe neutriino olemasolu kohta tegi aga 1964. aastal CERNg prootonite-antiprootonite sünkrotron. See prootonite-antiprootonite sünkrotron oli esimene CERNi suur kiirendi ja ta valmis 1959. aastal. Maksimaalne temaga saavutatav energia on 28 GeV ja ta paikneb maapinnal, 200-meetrise läbimõõduga hallide kompleksis. Praeguseks on lisaks elektronile ja müüonile avastatud veel ka leptonite perekonna kolmas osake - tauon, aga temale vastav neutriino on praeguseni avastamata, olgugi, et tema olemasolus ollakse üksmeelselt veendunud.

Järgmine tähtis avastus tehti 1973. aastal samal prootonite-antiprootonite sünkrotronil. Nimelt ennustab Glashow'-Salami-Weinbergi mudel nn. neutraalsete voolude olemasolu, mis vastutavad selliste protsesside eest, kus neutriino ei muutu vastavaks laetud leptoniks (sellised protsessid toimuvad nn. laetud voolude vahendusel), vaid jääb ikka neutriinoks. Mullikamber "Gargamelle", kus vastavaid protsesse esmakordselt registreeriti, on praegu CERNi muuseumi auväärne eksponaat.

Neutraalsete voolude avastamine sillutas teed järgmisele suurtulemusele - nõrga interaktsiooni vahebosonite olemasolule. Nende avastamine 1983. aastal kujunes Glashow'-Salami-Weinbergi teooria triumfiks. Selleks käivitati prootonite-antiprootonite supersünkrotron (valmis 1976. aastal), kus masskeskmeenergial 540 GeV põrkuvad prootonite ja antiprootonite vood. See kiirendi paikneb juba maa-aluses tunnelis, mille läbimõõt on 2,2 kilomeetrit. Vahebosonid tekkisid küll väga harva, aga siiski suudeti määrata nende kõige olulisemad parameetrid. Vahebosonid avastanud uurimisgrupi juhid, Carlo Rubbia ja Simon Van der Meer, said selle avastuse eest 1984. aasta Nobeli füüsikapreemia.

Selleks et uurida täpsemalt vahebosonite omadusi ja selle kaudu kogu teooria struktuuri alustati veel samal, 1983.aastal, uue võimsa kiirendi ehitamist ja see valmis 1989. aastal. Selles kiirendati elektrone ja positrone, mille põrgetel pidi tekkima oluliselt rohkem vahebosoneid, kui prootonite-antiprootonite põrgetel. Kiirendatavate osakeste järgi sai see kiirendi endale nimeks Suur Elektronide-Positronide Kollaider (Large Electron-Positron Collider - LEP). LEP paikneb 27 kilomeetri pikkuses maa-aluses ringtunnelis ja teda võib pidada suurimaks teadusaparaadiks, mis inimkond seni on suutnud konstrueerida. LEPi tunnel paikneb, olenevalt maapinna profiilist, 50-150 meetri sügavusel maa all. Osakeste vood põrkuvad neljas detektoris (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL), kus võib toimuda kuni 11 000 sündmust sekundis. Põrgetel tekkinud ja laiali lennanud osakesed jätavad detektoritesse jäljed, mis registreeritakse ja kirjutatakse andmekandjatele. Seejärel algab nende andmete pikk teekond läbi arvutite, kus nendest eraldatakse üksnes huvipakkuv. Möödunud kaheksa tööaasta jooksul on detailselt uuritud vahebosoneid ja teisi standardmudeli parameetreid. Näiteks on ülitäpselt määratud neutraalse vahebosoni Z mass: 91,187 GeV.

Tavaliselt jaotatakse LEPi töö perioodideks, kus kiirendi on töötanud erinevatel energiatel. Algul oli see 91,2 GeVi - võrdne just neutraalse vahebosoni Z massiga, ja sobis seetõttu eriti hästi tema omaduste tundmaõppimiseks. Tema suurim saavutatav energia peaks olema umbes 190 GeV ja enne LEPi sulgemist 1999. aastal "kombatakse" kindlasti ka see piirkond hoolikalt läbi.

Tunnetuslikult vahest kõige olulisemaks LEPi saavutuseks tuleb pidada tulemust, mis suure tõenäosusega väidab, et looduses leidub ainult kolm generatsiooni fundamentaalosakesi - leptoneid ja kvarke. See on kooskõlas ka mitmete teoreetiliste ennustustega, nii elementaarosakeste, kui ka kosmoloogia vallast. Öeldust arvestades võime väita, et tunneme neid kõige fundamentaalsemaid ehituskive (muidugi üksnes oma praeguste teadmiste ja arusaamade valgusel), millest maailm on tehtud. Natuke segasem on olukord osakestega, mis kannavad ehituskivideks nimetatute vahel valitsevaid jõude ja seovad nad keerukamateks struktuurideks. Nimelt ennustab elektronõrga interaktsiooni ühendteooria, lisaks juba mainitud vahebosonitele, veel ühe massiivse bosoni olemasolu. Vastasmõjus selle, Higgsi bosoniks nimetatava osakesega, genereeritakse vahebosonite massid nn. Higgsi mehhanismi abil. Niisuguse bososi avastamist peetakse nüüdisaja osakestefüüsika tähtsaimaks ülesandeks ja praegu tehakse kõigis maailma laborites suuri jõupingutusi, et säärase eesmärgini ka jõuda. Kahjuks ei ütle standardmudel midagi Higgsi bosoni massi kohta ja see raskendab tunduvalt eksperimentide planeerimist. Mass arvatakse olevat isegi nii suur, et LEPg energiast jääb väheseks otsitava osakese tekitamiseks.

Üheaegselt osakestega on otsitud ja ka leitud neile vastavaid antiosakesi. Isegi mitmeid antituumi on õnnestunud juba aastakümneid tagasi tekitada ja registreerida. Värskeim CERNi uudis on pärit 1996. aasta algusest, mil registreeriti CERNi eksperimendis LEAR (Low Energy Antiproton Ring) esmakordselt antiaine (täpsemalt antivesiniku) aatomeid (vt. Jaak Lõhmus, Ilmar Ots. Antiaine esimesed aatomid. "Horisont " nr. 5 1996).

MIS SEAL KIIRENDIS IKKA TOIMUB ...
Kiirendatavad vastassuundades liikuvad elektronid ja positronid ei torma LEPi ringis mitte pideva joana, vaid parvekaupa. Parvede liikumine on rihitud nii, et vastassuundades kihutavad osakesed peaksid kokku saama just nendes punktides, mida ümbritsevad detektorid. Kuigi parvedes on tihedalt koos miljonid elektronid ja positronid, vihisevad nad tavaliselt üksteisest mööda erilise kärata. Ainult mõnikord juhtub, et kogu seltskonnast üks elektron ja positron kokku põrkavad, seda nimetatakse sündmuseks. Põrkel elektron ja positron annihileeruvad, kuid jäävusseaduste tõttu tekib neist siiski hulk igasuguseid uusi osakesi, mis nüüd suvalises suunas laiali lendavad. Just nende uurimise kaudu saab elementaarosakeste füüsika võimaluse korrigeerida oma teooriaid ja ammutada mikromaailma kohta uusi teadmisi.

Iga detektor on konstrueeritud mõttega, et tekkivate põrkeproduktide kohta kätte saada võimalikult üksikasjalik info. Seepärast koosneb detektor musttuhandest täpselt paika pandud eri tüüpi andurist, mille suurus on mõõdetav mikromeetrites. Näiteks mõned on tundlikud elektromagnetkiirguse suhtes, teised neelavad osavalt osakesi jne. Lõpuks väljub igast andurist viik või kaablike, mida mööda edastatakse signaal vastavalt sellele, kas mõni osakene tema tundlikkuse piirkonnast läbi läks. Kõigi andurite signaalid salvestatakse momentaalselt andmefaili ning detektor on valmis ootama järgmist sündmust.

Hoolimata algsest täpsusest hajuvad elektronide ja positronide parved paljude tiirutamise käigus paratamatult. (Valguse kiirusel kimades teevad nad minutiga üle poole miljoni 28 km pikkuse ringi, kusjuures trajektoori täpsus peab olema millimeetri või isegi mikromeetrite suurusjärgus.) Kui paistab, et parved on juba liialt hajunud, võetakse nad rajalt maha ning antakse start uuele vahetusele.

MIS SAAB EDASI ...
Kahe aasta parast lõpetatakse LEPil eksperimendid ja LEPi paigaldatakse uue prootonite-antiprootonite kiirendi LHCi (Large Hadron Collider). Esimesed tulemused sealt peaksid jõudma avalikkuse ette aastail 2003-2004.

LHCi projekteerimine näitab CERNi inseneride suurepärast planeerimisoskust. Nimelt arvestati LEPi tunneli ehitamisel asjaoluga, et sinna oleks võimalik paigaldada lisaks olemasolevale veel üks suur kiirendi. Praegu moodustavad kõik CERNi varem ehitatud kiirendid üksteisega läbipõimunud terviku. Näiteks kasutatakse vanu prootonite-antiprootonite sünkrotrone kui eelkiirendeid, nii LEPi, kui ka valmiva LHCi jaoks. LHC peaks kiirendama prootoneid ja antiprootoneid, kuni nende põrke masskeskme energia on 14 TeVi. Sellise energiaga põrkuvad osakesed lähenevad teineteisele kaugusele 10
-19 m ja protsessid, mis seal aset leiavad, on omased umbes 10-12 sekundi vanusele Universumile. Kindlasti peaks LHC-l saavutatav energia olema piisav nii Higgsi bosoni kui võib-olla ka mõnede supersümmeetria ennustatud osakeste tekitamiseks. Samuti loodetakse tema abil lahendada aine ja antiaine asümmeetriaga seotud probleemid - leida vastus küsimusele miks on maailm meie ümber tehtud ainest, mitte antiainest? Seos kosmoloogia ja elementaarosakeste füüsika vahel on aasta-aastalt tihenenud ja praegu võime väita, et samapalju, kui suured võimsad teleskoobid, annab kosmoloogia jaoks ka osakeste ja nende omaduste tundmine, sest just nendega toimunud protsessid, Universumi arengu esimestel hetkedel, viisid meie poolt praegu uuritava Universumi kujunemisele.

Muidugi on nii grandioosse projekti puhul veel ridamisi probleeme, näiteks vajatakse tuhandeid ülijuhtivaid magneteid, mis tuleb jahutada vedela heeliumi temperatuurini (umbes 2 K). Üllatuslikult on mõningaid probleeme ka arvutustehnikaga, nimelt toimub LHCi detektorites kuni 800 miljonit sündmust sekundis ja igas sündmuses tekib kümneid uusi osakesi, millede jaoks omakorda on vaja kümnete parameetrite registreerimist ja salvestamist. Selliste hiiglaslike andmehulkadega toimetulemiseks vajatakse seega ülivõimsaid arvuteid.

Loomulikult on leidnud selles jutukeses mainimist vaid CERNi suuremad projektid, aga lisaks neile toimub veel kümneid väiksemaid ja vähemkeerukaid eksperimente (näiteks mitu eksperimenti neutriinode ostsillatsioonide avastamiseks), mis võivad anda samuti väga häid ja uudseid tulemusi.

3 / 1 9 9 8 A P R I L L HORISONT

printerisõbralik versioon esita küsimus
viimati toimetatud: 21. 04. 2005. 10:18