Tokrat smo se spustili v najnižje nadstropje narave, med njene osnovne gradnike. Gostili smo profesorja Boštjana Goloba s Fakultete za matematiko in fiziko in Inštituta Jožef Štefan v Ljubljani, ki je eden vodilnih znanstvenikov v fiziki osnovnih delcev. S kolegi na velikem pospeševalniku elektronov in pozitronov v japonski Tsukubi raziskuje doslej neznane procese in delce, kot so na primer supersimetrični delci. Več let je vodil raziskave delcev, ki jih sestavljajo čarobni kvarki. Prepričan je, da bomo prišli do nepričakovanih odkritij, morda neznanih delcev iz katerih je temna snov, ki jo je v vesolju veliko več kot običajne snovi, iz katere smo ljudje, Zemlja in zvezde. Prof. dr. Boštjan Golob je bil gost v Frekvenci X na Valu 202.

Spustili smo se v najnižje nadstropje narave, med njene osnovne gradnike. Gostimo profesorja Boštjana Goloba s Fakultete za matematiko in fiziko in Inštituta Jožefa Stefana v Ljubljani, ki je eden vodilnih znanstvenikov v fiziki osnovnih delcev. S kolegi na velikem pospeševalniku elektronov in pozitronov v japonski Cukubi raziskuje do zdaj neznane procese in delce, kot so na primer supersimetrični delci. Več let je vodil raziskave delcev, ki jih sestavljajo čarobni kvarki.

Prepričan je, da bomo prišli do nepričakovanih odkritij, morda neznanih delcev, iz katerih je temna snov, ki jo je v vesolju veliko več kot običajne snovi, iz katere smo ljudje, Zemlja in zvezde. Prof. dr. Boštjan Golob je gost  Frekvence X.

INTERVJU

Poganjanje tako zapletenih poskusov premika meje v fiziki, inženirstvu, računalništvu in celo menedžmentu. Gotovo to lahko ilustrirate s kakšnim zanimivim primerom?

Res je. V pospeševalnikih in detektorjih delcev se dandanes uporabljajo nove tehnologije, pogosto še nepreverjene, ki pa čez čas precej pogosto najdejo aplikativno vrednost na drugih področjih, denimo v medicini in drugje. Recimo za veliki hadronski trkalnik, ki deluje v Ženevi, so za superprevodne magnete uporabili zelo tanke žičke iz niobija in titana, vsaka od njih je tanjša od človeškega lasu. Če bi vse te žičke postavili drugo za drugo, bi jih bilo za šest razdalj do Sonca in nazaj. Enake oziroma podobne superprevodne magnete bodo uporabljali tudi v fuzijskem reaktorju ITER, za katerega človeštvo upa, da bo odgovoril na vprašanje preskrbe z energijo za naslednje stoletje in še dlje.

Mogoče nekoliko bolj zabavna zgodba: pred  časom, no, že kar pred nekaj leti, ko smo po poletnem remontu skušali zagnati trkalnik LEP – to je bil trkalnik, ki je deloval v istem podzemnem predoru, kot dandanes deluje veliki hadronski trkalnik – nam nikakor ni uspelo pospešiti žarkov do želenih energij. V trenutku, ko so se delci znašli v tem pospeševalniku, so na določenem delu izginili. Po nekaj dneh ugotavljanja, kaj bi lahko bilo narobe, ni bilo druge rešitve, kot da spet ustavimo pospeševalnik in pošljemo tehnike pogledat, kaj se dogaja. Ko so pospeševalnik odprli na mestu, kjer so se delci izgubljali, so našli prazno steklenico pijače, ki jo je eden od prejšnjih tehnikov pustil tam. To nam seveda potrjuje, da je vsa tehnologija še vedno odvisna od človeškega dela.

Naj dam kot primer: skupina znanstvenikov, ki je zbrana okoli detektorja Atlas na velikem hadronskem trkalniku, je sestavljena iz ljudi s prav vseh celin,  razen z Antarktike, kar dobesedno pomeni, da ta eksperiment nikoli ne spi, saj je v vsakem trenutku na Zemlji nekaj članov te skupine, torej imajo dan, da lahko pomagajo pri obratovanju tega pospeševalnika. Tehnologija oziroma načini za zagotavljanje delovanja teh zapletenih naprav so tako dejansko odvisni od zelo usklajenega dela tisočerih znanstvenikov v taki skupini.

V minulega pol stoletja ste fiziki odkrili vrsto osnovnih delcev, ki razložijo naravo treh  osnovnih sil v naravi. Tem delcem pripisujete zanimive lastnosti, kot so barva, čudnost, celo lepota, čar in okus. Se ti pojmi povezujejo s kakšnimi preprostimi pravili, ki nam povedo, kaj je v naravi dovoljeno in kaj ne?

Vsi ti pojmi, ki jih omenjate, označujejo različne lastnosti teh osnovnih delcev, za katere smo si izmislili res nekoliko čudna poimenovanja. Te lastnosti osnovnih delcev pa so povezane z načinom, kako med seboj interagirajo ali po domače povedano, kakšne sile med seboj občutijo. Te sile seveda vodijo v nekatere dovoljene ali nedovoljene primere v naravi, ki pa niso povsem preprosti. Naj dam primer: omenili ste barvo. Kvarki, ki sestavljajo recimo protone, ti so gradniki atomskih jeder, nosijo različne barve. Vendar kvarki, ki sestavljajo protone, morajo imeti vedno tako barvo, da če bi zmešali te barve, bi dobili belo barvo. Drugačni kvarki ne morejo sestavljati protona in drugih težjih delcev. Pri tem se je treba seveda zavedati, da je barva v tem primeru samo poimenovanje oziroma celo metafora za neko lastnost teh osnovnih delcev. V resnici seveda ti kvarki niso pobarvani z različnimi barvami. Čarobnost je tudi lastnost ene od vrst izmed šestih kvarkov, ki jih poznamo. Drugi imajo še druge čudne lastnosti, ki jih poimenujemo lepota in tako naprej.

Je torej poimenovanje le posledica trenutnega navdiha  ljudi, ki so odkrili določene lastnosti?

Že sama beseda kvarki izhaja iz knjige Jamesa Joyca in sama po sebi, kot je že Joyce nekoč rekel, ne pomeni nič. V tem smislu torej ne smemo razumeti dobesedno teh lastnosti, kot strokovno pravimo, kvantnih števil, da so določeni kvarki res čarobni, imajo pa določeno lastnost, ki ji rečemo čarobnost.

Profesor Golob, vrsto let že sodelujete v eksperimentu KEK na Japonskem. Kako lahko te raziskave pripomorejo k izpopolnitvi naše slike o osnovnih delcih in interakcijah v naravi?

Konkretno z eksperimentom, pri katerem sodelujem na Japonskem, merimo posebno lastnost, eno izmed osnovnih sil – imenujemo jo šibka sila –, ki je nekoliko drugačna od drugih sil v smislu, da če vse delce zamenjamo z antidelci, potem se izkaže, da lastnosti te sile niso več povsem enake. Po drugi strani je močna sila, elektromagnetna sila, ki jo poznamo tudi iz vsakdanjega življenja, simetrična na tako zamenjavo. Ta drobna asimetrija, če tako rečem, pa ima pri šibki interakciji gromozanske posledice. Posledica tega je namreč, da je naše celotno vesolje sestavljeno iz snovi, ne iz antisnovi, se pravi iz delcev in ne iz antidelcev. Torej so v razvoju vesolja zaradi te lastnosti te sile tako rekoč vsa antisnov oziroma antidelci v razvoju vesolja izginili, se anihirali, kot temu rečemo, ostali pa so samo delci. Če se nekoliko pošalim, je ta drobna lastnost te interakcije odgovorna za to, da smo ljudje, ne pa antiljudje. Po drugi strani je pa res, da ko opravimo podrobnejše izračune, ugotovimo, da je ta asimetrija, opazna na ravni subatomskih delcev, še vedno premajhna, da bi razložila tako rekoč popolno prevlado snovi nad antisnovjo v vesolju. Iz tega sklepamo, da morajo obstajati doslej neznani delci in procesi, ki to asimetrijo ojačajo. Seveda je naša želja, da bi te nove procese, nove delce odkrili.

Zadnje čase se veliko govori o odkritju še neznanega delca, iz katerega naj bi bila temna snov, ki je v vesolju v večini. Kaj poleg odkritja tega delca še manjka naši trenutni standardni sliki subatomskega sveta?

 Da, približno pet odstotkov vesolja, kot danes vemo, sestavlja snov, taka, kot jo poznamo, približno 25 % vesolja sestavlja tako imenovana temna snov, 70 % vesolja pa tako imenovana temna energija. Kaj pomeni pridevnik temna v izrazu temna snov? To pomeni, da ne interagira oziroma ne sodeluje z drugo snovjo s pomočjo šibke, elektromagnetne močne interakcije na enak način kot snov, ki nam je znana. Občuti pa gravitacijsko interakcijo in zato pravzaprav vemo, da temna snov obstaja. Seveda je temna snov pojem, ki ga skušamo razumeti, se pravi, da skušamo ugotoviti, iz česa je sestavljena. Pred časom smo upali, verjeli, da bi lahko bila sestavljena iz nevtrinov, to so delci, ki jih dandanes dokaj dobro poznamo, poznamo njihove lastnosti. No, izkazalo se je, da je gostota nevtrinov v vesolju premajhna, da bi ti sestavljali to temno snov. Potem pa pridemo počasi v škripce. Trenutna teorija osnovnih sil med delci, ki je eksperimentalno zelo dobro preverjena  in jo imenujemo standardni model, namreč ne vsebuje drugih delcev, ki bi glede na svoje lastnosti lahko bili kandidati za to, da sestavljajo temno snov. Seveda obstajajo druge teorije, na primer supersimetrične teorije, ki pa predvidevajo obstoj drugih delcev, ki za zdaj niso še eksperimentalno potrjeni in med njimi je kar nekaj kandidatov, ki bi lahko sestavljali temno snov. Načinov možnega odkritja takih delcev je več: ena možnost je recimo v velikem hadronskem trkalniku v evropskem laboratoriju za fiziko delcev v Ženevi, kjer bi pri zelo visokih energijah trkov med protoni tvorili tudi take delce, za katere verjamemo, da so relativno težki. Druga možnost je, da opazimo njihov vpliv na procese pri nižjih energijah, za kar pa je treba te procese izmeriti z do zdaj nepredstavljivo natančnostjo, da opazimo ta majhen učinek teh do zdaj neopaženih delcev. Ta pristop uporabljamo oziroma ga nameravamo uporabiti v eksperimentu na Japonskem.

Če smo prav prešteli, trenutno poznamo 61 osnovnih delcev. Se ne zdi nenavadno, da bi bilo osnovno nadstropje narave tako zapleteno? Je upati, da je kje nižje še bolj osnovna raven, na kateri bi bilo le nekaj še osnovnejših gradnikov?

 Število delcev, ki jih danes štejemo za osnovne – pa dam osnovne v narekovaje, recimo nedeljive – je manjše, rekel bi sedemnajst, če sem pravilno preštel. Seveda ima vsak od teh delcev lahko le različne lastnosti, a to še ni razlog, da bi ga potem šteli za drugačen osnovni delec. Imate pa povsem prav, standardni model kot teorija, ki jo danes sprejemamo kot opis osnovnih sil med delci, ima veliko pomanjkljivosti. Ena izmed teh bi lahko bila, da je število osnovnih delcev preveliko. Pa to ni tista največja pomanjkljivost, zaradi katere nas večina znanstvenikov meni, da standardni model ni končna teorija vsega, če tako rečem. Stari Grki so verjeli, da je svet sestavljen iz ognja, vode, zemlje in zraka. Več stoletij pozneje je Mendelejev postavil periodni sistem elementov in izkazalo se je, da tudi atomi v tem periodnem sistemu niso nedeljivi, niso osnovni delci. Danes vemo, da so atomska jedra sestavljena iz protonov in nevtronov, pa tudi protoni in nevtroni se naprej delijo oziroma so sestavljeni iz kvarkov. Z drugimi besedami, zavedati se moramo, da je naše razumevanje, kaj je osnovna sestava snovi, pogojeno z eksperimentalnimi možnostmi, ki so nam na voljo. Trenutno uporabljamo najmočnejše mikroskope, mikroskope v narekovajih, to so pospeševalniki delcev in pri do zdaj dosegljivih energijah nam omogočajo vpogled v sestavne dele snovi, ki so veliki recimo deset na minus petnajsto metra. Seveda ni nikjer zagotovila, da pri še bolj zmogljivih eksperimentalnih napravah ne bi nekoč ugotovili, da so tudi tisti delci, ki jih danes štejemo za nesestavljene,  v resnici strukturirani, da imajo sestavo. Dejstvo pa je, da dandanes vsi eksperimentalni dokazi, ki so na voljo, kažejo na to, da so ti delci, ki jih danes imenujemo osnovni delci, nesestavljeni. Sklepati o čemer koli drugem brez podlage eksperimentalnih dejstev je pa seveda stvar filozofije  oziroma subjektivnega pristopa k naravi.

Z novim detektorjem, ki bo začel zajemati podatke v prihodnjih letih, bo mogoče odkrivati stvari z desetkrat večjo natančnostjo, kot je bilo mogoče do zdaj. Bi lahko te raziskave spremenile naš pogled na svet?

Raziskave, ki jih opravljamo ne samo na ravni recimo eksperimentalne fizike osnovnih delcev ali katere druge fizike, lahko do neke mere močno spremenijo naš pogled na svet. Poglejmo  v zgodovino: razvoj kvantne mehanike je, najsi se tega zavedamo ali ne, močno spremenil človeški pogled na življenje in na svet okoli nas. Če nekoliko karikiram, možnosti obstajajo  oziroma obstajajo teorije, ki pravijo, da ne živimo v prostoru, ki je sestavljen iz treh prostorskih dimenzij in ene časovne, ampak da živimo v prostoru, ki ima veliko več dimenzij, pa jih ne opazimo. To si lahko predstavljamo tako, kot da bi bili mravlje na listu papirja. Mravlja se pomika gor in dol v dveh dimenzijah, pa se pravzaprav ne zaveda, da živi v prostoru, ki je sestavljen iz treh dimenzij. To bi bilo verjetno precej spremenjeno gledanje na svet, v katerem živimo, in drugačno razumevanje tega sveta.