FIZIKA

M. Rajković

CERN - Dr Petar Adžić, profesor Fizičkog fakulteta UB

Budućnost fizike čestica je već počela

U martu ove godine Srbija je postala dvadeset treća članica Evropske organizacije za nuklearna istraživanja (CERN). Odluka Saveta CERN-a o prijemu naše zemlje u punopravno članstvo bila je jednoglasna. Srpski istraživači su u ovoj velikoj naučnoj porodici uvek bili cenjeni i dobrodošli. Ne treba zaboraviti da je FNR Jugoslavija, čiji je Srbija sukcesor, bila potpisnik Konvencije o njenom osnivanju 29. septembra 1954. Kada je Izrael, posle dve godine pridruženog članstva, postao punopravni član, izraelska državna delegacija je taj čin ocenila kao jedan od najznačajnijih događaja u novijoj istoriji zemlje. Ovaj primer najbolje govori o značaju stalnog članstva, kaže u razgovoru za Planetu prof. dr Petar Adžić, predsednik državne Komisije za saradnju sa CERN-om i predstavnik Srbije u Savetu ovog najvećeg naučnog centra u svetu.

Profesor Adžić ističe da je ubrzan prijem naše države u punopravno članstvo omogućen i odlučnim zalaganjem premijerke Srbije Ane Brnabić i ministra za prosvetu, nauku i tehnološki razvoj Mladena Šarčevića. Važnosti ovog događaja naš sagovornik osvetljava i sledećim podacima: na putu ka punopravnom članstvu su Kipar i Slovenija; Indija, Litvanija, Pakistan, Turska i Ukrajina su pridruženi članovi bez prava glasa i odlučivanja, a Evropska komisija EU, Japan, Objedinjeni Institut za nuklearna istraživanja Dubna (Ruska Federacija), UNESCO i SAD imaju posmatrački status. Ugovor o naučno-tehnološkoj saradnji sa CERN-om potpisale su gotovo sve evropske države koje nisu članice i najveći deo vanevropskih.
Otkriva i da je premijer Medvedev, prilikom nedavne posete CERN-u, nagovestio mogućnost da i Ruska Federacija aplicira za punopravo članstvo, što bi, kako veli, svakako bilo značajno za ovu organizaciju.
CERN danas ima vodeću ulogu u fizici visokih energija. Jedna je od najboljih institucija u svetu za razvoj i primenu najnovijih tehnologija u: mikroelektronici, materijalima, inženjerstvu, superprovodnosti, akceleratorskim tehnologijama, računarskoj tehnici (software i hardware) i informatici. Manji, ali ništa manje značajan deo, čine osnovna i primenjena istraživanja u oblastima medicine, hemije i farmacije.

Potvrda SM i otvorena pitanja

Osnovna misija CERN-a obuhvata istraživanja, tehnologiju, međunarodnu saradnju i obrazovanje. Ovde se traga za odgovorima na fundamentalna pitanja prirode, a to traganje je povezano sa unapređenjem i podizanjem granica u novim tehnologijama. Oba ta segmenta približavaju države i nacije kroz zajednički rad u nauci. Izgradnja velikog sudarača čestica, LHC, je vanredan primer te orijentacije. A odgovora na postavljena pitanja i napretka u tehnološkom razvoju nema bez obrazovanja naučnika i specijalista za budući rad.
Trenutno je u CERN-u zaposleno oko 2670 istraživača i saradnika, a približno 840 ima ograničene ugovore o radu. Pod svim vrstama ugovora registrovano je 12.600 korisnika. Ukupan broj registrovanih korisnika svih profila daleko premašuje ovu brojku. Poslednjeg dana prošle godine bilo ih je osamnaest hiljada, kaže dr Petar Adžić, redovni profesor Fizičkog fakulteta u Univerziteta u Beogradu i naglašava:
-U CERN-u je na najidealniji način ostvaren spoj osnovnih i primenjenih istraživanja. Novi istraživački zahtevi i izazovi podstiču inovacije,  razvoj i primenu novih tehnoloških dostignuća. U dosadašnjoj istoriji ove globalne laboratorije, najveći deo istraživačkog potencijala i finansijskih resursa bio je angažovan na izgradnji, a sada i eksploataciji akceleratorskog kompleksa Velikog hadronskog sudarača - LHC; na održavanju postojećeg lanca akceleratora čiji je poslednji deo upravo ovaj moćni sinhrotronski sudarač. Godišnji budžet prelazi milijardu švajacarskih franaka, što najvećim delom obezbeđuju članice EU.
Timovi istraživača iz Srbije decenijama se uspešno uporedo bore sa kompleksnim istraživačkim izazovima i ozbiljnim finansijskim problemima u odnosu na kolege iz drugih država. U početku, industrijske kompanije naše zemlje u razvoju i primeni novih tehnologija nisu u dovoljnoj meri pratile naše naučnike. Ipak, poslednjih godina je i na ovom planu primetan napredak. “Uz organizovaniji pristup i podršku Ministratsva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja i Privredne komore Srbije”, smatra dr Adžić, “postoji realna nada da će Srbija podjednako efikasno kao i druge države koristiti članstvo u CERN-u.”

CERN je, pre šest godina, ovenčan slavom otkrića Higs bozona (“Božje čestice”) u eksperimentima ATLAS i CMS. Posle istih eksperimenata u Brukhevenu, potvrdio je postojanje kvark-gluonske plazme. Ova istorijska otkrića su u dobroj meri usmerila pravac razvoja fizike visokih energija, posebno fizike čestica. “Ostvareni rezultati u izučavanju zakona prirode na najfundamentalnijem nivou doista se mogu opisati kao impresivni”, zaključuje dr Adžić. “Potvrđeno je na osnovu prikupljenih eksperimentalnih podataka od samog početka rada LHC da Standardni model (SM) predstavlja besprekorno važeću teoriju na do sada najvišim dostignutim energijama od 13 teraelektron volti (TeV). Ali, postignuti rezultati i dalje ostavljaju otvoreno pitanje potpunog razumevanja uloge Higs bozona i naročito samog Higs mehanizma. Možda su to pitanja za neku globalniju, fundamentalniju teoriju, čiji deo bi mogao da predstavlja SM na nižoj energetskoj skali.”
Protekle skoro dve decenije ovog stoleća karakteriše vidan napredak u izučavanju nekoliko fundamentalnih problema u fizici čestica i prirodi uopšte. Jedan od njih se odnosi na večnu zagonetku porekla asimetrije materija-antimaterija. Potvrde oscilacija neuhvatljive čestice neutrino otvorile su novo poglavlje u izučavanju materije i antimaterije. Novi predloženi projekti u ovoj oblasti omogućavaju preklapanje dve srodne oblasti: astročestične fizike i kosmologije, a sve jasniji su i rezultati u proučavanju kvark-gluonske plazme, čemu su eksperimenti u CERN-u dali ogroman doprinos.

Rekonstrukcija i nove instalacije

Stoga  ne čudi što je već postala tradicija da se, u vreme pune eksploatacije postojećih istraživačkih postrojenja, u CERN-u lansiraju novi naučno-tehnološki projekti, kojima će zadržati ulogu vodeće naučne institucije u fizici visokih energija. Te nove projekte prati i Evropska strategija fizike čestica u XXI veku, usvojena u Lisabonu 2006, u vreme izgradnje LHC-a i pripreme njegovih eksperimenata, zbog čega je već dva puta dopunjavana - 2011. i  2013. Oba puta da bi se uskladila sa daljim planovima eksploatacije LHC-a. Naredna korekcija se očekuje do kraja ove godine. Inovirana Strategija se oslanja na rekonstrukciju postojećih i predloge budućih akceleratorskih instalacija kako bi omogućila punu međunarodnu saradnju u fundamentlanim istraživanjima.
Svaka korekcija, inače, prolazi kroz strogu proceduru. Konačno odobrenje daje Evropska komisija RECFA (Restricted European Committee for Future Accelerators), koja predlaže i kontroliše velike projekte u fizici visokih energija u Evropi. Predlog dopuna, međutim, prvo analizira šira komisija, poznatija pod nazivom ECFA, kao deo ICFA (International Committee for Future Accelerators), globalnog tela koje nadzire velike projekte u Evropi, Americi i Aziji.
Strategija uključuje tri aspekta: evropsku strategiju fizike čestica, američki plan P5 (US P5: Particle Physics Project Prioritization Panel) i Srednjoročni plan - Medium Term Plan (MTP). Trenutno je najaktuelniji poslednji aspekt: konstrukcija HL-LHC (High Luminosity LHC), a istovremeno se razmatraju: studija izgradnje Budućeg cirkularnog sudarača - Future Circular Collider (FCC), uspostavljanje Platforme za izučavanje neuhvatljive čestice neutrina (Neutrino Platform) u saglasnosti sa eksperimentalnim programom izučavanja neutrina u SAD i unapređenje instalacije HE-ISOLDE za istraživanja u nuklearnoj fizici, čiji glavni fokus predstavlja gradnja akumulacionog akceleratroskog prstena.
Plan za HE-ISOLDE bi trebalo da se odvija u tri faze koje karakteriše energija snopova: 5.5 MeV/A, 10 MeV/A i tehnika usporavanja do 0.3 MeV/A, u okviru priprema za primenu u medicini MEDICIS, koji je baziran na tehnologijama razvijenim u CERN-u. Razmatra se i izgradnja instalacija koje bi obezbedile sudare snopova leptona (elektrona i pozitrona): Compact Linear Collider (CLIC) koji je u kompeticiji sa japanskim ILC (International Linear Collider). Studije za izgradnju instalacija za ubrzavanje i sudare snopova leptona tesno su povezane sa studijom i mogućim finansiranjem Budućeg cirkularnog sudarača.
Izgradnja i uspešno funkcionisanje LHC-a potvrdili su efikasnost i funkcionalnost CERN-a, opravdali poverenje država članica i uključivanje njihovih nacionalnih instituta i univerziteta u zajedničku strukturu. Stoga Evropa nastoji da zadrži ovaj model funkcionisanja ne samo za dobrobit fizike čestica već i zbog beneficija koje iz ovakve organizacije mogu da proizađu za evropsko društvo u celini.
-Za Evropsku strategiju fizike čestica prioritet je nastavak eksploatacije LHC-a, kako bi se poboljšalo njegovo funkcionisanje i podigla vrednost luminoznosti (efikasnost sudara snopova čestica). Puna eksploatacija LHC-a se predviđa i posle 2030. godine, a u tom periodu glavni akcent podizanja vrednosti luminoznosti je na R&D, istraživanju i razvoju novih tehnologija gradnje magneta koji treba da generišu visoke vrednosti magnetskog polja, kao i na konceptu visoko-gradijentnih akceleratorskih struktura. Očekuje se da već postojeći istraživački program u flavor fizici i fizici kvark-gluonske plazme (QGP) ponude priliku za nova i uzbudljiva izučavanja na višim energijama.
Prva faza programa rekonstrukcije - ”Upgrade” (Long Shutdown 1- LS1) celokupnog akceleratorskog kompleksa LHC je završena 2016. i 2017, a posle uspešne eksploatacije do kraja 2018, započeta je druga faza (LS2) koja takođe podrazumeva poboljšanje učestanosti sudara čestica (luminoznost same mašine), do 3ab-1 (inverznih atobarna) i prilagođavanje svih postojećih detektora. Trajaće do 2021. Posle narednog istraživačkog programa i eksploatacije, 2022 – 2025, uslediće treća rekonstrukcija (LS3), koja bi trebalo da traje do 2029. godine, a potom LS4 i verovatno LS5.
Kompaktni linearni sudarač (Compact linear collider - CLIC) je jedan od prvih velikih istraživačko-tehnoloških projekata koje je CERN lansirao sa namerom da nasledi LHC. Osnovu ovog kompleksa čini tehnika sudara snopova elektrona i pozitrona ubrzanih radiofrekventnim jedinicama visoke snage i impulsa frekvencije od 12 GHz. Akceleratorske strukture su dizajnirane tako da raspolažu gradijentom od 100 MV/m (mega volti po metru) čime je određen i dimenzioni limit linearnog akceleratora. U konceptu gradnje je predviđeno korišćenje ključnih tehnologija koje su već korišćene u CERN-u, na SLAC-u (Stanford, Kalifornija) i u KEK-u (Tsakuba, Japan).  
- Izgradnja CLIC sudarača odvijala bi se u tri faze koje određuje ukupna energija u sistemu centra mase: 500 GeV, 1.4 TeV i 3 TeV sa odgovarajućim vrednostima integralne luminoznosti: 500 fb−1 (inverznih femtobarna), 1.5 ab−1 (inverznih atobarna) i 2 ab−1 i mogućim dužinama tunela od: 13, 27 i 48 km respektivno. Kompleks CLIC i podzemni tuneli, ukoliko budu odobrena neophodna sredstva, bili bi izgrađeni u okolini Ženeve, tokom 2023 - 2030, kada bi i počela njegova eskploatacija, a trajala bi 25 godina - kaže dr Petar Adžić.

Najveći naučno-tehnološki poduhvat

Poučeni izuzetnim uspehom LHC-a, koji je na najbolji način potvrdio globalni koncept razvoja fizike čestica, u CERN-u je lansiran dosad najveći projekt - Budući cirkualrni sudarač (FCC) koji fizici čestica treba da ponudi istraživanja na rekordnim energijama od 100 TeV. Ovaj grandiozni naučno-tehnološki poduhvat zaista je globalnog karaktera jer su njegovu studiju opravdanosti, pored RECFA i ICFA; podržale su ga sve najznačajnije naučne institucije sveta u oblasti visokih energija i predstavlja dugoročnu strategiju fizike čestice. FCC je već ugrađen u Evropsku strategiju fizike čestica i tzv. “P5 plan” (Particle Physics Project Prioritization Panel), usvojen i odobren u SAD 2014.  Prioriteti gradnje planiranih projekata znaće se do kraja 2021, kada sadašnja dogradnja LHC-a bude okončana.

Profesor Adžić veli da su već pokrenuti obimni programi izučavanja dizajna i izgradnje FCC koji će objediniti sve finansijske i ljudske resurse planete u fizici visokih energija. Glavni deo ovog poduhvata čini izgradnja akceleratorskog kompleksa u čijoj je osnovi sinhrotronski prsten obima 100 km koji bi takođe bio smešten u tunelu u okolini Ženeve, opet na teritoriji Francuske i Švajcarske. Kad je reč o samoj mašini, ravnopravno su preduzete studije dizajna i koncepta sinhrotrona u kome bi se ubrzavali, a zatim sudarali snopovi protona (hadronski p-p sudarač, sličan LHC-u) i snopovi elektrona i pozitrona (leptonski sudarač: е+-е-). Razmatra se i izgradnja asimetričnog leptonsko-hadronskog sudarača (e-p) u kome bi se ubrzavali, a zatim sudarali snopovi elektrona i protona.
Sa postojećim tehnologijama kojima su izgrađeni magneti (predviđaju se maksimalne magnetske indukcije od 16 Tesla) i akceleratorske strukture FCC, planira se ukupna energija u p-p sudarima od 100 TeV u sistemu centra mase. Tako će biti omogućena slična izučavanja kao i u eksperimentima na LHC-u, ali na neuporedivo višim energijama. Biće to novi test Standarnog modela, ali i vrhunski izazov u dosadašnjoj fizici čestica. S druge strane, zaključuje doajen srpskih naučnika u CERN-u, postoji veoma izražen istraživački interes za komplimentarnim izučavanjem svojstava Higs bozona sa visokom preciznošću u leptonskim sudarima. Već je poodmakla izrada studije izučavanja fizičkih procesa i koncepta izgradnje leptonskog sudarača (е+ -е-) u okviru FCC, nezavisno od japanskog ILC-a i Cernovog CLIC-a.

M. Rajković

Srbija i CERN

Povratak države osnivača

Srbija se posle 55 godina i gotovo desetogodišnjeg procesa pridruživanja (nešto manje od tri godine pregovora, usaglašavanja i neophodne procedure o pridruženom članstvu i šest godina puta ka punom članstvu) vratila u Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, organizaciju poznatiju pod akronimom   CERN.

Može se reći da taj povratak započeo mnogo ranije, potpisivanjem Ugovora o naučno-tehnološkoj saradnji 2001, kojim su naša zemlja i CERN obnovili zvanične odnose, a naši fizičari već bili započeli učešće u projektima ATLAS i CMS.
Belgija, Velika Britanija, Danska, Francuska, Grčka, Holandija, Zapadna Nemačka, Italija, FNR Jugoslavija , Norveška, Švajcarska i Švedska bile se zemlje osnivači CERN-a. Jugoslavija je u to vreme jedna od retkih zemalja koja je imala vlastiti Nuklearni instutut (“Vinča”). Krajem 1961. ona se povlači iz “ekonomskih razloga”, pa joj je s prvim danom naredne godine dodeljen status posmatrača.

Pogrešna odluka

Mnoge kasnije analize pokazale su da je odluka o povlačenju iz CERN-a doprinela padu kvaliteta, kvantiteta, ali i interesa za pojedine oblasti istraživanja, ne samo u fizici visokih energija, a negativno je uticala na industrijski i tehnološki napredak, kako čitave ondašnje države, tako i Srbije - kaže prof.  Petar Adžić. - Zato je ulazak Srbije u CERN važan događaj i za istraživače koji su već angažovani na projektima iz fizike visokih energija i drugih nauka, i za državu u celini. Očekuje se da istraživački projekti u fizici čestica u Srbiji budu direktno vezani ili usklađeni sa Evropskom strategijom fizike čestica i odgovarajućim projektima u CERN-u.

Prof. Petar Adžić

U prethodnom projektnom periodu, tri nacionalna projekta iz Srbije u oblasti fizike visokih energija, finansiranih od strane resornog ministarstva, bili su vezani za međunarodne kolaboracije na LHC-u. Naši istraživači su aktivno učestvovali u okviru eksperimenata ATLAS (Institut za fiziku), CMS (Fizički fakultet i Institut nukleranih nauka “Vinča”) i LHC-GRID (Institut za fiziku). Deo srpskih istraživača bio je uključen u eksperimente u oblasti nuklearne fizike: ISOLDE i SHINE.
Planirani eksperimenti do 2035. godine mogu da se označe i kao početak novih istraživačkih pregnuća čiji će jedan od glavnih ciljeva biti potraga za česticama i fenomenima koji bi predstavljali indikaciju postojanja možda neke nove fizike, izvan Standardnog modela - kaže dr Adžić. - Supersimetrični (SUSY) modeli i najprihvaćenija proširenja SM nagoveštavaju da bi u eksperimentima na LHC-u mogao da se izučava i meri značajan deo spektra SUSY čestica. Čestica quark i gluino, kao i one najlakše iz skupa SUSY, čija se mase procenjuju do TeV ili više, a koje se povezuju sa trenutno najatraktivnijim istraživanjima porekla i sastava tamne materije, mogle bi biti detektovane u narednoj etapi eksploatacije LHC-a posredstvom eksperimenata CMS i ATLAS.
Ovom problematikom se bave i dva srpska tima. Jedan, potpuno angažovan  na eksperimentu CMS, čine istraživači i specijalisti (inženjeri) sa Fizičkog fakulteta u Beogradu i Instituta “Vinča”, a drugi, angažovan na eksperimentu ATLAS, istraživači Instituta za fiziku u Zemunu.
Detektori CMS (Compact Muon Solenoid) i ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS) su detektori opšte namene za izučavanje fizike čestica i teških jona na ultrarelativističkim energijama koje obezbeđuje LHC. Oba detektora predstavljaju najsloženije instrumente koji su ikada do sada konstruisani. Zajedno, sa više od 7000 istraživača, inženjera i specijalista različitog profila, okupljaju skoro 80 odsto svetske istraživačke populacije u fizici visokih energija.
Ovi složeni detektorski sistemi izgrađeni su u cilindričnoj geometriji, čija veličina doseže dimenzije višespratnih zgrada. Sastavljeni su iz više detektorskih slojeva, pri čemu je svaki sloj namenjen otkrivanju određenih vrsta čestica. Za njihovu gradnju su korišćene vrhunske inženjerske tehnologije. Detektori su dizajnirani tako da registracijom i identifikacijom poznatih čestica: elektrona, miona, fotona i hadrona (protona, neutron, piona…) kreiranih u sudarima protona i teških jona olova ili raspadom nepoznatih čestica, u prisustvu magnetskog polja visokog intenziteta, na rekordnim energijama i pri visokoj učestanosti sudara u jedinici vremena (luminoznosti), omoguće precizno merenje masa, energija, poreklo i geometrije novonastalih čestica, kao i poreklo i pozicije raspada iz kojih su nastale. Na osnovu precizno izmerenih parametara ovih poznatih čestica donose se zaključci o fenomenima koji su predmet istraživanja.

Više od 70 naših naučnika Na različitim projektima u CERN-u registrovano je više od 70 naučnika, specijalista raznih profila i studenata iz Srbije. Samo u periodu pridruženog članstva bilo je oko 50 novih korisnika različitih zanimanja, što ukazuje na širenje interesovanja i orijentaciju mlađih istraživača.

In-kind i hardverska kontribucija Pre formalnog pridruživanja srpskih timova ovim ATLAS i CMS eksperimentima neophodna je bila tzv. in-kind kontribucija. Ona se sastojala u konstrukciji i instalaciji hidrauličnih konektora za magnetski jaram detektora CMS. Uz kontrolu i nadgledanje CERN-ovih inženjera i predstavnika srpskog istraživačkog tima, ukupno 75 hidrauličnih konektora (Connecting magnetic corner pieces) visokog kvaliteta proizvedeno je u industrijskoj kompaniji “Zastava alati” (sada “UNIOR Components“) iz Kragujevca. Konektori su 2003. godine transportovani u CERN, a zatim instalirani i danas predstavljaju važan sastavni funkcionalni deo detektora CMS. Nekoliko godina kasnije, u korporaciji LOLA proizvedena su dva čelična zaštitna diska koja su ugrađena u prednje delove detektora ATLAS. S druge strane, dva kontrolna sistema za rad i kontrolu Elektromagnetskog kalorimetra, jednog od četiri pod-detektora složenog detektora CMS, dizajnirani su i proizvedeni na katedri za Fiziku jezgra i čestica Fizičkog fakulteta. Ovi hardverski sistemi i danas predstavljaju vitalne i funkcionalne delove detektora CMS.

M.R.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"