Detektor ATLAS v CERN-u tudi iz legokock

Eden izmed najpomembnejših eksperimentov, ki potekajo v velikem hadronskem trkalniku v CERN-u, uporablja detektor ATLAS. Večkrat pišemo o dogajanju v CERN, zadnje čase še zlasti v povezav z iskanjem Higgsovega bozona, in redno omenjamo ATLAS in ostalih pet eksperimentov v CERN-u (ALICE, CMS, TOTEM, LHCb in LHCf), a redko je zaslediti podrobnejši opis posameznih eksperimentov.

Zato si bomo to pot podrobneje ogledali ATLAS. Kratica označuje toroidni LHC-aparat (A Toroidal LHC Apparatus). Še pred tem pa kratek izlet v standardni model osnovnih delcev in interakcij, ki je trenutno najboljši znani opis subatomskega sveta. Po tem modelu obstajata dve družini osnovnih delcev: fermioni, katerih spin je lihi mnogokratnik števila 1/2, in bozoni, ki imajo celoštevilski spin. Fermioni se delijo na šest kvarkov (gor, dol, čar, čudnost, vrh, dno) različnih mas in nabojev (+2/3 ali -1/3 osnovnega naboja), na katere deluje močna interakcija, in šest leptonov (elektron, elektronski nevtrino, muon, muonski nevtrino, tau, tauonski nevtrino) različnih mas in nabojev (-1 ali 0), na katere močna interakcije ne deluje. Ti osnovni delci se lahko združujejo v sestavljene delce, kot so mezoni (skupki kvarka in antikvarka, npr. kaon, pion) in barioni (skupki treh kvarkov, npr. proton in nevtron), ki se s skupnim imenom imenujejo hadroni (od tod kratica LHC). Kvarki so vedno združeni, leptoni pa so lahko tudi prosti. Zakaj obstajajo družine osnovnih delcev po tri in ali je med njihovimi masami kakšno pravilo, še ni znano.

Bozone kot drugo družino osnovnih delcev pa definira celoštevilski spin in so odgovorni za prenos interakcij. Obstajajo štiri vrste osnovnih interakcij (šibka, močna, elektromagnetna in gravitacijska), ki se z izjemo gravitacije pri visokih energijah zlijejo v eno samo interakcijo. Model napoveduje pet bozonov, odkrili pa smo le prve štiri (foton, bozon W, bozon Z, gluon, Higgsov bozon). Nekatere kvantne teorije napovedujejo še šesti bozon graviton, ki prenaša gravitacijsko interakcijo, saj gravitacija v standardni model še ni uspešno združena.

Glavni del delovanja CERN-a je zaznati sledi obstoja Higgsovega bozona, katerega prvi obrisi so se nejasno pokazali že letos. Znanstveniki ga iščejo, ker je zadnji manjkajoči del sestavljanke standardnega modela in odgovor na vprašanje, kaj ustvarja Higgsovo polje, ki delcem podeljuje maso. V standardnem modelu je masa namreč definirana kot jakost interakcije delca s Higgsovim poljem.

Poglejmo sedaj eksperiment ATLAS. Aparatura je visoka 25 metrov, dolga 44 metrov in tehta 7000 ton. Gre za ogromen detektor, ki zaznava delce, nastale pri trkih visokoenergijskih hadronov. Da bi zajel čim več novonastalih delcev, je valjaste oblike in meri v širokem spektru. Za to skrbi štirislojna zgradba iz tako imenovane sledilne komore (tracking chamber), elektromagnetnega kalorimetra, hadronskega kalorimetra in muonske komore. V vsaki se ustavi svoja vrsta delcev, pobegnejo le nevtrini, ki praktično ne interagirajo s snovjo, zato se njihov delež izračuna iz manka. Glavni količini delcev, ki ju je potrebno izmeriti, sta njihov naboj in gibalna količina. Oboje se izračuna na podlagi tira delcev v magnetnem polju, ki vlada v detektorju. Pri tem velja poudariti, da ob vsakem trku nastane na milijarde delcev, ki jih mora detektor zaznati in računalniško obdelati. Večina je običajnih, dobro poznanih in zelo pogostih, ki jih imenujemo ozadje, zanimajo pa nas dogodki, ki proizvedejo eksotične delce. Te lahko zazna detektor, lahko pa razpadejo že pred tem in detektor zazna njihove razpadne produkte. Ključno je izolirati podatke teh zanimivih pojavov iz mnogo številčnejšega ozadja (faktor je tudi milijarda ali več).

Kaj se zgodi, ko je fizikom dolgčas, pa kaže model ATLAS-a iz legokock. Sasha Mehlhase je izdelal model v velikosti 1:50, za kar je porabil 9500 kock, 2000 evrov in 35 ur. Sredstva je prispevala raziskovalna skupina, saj je namen projekta popularizacija dela v CERN-u.