Andreea Boldureanu, XI A, olimpică internațională la astronomie
CERN, din franceză: “Conseil Europeén pour le Recherche Nucléaire”, este unul dintre cele mai mari și mai prestigioase laboratoare de cercetare științifică din lume, cu sediul central în Geneva, Elveția. Activitatea desfășurată la CERN aparține domeniului mecanicii cuantice și fizicii nucleare, în cadrul căruia sunt studiate interacțiunile dintre particulele subatomice la energii înalte, în timpul unor ciocniri, cu scopul dezvoltării, confirmării și extinderii Modelului Standard[1] al particulelor. De asemenea, CERN aduce contribuții și în domeniul astrofizicii, investigând energia întunecată și materia întunecată sau comportamentul particulelor imediat după Big Bang. CERN a fost fondat în 1954, ca răspuns la nevoia de a crea un laborator european de cercetare, unde oamenii de știință din diferite țări să poată colabora în domeniul fizicii nucleare.
În perioada 2-15 iunie, Universitatea București împreună cu Institutul Național de Cercetare Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară “Horia Hulubei” (IFIN-HH) au organizat Romanian High-School Students Internship Programme 2024 (HSSIP-RO). În cadrul acestui proiect, am avut șansa, alături de alți 23 liceeni din țară, să petrec două săptămâni în Elveția, la CERN: printre multe altele, am putut să vizitez aproape toate bazele de cercetare, să interacționez cu fizicieni de mare calibru internațional, să iau parte la cursuri de fizică nucleară, aceste două săptămâni culminând cu un proiect de cercetare propriu în echipe. De altfel, în weekend programul a fost mai liber: am avut timp să vizitez Geneva și cadrul natural superb din munții Jura.
Foto: Sculptură din oțel care înfățișa istoria științei, de la Pitagora până la fizica modernă a secolelor XX și XXI.
Ce se întâmplă mai exact la CERN?
Atomii sunt cei care alcătuiesc materia obișnuită din jurul nostru. Un atom este format dintr-un nucleu (format din protoni și neutroni) și un “înveliș” de electroni. În cazul celui mai simplu atom, atomul de hidrogen, nu există neutroni, iar protonii și electronii sunt prezenți câte unul.
În cadrul experimentelor CERN, protonii (sau ionii) sunt direcționați către diferite acceleratoare (liniare sau circulare), unde capătă viteze apropiate de viteza luminii, produc coliziuni, iar apoi datele din urma coliziunilor sunt analizate în cadrul unor diferite experimente, cu scopuri diverse.
Călătoria protonilor la CERN
În cadrul experimentelor CERN, totul pornește de la o butelie de hidrogen: protonii rezultați intră în LINAC 2 sau 4 (Linear Accelerator), unde sunt accelerați la 99.999% viteza luminii.
În continuare, protonii trec prin multiple acceleratoare: prima data un Booster, Proton Synchotron Booster (PSB), care îi accelerează din nou și îi grupează în “pachete”, apoi Proton Synchotron (PS). În acest moment, ei pot fi fie trimiși către experimentele ISOLDE sau AD/ELENA, fie să continuie călătoria către Super Proton Synchotron (SPS), iar în final către LHC, Large Hadron Collider.
LHC este cel mai mare și mai puternic accelerator de particule din lume. Este format din 2 tuneluri subterane, în care protonii se deplasează în sensuri opuse, iar în 4 puncte cele 2 tuneluri se intersectează, acolo având loc coliziunile dintre particule. În fiecare punct unde au loc coliziunile se află câte un detector, fiecare având un scop diferit, dar care funcționează într-un mod asemănător: CMS (Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) și LHCb (Large Hadron Collider Beauty). Acestea au ca scop preluarea datelor: reconstituirea coliziunilor, stocarea lor în baze de date (pentru a fi analizate statistic ulterior) și filtrarea acestora. Pe secundă au loc un miliard de coliziuni, însă nefiind toate interesante, acestea sunt reduse la aproximativ 1000 pe secundă, utilizând o serie de algoritmi foarte sofisticați.
LHC fost construit în anul 2010 și are circumferința de 27 de km, fiind situat 100 m sub pământ. Acesta este format din magneți supraconductori, care accelerează și totodată, comprimă “pachetele” de protoni pentru a maximiza șansele de coliziune.
Foto: Reprezentare schematică a complexului de acceleratoare, detectoare și experimente de la CERN. Sursa: https://home.cern/
Descoperirea cea mai importantă de la CERN a avut loc în 2012, când oamenii de știință au găsit dovezi experimentale a existenței Bozonului Higgs, particulă fundamentală din Modelul Standard. Conform acestui model, Bozonul Higgs este particula asociată Câmpului Higgs, care dă masă altor particule în urma interacțiunii cu acesta.
Experimentele mele preferate
Înainte de a merge la CERN, am fost fascinată de experimentele din cadrul deceleratorului de antiprotoni, AD, și m-am bucurat mult când am aflat că îl vom și vizita.
Foto: Experimentele AD și ELENA din cadrul Antimatter factory
În cadrul acestui experiment, este studiată antimateria[2] și proprietățile ei. Spre deosebire de restul experimentelor de la CERN, antimateria este decelerată: începând cu Antiproton Decelerator (AD), iar apoi cu Extra Low ENergy Antiproton ring (ELENA), care o aduce la viteze și mai mici. Acest lucru este necesar pentru a le putea studia mai ușor.
În cadrul acestui complex, există și o serie de experimente care analizează efectele gravitaționale asupra antimateriei, ca de exemplu ALPHA, AEgIS sau GBAR[3]. În septembrie 2023, colaboratorii experimentului ALPHA au publicat rezultatele cercetării lor, arătând că interacțiunea gravitațională a antimateriei este asemănătoare cu cea a materiei, în pofida unor teorii care susțineau contrariul. Mi s-a părut fascinant faptul că valoarea calculată în acest articol a accelerației gravitaționale este 0.75g, însă datorită prezenței barelor de eroare (indicând surse de incertitudine), valoarea normală de 1g este încă consistentă cu datele colectate.
Foto: Cum se utilizează căderea liberă în măsurarea efectelor gravitaționale asupra antihidrogenului
Foto: Experimentul GBAR
În cadrul experimentului ALPHA-g, accelerația gravitațională a antimateriei este calculată utilizând un concept destul de simplu, căderea liberă. Observând traiectoria rezultată în urma căderii, accelerația pe care Pământul o imprimă poate fi calculată. Se execută un număr mare de astfel de experimente, iar apoi rezultatele sunt analizate statistic, făcându-se diferite medii, care mai apoi dau valoarea cea mai probabilă. Aceasta este exprimată ca 0.75g ± 0.13 ± 0.16, indicând prezența unor incertitudini.
O surpriză inedită - am asistat la o conferință alături de fizicieni de renume internațional
Foto: Alături de David Gross
Anul acesta s-au împlinit 70 de ani de la înființarea CERN, iar cu această ocazie, s-au organizat mai multe evenimente în timpul anului. Surpriza plăcută a fost ca exact în perioada internship-ului să aibă loc un astfel de eveniment: și nu oricare, ci o conferință unde au fost invitați 8 fizicieni de renume internațional. Fiecare au avut câte un discurs despre un subiect din fizică, ca de exemplu Big Bang, Modelul Standard sau Teoria Stringurilor. Am fost foarte încântați să îl întâlnim pe David Gross, laureat al premiului Nobel în fizică în 2004 și să discutăm cu dumnealui despre România, viața de licean, studiile noastre viitoare. De asemenea, l-am întâlnit și pe Cumrun Vafa, șeful departamentului de fizică al universității Harvard, care ne-a acordat o deosebită atenție nouă, liceenilor.
Foto: Alături de Juan Maldacena
Pentru mine, a fost o experiență cu adevărat specială să îl întâlnesc pe Juan Maldacena: un fizician teoretician de la Institutul de Studii Avansate Princeton, considerat unul dintre cei mai remarcabili fizicieni din lume la momentul actual, care a adus contribuții semnificative în domeniul Teoriei Stringurilor. Deși am reușit să îl întâlnesc într-un loc destul de neobișnuit, în cantină, a fost un moment deosebit pentru mine și, sincer, cred că și dumnealui a fost profund impresionat de niște liceeni atât de entuziasmați să îl cunoască.
Impresii din Elveția
Am ajuns la cămin în timpul unei ploi destul de puternice, neavând timp să analizez în prea mare detaliu campusul imens, însă ceea ce am observat încă de prima oară este atenția la spațiile verzi și multitudinea de copaci, iarbă verde și flori. De altfel, toată zona este înconjurată de munții Jura și de Alpi, iar de la restaurant se vedea chiar Mont Blanc. Foarte multe persoane folosesc biciclete pentru a se deplasa, la tot pasul existând parcări special destinate acestora.
Într-una din zile am fost într-o drumeție până într-un sat francez, de unde am putut vedea mai bine Mont Blanc. Deși acest sat nu avea nimic aparte, fiind cât se poate de obișnuit, părea scos din Albă ca Zăpadă: fiecare casă avea un aspect medieval, cu obloane din lemn și flori colorate.
Geneva
Geneva, situat în partea franceză a Elveției, este unul din cele mai importante centre financiare din Europa, fiind sediul mai multor organizații internaționale.
Și în Geneva am sesizat importanța alocată spațiilor verzi și a parcurilor. Lacul Léman (Lacul Geneva) este unul din cele mai mari lacuri din Europa de Vest, iar orașul este situat în partea sa sud-vestică. Deși este un lac, m-a surprins plăcut limpezimea apei: se putea vedea clar până jos, asemenea mărilor sau oceanelor.
În ciuda timpului scurt pe care l-am avut la dispoziție, am reușit să vizităm Catedrala Saint-Pierre, emblematicul Jet d’Eau (jetul de apă din centrul Genevei), Grădina Botanică și Monumentul Internațional dedicat Reformei. De asemenea, am și încercat un fel de mâncare tradițional, fondue, care mi-a plăcut foarte mult: este practic format dintr-un vas de brânzeturi tradiționale elvețiene topite, ținut permanent pe foc, care se consumă cu pâine și cartofi.
Frumusețea Genevei nu constă doar în locația pitorească, în jurul lacului Léman și încadrată de Alpi, ci și în caracterul unic elvețian, amestecând cultura franceză, germană și italiană, însă creând o atmosferă diferită față de restul țărilor vestice. O atmosferă care este atât cosmopolită, cât și distinct elvețiană, eleganță reflectând atât trecutul istoric bogat, cât și semnificația actuală ca important centru financiar european.
În loc de final... perspective
Cele două săptămâni pe care le-am petrecut la CERN au fost o călătorie de neuitat în lumea cercetării științifice. Pot afirma cu certitudine că m-au impresionat multe lucruri acolo și chiar mi-au schimbat abordarea asupra colaborării științifice: faptul că toate birourile aveau ușa deschisă arată deschiderea către cooperare și către cei din jur, către lucrul în echipă.
Observând importanța alocată lucrului în echipă, am realizat că acesta este singurul mod care conduce spre un progres colectiv, internațional. Bozonul Higgs poartă numele unui singur fizician, însă în spatele descoperirii acestuia se află o echipă formată din mii, poate zeci de mii, de alți fizicieni, ingineri, informaticieni, matematicieni, chimiști.
Foto: Vârful Mont Blanc
ATLAS Collaboration are 6000 de membri, 3000 de autori științifici, din 42 de țări, însă doar 3800 sunt fizicieni. Acest lucru demonstrează că indiferent de naționalitate sau domeniu de activitate putem colabora împreună, intercultural și interdisciplinar, pentru a atinge un scop comun, măreț.
Prin extrapolare, putem aplica acest lucru la toate marile descoperiri din jurul nostru: deși Cristofor Columb este figura centrală în descoperirea Americii, aceasta nu ar fi fost posibilă fără întregul său echipaj împărțit pe 3 corăbii sau fără Regele Ferdinand și Regina Isabela a Spaniei care i-au oferit fondurile necesare.
Foto: Centrul orașului Geneva
Această experiență m-a învățat importanța colaborării, curiozității și perseverenței în abordarea problemelor complexe de cercetare.
Atmosfera de la CERN mi-a lăsat o impresie profundă asupra cercetării științifice: ideea de unitate prin prisma pasiunii comune față de fizică, toate străzile din campus având numele unor fizicieni renumiți, mi-au insuflat o mare apreciere pentru munca tuturor celor implicați în proiectele și experimentele CERN și pentru oamenii de știință vizionari, care încă din anii ’40-’50 visau la un astfel de laborator, care să unească cercetători din toată lumea, sub același acoperiș.
[1] Modelul Standard al fizicii particulelor este teoria agreată actual care descrie particulele fundamentale (quarci, leptoni, bozoni) și forțele (forța electromagnetică, forța nucleară slabă și forța nucleară tare) care le guvernează interacțiunile.
[2] Antimateria este materia formată din antiparticule. Acestea sunt, în termeni simpli, particulele, însă cu sarcina electrică opusă. De exemplu, antiparticula protonului este antiprotonului, cu sarcina -1e (protonul având +1e), e fiind sarcina electrică elementară, e= 1,6 x 10-19 coulombi.
[3] ALPHA (Antihydrogen laser physics apparatus), AEgIS (Antihydrogen experiment gravity interferometry spectroscopy), GBAR (Gravitational behavior of anti-hydrogen at rest).
Comments