Japonezii au construit un detector-colos, într-un munte, şi au ajuns la concluzia că durata de viaţă a unui proton este mai mare de 10 la puterea a 33-a ani. Acum, europenii merg mai departe şi speră că norocul le va surâde lor. Un detector gigant, care ar putea fi montat în România, va observa dacă timpul de viaţă al unui proton este cuprins între 10 la 33 şi 10 la 35 ani, timp mult mai lung decât vârsta Universului.

Unele estimări ştiinţifice arată că protonul s-ar putea descompune după un anumit timp. Dar, până acest lucru nu este dovedit experimental, vorbim doar de simple teorii. Aşadar, pentru a măsura viaţa acestei particule este nevoie de un detector gigant, pe care europenii îl fac dublu faţă de cel al japonezilor, Superkamiokande.

Decanul Facultăţii de Fizică din cadrul Universităţii din Bucureşti, Profesor Alexandru Jipa, ne explică importanţa proiectului şi şansele ca acesta să se deruleze în România.

De ce este important

Unificarea forţelor fundamentale

Dacă, la finalul experimentul, detectorul va observa că protonul se descompune, atunci s-ar valida Teoria Unificată a Câmpurilor (GUT - de la Grand Unified Theories) şi, implicit, păşim într-un nou tip de Fizică. Cercetările efectuate la acceleratorul de particule de la Geneva au oferit indiţii care susţin GUT, dar confirmarea experimentală lipseşte.

Profesorul Jipa explică: "În anul 1979, era clar că în natura există patru tipuri de forţe fundamentale: gravitaţională, slabă, electromagnetică şi nucleară (tare), ultima fiind cea mai puternică dintre toate”.

Pentru transmiterea fiecărui tip de interacţie există o cuantă de schimb specifică (de exemplu, fotonul pentru radiaţia electromagnetică). Pentru a unifica toate aceste forţe, este nevoie de o cuantă comună celor patru tipuri de forţe. În acel an, trei cercetători au primit Premiul Nobel pentru Fizică, după ce au stabilit cuanta de schimb pentru interacţia slabă şi interacţia electromagnetică.

Ulterior, în experimente desfăşurate la CERN, au fost puse în evidenţă, în mod experimental, aceste cuante de schimb. "Ei au descoperit ceea ce în prezent numim bosoni intermediari", spune profesorul Jipa. Odată stabilită cuanta de schimb, cercetătorii au redus la trei numărul interacţiiilor fundamentale, forţa slabă şi forţa electromagnetică fiind contopite în aşa-numita forţă electroslabă. 

Neutrino, mesajul din trecut

Dar proiectul european mai ţinteşte ceva şi anume studierea unei particule cu proprietăţi speciale, numită neutrino. Aceasta este o particulă elementară neutră, cu masă foarte mică. Neutrino interacţionează foarte slab cu materia. Astfel, neutrinii care vor fi înregistraţi de viitorul detector, neutrini proveniţi din radiaţia cosmică, pot oferi date de maximă importanţă, cum ar fi explozia supernovelor şi nu numai.

"Sunt informaţii esenţiale despre apariţia şi evoluţia Universului", spune Profesorul Jipa. Detectorul japonez, pe care îl descriem amplu mai jos, a detectat o supernovă care a explodat în urmă cu peste 120.000 de ani, numită SN 1987A.

Supernovele sunt stele care explodează violent şi, spre deosebire de nove, explozia nu se repetă. Aceste fenomene sunt foarte rare. Într-o galaxie, o astfel de explozie are loc o singură dată la 400 de ani, dar este deosebit de puternică (luminozitatea creşte de sute de milioane de ori, iar energia eliberată este echivalentă cu cea eliberată de Soare în milioane de ani). FOTO dreapta: Informaţiile din acceleratoarele de particule vor fi completate de cele furnizate de GLACIER

PRECEDENT

Japonia a săpat în munte pentru viitorul Fizicii Cercetările fizicienilor japonezi au început în anul 1982, scopul iniţial fiind identificarea dezintegrării protonului şi estimarea timpului său de viaţă, una dintre marile întrebări din Fizica particulelor elementare.

Observatorul a fost instalat în Mina Mozumi (prefectura Gifu), din centrul Japoniei. Detectorul folosit a fost un rezervor de 16 metri înălţime şi 15.6 lăţime, care conţinea 3.000 de tone de apă pură. Detectorul a fost înconjurat de circa 1.200 de tuburi fotomultiplicatoare.

Primele rezultate au fost obţinute în 1983. Doi ani mai târziu, au fost instalate elemente care să permită observarea de neutrini solari. Detectorul îmbunătăţit a fost botezat Kamiokande II şi detecta neutrini care proveneau de la supernova SN 1987A, explozie observată la 23 februarie 1987. S-a stabilit că supernova explodase în Marele Nor al lui Magellan, o galaxie pitică din imediata apropiere a Căii Lactee, în urmă cu circa 168.000 de ani.

În anul 1987, la trei ore după observarea fenomenului, trei detectori din lume au identificat astfel de neutrini. Kamiokande II a identificat 11 astfel de antineutrini, IMB-ul americanilor a detectat 8, iar Baksan-ul sovieticilor a găsit 5. A fost pentru prima dată când antineutrini emişi de o supernovă au fost observaţi în mod direct şi prima dată când s-a dovedit că Soarele nu este unicul corp ceresc care emite acest tip de neutrino. Super-Kamiokande, un succes parţial

Dar fizicienii japonezii nu s-au oprit aici. Întrucât stabilirea timpului de viaţă a protonului nu a putut fi realizată în această fază, în anul 1990, niponii au început să construiască Super-Kamiokande, care a devenit operaţional patru ani mai târziu.

Dimensiunile detectorului iniţial au cunoscut o imensă modificare. SuperKamiokande are un rezervor cu 50.000 de tone de apă pură. De aceea, detectorul iniţial părea o simplă cisternă. Primele rezultate majore au fost obţinute în anul 1998, când, în premieră, s-a dovedit că neutrino nu are masă zero. Teoria exista, dar confirmarea experimentală nu fusese oferită până atunci.

În anul 2001, echipa japoneză a avut parte de un eveniment neplăcut. 6.600 de tuburi fotomultiplicatoare, dintre cele peste 12.000, au făcut implozie şi activitatea la Super-Kamiokande a încetat pentru prima dată în cei cinci ani de când fusese pus în funcţiune. După cinci ani de reparaţii şi optimizări, Super-Kamiokande era din nou în funcţiune, cu scopul de a studia protonul, neutrino solari şi atmosferici şi povestea supernovelor. Totuşi, reactorul nipon nu a reuşit să ofere date certe despre vârsta protonului.

GLACIER - şansa României

Avantajele unui mega-detector în mina de la Slănic

Un grup de fizicieni europeni a iniţiat un proiect care îşi propune să aducă noi dovezi experimentale pentru unificarea interacţiilor şi Fizica neutrinilor. Acest proiect se numeşte LAGUNA (Large Appartus for Studing Grand Unification and Neutrino Astrophysics).

La acest proiect, care propune construirea unor detectori de 100.000 tone - GLACIER (cu argon lichid), LENA (scintilator lichid) şi MEMPHYS (apă) - sunt asociaţi şi fizicieni români de la Institutul Naţional de Fizică şi Inginerie Nucleară “Horia Hulubei” Bucureşti şi de la Catedra de Fizică atomică şi nucleară a Facultăţii de Fizică a Universităţii din Bucureşti. Detectorii sunt instalaţi peste tot, pentru ca orice informaţie importantă să fie corect analizată În prezent, în Europa există deja câteva laboratoare subterane dedicate studiilor radiaţiei cosmice: Boulby (Marea Britanie), Canfranc (Spania), Gran Sasso (Italia) şi Modane (Franţa). Din analizele de până acum, nici unul nu este potrivit pentru acest proiect. De aceea, au fost incluse în analiză şi alte mine care au sau vor avea în curând laboratoare subterane, cu preocupări ştiinţifice iniţiale diferite. Printre ele se numără şi laboratorul subteran din mina “Unirea” din Slănic Prahova. 

Selectarea laboratorului subteran se va face de o comisie de experţi în toamna anului 2010. Dacă detectorul preferat va fi GLACIER, există mari şanse să fie instalat în România, spune Alexandru Jipa. Locul ales poate fi sala “Unirea” din salina Slănic Prahova, atuurile noastre fiind eliminarea costurilor de excavaţie şi gradul de atenuare a radiaţiei cosmice.

Am avea un nou oraş al ştiinţei

Profesorul Jipa explică de ce este nevoie de această atenuare. “Trebuie să ne rămână neutrino, antineutrino sau particule care se pot dezintegra având neutrino ca produs de dezintegrare. Dar radiaţia cosmică are mult mai multe componente (electroni, mioni etc), iar informaţia primordială este legată de neutrino”. Această calitate se datorează unei particularităţi a acestei particule, neutrino. Poate fi emisă de toate stelele, poate călători pe distanţe foarte mari, interacţionând foarte slab cu materia.

Aşadar, poziţionarea în salină ar reduce intensitatea radiaţiei cosmice datorate altor componente decât neutrinii, mai ales prin eliminarea multor mioni, a căror informaţie nu este relevantă pentru cercetarea de faţă. GLACIER va fi un container metalic gigant, cu detectori pe toate  suprafaţele. Acesta va fi umplut cu argon lichid. Alegerea argonului are ca motiv principal densitatea mai mare decât a apei.

SCHEMĂ. Detectorul GLACIER va fi un colos de 100.000 de tone de argon lichid, care ar încăpea perfect în uriaşa sală Unirea, a minei Slănic Prahova

Dacă se va face la noi în ţară, proiectul va duce la apariţia de noi locuri de muncă, mai ales pentru localnici. “Ar fi sute de locuri de muncă în anii de construcţie, iar apoi 100 de locuri de muncă stabile, pentru că laboratorul are nevoie de pompieri, medici şi alt personal auxiliar”, spune profesorul Jipa.

Dar principalul avantaj ar fi legat de numărul de cercetători români care şi-ar putea găsi motivaţia ştiinţifică şi materială în ţară. De asemenea, spune profesorul Jipa, România va avea şansa de a avea încă un oraş al ştiintei, alături de Măgurele, unde vor veni fizicieni din întreaga Europă şi din lume pentru a participa la experimente, analiză de date experimentale şi conferinţe ştiinţifice. “La Măgurele există un potenţial imens, care poate fi pus în valoare de astfel de proiecte. Astfel, cercetătorii români pot profesa şi se pot simţi împliniţi în ţară”, concluzionează Alexandru Jipa.

CITIŢI ŞI: Drumul spre viitor trece prin laborator