"Dacă la Geneva, la LHC, nu se caută unde trebuie?", se întreabă un grup de oameni de ştiinţă, printre care şi români. Un proiect coordonat de specialiştii germani, la care participă şi România, îşi propune să observe ce se întâmplă în materia foarte densă. În Germania, se vor studia zone de energie neacoperite de experimentele de la Geneva şi Brookhaven.

Compressed Baryonic Matter Experiment (CBM) pleacă în căutarea poveştii supernovelor şi a unor stele ciudate, mult mai mici decât Soarele, dar mai grele ca astrul zilei. Prof. Dr. Alexandru Jipa (Universitatea din Bucureşti) şi Dr. Peter Senger (purtătorul de cuvânt al proiectului) explică importanţa CBM pentru cunoaşterea lumii în care trăim.

Un straniu spectacol de secol XI

Totul începe în 1054, când astronomii chinezi au descoperit un straniu spectacol stelar. O stea a apărut pe cer şi a dispărut după doar 100 de zile. În secolul XVIII, a fost observată, exact în aceeaşi poziţie, o nebuloasă.

Nebuloasa observată atunci se născuse din răspândirea rămăşiţelor unei supernove, a cărei explozie fusese observată de chinezi la mijlocul secolului XI.

În fine, în urmă cu 15 ani, în mijlocul nebuloasei de care vorbim a fost găsită o noua sursă de radiaţie. În anii care au trecut din 1995 pâna astăzi, s-a aflat că vorbim de o stea foarte compactă, care se roteşte foarte rapid. Se pare că masa acesteia este de două ori mai mare decât a Soarelui, în condiţiile în care steaua are un diametru de doar 20 de kilometri.

Cum se formează materia aceasta?

Acest detaliu arată că în mijlocul stelei găsim materie nucleară foarte densă. "Până astăzi, ştiinţa nu a reuşit să afle cum se formează materia în acest mediu", spune Alexandru Jipa.

Un nucleu este compus din protoni şi neutroni. Nucleonul este denumirea generică pentru cele două particule elementare. Un nucleon conţine trei quarci, care interacţioneaza între ei prin schimb de gluoni. Aceşti gluoni sunt cei care ţin quarcii legaţi. De ce spunem asta? Pentru că, până acum, ştiinţa nu a reuşit să observe quarci liberi.

Întrebări fără răspuns

Fără acest fenomen, "cunoaşterea forţelor nucleare rămâne încă incompletă şi întrebări fundamentale nu îşi găsesc încă răspuns", spune Peter Senger. Dânsul arată că întrebările la care speră să raspundă proiectul CBM, alături de cele de la Geneva şi Brookhaven (SUA), sunt:

• De ce nu există quarci liberi?

• De ce masa nucleonului este de 50 de ori mai mare decât suma maselor particulelor ce îl compun?

• Care este originea nucleonilor care compun lumea noastră?

CBM, prin expunerea materiei nucleare la condiţii extreme, speră să răspundă, pe rând, la aceste întrebări. Ce înseamnă aceste condiţii extreme. Profesorul Jipa explică: dacă un nucleu atomic este comprimat la o anumita densitate, ca o minge pe care apeşi tot mai tare, nucleonii vin în contact şi rezistă la alte densificări. Aceste fenomene se produc la explozia unei supernove. Dacă materia nucleara este comprimată din nou, nucleonii se suprapun şi, în cele din urmă, se descompun.  

În urma acestui proces, se formează o plasmă compusă din quarci şi gluoni, în care primii se mişca liber. Studiul experimental al acestei stări a materiei ar aduce noi informaţii despre exploziile supernovelor şi structura stelelor neutronice. De asemenea, s-ar lamuri câteva dintre enigmele structurii materiei iniţiale. Şi aceasta pentru că s-ar analiza starea materiei, aşa cum era ea cu câteva microsecunde după Big Bang.

Peştera de la FAIR

Aşadar, este nevoie de experiment. Iar singura şansă de a comprima materie nucleară în laborator este accelerarea nucleilor atomici grei la energii foarte mari şi să provoci o ciocnire a acestora. Aşadar, alegem un element chimic greu, uraniul.

Unui nucleu de uraniu i se dă o viteză foarte mare cu ajutorul unui accelerator. Construcţia FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) a început deja, iar, în 2016, centrul ar trebui să fie complet echipat şi functional. În cadrul FAIR, laborator care va fi construit în localitatea germană Darmstadt, CBM va ocupa unul dintre numeroasele laboratoare. Camera CBM va fi o "peştera", cum îi spune domnul Senger. Pe bună dreptate, deoarece va avea ziduri de beton cu o grosime de câţiva metri, pentru a face faţă radiaţiei.

Ce se petrece în aparatele CBM

Luăm un nucleu de uraniu. Acesta este accelerat, astfel încât atunci când va ajunge în contact cu un alt nucleu de uraniu, el va atinge o viteza apropiată de cea a luminii.

În momentul ciocnirii, se formează o minge de foc, foarte fierbinte şi densă, iar explozia ce urmează "împrăştie" 1.000 de particule, multe dintre ele produse în momentul exploziei. Acestea particule trec prin numeroşi detectori, iar aceştia le analizează. "Este o sarcina foarte dificilă, deoarece într-o singură secundă au loc circa 10 milioane de ciocniri", spune profesorul Jipa.

Le fiecare ciocnire, aparatele înregistrează 10.000 de semnale, pentru ca apoi oamenii de ştiintă să reconstituie corect traiectoria particulelor şi să filtreze informaţiile particulelor rare, care pot oferi informaţii despre materia densă.

De ce toţi aceşti bani?

Construcţia FAIR va costa peste un miliard de dolari, la care se adaugă costuri operaţionale de 120 de milioane în fiecare an. CBM are costurile sale, astfel încât se ajunge la o sumă fabuloasă. De ce toţi aceşti bani?

E simplu. În primul rând pentru viitorul ştiinţei. Profesorul Jipa spune: "Există zone de energie neacoperite". Pare o simplă afirmaţie, dar nu este aşa. Explicăm cu ajutorul figurii alăturate. Săgeata roşie indică energia din cadrul experimentelor CERN. Dar dacă această energie cunoaşte un moment critic? Ce se întâmplă în momentul mingii de foc, chiar înainte de explozie? Experimentul CBM, reprezentat de linia albastră, doreşte să observe ce se petrece în perioada de trecere de la nucleoni la plasma cu gluoni şi neutroni. Adică acea porţiune galbenă. Un spaţiu aflat la temperaturi şi energii mai joase decât cele atinse la CERN, dar virgin, neexplorat. "Un tărâm necunoscut", îl numeşte Dr. Senger. "Ideea este să găseşti un moment de timp apropiat de explozia primordială şi să găseşti particula Higgs (n.r. numită şi particula lui Dumnezeu)" - Prof. Dr. Alexandru Jipa.

România, prin Institutul Naţional de Fizică şi Inginerie Nucleară "Horia Hulubei" şi prin Facultatea de fizică a Universităţii Bucureşti, se regăseşte printre cele 15 state care participă la proiectul CBM.