Visums deva priekšroku matērijai

LU profesors M.Auziņš stāsta, ka svarīgais eksperiments, kas nonācis ne tikai profesionālu dabaszinātnieku redzeslokā, saistīts ar Kodolpētījumu organizācijā “CERN” veiktu eksperimentu “AEglS” (Antiūdeņraža eksperiments – gravitācija, interferometrijs, spektroskopija).

Eksperimenta rezultāti nākotnē, cerams, ļaus labāk saprast, kā tieši radusies šī pasaule un kāpēc tā sastāv no matērijas, nevis antimatērijas.

Eksperimenta laikā pētniekiem, kas darbojas “CERN” struktūrā “Antimatērijas fabrika”, ar lāzera palīdzību pirmo reizi zinātnes vēsturē izdevies atdzesēt pozitroniju.

“Kad saskaņā ar Lielā sprādziena teoriju radās Visums, vajadzēja rasties vienlīdz daudz vielai un antivielai, tātad matērijai un antimatērijai,” skaidro M.Auziņš. “Taču matērija saglabājās, bet antimatērija, saskaroties ar matēriju, pastāv ļoti īsu brīdi. Tātad kopā matērija un antimatērija sadzīvot nevar. Visums ir veidots no matērijas, un tikai dažās situācijās mēs drusciņ atrodam antimatēriju. Kāpēc Visums ir devis priekšroku matērijai? Ar ko tas atšķiras no antimatērijas? To cenšas izzināt pētnieki, kas pēta antimatēriju un darbojas “AEglS eksperimentā.”

Taču lai antimatēriju izzinātu, tā vispirms jārada. Tā rodas ļoti augstas enerģijas eksperimentos, kuros tiek izmantota “CERN” infrastruktūra, imitējot lielo sprādzienu. Šajos eksperimentos rodas tādas antimatērijas daļiņas kā pozitrons, antineirons vai antiprotons. Tomēr saprast, ar ko antiprotons atšķiras no protona, ir visai sarežģīti, un zinātniekiem pagaidām nav izdevies to pilnībā paveikt.

“Mēs gribētu tikt pie atoma no antimatērijas, kas būtu antiatoms,” turpina M.Auziņš. “Pie tāda tikt ir viens no “AEglS” eksperimenta mērķiem. Taču tas ir milzīgs izaicinājums.”

Grūtībās radīts, ātri gaistošs

Kā posms ceļā uz antiatomu ir radīts pozitronijs: elektronu un to antivielas dvīņu – pozitrona – kombinācija. Tas top, uz elektroniem izšaujot pozitrona kūli. Rezultātā elektroni ar pozitroniem apvienojas radot pozitroniju. Tā ir ļoti īpaša daļiņa, jo sevī apvieno gan matēriju, gan antimatēriju.

Jāpiebilst, ka pozitronija veidošanā tiek izmantots Hadrona paātrinātājs: slavenā “CERN” iekārta, kas atrodas simt metrus zem zemes, stiepjas 27 kilometru garumā un spēj imitēt lielo sprādzienu.

Cita starpā zinātnieks bilst, ka antimatērijas izpēti kavē arī tas, ka mūsdienu zinātne nebūt ne visu zina par matēriju. Piemēram, lai pilnvērtīgi salīdzinātu ūdeņradi ar antiūdeņradi, vispirms pilnībā būtu jāizpēta ūdeņradis. “Taču ūdeņraža īpašības mēs nespējam precīzi aprakstīt. “Šaurā” vieta ir protons, kurš ir tā sastāvā un kurš pats sastāv no kvarkiem, kas ir lādēti, līdz ar to protona uzbūve ir sarežģīta un eksperimenti pierāda, ka kaut ko mēs tur nesaprotam līdz galam,” atzīst fiziķis.

Turpretī elektrons, kas ir punktveida daļiņa bez izmēra, ir vienkāršāks nekā protons. Pozitronijs ir vēl viena daļiņa bez izmēra, faktiski vēl viens elektrons, tikai pozitīvi lādēts. “Radot pozitroniju, esam panākuši to, ka mums ir gandrīz ūdeņraža atoms, tikai tā centrā nav protons, bet pozitronijs. Atkrīt visas galvassāpes par to, ka viena no daļiņām ir ļoti sarežģīta un ne pilnībā saprotama, varam pētīt visas tās īpašības.”

Turklāt pozitronijs ir ļoti līdzīgs ūdeņradim, tikai ar vienkāršāku struktūru, tāpēc tā radīšana ir  būtiska arī ceļā uz antiūdeņraža izveidi, kas tāpat ir viens no “AEglS” mērķiem.

Taču arī pozitronijs ir ciets rieksts pētniekiem, jo tā ir ļoti ātri gaistoša daļiņa. Tas saistīts ar šīs daļiņas augsto aktivitāti, kas nozīmē arī to, ka tai ir ļoti augsta temperatūra. Pozitronijs “dzīvo” vien dažus simtus nanosekunžu, bet nanosekunde ir sekundes miljardā daļa! Jo pozitronijs ir vēsāks, jo ilgāk tas saglabājas, un tādā gadījumā zinātniekiem jau ir iespējams izpētīt tā īpašības: gan spektroskopiski (izzinot tā uzbūvi), gan veikt eksperimentus, lai redzētu, kā pozitronijs reaģē uz gravitāciju. Pētnieki jau agrāk bija atdzesējuši dažādu veidu atomus ar lāzeru, kas raida fotonus, un secinājuši, ka šo metodi varētu izmantot arī pozitronija dzesēšanā. Ideja izrādījās veiksmīga.

Ļoti, ļoti auksts eksperiments!

“Eksperimentā izmantoja platjoslas lāzeru, kas ir inovatīva metode. Metode pamatā ir pielāgota lāzera gaismas impulsa pārnese uz pozitronija atomiem. Eksperimenta rezultātā pozitronija mākoņa temperatūra samazinājās no 380 līdz 170 kelviniem, kas iezīmēja būtisku progresu pētnieku izpratnē par antivielu un tās manipulēšanas iespējām,” teic M.Auziņš.

Kelvins ir temperatūras mērvienība, kas it tikai pozitīva. Šajā temperatūras sistēmā, kas tiek izmantota fizikā, zemākā temperatūra, kas sastopama dabā, ir zem trim kelviniem. Tik auksts ir tikai Visumā, kur nav nekādu siltuma avotu. Salīdzinot kelvinus ar Celsija temperatūras sistēmu, jāpiebilst, ka 0 grādi ir 273 kelvini. Tātad, mērot Celsija grādos, pozitrons ir atdzesēts krietni zem nulles. Zinātnieki jau iemanījušies atomos padarīt vēl aukstākus nekā pati saltākā vieta Visumā. Pozitroniju gan pagaidām tik ļoti nav izdevies atdzesēt, un viens no pētnieku mērķiem ir uzlabot lāzeru, lai pozitroniju  varētu atdzesēt vēl vairāk. Šobrīd pozitronijs tiek atdzesēts tikai ar vienu fotona kūli. Iespējams, nākotnē pētnieki atradīs veidu, kā to atdzesēt  no vairākām pusēm, tad arī varētu sasniegt vēl labākus rezultātus.

LU doktorants Valts Krūmiņš, kurš šobrīd strādā “CERN”, piemetina: tajā brīdī, kad eksperiments notika un pozitronijs tika atdzesēts, pētnieki pat nesaprata, vai viņiem tas izdevies. To noskaidroja vēlāk, analizējot eksperimentā iegūtos datus.

Lāzers, ar ko dzesēja pozitroniju, ir pētnieku grupas pašu būvēts, par pamatu ņemot pagājušā gadsimta beigās radītu kosmētikas lāzeru. Arī pozitronija temperatūra noteikta, izmantojot lāzerus, taču nu jau citus.

Pēdējās nedēļās pētnieki nav mēģinājuši vēl vairāk atdzesēt pozitroniju, jo bijuši aizņemti ar lāzera pārbūvi un uzlabošanu.

M.Auziņš piebilst, ka antimatērijas eksperimenti ir ļoti sarežģīti arī tāpēc, ka ilgi nesaglabājas pat atdzesēts pozitronijs. Šā iemesla dēļ zinātniekiem jādarbojas ļoti ātri: vispirms, lai to atdzesētu, pēc tam, lai izpētītu, kamēr tas vēl nav pazudis. Šā iemesla dēļ izdevušos eksperimentu ar pozitroniju ir maz, jo pētnieki gluži vienkārši nespēj visu paveikt. Kaut cik pētnieku uzdevumu atvieglo vien tas, ka eksperimenti notiek nevis ar vienu pozitroniju, bet gan ar tā mākoni. Tas visu laiku samazinās, tomēr pastāv ilgāk nekā tikai viena daļiņa. Jo lielāks mākonis sagatavots, jo lielākas izredzes, ka eksperiments izdosies.

Turklāt pozitronijs strauji gaist tad, kad saskaras ar matēriju, bet eksperimentu laikā tas ir vakuumā, tātad vidē, kurā nav nekā: ne matērijas, ne arī antimatērijas, ne magnētiskā, ne arī elektriskā lauka. Pētnieki radījuši arī iekārtu, ko sauc par magnētiskajiem slazdiem: tajos ir magnētiskais lauks, kas kādu laiku notur atomu mākoni uz vietas, neļaujot tam ne izgaist, ne arī kaut kur pārvietoties.

Kāds labums būs cilvēcei?

Šis ir fundamentālās, tātad teorētiskās zinātnes pētījums, tāpēc pētniekus nedaudz kaitina jautājums, kā tad šo atklājumu varēs reāli izmantot. “Iespējams, ar laiku to varēs izmantot kādās medicīniskās terapijās, taču līdz tam vēl ir ļoti ilgs ceļš,” klāsta M.Auziņš. “Elementārdaļiņas jau tagad ir dažādu medicīnisku terapiju nopietna sastāvdaļa. Piemēram, cīņai ar audzējiem izmanto staru terapiju: elementārdaļiņas ar lielu enerģiju iet cauri visiem audiem, taču, nonākot audzēja tuvumā, tā jau lielu daļu savas enerģijas zaudējusi, kaut tieši tur tās mijiedarbojas ar vēža šūnām.”

Runājot kopumā par eksperimentiem, kas saistīti ar antimatēriju, fantastikas romānos savulaik minēts, ka savienojot antimatēriju un matēriju, var iegūt ļoti spēcīgu enerģijas avotu, ko varētu izmantot, piemēram, lai būtiski palielinātu kosmosa kuģu ātrumu.

Katrā ziņā fundamentālā zinātne dažkārt spēj atklāt ko tādu, par kā izmantošanu ikdienas dzīvē sākotnēji pat nav iespējams iedomāties: “Man patīk atcerēties Maiklu Faradeju. Viņš bija fiziķis, kurš pirmais “izdomāja” elektrību un rādīja dažādus eksperimentus ar to. Faradejs bija viens no pirmajiem, kas Londonā rīkoja publiskus fizikas demonstrējumus, ko nāca skatīties Londonas augstākā sabiedrība. Ir leģenda, ka vienā šādā pasākumā bijis klāt toreizējais britu premjerministrs. Pēc demonstrējuma viņš pienācis pie Faradeja un teicis: “Tas viss, protams, ir šausmīgi interesanti, bet, sakiet, vai tam ir arī kāds praktisks pielietojums?” Faradejs atbildējis: “Nespēju iedomāties, ka elektrību kāds varētu praktiski izmantot, bet esmu pārliecināts, ka nepaies ne pāris gadu, kad jūs par to iekasēsiet nodokļus.” Mūsdienās tas izklausās kā anekdote.

Tagad mums šķiet, ka, piemēram, antiūdeņradis ir ļoti tālu no reālās dzīves, bet kādā brīdī tam noteikti atradīsies kāda pielietojamība. Taču paredzēt, ka tā būs, ir faktiski neiespējamo. Arī attiecībā uz pozitroniju grūti pagaidām prognozēt tā izmantošanu. Jāņem vērā, ka šobrīd zinātnieki to iegūst ļoti dārgos eksperimentos un tā ir maz.”

Viena no pētījumā iesaistītajām zinātniecēm – Lisa Gloglere – “BBC News” teikusi, ka ar šo eksperimentu zinātne spērusi soli tuvāk tam, lai saprastu, kā attīstījies Visums. M.Auziņš piekrīt: šajā jomā joprojām ir daudz neatbildētu jautājumu. Tad, kad zinātniekiem pietiekamā daudzumā izdosies radīt antimatēriju un noturēt to pietiekami ilgu laiku tādā stāvoklī, lai to varētu padziļināti pētīt, atbildes, visticmāk, izdosies atrast.

Viens no lielajiem jautājumiem ir: kur gan antimatērija pazudusi? Ir teorija, ka kaut kur citus tā tomēr saglabājusies, kaut kur ir citas planētas, zvaigznes utt., kas veidotas no antimatērijas. Tātad antizvaigznes, antiplanētas un, iespējams, pat anticilvēki.

Latvieši palīdzēja tikt uz priekšu

Latvija šobrīd ir “CERN” asociētā dalībvalsts. Tas dod iespēju Latvijas pētniekiem iesaistīties lielās un starptautiskās pētnieku grupās, kuras pētījumos izmanto “CERN” piederošu infrastruktūru.

“AEglS” pētījums, kurā piedalās LU pētnieki, ir sapulcējis samērā maz pētnieku: vien ap 50. Citās “CERN” pētnieku grupās ir pat tūkstošiem pētnieku, atklāj M.Auziņš.

“Ja pētnieku grupa ir mazāka, katram ir lielāka iespēja iesaistīties. Ja esi grupā, kurā ir 3000 zinātnieku, varbūt kādā brīdī varēsi kādu detaļu pielikt pētnieciskajai iekārtai. Ir forši strādāt “CERN”, ir forši būt šādā lielā kolektīvā, bet tajā pašā laikā lielākajai daļai pētnieku šādā eksperimentā nav liela loma. Savukārt, ja grupā ir tikai 50 zinātnieku, iespēja iesaistīties ir lielāka. Piemēram, LU doktorants Valts Krīmiņš pie šā eksperimenta strādā ikdienā. Viņa idejas to var ļoti ietekmēt,” stāsta M.Auziņš.

Viņš piebilst, ka “mūsdienu zinātne pamatā tiek taisīta ar doktorantu rokām: tie ir ļoti motivēti jauni cilvēki, kuri par relatīvi zemāku samaksu ir gatavi ļoti daudz strādāt”.

Pats V.Krūmiņš “Mājas Viesim” atklāj, ja “AEglS” eksperimentā veicis daudz praktisko darbu: “Jālīdzdarbojas gan iekārtas uzturēšanā, gan jāveic aprēķini.”

Viņš piedalās arī antiūdeņraža pētījumā, kurā savukārt jādarbojas ar šķidro hēliju.

Tieši antimatērijas pētījumos jaunais pētnieks gribēja līdzdarboties tāpēc, ka šajā jomā strādā samērā maz pētnieku, līdz ar to “sanāk vairāk iesaistīties”.

Turpinot runāt par Latvijas Zinātnieku lomu nozīmīgajā eksperimentā, M.Auziņš piebilst: zinātniskajā izpētē viss ir ciešu saistīts. Latvijas zinātnieki tik nopietnā pētījumā varējuši piedalīties tāpēc, ka tepat LU lāzeru centrā gadiem aktīvi pētīta atomu un gaismas mijiedarbība. Par šo tēmu tapušas M.Auziņa monogrāfijas, kas nākušas klajā tik prestižu augstskolu kā Oksfordas un Kembridžas universitāšu izdevniecībās. Kolēģi atzinuši, ka M.Auziņa savulaik rakstītais ļāvis “AEglS” pētnieku grupai straujāk virzīties uz priekšu.