Objavljeno u Nacionalu br. 424, 2003-12-30

Otkriće egzotične čestice sastavljene od pet kvarkova znanstvenog tima Kreše Kadije na zagrebačkom Institutu ‘Ruđer Bošković’ značajno je za razumijevanje postanka svemira: veliki znanstveni rezultat već je privukao pozornost znanstvenika i izvan Hrvatske

Iza vrata s brojem 214 u jednoj od zgrada Instituta “Ruđer Bošković” uzaludno je pogledom tragati za makar kakvim neobičnim, pa recimo to i “svemirskim” strojem koji bi upućivao na to kako su upravo ovdje, nakon 30 godina koliko eksperimentalni fizičari diljem svijeta tragaju za subatomskim česticama od pet kvarkova, otkrivene dvije od njih. Kvarkovi, da ponovimo osnove fizike iz školskih klupa, najmanje su do sada poznate čestice materije i od njih je sazdano 99,9 posto ukupnog našeg svemira. Otkriće egzotične čestice sastavljene od pet kvarkova zapravo je krupan korak prema odgovoru na pitanje o tome kako je nastao svemir i što se događalo nakon velikog praska. Dok znanstveni kuloari bruje da bi zahvaljujući ovom otkriću, bude li potvrđeno, Krešo Kadija i njegov tim u kojem su asistentica, magistar fizike Tatjana Šuša, i znanstveni suradnik, doktor fizike Tome Antičić, mogli ozbiljno konkurirati i za Nobelovu nagradu, ovaj doktor fizike tek skromno zaključuje: “To je jedan kamenčić, ali mislim da će biti dosta važan u popunjavanju praznina u jednom velikom mozaiku razumijevanja prirodnih zakona.”

Krešo Kadija doktorirao je fiziku na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Zagrebu i, kao većina hrvatskih znanstvenika, prvi je posao potražio izvan granica domovine. Devet godina radio je na Institutu Max-Planck u Munchenu, a početkom 90-ih pozvan je u CERN, Europski laboratorij za fiziku čestica i jedan od najvećih svjetskih znanstvenih centara.

Upravo u CERN-u prije sedam godina pokrenut je eksperiment NA-49 kojem je, zajedno s još pet eksperimenata, glavna zadaća bila otkriti kvark-gluonsku plazmu. Kvark-gluonska plazma je zapravo stanje materije koje je, kako teorija pretpostavlja, postojalo nekoliko mikrosekunda nakon velikog praska i rođenja našeg svemira. Prije tri godine, na pragu 21. stoljeća, rezultati tih eksperimenata potvrdili su kako postoje čvrste indikacije da se tijekom sudaranja teških jezgri olova uspjelo u laboratorijskim uvjetima stvoriti to stanje materije. Ono je, međutim, postojalo vrlo kratko jer održivo je samo na vrlo visokoj temperaturi većoj od bilijun Celzijevih stupnjeva. Nakon velikog praska i nastanka kvark-gluonske plazme, ta materija se počela hladiti, a slijedom toga svemir se počeo širiti. Milijardu godina potom čestice su se počele zgušnjavati u materiju vodikovih atoma, što će milijardu godina poslije dovesti do stvaranja galaktika. Tek 12 milijardi godina nakon velikog praska, prema teoriji o nastanku svemira, stvoren je moderni univerzum kakav poznajemo.

Tri egzotične čestice sastavljene od pet kvarkova najvjerojatnije su bile uobičajene u fazi ranog nastajanja svemira, odnosno nastale su hlađenjem kvark-gluonske plazme i najvjerojatnije ih se može smatrati “sjemenom” iz kojeg je proklijao sav život. Najlakša takva egzotična čestica otkrivena je prije tri godine istodobno u nekoliko svjetskih laboratorija, a najtežu su pronašli u “Ruđeru Boškoviću”.

U svjetskim znanstvenim krugovima vijest o uspjehu zagrebačke grupe znanstvenika proširila se munjevitom brzinom jer otkriće nove čestice čijim se dijeljenjem dobivaju nove kombinacije kakve je nemoguće dobiti dijeljenjem čestica sastavljenih od tri kvarka znači kako bi uskoro mogla biti otkrivena i kvark-gluonska plazma. Kad ju jednom pronađu u laboratoriju gdje su takvo stanje materije već uspjeli proizvesti, fizičari će biti na samom početku rađanja svemira i moći će provjeriti i ispitati taj fenomen. Tko bi očekivao da će baš zagrebačkoj grupi znanstvenika, koju je Kadija 1998. okupio u Institutu “Ruđer Bošković”, poći za rukom zaviriti dublje u tajnu postanka svemira.

Kako im je to uspjelo, mora se zapitati svatko nakon makar i površnog pogleda na uvjete u kojima Kadija i njegovi znanstvenici rade. Neugledan sobičak zatrpan papirima u koji se jedva uguralo pet stolova, a na jednom od njih glasno zuji ventilator računala s kojeg je skinuto kućište jer, kako je objasnio Kadija, malo se pregrijalo pa ga sada hlade.

“Ispada da smo ključnu odluku donijeli još 2000. godine. Naime, nakon pronalaženja čvrstih indikacija da je u CERN-ovu laboratoriju uspjelo stvaranje kvark-gluonske plazme, procijenili smo da je to maksimum što ga taj eksperiment u tom području može dati i zato smo se preorijentirali na analizu stranih čestica nastalih u sudarima protona. Strani barioni su čestice koje u svojem sastavu imaju bar jedan strani kvark, a strani kvark je inače teži od kvarkova koji čine proton i neutron. Iako su te čestice poznate već desetljećima, nisu postojali dovoljno precizni eksperimentalni podaci koji bi omogućili detaljnije proučavanje mehanizma njihova nastajanja. Posljednje tri godine radili smo intenzivno na toj analizi i uspjeli dobiti najpreciznije dosad mjerene rezultate. I onda je sve krenulo jako brzo”, objašnjava Kadija, a analiza tih čestica, tzv. stranih bariona, bila je ujedno i tema magistarske radnje Kadijine asistentice Tatjane Šuše.

“Naime, kako su čestice koje smo analizirali istodobno i produkti raspada najtežeg člana od ukupno tri egzotične čestice s pentakvarkovskom strukturom, bilo je logično da smo u našim podacima vidjeli šansu da potražimo tu novu česticu. Posrećilo nam se i našli smo je”, samozatajno je taj znanstveni pothvat opisao Kadija.

Rezultat Kadijina tima zasad nisu potvrdili drugi, neovisni eksperimenti. Trenutačno u svijetu postoje jedan ili dva eksperimenta koji imaju mogućnost za to pa je realno očekivati da se to dogodi u skoroj budućnosti. Svako znanstveno otkriće, naime, potrebno je i dodatno provjeriti kako bi postalo službeno prihvaćenim, no rezultati grupe znanstvenika iz Instituta “Ruđer Bošković” poslani su i prihvaćeni za objavljivanje u Physical Review Letters, jednom od najeminentnijih svjetskih časopisa iz područja fizike. Kakav je odjek otkriće iz Hrvatske imalo među znanstvenicima diljem svijeta i koliku je znatiželju pobudilo najbolje pokazuju brojni pozivi u kojima se Kadiju i njegove suradnike traži da održe predavanja na kojima bi objasnili sve o novootkrivenoj čestici.

“Posebno nas je razveselio poziv od CERN-a gdje sam imao predavanje, a još više nas je obradovalo saznanje da uprava CERN-a stavlja naš rezultat među vrednija otkrića njihovih eksperimenata”, kaže Kadija, a usporedbe radi valja reći kako je upravo u tom europskom laboratoriju, zbog brojnosti podataka mjerenih u različitim eksperimentima koji nisu mogli biti pohranjeni u jednoj bazi podataka, 1990. izmišljen World Wide Web.

“Dano nam je također na znanje da bi eksperiment NA-49 koji je ove godine trebao prestati raditi trebalo nastaviti, ali u novom smjeru usko vezanom s najnovijim otkrićem do kojeg smo došli”, nastavio je nizati vijesti Kadija čija znanstvena ekipa i dalje ispituje mjerenja što su dovela do otkrića nove egzotične čestice i jedne čestice partnera sa strukturom od pet kvarkova. Od deset takvih čestica koliko ih, pretpostavlja se, postoji, u “Ruđeru Boškoviću” otkrivene su dakle čak dvije. “Ta znatiželja za novim daje nam snage i poticaja da radimo dalje i, što je još važnije, da uživamo u svom poslu. Još provjeravamo nove rezultate koji bi možda mogli dati odgovor na pitanje kakva je struktura tih pet kvarkova koji čine novootkrivenu česticu. Prvi rezultati upućuju na to da su četiri kvarka povezana u dvije skupine po dva kvarka i da s petim, antikvarkom, čine našu česticu. Kombinaciju dvaju kvarka zovemo dikvarkom, a zanimljivo je da najnovije teorije tvrde da se upravo takva, dikvarkovska materija, nalazi u unutrašnjosti neutronskih zvijezda.”

Neutronske zvijezde ostaci su eksplozije supranove, odnosno jedan od mogućih krajeva života teških zvijezda čija masa znatno premašuje Sunčevu masu. Druga je varijanta kraja Crna rupa, a Crne rupe su ponori koji su znanstvenicima sa Zemlje još uvijek mračni i zatvoreni. Neutronske zvijezde zapravo su stabilizirane jezgre supranova, poput divovskih atomskih jezgri. Njihovu unutrašnjost moguće je sondirati i pratiti procese koji se odvijaju, a zahvaljujući boljem razumijevanju materije koja ih čini teoretičari fizike mogli bi doći do novih, zanimljivih spoznaja. Neki od njih već su gotovo svakodnevno u kontaktu s dr. Kadijom.

“Sada, kada znamo da postoje čestice s kompliciranijom strukturom, bit će zanimljivo vidjeti kakve će to posljedice imati i na naše razumijevanje nastajanja ranog svemira. I tu se krije ljepota fizike”, tumači doktor fizike na tragu otkrića koje nas vodi sve bliže zaključku da će upravo fizika elementarnih čestica biti znanost koja će odgovoriti na vječna pitanja o tome tko smo, što smo i odakle dolazimo. U međuvremenu, nije pretjerano nadati se da će ovakvo jedno otkriće u tako zanemarenoj disciplini kao što je znanost u Hrvatskoj biti odličan poticaj da joj se posveti malo više pažnje.

“Bilo bi sjajno kad bi mladi ljudi tijekom školovanja imali više vremena za razmišljanje, osim što ih se opterećuje nevjerojatnom količinom podataka”, smatra Kadija koji je, otkako se 1998. iz Njemačke vratio u Hrvatsku, iz inozemstva u domovinu uspio vratiti i svog znanstvenog suradnika Tomu Antičića. U Kadijinoj je grupi i magistrica Sandra Horvat, koja je trenutačno na Institutu Max-Planck u Munchenu gdje je uključena u rad na pripremi jednog od novih eksperimenata na CERN-u, a pridružio im se i znanstveni novak Vedran Nikolić. Projektu se nedavno priključio i Vuko Briljević, znanstvenik rođen 1969. u Dubrovniku, ali je cijeli život proveo u inozemstvu gdje je diplomirao, magistrirao i doktorirao, a sad se sprema vratiti u Hrvatsku.

Taj podatak za naš je mali “perec” možda i bitno značajniji od činjenice da su razvijene zemlje Europske unije spremne uložiti veliki novac u daljnje istraživanje znanstvenih rezultata tima iz Instituta “Ruđer Bošković”.

POVIJEST SVEMIRA:
1. Veliki prasak: Veliki prasak nije eksplozija negdje u “središtu svemira” nego je riječ o eksploziji samog svemira u kojoj su nastali prostor i vrijeme. Nakon Velikog praska prostor se počeo širiti, a sa širenjem prostora materija se razrjeđivala i temperatura padala te se tako mijenjao i sastav svemira ? od homogene vruće plazme (kvark-gluonska plazma) čestica od kojih nisu sve potpuno poznate, do današnjeg hladnog svemira nastanjenoga galaktikama i živim bićima.
2. Epoha kvantne gravitacije: Prostor i vrijeme ovdje se zamišljaju kao “pjena” s još nepoznatim zakonima fizike gdje ni prostor ni vrijeme nemaju isto značenje kao u svakodnevnom životu. Noviji pokušaji razumijevanja tog razdoblja vezani su za prostore s više od tri prostorne dimenzije.
3. Epoha velikog ujedinjenja: Tri od ukupno četiri temeljne prirodne sile (elektromagnetska, slaba i jaka) ujedinjuju se u jedinstvenu silu, što je omogućilo stvaranje male asimetrije između materije i antimaterije, a upravo će ta mala asimetrija poslije uzrokovati da nešto materije preostane i izgradi danas poznati svemir (nakon što se najveći dio materije i antimaterije međusobno ponište).
4. Epoha elektroslabe sile: Tijekom ove ere kvarkovi i antikvarkovi se međusobno poništavaju ostavljajući ostatak prevladavajućih kvarkova koji su odgovorni za opaženu tvar, a time i za naše postojanje.
5. Leptonska epoha: Prijelaz kvarkovsko-gluonske plazme u protone i neutrone, a laki elektroni u toj se vrućoj, zgusnutoj plazmi ponašaju kao “zračenje” i daju svoj udio termičkoj ravnoteži. Najnoviji pokusi upozoravaju i na mogućnost pentakvarkovske grane (dvije pentakvarkovske čestice otkrio je znanstveni tim dr. Kreše Kadije).
6. Fotonska epoha: Svemir star tri minute omogućava stvaranje jezgri atoma, a što je preduvjet za stvaranje težih elemenata, uglavnom helija. U omjeru 25 posto helija u odnosu na 75 posto vodika, ti će elementi mnogo kasnije započeti gorivi ciklus u zvijezdama, tijekom kojeg se stvaraju teži elementi.
7. Svemir postaje proziran: Svemir star 300 tisuća godina ohlađen je dovoljno da se elektroni s protonima vežu u vodikove atome. Ta prvotna zgušnjavanja materije poslije će dovesti do stvaranja galaktika.
8. Stvaranje galaktika: U svemiru starom milijardu godina prvotni nabori tvari prerasli su u nakupine od kojih se formiraju kvazari, zvijezde i protogalaktike. Pojavljuju se i prve supranove.
9. Sadašnjost: U unutrašnjosti zvijezda načinjenih od prvotno stvorenih jezgara vodika i helija stvaraju se tijekom nuklearnih gorivih ciklusa teže atomske jezgre. Ugljik, kisik, dušik i željezo raspršuju se svemirom zvjezdanim vjetrovima i eksplozijama supranova, tvoreći začetak novih zvijezda i njihovih planetarnih sustava. Kemijski procesi povezuju atome u molekule i tvari, tvorbe čiji je krajnji rezultat sam život planeta.

O ČESTICAMA:
Sve do sada nađene čestice možemo podijeliti u dvije velike skupine:
1. čestice koje su prijenosnici temeljnih sila (gravitacijske, elektromagnetske, slabe i jake) uz leptone koji spadaju među čestice tvari, ali ne sudjeluju u jakom međudjelovanju
2. čestice materije koje su sastavljene od manjih elementarnih dijelova kvarkova i njihovih antičestica ? antikvarkova ili Hadroni koje po kvarkovskom sastavu dijelimo na:
a) mezone, čestice koje se sastoje od jednog kvarka i jednog antikvarka
b) barione, čestice koje se sastoje od tri kvarka. Najlakši barioni su protoni i neutroni, od kojih je sazdano više od 99,9 posto tvari na Zemlji.