U posjetu talijanskom podzemnom laboratoriju Gran Sasso

Tko se vozio istočnom obalom Apeninskog poluotoka, od Bologne preko Ancone i Pescare pa dalje prema jugu, mora da je primijetio zanimljiv reljef: s jedne strane visok planinski lanac Apenina, po kojima je i cijeli poluotok dobio ime, a s druge strane Jadransko more, ali posve drugačije od onoga na kojeg smo navikli kad spomenemo Jadran – bez otoka. Ni malih ni velikih. Samo pučina do kud pogled seže, uz tek pokoji umjetni valobran. Cijela istočna obala Italije u prosjeku je vrlo strma – toliko da osnivati naselja s te strane i nije neka fora jer zapadnog sunca stanovnici neće vidjeti već nakon pet-šest sati poslijepodne. Nasuprot tomu, zapadna strana Apenina, prošarana dolinama i planinama, tek se postepeno spušta do mora. Za razliku od jadranske strane, pored obala Tirenskog mora već nikne pokoji otok, doduše vulkanski poput Ischie. Mora da je geološka povijest talijanske čizme bila poprilično burna kad je oblikovala takav krajolik. S napomenom da ta povijest još nije gotova – tu i tamo oglasi se pokojim potresom.

Središnji dio Apenina koji se nalazi u središnjoj Italiji, nazvan Srednji Apenini (pored Sjevernih Apenina na sjeveru i na jugu – pogodili ste – Južnih Apenina) obuhvaća i planinski masiv Gran Sasso – najveći talijanski nacionalni park. Gran Sasso, što u prijevodu znači Velika stijena, nomen est omen rekli bi, diči se i najvišim vrhom Apenina – Cornom Grande. Veliki Rog visok je poštenih 2912 metara. Ispod Corno Grandea prolazi deset kilometarski tunel autoceste koja spaja talijansku verziju jadranske magistrale sa središnjom Italijom i završava, gdje drugdje nego u Rimu. U jednoj od tunelskih cijevi, nakon 4 kilometara tunela, postoji neobičan odvojak autoceste. To je odvojak koji vodi u veliki, odnosno najveći na svijetu podzemni laboratorij – Nacionalni laboratorij Gran Sasso. Talijanski su fizičari početkom 80-ih godina prošlog stoljeća predložili vlastima, kad se već buši toliki tunel kroz Gran Sasso, da se i njima izbuši, odmah pokraj, dvije-tri hale i tunel-dva. Zašto ne?

Zašto je fizičarima toliko interesantno eksperimentirati ispod kilometar i pol stijenja? Razlog su prvenstveno kozmičke zrake. Nekom radost, drugom žalost! Iz svemira konstantno našu atmosferu bombardiraju kozmičke zrake i stvaraju pljuskove razno-raznih čestica: protona, elektrona, pozitrona, miona, neutrina, kaona, … cijeli zoološki. Neke od tih čestica, a tu su naročito problematični mioni, imaju dovoljnu energiju da prodiru i duboko pod zemlju. Recimo da ste istraživač fenomena koji također stvaraju takve čestice, međutim ne želite da vaš detektor hvata ostatke kozmičkih zraka jer vam one sada samo smetaju – stvaraju šum u detektoru. Dobra je onda ideja izolirati taj detektor od kozmičkih zraka i to tako da ga se postavi što dublje pod zemlju. Alternativa izolaciji povećati je produkciju čestica iz pručavanoga fenomena sve dok se “ne nadglasa” šum proizveden kozmičkim zrakama. Tako to recimo rade u CERN-u čiji su detektori tek stotinu metara ispod površine zemlje. Ali ako je proučavani fenomen izuzetno rijedak i nema načina da se umjetno “pojača” onda ne preostaje drugo nego ići u duboke podzemne laboratorije, nerijetko izrađene u oknima napuštenih rudnika. Gran Sasso laboratorij najveći je na svijetu upravo zato što ima odlična pristup na toliku dubinu – autocestu, dok “konkurenti” moraju opremu i ljude spuštati liftovima. Nije baš praktično raditi u laboratoriju u koji se može ući i izaći tek par puta dnevno.

Kakvi su to rijetki događaji koji su zanimljivi za fiziku? U prvom redu, tu su neutrini – “mali neutralni”, a baš zato što su električki neutralni i iznimno male mase (za čistunce, uz dodatak da ne mare ni za jaku nuklearnu interakciju), za razliku od većine drugih elementarnih čestica, teško su i uhvatljivi. Iako ih ugrubo više od 10^14 (stotinu milijun milijuna) prolazi metrom kvadratnim u sekundi, rijetko koji međudjeluje s nama poznatom tvari. Kako su detekcije neutrina jako rijetke, tako i sve moguće smetnje detektorima moraju biti svedene na minimum. Eksperimenti u laboratoriju Gran Sasso koriste upravo izolaciju od 1400 metara stijenja, ekvivalentnu izolaciji od 3400 metara vode, da bi nesmetano detektirali neutrine. Na primjer eksperiment BOREXINO od 2007. detektira neutrine koji dolaze s naše najbliže zvijezde – Sunca. Sunce isijava svu tu silnu količinu energije, bez koje ne bi mogli zamisliti sadašnji život na Zemlji, zahvaljujući termonuklearnoj fuziji koja se odvija u jezgri Sunca. Oslobođena energija primarno “bježi” sa Sunca u obliku elektromagnetskog zračenja – fotona, ali manji postotak odlazi i s neutrinima koji nastaju u tim reakcijama. Ti se neutrini mogu detektirati u BOREXINO-u i tako pratiti što se događa u sunčevoj jezgri. Neutrini određene energije nastaju u određenoj nuklearnoj reakciji pa se stavljanjem u omjer intenziteta neutrina različitih energija može pretpostaviti koliko koja je određena reakcija prisutna u Suncu i tako bolje odrediti način funkcioniranja Sunca.

Jedno od značajnih pitanja za fiziku elementarnih čestica pitanje je stabilnosti protona, odnosno da li se pojedinačni proton može spontano raspasti. Već i teorijski modeli predviđaju da bi taj događaj trebao biti izuzetno rijedak, ali to ne znači da se od svih protona u atomima vodika oko nas neki od njih ne bi mogao spontano raspasti. Takav hipotetski rijedak događaj zahtijeva godine “osluškivanja” u podzemnim, dobro izoliranim detektorima. Od ranih 1980-tih rade se eksperimenti koji bi istražili taj hipotetski proces. Jedan od njih bio je i Kamiokande-II u Japanu smješten u napuštenom rudniku. On nije detektirao ni jedan raspad protona, ali je 1987. godine sasvim neplanirano detektirao 11 neutrina emitiranih s eksplodirajuće zvijezde – supernovae – nazvane SN1987A, u maloj galaktici Veliki Magellanov oblak koja prati našu Mliječnu stazu. Nekih 160 tisuća svjetlosnih godina od Zemlje. Bila je to prva detekcija neutrina iz eksplozije supernovae nakon čega su izgrađeni detektori diljem svijeta koji bi bili spremni istražiti iduću supernovau. Od 1992. godine LVD (Large Volume Detector, Detektor velikog volumena) u Gran Sassu s više od 1000 tona scintilatorske tekućine očekuje detekciju neutrina sa supernovae. Nažalost, do dana današnjeg, nakon 1987. godine, nije se pojavila ni jedna.

Moderna fizika suočava se s nekoliko velikih misterija, a jedan od njih predstavlja skup gravitacijskih fenomena koji su nedvojbeno opaženi u svemiru, a da se ne mogu jednostavno pomiriti s modernim općeprihvaćenim teorijama. Osnovna je hipoteza da bi se taj skup znanstvenih fenomena mogao objasniti “nevidljivom” tvari, nazvanom još i tamnom tvari. Ona je “tamna” i u smislu da je svjetlo ne može “osvijetliti” jer naprosto ne reagira na elektromagnetska polja, ali je i tamna u epistemološkom smislu – nema nikakvih indikacija, pored gravitacije, o čemu se radi. Konkretno, opažanja ukazuju na to da tamne tvari ima daleko više od vidljive tvari koja čini cijeli naš poznati, vidljivi svemir, od planeta i zvijezda, preko galaktika pa sve do međuzvjezdanog plina. Ako se zaista radi o tvari, možda ipak postoji nekakvo međudjelovanje s vidljivom tvari (točnije, barionskom), samo što je ono izuzetno slabo, odnosno događaji kad tamna tvar međudjeluje s barionskom tvari toliko su rijetki i treba ih osluškivati još i pažljivije nego neutrine. Postoji više eksperimenata u Gran Sassu koji pokušavaju detektirati tamnu tvar na različite načine, ali u suštini svih je da se napravi “zamka” za tamnu tvar koja bi reagirala ako uhvati pripadnika tamne tvari. Pri iščekivanju kakvog signala pokušava se što bolje izolirati okolni šum. Te tehnike izolacije inženjerski su pothvati vrijedni divljenja. Trenutno su aktivni eksperimenti DAMA, DARK SIDE-50, XENON, CRESST, SABRE, a samo DAMA ima indirektno pozitivne rezultate na tamnu tvar, iako drugi eksperimenti već godinama nisu potvrdili te rezultate tako da otkriće zapravo stoji “u zraku” i čeka eksperimente sličnog pristupa da pokušaju reproducirati sličan rezultat.

Pored detekcije neutrina i tamne tvari, postoji serija drugih eksperimenata koji se fokusiraju na druge vrlo rijetke hipotetske fenomene čijim bi se otkrivanjem dobile važne puzzle za aktualne hipoteze fizike elementarnih čestica. Na primjer, to su eksperimenti dvostrukog beta raspada bez neutrina: GERDA, COURE, CUPID.

Laboratorij Gran Sasso ujedno je i stalno gradilište – stari se eksperimenti rastavljaju i povlače kako bi ustupili mjesto novima, no svima je zajedničko da trebaju iznimnu zaštitu od utjecaja okolnog svijeta u srcu planine kako bi osluškivali izuzetne događaje u prirodi.

Talijanska fizika vrlo je angažirana i u posve novom području astrofizike – detekciji gravitacijskih valova. To je područje započelo snažno širenje kad je u jesen 2015. godine detektiran prvi gravitacijski val zajednički od strane kolaboracije LIGO (vođene Amerikancima) i Virgo (prvenstveno talijansko-francuski projekt). Nažalost po talijansku fiziku, za detekciju gravitacijskih valova nije potrebno toliko izolacija od vanjskog zračenja koliko mirno tlo, a Apeninski poluotok, kao što je opisano na početku teksta, ne može se pohvaliti seizmičkom stabilnošću. Mjesto u Europi gdje će se graditi veliki europski gravitacijski opservatorij, tzv. Einsteinov opservatorij, još nije određeno, a Sardinija je jedina talijanska lokacija koja se razmatra… O tome više možda u nekom od idućih izvještaja.