Marko Mikuž

Fizik

Dr. Marko Mikuž je vodja odseka za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev na Institutu Jožef Stefan in profesor na ljubljanski Fakulteti za matematiko in fiziko. Je tudi eden od znanstvenikov, ki se lahko pohvalijo, da so aktivno sodelovali pri potrditvi obstoja Higgsovega bozona, elementarnega delca, ki je ključen za naše razumevanje delovanja vesolja. Eden največjih znanstvenih uspehov novega tisočletja je bil češnja na torti njegovega večdesetletnega sodelovanja pri raziskavah v Evropskem centru za jedrske raziskave pri Ženevi, bolj znanem kot CERN, kjer domuje veliki hadronski trkalnik, največji pospeševalnik delcev na svetu z obsegom 27 kilometrov. Gre za največji stroj na svetu, v katerem znanstveniki pospešijo delce do skorajšnje svetlobne hitrosti, ob njihovih trkih pa opazujejo razpadne produkte in tako dobivajo vpogled v še nikoli videne razsežnosti stvarstva. Trkalnik po premoru za nadgradnjo spet deluje s polno paro. In nova odkritja že sramežljivo kukajo na plan.

Kako bi svoje delo opisali v enem stavku?

(Dolg premislek) Veliko se trudimo, da bi malo razumeli.

Še vedno razumete malo?

Veliko razumeti je dolgočasno. Skale v naravi so logaritemske. Takoj ko neki segment razumeš, se ti odpre deset novih neznank. V določenem prostoru v določenem času je mogoče določeno stvar sorazmerno dobro razumeti, a to zgolj pomeni, da so naši gabariti razumevanja omejeni. Dejanski gabariti Narave pa so, kot kaže za zdaj, dejansko neomejeni. Lahko sicer, da obstaja enotna teorija vsega. A dokler to ostaja zgolj stvar drznih napovedi človeškega uma, ki si med seboj lahko tudi diametralno nasprotujejo, je človek lahko tudi malo skeptičen. Svoj svet že razmeroma dobro obvladamo, takoj ko gremo v neskončno veliko ali neskončno majhno, pa nam do razumevanja procesov še veliko manjka. Razumemo morda pet odstotkov vesolja. O preostalih 95 odstotkih se nam niti ne sanja, vemo samo, da so.

Odkrivanje novih stvari pa kljub temu postaja vse težje.

Laboratoriji, kamor štejem tudi veliki hadronski trkalnik, res postajajo vse večji in dražji. Danes se znanje vse pogosteje koncentrira okoli več milijard vrednih aparatur. Našemu področju vladajo večletni ali celo večdesetletni cikli. Ne gre več tako, da dobim idejo, se zaprem za pol leta v laboratorij, izdelam aparaturo, izvedem meritve in čez dva meseca objavim članek. Zdi se, da so stvari že toliko preigrane, da sama ideja ni več zadosti. Potrebuješ veliko idej, veliko denarja in veliko ljudi. Če poskušaš ta proces prehitevati, se večinoma slabo konča, kar smo v zadnjem času že videli, na primer ob objavi domnevnega odkritja nadsvetlobne hitrosti.

Za kaj je šlo?

Pred petimi leti so kolegi iz kolaboracije OPERA objavili, da so nevtrini iz Cerna detektor v italijanskih Alpah dosegli 60 milijardink sekunde prehitro, da so torej potovali z nadsvetlobno hitrostjo. Ker niso hoteli, da jih kdo pri objavi prehiti, so sami preveč pohiteli. Izkazalo se je namreč, da je šlo za povsem trivialno instrumentalno napako.

Torej je tudi v fiziki osnovnih delcev prisotna dirka za objave?

Tukaj ni šlo samo za objavo. Odkritje nadsvetlobne hitrosti bi odkriteljem praktično takoj prineslo Nobelovo nagrado. Dobitek je bil prevelik, da ne bi kupili srečke. Je pa bil to seveda hud fiasko za znanost.

Ste bili kdaj tudi sami v taki dilemi?

Ne. Če pogledate na primer našo objavo o odkritju Higgsovega bozona, vidite, da ravnamo zelo konservativno. Včasih bi si morda celo želel, da bi bili nekoliko bolj »avanturistični«, a se v istem trenutku tudi zavem, da nam tega ni treba. Edinstvenost trkalnika nam zagotavlja ekskluzivo, zaradi katere nima smisla tvegati. Res je sicer, da v okviru trkalnika delujeta dva ločena eksperimenta s podobno zmogljivima detektorjema – naš ATLAS in sestrski CMS. A velja dogovor, da potencialnih odkritij ne smemo objavljati, preden kolegi iz drugega eksperimenta ne preverijo, ali so tudi sami z meritvami dobili enake rezultate. Več podatkov nam tudi omogoča statistično zanesljivejše ugotovitve. Pred nami je še šest let dela, potem pa bo skoraj zagotovo sledila nadgradnja trkalnika, na podlagi katere bo obratoval vsaj še nadaljnjih deset let, in to pri desetkrat večji pogostosti trkov. Časa imamo dovolj, da nam ni treba prehitevati. Zato tudi še čakamo z uradno objavo potencialnega novega delca.

Kakšnega?

Opazili smo signal, zelo podoben tistemu, ki smo ga zaznali pri razpadu Higgsovega bozona. Gre za dva visoko energijska fotona, ki pa se v tem primeru sestavita v delec z maso, ki je približno šestkrat večja od mase Higgsovega bozona. Če bodo nadaljnje meritve naša opažanja potrdile, bi šlo za prvi delec, ki ga ni v standardnem modelu osnovnih delcev. Morda gre za del temne snovi. Za zdaj nam še ni uspelo z dovolj veliko verjetnostjo izključiti možnosti, da gre za naključne rezultate že znanih procesov. To pa teoretskih fizikov ni ustavilo, da ne bi v enem tednu po prvem obvestilu o potencialnem novem delcu spisali več kot sto člankov, v katerih so že pojasnjevali, kaj smo odkrili, pri čemer so bile nekatere od razlag istih avtorjev celo diametralno nasprotne. Vse skupaj že malo meji na rumeni tisk.

Se »rumene« znanstvene objave množijo?

Dejansko ta teoretična domišljija že dolgo časa prehiteva rezultate, ki jih mi, eksperimentalci, uspemo dobaviti. Prevečkrat se dogaja, da vzamejo samo tiste rezultate, ki govorijo v prid njihovi teoriji, ostale pa zanemarijo. Nekateri za iste rezultate objavijo celo več različnih interpretacij, češ, ena bo že pravilna. Znanost po mojem mnenju ne bi smela biti kupovanje srečk. Morda bo eden od teh stotih teoretikov na koncu res slaven, če se bo njegova teorija izkazala za pravilno. A zanjo ni imel nikakršne oprijemljive znanstvene osnove, izključno špekulacije.

Je Einstein na trenutke tudi preveč špekuliral?

Einstein je imel takrat še zelo veliko stvari, ki jih je bilo treba razložiti. Eksperimentalnih enigem je bilo na pretek, večina pa je bila pred njegovo razlago že jasno izmerjenih in zadovoljivo dokazanih. Njegov največji izlet v neznano je bila mogoče splošna teorija relativnosti v letu 1915. Tam so njegove napovedi prišle pred eksperimenti. Napovedano ukrivljenje svetlobe so denimo izmerili šele leta 1919 pri opazovanju Sončevega mrka. Saj to so Einsteinu takrat tudi očitali. Dolgo let prav zaradi tega ni dobil Nobelove nagrade. Ne trdim, da ne bi smeli razmišljati za naprej, vendar pa bi morali teorije prilagajati eksperimentalnim rezultatom, ne pa rezultatov prilagajati teorijam. V Cernu smo glede tega precej zaščiteni, se pa tudi tam dogaja, da posamezniki, ki se imajo za frajerje, pišejo bloge in interpretirajo nepotrjene rezultate.

Kakšna je socialna dinamika v tako veliki raziskovalni ustanovi?

Če daš na kup tri tisoč egov, je pravzaprav čudež, da je vse skupaj še vedno obvladljivo. Obvladljive pa so zgolj zato, ker imamo skupen cilj in ker se držimo dokaj rigidnih pravil. Celo vrstni red avtorjev je na vseh znanstvenih objavah strogo določen – imena si vedno sledijo po abecednem redu. Brez tovrstnih pravil bi kolaboracije hitro razpadle. Samo ob vestnem sodelovanju vseh pa je mogoče priti do odkritij, kakršen je bil Higgsov bozon. Nihče od nas ne razume vsega, kar počnemo. Kdor trdi, da zna narediti vse in da razume vse podrobnosti, po navadi ne dela nič, razume pa še manj.

Prej ste omenili, da je nadgradnja trkalnika že tako rekoč dejstvo. Zdi se mi, da se je o nadgradnji, izboljšavi, povečanju začelo govoriti skorajda v trenutku, ko je novi trkalnik začel obratovati. Ste sploh kdaj zadovoljni?

Saj veste, to je logaritemska skala, o kateri sem govoril. Takoj ko nekaj obvladaš, že razmišljaš o naslednji stopnji. In če začneš o tem razmišljati šele ob koncu življenjskega cikla trkalnika, si s tem celotno znanstveno področje obsodil na večletno životarjenje. Redki imamo privilegij, da se s področjem eksperimentalne fizike osnovnih delcev ukvarjamo celotno znanstveno kariero. Za večino to obdobje ni daljše od desetih let. In če ti padejo v »luknjo«, v čas načrtovanja in gradnje novega trkalnika, od njihovega raziskovalnega dela na tem področju ne bo nič. S tem bi si zapravili podmladek. Ko so stvari na vrhuncu, je že treba načrtovati naslednjo stopnjo. Ne nazadnje je takrat tudi najlaže dobiti denar.

Zakaj pa niste že v startu naredili večjega trkalnika in se tako izognili nenehnemu načrtovanju izboljšav in nadgradenj?

Preprosto – ker tega nismo znali. Trkalnik LHC je bil v tistem trenutku vrhunec tehnologije. Naprava je izjemno zapletena, tako na strani pospeševalnika kot na strani detektorjev. Med gradnjo se vedno naučiš novih stvari, ki pa nikoli ne pospešijo gradnje, temveč jo vedno zavlečejo.

Znanost se vse pogosteje koncentrira okoli več milijard vrednih aparatur. Ne gre več tako, da dobim idejo, se zaprem za pol leta v laboratorij, izdelam aparaturo, izvedem meritve in čez dva meseca objavim članek.

Kako zelo se bojite raznih okvar? Verjetno je na tako ogromni napravi zelo težko odkriti točno mesto okvare.

Za zdaj imamo, kar se tega tiče, precejšnjo srečo, kakšnih katastrofičnih dogodkov nismo imeli. Detektorji so sicer zasnovani modularno, zaradi česar je mogoče možne lokacije okvare dokaj hitro zožiti na obvladljivo območje, težava pa je v tem, da je do večine naprav skoraj nemogoče dostopati, ker so hermetično zaprte. Takoj ko je treba del naprave razstaviti, vam to vzame leto in pol. Nekateri deli našega detektorja ATLAS dejansko ne delujejo več, a je naprava zasnovana redundančno, saj ob okvari enega sklopa drugi sklopi lahko vsaj deloma prevzamejo njegovo nalogo, kar zagotavlja zadovoljivo funkcionalnost. Je pa jasno, da se z leti naprava stara, zato pričakujemo, da bo okvar vedno več.

Sploh zaradi vedno višjih energij trkov?

No ja, sevalne poškodbe se tudi sčasoma pojavijo, a večina okvar je razmeroma trivialnih, na primer slabo pritrjeni kabli. Raznih povezav je na takšni napravi toliko, da se tudi ob največji možni pazljivosti nujno dogajajo tudi napake in okvare, ki se z leti nalagajo. Zato tudi načrtujemo, da bomo enkrat v prihodnjem desetletju zamenjali celoten notranji del detektorja. To so normalni cikli. Peti blok v Termoelektrarni Šoštanj bi lahko še vedno deloval, a so ga ustavili, ker je vzdrževanje postalo predrago. Podobno je pri nas – ko vzdrževanje detektorja postane prezahtevno in predrago, ga je pač treba zamenjati.

Koliko pa so realne napovedi o povsem novem pospeševalniku s stokilometrskim obsegom?

Da bi gradili nov trkalnik z dvakrat večjo energijo, nima smisla. Zmogljivost je treba povečati vsaj za desetkrat. Pri doseganju večje energije nas omejujejo predvsem magneti. Za to, da curek protonov ostaja znotraj pospeševalnika, ga je treba močno kriviti z magnetnim poljem. Z današnjo tehnologijo bi moč magnetnega polja morda lahko podvojili. Za večje povečanje energije pa je enostavno treba povečati obseg trkalnika, da zmanjšamo ukrivljenost in s tem potrebo po močnejšem magnetnem polju. Pojavljajo se tudi ideje o tristo kilometrov dolgem predoru, ki bi sploh odpravil potrebo po nadgradnji magnetov. A tu se pojavi problem. Upravičenost gradnje takih aparatur namreč temelji tudi na spodbujanju tehnološkega napredka. Izboljšani magneti bi koristili tudi širši skupnosti, na primer z uporabo v napravah za magnetno resonanco. V našem poslu se ni vedno najbolje odločiti za najcenejšo rešitev, več šteje potencialni vpliv novih rešitev na širšo družbo.

Kako gledate na dejstvo, da je kljub velikim znanstvenim uspehom v Cernu najbolj znana stvar, ki je prišla od tam, še vedno svetovni splet?

Zadetek na Lotu nikoli ni sorazmeren z vložkom. Če dovoljkrat poizkušaš, ti enkrat uspe. Pojavila se je potreba, prisotni so bili pravi ljudje, tehnologija pa je ravno dosegla stopnjo, ki je omogočala pravo sinergijo za produkt, na katerem danes temelji človeštvo. Ne slepim se, da ni bilo to odkritje samo vprašanje časa, a že samo v primeru, da bi se prihod svetovnega spleta zamaknil za kako leto ali dve, bi to danes pomenilo nekaj odstotkov manjši svetovni bruto družbeni proizvod.

Koliko časa sploh preživite v Cernu? Imate tam svojo pisarno?

Seveda jo imam. Že 30 let. V tem času, ko je treba zgolj skrbeti, da stvari nemoteno tečejo, je dovolj, da grem tja dvakrat na mesec za nekaj dni. Petkrat na leto prevzamem tudi dežurstvo za konec tedna, da razbremenim ljudi, ki so sicer nenehno tam. V Cernu sem doma. Ko grem tja, nimam občutka, da sem kam odpotoval. Tam imam tudi stanovanje.

So vaši nedavni uspehi povečali zanimanje študentov za fiziko osnovnih delcev?

Rekel bi, da so. Pred tem, ko smo čakali na zagon trkalnika in nismo imeli še nikakršnih konkretnih rezultatov, ki bi jih lahko pokazali, so se za to področje odločali le res največji zanesenjaki, z medijskim pompom okrog Higgsovega bozona pa smo postali prepoznavnejši. Svoj delež bi lahko prispevalo tudi članstvo Slovenije v Cernu, ki bo, kot kaže, vendarle postalo realnost. Imamo pa še vedno, tako kot celotna slovenska znanost, zelo slabo razmerje med starejšimi profesorji in podiplomskimi študenti. Na vseh ostalih področjih smo z nekaj iznajdljivosti lahko konkurenčni, pri številu doktorandov pa zelo zaostajamo in to je velika škoda.

Ja članstvo Slovenije v Cernu že dejstvo?

To bom verjel šele takrat, ko bo v Cernu visela tudi slovenska zastava. V tem trenutku bolj zaupam našim meritvam, ki kažejo na še ne poznan novi delec, kot pa obljubam slovenske politike. Lahko pa rečem, da za zdaj kaže dobro, da se bo zgodba, ki smo jo začeli leta 2009, vendarle pozitivno končala. Ampak saj veste, slovenska politika je ladja, ki pluje po zelo plitvem morju in vsake toliko podrsa po dnu, zaradi česar kakšen član posadke pade dol. In če se to zgodi napačnemu človeku, se lahko postopek spet ustavi. Ampak v tem primeru nas bodo imeli po mojem mnenju v Cernu dovolj.

Članarina je precej visoka, omenja se številka tri milijone evrov. Ali ne bi bilo denar bolj smiselno nameniti povečanju števila podiplomskih študentov?

Če se zapleteva v to debato, bova končala pri Murinih šiviljah, ki si bolj zaslužijo pomoč kot mladi raziskovalci. Po javnem mnenju bi na koncu prišli do tega, da bo najbolje, če vsak upokojenec dobi deset evrov dodatka pri pokojnini. Pri članstvu v Cernu gre po mojem mnenju za investicijo v razvoj države. In tudi če bi članarina dejansko znašala tri milijone evrov – v resnici bo precej nižja –, bi to pomenilo evro in pol na prebivalca.

Pa vendar, zakaj je članstvo tako pomembno? Ne nazadnje vi že 30 let brez težav delujete v Cernu.

Dejstvo, da v Cernu sodelujemo že 30 let, potrebe po članstvu prav v ničemer ne spremeni. Dejstvo je namreč, da naša industrija že 30 let nima nikakršnih možnosti za naročila iz Cerna. Imamo dve izjemno propulzivni podjetji na področju kontrole pospeševalnikov, Cosylab in Instrumentation Technologies, ki opremljata praktično vse pospeševalnike po svetu, razen tistih v Cernu. Pa ne mislim, da bi imeli z naročili iz Cerna velike dobičke, bi pa pridobili dodatne reference, ki bi jim v globalnem merilu dvignile ugled in ceno. Podjetje Comtrade je z našo pomočjo dobilo večji posel v Cernu, pa so ga morali izpeljati prek njihove srbske podružnice, ker smo v Sloveniji zavlačevali s pridružitvijo. Že samo davki, ki jih je na ta račun pobrala Srbija, niso bili neprimerljivi z letno članarino.

Kdaj ste prvič slišali za Higgsov bozon?

Že pred kakimi tridesetimi leti sem slišal, da so ga odkrili. Higgsov bozon je del standardnega modela osnovnih delcev od leta 1967, tako da sem se o njem učil na predavanjih v okviru podiplomskega študija. So pa profesorji takrat redno izražali dvom o njegovem obstoju.

Kje pa ste bili, ko ste izvedeli za dokončno potrditev odkritja Higgsovega bozona?

Bil sem na konferenci v Melbournu. Seveda sem vedel, da se nekaj kuha, a zadnje podatke so analizirali ravno takrat, ko sem bil na letalu za Avstralijo. So pa naznanitev odkritja v Cernu organizirali dopoldne, da smo lahko tudi tisti, ki smo bili v Avstraliji, zvečer normalno spremljali dogodek. To je bil res poseben, epohalen dogodek, ki ga človek doživi enkrat v življenju.

Šampanjec ste odprli?

Vsekakor, pa ne samo to. Naša branža ni med najbolj puritanskimi. Znamo se poveseliti.

Če bi sami dobili priložnost poimenovati neki nov delec, kako bi ga poimenovali? Ali obstaja glede tega kakšno pravilo?

Pojma nimam, kako bi ga poimenoval. Po navadi imajo delci dokaj butasta imena. Higgsov bozon bi bil zelo lahko H-bozon, če bi se držali ustaljene nomenklature. A ker se je ime tako zelo uveljavilo tudi v popularni kulturi, mu je težko vzeti ves žar. V zadnjem času so se sicer celo pojavili pozivi, da bi ga morali preimenovati v BEH-bozon, po utemeljiteljih Higgsovega mehanizma Robertu Broutu, Françiosu Englertu in Petru Higgsu. Še na lanski konferenci v Ljubljani smo imeli razprave v zvezi s tem. Na koncu je vendarle obveljalo mnenje, da nima smisla spreminjati nečesa, s čimer smo bili 40 let povsem zadovoljni. Se pa Higgsov mehanizem, ki je odgovoren za zlom elektrošibke sile in katerega rezultat je Higgsov bozon, po novem uradno imenuje BEH-mehanizem.

Rahlo brezplodno mi delujejo te vaše razprave.

Absolutno. Ampak saj vendar ne moremo vedno delati s stoodstotnim izkoristkom.

Kako pa bo poimenovan potencialni novi delec, ki ga zaznavate v meritvah?

Ta bo, če bo, dobil skrajno dolgočasno ime. Verjetno mu bomo na začetku dali kakšno črko v stilu X, Y ali Z, ki na neki način nakazujejo, da še ne vemo dobro, kam ga uvrstiti.

Teoretično laično vprašanje: kaj bi se zgodilo, če bi me zadel proton iz pospeševalnika?

En proton bi šel preprosto skozi vas, ne da bi to opazili. Tudi če bi ostal v vas, kar ni mogoče, pa bi bilo to podobno, kot da bi vas pičil komar. Če se pogovarjava o tem, da bi vas zadel celoten curek protonov iz pospeševalnika, pa bi verjetno skozi vas zvrtal luknjo. Uparil bi tkivo, skozi katero bi potoval. Vprašanje pa je, ali bi trk ob vaše telo protone dovolj zmotil, da bi prenehali krožiti. Sicer bi šli skozi vas stotisočkrat v sekundi, kar pomeni, da bi vas ob kakršnemkoli premiku prerezali. S tem se ne gre šaliti. Trenutno v pospeševalniku poganjamo dvakrat po dva tisoč gruč protonov. V vsaki gruči pa je sto milijard protonov. To pa ni več eden. Notranjost pospeševalnika ni najbolj prijazno okolje na svetu. Tudi če stojite nekaj centimetrov stran od curka protonov, boste zaradi trkov deležni desetih milijonov nabitih delcev na kvadratni centimeter telesa. Sevanje bi vas dokaj hitro ubilo. Jasno pa, da je vsa zadeva hermetično zaprta in zakopana sto metrov po zemljo. Delcev, s katerimi smo stalno bombardirani iz vesolja, je mnogo mnogo več kot delcev, ki jim slučajno uspe prilesti iz pospeševalnika na površje.

Ukvarjate se s področjem znanosti, ki je laikom razmeroma težko razumljivo. Je to za vas breme ali olajšava?

S tem nimam nikakršnih težav. Rekel bi, da vsak, ki se malenkost potrudi, na določeni ravni lahko razume naše delo. Seveda pa to ne pomeni, da lahko potem pridete v Cern in analizirate podatke. Nismo nerazumljivi, bi pa rekel, da v našem šolstvu primanjkuje volje pri učiteljih, da bi te paradigme najprej sami osvojili na neki ravni in jih nato na primerni ravni podali že vsaj srednješolcem. Še vedno se oklepajo načela, da je atom sestavljen iz jedra in elektronov. Kaj sestavlja jedro, je že napredna znanost. Kaj sestavlja protone in nevtrone, pa je že znanstvena fantastika. Kot bi se svet zanje ustavil pred 80 leti.

Ali poleg fizike osnovnih delcev obstaja še kakšno področje znanosti, ki ga z zanimanjem spremljate?

Glede na to, da imam dve hčeri v medicini, me tudi napredek na tem področju ne pusti hladnega. Nasploh je fascinantno, kaj zmore človeško telo oziroma živi organizmi nasploh. Povprečen fizik vam ne bo znal razložiti, kako ima lahko telo 20-odstotni izkoristek hrane, kako lahko 20 odstotkov zaužite energije pretvori v mehansko energijo, ne da bi hrano zažgali. Tehnologija živih bitij je fascinantna, posnemati pa jo je izjemno težko. Vodikove gorivne celice so morda en korak v to smer, a smo še vedno zelo na začetku. Na osnovi bioloških modelov pretvorbe sladkorja v energijo bi si predstavljal, da bi morali tehnološko vsaj bencin znati neposredno pretvoriti v elektriko. To bi lahko pomenilo pravo revolucijo, saj bi izkoristek energije lahko povečali za trikrat. Ne verjamem namreč, da se lahko vrnemo v jame in da lahko porabo energije zmanjšamo za desetkrat. Kvečjemu bomo porabo povečali, ker bo večji del človeštva hotel živeti tako kot mi. Vsaj upamo lahko, da bodo to hoteli. Ker če tega ne bodo hoteli ali pa če jim tega ne bomo sposobni omogočiti, nas bodo prej ali slej pojedli. Če nam ne bodo uspeli slediti, jim bomo v napoto. In če jim bo kdo obljubil boljše življenje šele po smrti, se bodo pač razstrelili. To so težave, ki jih po mojem ne bomo rešili s filozofijo, ampak s tehnologijo. Zato me vsak tehnološki preboj navda z upanjem za prihodnost človeštva.