LHC - nowa nadzieja fizyki

Świat fizyków cząstek elementarnych i wysokich energii z niecierpliwością czeka na otwarcie LHC.

Na korytarzu w instytucie spotyka się dwóch profesorów fizyki wysokich energii:
- Czy wie może szanowny kolega kiedy w końcu ruszy LHC?
- Dwa lata temu...
Dowcip ten nie jest może najwyższych lotów, ale bardzo dobrze obrazuje, jak świat fizyków cząstek elementarnych i wysokich energii czeka na otwarcie projektu o skrótowej nazwie LHC.

 

 

Badania pod Genewą

Historia powstania laboratorium CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire – Europejski Ośrodek Badań Jądrowych) pod Genewą sięga połowy lat 50. ubiegłego wieku. Wtedy to 12 państw europejskich wyraziło chęć wzięcia udziału w jednym z największych projektów badawczych, jakie kiedykolwiek wystartowały. Od samego początku projekt nakierowany był na obserwację zjawisk zachodzących między cząstkami elementarnymi – poszukiwano nowych cząstek,  weryfikowano istniejące teorie oddziaływań, badano rozwój wszechświata. CERN jest też miejscem gdzie narodził się internet – w 1989 do celów wymiany danych między uczonymi stworzony został język HTML, który w tym momencie jest podstawą całej world wide web. Warto też na wstępie wspomnieć o udziale Polski w badaniach CERN-u – Polska jako jedyny kraj bloku socjalistycznego miała w latach 1964-1991 oficjalnie status państwa-obserwatora.  Od roku 1991 Polska jest pełnoprawnym uczestnikiem projektu. Polscy naukowcy, m. in. z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie projektują detektory i aparaturę elektroniczną do kolejnych eksperymentów.

Od samego początku sercem laboratorium CERN były akceleratory – potężnie urządzenia służące do przyśpieszania cząstek elementarnych do wielkich energii: pierwszy uruchomiony został w 1957 roku. Aparatura ta była technologicznie połączeniem synchrotronu i cyklotronu, przy jej pomocy potwierdzono doświadczalnie rozpad pionu na elektron i neutrino. Od tego czasu rozpoczął się rozkwit fizyki wysokich energii – wspominany pierwszy akcelerator potrafił poprzez operowanie polem magnetycznym i elektrycznym rozpędzić cząstki do energii 600 MeV.  Następca pierwszego akceleratora – SPS (Super Proton Synchrotron), potrafił już rozpędzać cząstki do energii 500-800 razy większej niż stosowany dotychczas. Była to kolejna rewolucja technologiczna, która umożliwiła obserwacje zderzeń materii z antymaterią, dzięki temu można było doświadczalnie potwierdzić przewidziane teoretycznie istnienie tzw. bozonów pośredniczących W i Z.

Wielkie Zderzacze

Trzeba tu wspomnieć także o „młodszym bracie” projektu LHC – projekcie LEP (large electron – positon collider, po polsku tłumaczony jako Wielki Zderzacz Leptonów). Ruszył on w 1989 roku. Dzięki niemu przeprowadzano badania weryfikujące tzw. Model Standardowy Cząstek Elementarnych, wykonano dokładniejsze badania bozonów W+, W- i Z0. Zderzacz LEP umieszczony został w owalnym tunelu o długości 27 km na głębokości od 40 do 130 metrów pod powierzchnią Ziemi. Projekt ten zamknięty został w 2000 roku, a na jego miejsce zaczęto wbudowywać instalacje Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC (large hadron collider).

LHC odziedziczył po swoim „starszym bracie” główny tunel laboratorium CERN. Pierwsze prace rozpoczęto w 1999 roku, projekt miał oficjalnie ruszyć z początkiem 2007 roku i, choć mamy już rok 2008, to nie ma jeszcze dokładnie sprecyzowanej daty oficjalnego startu LHC. Nowy akcelerator przeznaczony ma być do obserwacji zderzeń przeciwbieżnych wiązek protonów o energii 14 TeV (jest to energia około 20000 razy większa od tej, jaka dysponował pierwszy uruchomiony w CERN-ie akcelerator) oraz zderzeń protonów z jonami ołowiu przy całkowitej energii zderzenia 1100 TeV.

 

Tunel LHC. Źr. Wikipedia.

Po co w ogóle fizykom tak wielkie energie? Odpowiedź jest dość prosta – teoria kwantów przyniosła ze sobą koncepcję dualizmu korpuskularno-falowego (każdą cząstkę można traktować jak falę o określonej długości i częstotliwości). Jako że współczesna fizyka cząstek elementarnych wymaga obserwacji coraz mniejszych obiektów (wymiary rzędy femtometrów) to, zgodnie z mechaniką kwantową, by móc je obserwować trzeba uzyskiwać coraz większe energie (pomijając formalne zależności matematyczne można napisać, że im mniejsze obiekty chcemy obserwować,  tym o mniejszej długości musimy wziąć falę, a co za tym idzie – o większej energii). Do tego właśnie budowane są akceleratory.

Tunel z magnesami

Sam akcelerator jest rurą próżniową, otoczoną magnesami „trzymającymi” wiązkę w torze, zapobiegającymi „ucieczce”, a jednocześnie przyśpieszającymi cząstki. Rura wraz z różnego typu magnesami są głównymi elementami; oprócz tego potrzebne są pompy próżniowe (rotacyjne, jonowe, dyfuzyjne i in.) do utrzymania odpowiednio wysokiej próżni, pracujące w temperaturach ciekłego helu instalacje nadprzewodzące oraz elektronika rejestrująca wyniki poszczególnych eksperymentów.

LHC wyposażony ma być w cztery detektory; pierwszym z nich jest ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS) – detektor ogólnego przeznaczenia, w tworzeniu którego biorą udział Polacy z wymienionych wcześniej instytucji. Głównym jego elementem jest duży nadprzewodzący magnes z krzemowym detektorem wewnętrznym o powierzchni całkowitej 55m2. Przeznaczony jest do pomiaru mionów o bardzo dużych pędach. Drugim detektorem jest CMS (Compact Muon Solenoid – w projekcie tym biorą udział polscy uczeni z Instytut Problemów Jądrowych i Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego) – gigantyczny (długości 12 i szerokości 6 metrów) nadprzewodzący magnes solenoidalny zdolny wytworzyć stałe pole magnetyczne wielkości 4 T (tesli). Przeznaczony jest do badań mionów – wyposażono go w kalorymetr elektromagnetyczny, kalorymetr hadronowy oraz główny detektor śladowy.

Wszystkie wymienione już instytucje wraz z Politechniką Warszawską biorą także udział w pracach nad detektorem ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Detektor ten, umieszczony wewnątrz magnesu, złożony jest z półprzewodnikowego krzemowego detektora wierzchołka, detektora promieniowania przechodzącego, liczników czasu przelotu, detektorów Czerenkowa i spektrometru fotonowego. Ostatnim z „głównych” detektorów LHC jest LHCb przeznaczony do badania symetrii materia – antymateria.

 

 

Przebieg eksperymentu, w którym pojawia się bozon Higgsa. Źr. Wikipedia.

Co może się zdarzyć

A na co liczą fizycy? Po co tak naprawdę uruchamia się tak gigantyczne międzynarodowe przedsięwzięcie? Po pierwsze, naukowcy chcą ostatecznie zweryfikować Model Standardowy Cząstek i Sił  - nie jest do końca pewne, czy model ten jest poprawny. Zawiera on między innymi 19 parametrów, których wartości nie sposób przewidzieć na drodze teoretycznej. Do tej pory nie wiadomo, co tak naprawdę działo się w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata – tuż po Wielkim Wybuchu, niewyjaśniona pozostaje także zagadka masy Wszechświata oraz istnienia w nim tzw. ciemnej materii i ciemnej energii. Model nie wyjaśnia także problemu tzw. „neutrin słonecznych” oraz nie określa mas poszczególnych cząstek. W wyjaśnieniu zagadki istnienia masy jako takiej pomóc mogą poszukiwania bozonu Higgsa (cząstka ta nie jest ujmowana przez Model) – cząstka ta związana jest z ewentualnym istnieniem pola Higgsa – kwantowo-mechanicznego oddziaływania obecnego w całej przestrzeni. Oczekuje się, że jeśli takie pole i taka cząstka w rzeczywistości istnieje to jej obserwacja będzie możliwa właśnie przy pomocy LHC.

LHC ma służyć także próbom unifikacji oddziaływań podstawowych. Przy niskich energiach wyróżnia się cztery podstawowe oddziaływania – silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne. W  1970 udało się (właśnie przy pomocy akceleratorów) dokonać ujednolicenia oddziaływań słabych i elektromagnetycznych (do postaci nazwanej oddziaływaniem elektrosłabym). Nie udało się jednak do tej pory zunifikować pozostałych oddziaływań. Naukowcy mają nadzieję, że LHC pozwoli jednoznacznie potwierdzić teorię Supersymetrii, unifikującą wszystkie oddziaływania w jedno. Ważnym polem badań jest także łamanie symetrii między materią i antymaterią – okazało się już wcześniej, że antymateria nie jest dokładnym „odbiciem” znanej nam materii.

Wszystkie te zagadnienia są niezmiernie ważne dla rozwoju współczesnej fizyki – nie tylko fizyki cząstek jako takich lecz także kosmologii, kwantowej teorii pola oraz fizyki jądrowej. Pozostaje mieć nadzieję, że LHC ruszy jak najszybciej i będzie warty pracy weń włożonej i czasu, jaki świat poświęcił na czekanie.

Marcin Perzanowski

POSŁUCHAJ AUDYCJI - mp3 (10,6 MB)