Wielki Zderzacz Hadronów wraca do gry, w której stawką są granice znanej nam fizyki

Na przedmieściach Genewy, ładnego szwajcarskiego miasta, znajduje się ośrodek naukowy, do którego dojechać można komunikacją miejską. Spory kompleks budynków to siedziba CERN (słyszeliście o nim ostatno w kontekście odprawienia rosyjskich naukowców), w którym naukowcy zrzeszeni w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych i współpracujący z nią prowadzą badania w zakresie fizyki wysokich energii. To tysiące pracowników technicznych i jeszcze więcej naukowców, w tym kilkaset osób z Polski.

Choć już rozmiar naziemnej placówki robi wrażenie, to prawdziwa jej potęga kryje się dopiero pod ziemią, gdzie umieszczone są wielkie pierścienie tuneli, w których cząstki elementarne przyśpieszane są do ogromnych prędkości, czasem bliskich prędkościom światła. Następnie ich strumienie są wprowadzane do instrumentów naukowych, w których następują kolizje różnych strumieni cząstek i dzieje się nowa fizyka.

Tunel LHC w CERN pod Genewą. U góry widoczne jezioro Genewskie i lotnisko w Genewie

No nie do końca taka nowa, bo często przewidziana już przez teoretyków, ale też fizyka, która dla zwykłego człowieka jest czymś bardzo egzotycznym, często nie do objęcia umysłem. Badania te pochłaniają ogromne kwoty, ale to wydatki potrzebne, być może bardziej niż miliardy „trwonione” na projekt rakiety SLS NASA, która ostatnio „z podkulonym ogonem” wróciła do hangaru po nieudanych próbach tankowania ciekłym wodorem.

Zespoły pracujące w CERN składają się niejednokrotnie z kilkudziesięciu i więcej naukowców. Z kolei wnioski są często krótkie i zwięzłe. To dlatego zdarza się, że opisujące je artykuły bywają równie długie co lista autorów

Badania prowadzone w CERN sprawiają, że można uznać go za wylęgarnię wielu noblistów, to tu by usprawnić komunikację pomiędzy zespołami badawczymi i ogarnąć manipulację przepastnymi bazami danych zbieranych przy każdym eksperymencie, rozpoczęła się historia WWW. I o ile uzasadnienie badań w kosmosie dość trudno do nas dociera, to sukcesy CERN takie jak techniki obrazowania w medycynie czy metody neutralizacji odpadów nuklearnych, to coś czego przydatności w żaden sposób nie da się zakwestionować.

Państwa członkowskie CERN i obserwatorzy

Obecnie CERN zrzesza 23 państwa (Polska jest członkiem od 1991 wcześniej była obserwatorem) i wiele państw o statusie obserwatora.

Jak widać, okazji do świętowania w ciągu kilkudziesięciu lat funkcjonowania CERN było wiele

W fizyce wysokich energii chodzi dokładnie o to, co wynika z nazwy

Fizyka wysokich energii (fizyka cząstek elementarnych) ma to do siebie, że stopień zaawansowania badań zależy od energii jaką jesteśmy w stanie nadać cząstkom czy też cząsteczkom. Im wyższa energia, tym więcej ciekawych cząstek może powstać, w tym większym stopniu jesteśmy w stanie badać elementarne prawa, oddziaływania i zjawiska zachodzące w świecie cząstek elementarnych (które czasem przestają być elementarnymi, gdy eksperyment potwierdzi istnienie jeszcze bardziej podstawowych składników materii).

Fizyka wysokiej energii wymaga ruchu także ze strony pracowników CERN. W końcu trzeba jakoś dotrzeć do poszczególnych elementów akceleratora w tunelu

Energia w fizyce wysokich energii wyrażana jest w elektronowoltach. Jeden elektronowolt to energia jaką zyskuje/traci elektron na przemieszczając się w polu elektrycznym o potencjale 1 Wolta. Ponieważ każda cząstka ma różną masę, ta sama nadana jej energia nie oznacza tej samej prędkości. Najłatwiej przyśpieszać elektrony, znacznie trudniej protony, a na tym nie kończy się menażeria obdarzonych ładunkiem cząstek, które znamy. W zasadzie dopiero się zaczyna.

Teoria przewiduje istnienie przeróżnych cząstek, oddziaływań, które objawić mogą się nam tylko przy bardzo wysokich energiach. Stanowią one część różnych modeli istnienia jak i powstania Wszechświata, mogą być także furtką do nieznanych dziś sposobów manipulacji materią

Wiele z nich egzystuje w naszej rzeczywistości tylko przez bardzo drobne ułamki sekund (miliardowe części a nawet dużo krócej), a potem ulegają rozpadowi do bardziej trwałych cząstek, czasem anihilacji, dlatego instrumenty badawcze muszą szybko je wykrywać po ich powstaniu w wyniku zderzeń innych cząstek.

Fizyka wysokich energii jest bardzo ciekawa, ale jednocześnie trudno uznać ją za intuicyjną dla człowieka, który próbuje ją zrozumieć wprost. Na szczęście podstawy nie są skomplikowane, a wyjaśnienia obserwacji na tyle zrozumiałe, że nie trzeba skomplikowanego wprowadzenia, gdy ogłaszane są odkrycia.

CERN to instytucja, która wiecznie się rozbudowuje

Ponieważ naukowcy od zawsze dążyli do nadawania cząstkom coraz większych energii, konieczna była budowa coraz większych urządzeń do ich przyśpieszania zwanych akceleratorami. Nie od razu jednak Rzym zbudowano, dlatego i w CERNie najpierw powstawały akceleratory nadające cząstkom mniejsze energie. Pierwsza aparatura tego typu z 1957 roku przyśpieszała cząstki do energii 600 MeV (megaelektronowoltów, czyli milionów elektronowoltów). Dla porównania masa elektronu wyrażona w jednostkach stosowanych w fizyce cząstek to 0,511 MeV/c² (wynika to z wzoru m = E/c²), a protonu 938 MeV/c².

Linac 4, czyli liniowy akcelerator, gdzie wstępnie rozpędzane są ujemne jony wodoru

Potem dołączano do nich coraz potężniejsze akceleratory, gdy wyczerpywano możliwości poprzedniej ich generacji. Obecnie na terenie CERN działa LHC czyli Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider) umieszczony w tunelu o długości 27 km i głębokości do 175 m. Te starsze wciąż funkcjonują i pełnią rolę wstępnych przyśpieszaczy wiązek materii. Największy z nich to SPS (Super Proton Synchrotron) umieszczony z 7 km długości tunelu.

Wnętrze SPS, tunelu o długości 7 km

CIEKAWOSTKA: Hadron w nazwie LHC to określenie dla cząstek, które złożone są z kwarków i bezmasowych gluonów, czyli cząstek elementarnych, które pośredniczą w silnych oddziaływaniach. To najsilniejsze znane nam oddziaływania, jednocześnie działające na bardzo krótkim dystansie porównywalnym z rozmiarem np. protonu. Hadronem jest między innymi proton, neutron.

CIEKAWOSTKA: Proste akceleratory liniowe, czyli rozpędzające elektrony w linii, kiedyś znajdowały się w każdym domu. Stanowiły część kineskopów, w telewizorach i monitorach. To dlatego od czasu do czasu konieczna była demagnetyzacja maski kineskopu, a w nieekranowanych konstrukcjach głośniki potrafiły zakłócić poprawne wyświetlanie obrazu

LHC zastąpił akcelerator LEP (Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytronowy), w przypadku którego energie zderzeń sięgały ponad 200 GeV (gigaelektronowoltów, czyli miliardów elektronowoltów).

Po zamknięciu LEP w 2000 roku w kołowym tunelu przebiegającym pod granicą szwajcarsko-francuską rozpoczęto instalację aparatury akceleratora LHC, który ruszył ostatecznie w 2008 roku. Ten jest w stanie zapewnić docelowo energię zderzeń na poziomie kilkunastu TeV (teraelektronowoltów, czyli bilionów elektronowoltów), ale te wartości osiągane były stopniowo.

Funkcjonowanie LHC podzielone jest na tak zwane okresy działania (ang. Run) i okresy długiego wyłączenia (ang. Long Shutdown), gdy aparatura jest modernizowana, by umożliwić osiągnięcie jeszcze większych energii. Drugi okres wyłączenia (Long Shutdown 2) właśnie się zakończył i LHC wkracza w trzeci okres działania (Run3).

Po trzyletniej przerwie, 22 kwietnia 2022 roku LHC rozpoczął trzecią fazę swojej pracy, która potrwa do 2026 roku. Po niej ponownie zostanie wyłączony, by po raz trzeci ulec modernizacji

Jak działa LHC?

Cząstki w LHC są przyśpieszane w polu elektrycznym, natomiast pole magnetyczne służy do zakrzywiania toru ich ruchu. Najpierw wiązka jonów wodorowych, a potem już samych protonów jest wstępnie przyśpieszana w mniejszych akceleratorach, najpierw do energii 160 MeV, potem do 2 GeV, następnie do 25 GeV i ostatecznie do 450 GeV, aż w końcu jest wprowadzana do 27 km tunelu LHC.

Dla zainteresowanych. Schemat kompleksu akceleratorów CERN. LHC jest głównym, ale nie jedynym instrumentem w całej gałęzi urządzeń, które przyśpieszają cząstki do ogromnych energii

Gdy wiązka cząstek w tunelu LHC osiągnie odpowiednią energię jest wyprowadzana do aparatury badawczej, gdzie ulega kolizji z inną wiązką (stąd nazwa zderzacz). Dlatego mówiąc o energii zderzeń 14 TeV w LHC mamy na myśli zderzenie (podobnie jak przy zderzeniu samochodów nadjeżdżających z przeciwnych stron) przeciwbieżnych wiązek cząstek (w tym przypadku protonów) o energii 7 TeV każda.

Przyśpieszenie za pomocą pola elektrycznego z oczywistych powodów jest możliwe jedynie w przypadku naładowanych cząstek lub jonów. Wiązki cząstek o neutralnym ładunku, takich jak neutrony, powstają w sposób wtórny w wyniku zderzeń lub jako efekt rozpadu izotopów promieniotwórczych

Przekrój tuby w której rozpędzane są cząstki

Zderzenia następują wewnątrz detektorów o różnym przeznaczeniu. Na przykład ATLAS jest uniwersalnym detektorem. ALICE koncentruje się na obserwacjach zderzeń jonów, czyli często masywniejszych, ale naładowanych cząsteczek. Dwa pozostałe główne detektory to CMS i LHCb. Pierwszy z nich służy między innymi badaniom założeń Modelu Standardowego, w tym bozonów Higgsa (istnienie cząstek o podobnych własnościach potwierdzono w 2012 roku), a także poszukiwaniu cząstek, które mogą tworzyć ciemną materię lub stanowić furtkę do innych wymiarów. Drugi koncentruje się na analizie różnic pomiędzy materią i antymaterią.

To zdjęcie pokazuje jak dużym detektorem jest na przykład ALICE

Model Standardowy to najpowszechniej akceptowana teoria opisująca fizykę cząstek elementarnych i towarzyszące im oddziaływania. Wiele rzeczy, ktore dzieją się w naszym Wszechświecie wynika z Modelu Standardowego

Co było celem drugiej modernizacji LHC?

Wraz z tym etapem LHC wkroczył w fazę HL-LHC czyli Wysokiej Jasności Wielkiego Zderzacza Hadronów. Jasność w tym przypadku oznacza natężenie wiązki cząstek, która zostanie podniesiona co najmniej o rząd wielkości w porównaniu do wcześniejszej fazy funkcjonowania LHC. Zderzenia takich jasnych wiązek cząstek stanowią znacznie bogatsze rezerwuary innych cząstek, a ponieważ w takiej fizyce ważne jest prawdopodobieństwo, im więcej zjawisk tym większa szansa, że dostrzeżemy te najbardziej interesujące. Zgromadzona zostanie także większa liczba danych, a to oznacza, że modernizacją aparatury wymusi także modernizację sieci komputerowej na terenie CERN.

Modernizacja do HL-LHC prowadzona jest równolegle do obecnej fazy eksperymentów i ma zakończyć się około 2027 roku

Tymczasem w trakcie drugiej modernizacji LHC zmodernizowano część kompleksu zajmującą się wstrzykiwaniem wiązek cząstek i jonów do głównego tunelu LHC. Zainstalowano silniejsze magnesy, nowe źródła zasilania zdolne generować prąd o natężeniu 5500 A, wzmocniono wydajność lokalnych elektrowni, których moc jest liczona w megawatach (tylko dwa nowe wzmacniacze pracujące w radiowej częstotliwości mają moc 1,6 MW każdy).

Dokonano wymiany elektroniki w istniejących już detektorach, rozbudowano je, a w przypadku LHCb wręcz zbudowano od nowa, ALICE zyskała nowe sensory, które kilkudziesięciokrotnie zwiększą liczbę detekcji.

Przygotowano także nowe eksperymenty, FASER i SND@LHC. Pierwszy z nich ma na celu detekcję bardzo słabo oddziałujących cząstek, między innymi takich, które właśnie mogą być składnikiem ciemnej materii. Drugi skoncentruje się na obserwacjach neutrin, również bardzo słabo oddziałującej formy materii, która nie ma ładunki, ma znikomą masę, ale może przenosić dużo energii. Neutrina są kluczowymi cząstkami między innymi przy opisie funkcjonowania obiektów astronomicznych.

Obecnie stopniowo zwiększana będzie intensywność strumieni cząstek w LHC, częściej będą osiągane wysokie energie, w tym rekordowe 13,6 TeV

Ostatnią z istotnym modernizacji jest usprawnienie systemu przeciwpożarowego, który jest w stanie wykryć i zassać powietrze obszarów w tuneli LHC odległych nawet o 700 m. Przy nim system przeciwpożarowy w tunelu samochodowym pod warszawskim Ursynowem to coś bardzo prostego, choć trudno w zasadzie porównywać oba rozwiązania.

Źródło: CERN, inf. własna