Wielki Zderzacz
Wielki ZderzaczAutor: Stanisław Latek 2008-05-04
LHC to Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów). Large – wielki, z powodu swoich rozmiarów (ok. 27 km obwodu), Hadron – hadronów, ponieważ przyspiesza protony i jony, które sÄ… hadronami i Collider – to zderzacz, ponieważ hadrony tworzÄ… dwie wiÄ…zki biegnÄ…ce w przeciwnych kierunkach, które zderzajÄ… siÄ™ ze sobÄ… w czterech punktach - miejscach przecinania siÄ™ dwóch pierÅ›cieni maszyny. Hadrony (z gr. ‘odros’ - opasÅ‚y) sÄ… czÄ…stkami zÅ‚ożonymi z kwarków. Do tej rodziny czÄ…stek należą protony i neutrony.
Historia budowy LHC siÄ™ga roku 1994, kiedy to wÅ‚adze CERN-u (Europejskiej Organizacji BadaÅ„ JÄ…drowych) zatwierdziÅ‚y jego projekt. PoczÄ…tkowo ograniczenia budżetowe wskazywaÅ‚y na to, że budowa LHC bÄ™dzie realizowana w dwóch etapach. Jednakże dziÄ™ki wkÅ‚adom pochodzÄ…cym z kilku paÅ„stw nie bÄ™dÄ…cych czÅ‚onkami CERN-u, m.in. Japonii, USA, Indii, Rada CERN-u zgodziÅ‚a siÄ™ w 1995 r. na zrealizowanie projektu w jednym etapie. W latach 1996 - 1998 cztery wielkie eksperymenty – ALICE, ATLAS, CMS i LHCb – mogÅ‚y siÄ™ rozpocząć pracami konstrukcyjnymi w czterech różnych miejscach pierÅ›cienia akceleratorowego. Szacunkowy koszt inwestycji, która zostanie oddana do użytku 21 października tego roku wynosi okoÅ‚o 3 mld euro.
LHC bÄ™dzie przyspieszaÅ‚ dwie wiÄ…zki czÄ…stek tego samego rodzaju: albo protonów, albo jonów oÅ‚owiu, (które też sÄ… hadronami). Akcelerator może przyspieszać tylko pewne rodzaje czÄ…stek: po pierwsze, muszÄ… to być czÄ…stki naÅ‚adowane (tylko takimi można sterować przy pomocy urzÄ…dzeÅ„ elektromagnetycznych) i po wtóre - z wyjÄ…tkiem szczególnych przypadków, czÄ…stki te nie mogÄ… siÄ™ rozpadać. Ogranicza to liczbÄ™ przyspieszanych czÄ…stek do elektronów, protonów i jonów oraz ich antyczÄ…stek.
BudujÄ…c LHC, wykorzystano tunel utworzony dla poprzedniego wielkiego akceleratora CERN-u – LEP (Wielkiego Zderzacza Elektronowo – Pozytonowego), rozmontowanego w 2000 r. Tunel podziemny byÅ‚ najlepszym pomieszczeniem dla maszyny o obwodzie 27 km, ponieważ jego wykopanie jest taÅ„sze, niż kupno ziemi pod tak duży budynek, a ponadto wpÅ‚yw takiej budowy na warunki krajobrazowe jest zminimalizowany. Dodatkowo, skorupa ziemska jest dobrym ekranem chroniÄ…cym przed promieniowaniem. Tunel zostaÅ‚ wydrążony na głębokoÅ›ci ok. 100 metrów ze wzglÄ™du na warunki geologiczne (co siÄ™ przekÅ‚ada na koszty) i ze Å›rednim nachyleniem 1.4%. Jego głębokość waha siÄ™ od 175 m (pod JurÄ…) do 50 m (w kierunku Jeziora Genewskiego).
Każda wiÄ…zka protonów biegnÄ…ca wokóÅ‚ LHC bÄ™dzie miaÅ‚a energiÄ™ 7 TeV, tak że podczas zderzenia dwóch protonów energia zderzenia bÄ™dzie wynosiÅ‚a 14 TeV. Jony oÅ‚owiu majÄ… wiele protonów i wszystkie razem dajÄ… jeszcze wiÄ™kszÄ… energiÄ™: wiÄ…zki jonów oÅ‚owiu bÄ™dÄ… miaÅ‚y energiÄ™ zderzenia 1150 TeV. Do tej pory tak wielka energia nie zostaÅ‚a osiÄ…gniÄ™ta w żadnym laboratorium.
Koncentracja energii jest tym czynnikiem, który czyni energiÄ™ zderzenia szczególnÄ…. Gdy klaÅ›niemy w rÄ™ce, to prawdopodobnie bÄ™dzie to "zderzenie" o energii wiÄ™kszej od energii protonu w LHC, lecz zdecydowanie mniej skoncentrowanej. Ale jeżeli wÅ‚ożymy do rÄ…k igÅ‚y i klaÅ›niemy, to z pewnoÅ›ciÄ… odczujemy skutek takiego dziaÅ‚ania.
Energie czÄ…stek w akceleratorze, w porównaniu z energiami, z jakimi mamy do czynienia na co dzieÅ„, nie sÄ… imponujÄ…ce. W rzeczywistoÅ›ci 1 TeV jest energiÄ… ruchu fruwajÄ…cego komara. To, co czyni akcelerator LHC tak nadzwyczajnym jest skupienie energii w przestrzeni milion milionów razy mniejszej niż wymiary komara. {mospagebreak}
Czy jest boska czÄ…stka?
Obecna wiedza o wszechÅ›wiecie nie jest kompletna. Tak zwany Model Standardowy czÄ…stek i siÅ‚ podsumowuje naszÄ… obecnÄ… wiedzÄ™ w dziedzinie fizyki czÄ…stek. Model Standardowy byÅ‚ testowany w wielu eksperymentach i niekiedy przynosiÅ‚ sukcesy w przewidywaniu istnienia nieznanych uprzednio czÄ…stek. Jednakże pozostaje wiele nierozwiÄ…zanych problemów, w których wyjaÅ›nieniu powinny pomóc eksperymenty przeprowadzone z wykorzystaniem LHC.
W szczególnoÅ›ci Model Standardowy nie wyjaÅ›nia zagadnienia poczÄ…tku masy, ani tego, dlaczego niektóre czÄ…stki sÄ… ciężkie, a inne nie majÄ… masy w ogóle. Być może, odpowiedź na to pytanie przyniesie tzw. mechanizm Higgsa. Zgodnie z mechanizmem Higgsa, caÅ‚a przestrzeÅ„ wypeÅ‚niona jest "polem Higgsa" przez oddziaÅ‚ywanie, w którym czÄ…stki nabierajÄ… masy. CzÄ…stki, które oddziaÅ‚ujÄ… silnie z polem Higgsa sÄ… ciężkie, a oddziaÅ‚ujÄ…ce sÅ‚abo - lekkie. Pole Higgsa ma przypisanÄ… przynajmniej jednÄ… nowÄ… czÄ…stkÄ™ z nim zwiÄ…zanÄ… – bozon Higgsa. Jeżeli taka "boska" czÄ…stka istnieje, to eksperymenty w LHC bÄ™dÄ… mogÅ‚y jÄ… wykryć.
Model Standardowy nie daje również jednolitego opisu wszystkich siÅ‚ fundamentalnych. Supersymetria – teoria, która zakÅ‚ada hipotetyczne istnienie cięższych partnerów znanych nam standardowych czÄ…stek – może uÅ‚atwić unifikacjÄ™ fundamentalnych siÅ‚. Jeżeli supersymetria jest poprawna, wówczas - dziÄ™ki LHC - powinny być znalezione najlżejsze supersymetryczne czÄ…stki.
Obserwacje kosmologiczne i astrofizyczne pokazały, że cała widzialna materia stanowi zaledwie 4% wszechświata. Prowadzone są badania cząstek i zjawisk odpowiedzialnych za ciemną materię (23%) i ciemną energię (73%). Najpopularniejsze jest przypuszczenie, że czarna materia zbudowana jest z nieodkrytych jeszcze cząstek supersymetrycznych.
LHC pomoże również w badaniu zagadki antymaterii. Materia i antymateria musiaÅ‚y zostać wyprodukowane w tych samych iloÅ›ciach w czasie Wielkiego Wybuchu, lecz na podstawie dotychczasowych obserwacji wiemy, że nasz wszechÅ›wiat jest zbudowany tylko z materii. Dlaczego? LHC może nam pomóc w znalezieniu odpowiedzi.
I wreszcie - badanie zderzeÅ„ proton-proton i ciężkich jonów w LHC pozwoli na nowe spojrzenie na stan materii zwanej "plazmÄ… kwarkowo-gluonowÄ…", która mogÅ‚a istnieć we wczesnym wszechÅ›wiecie. Gdy ciężkie jony zderzajÄ… siÄ™ przy bardzo dużych energiach, tworzÄ… siÄ™ na chwilÄ™ gorÄ…ce skupiska gÄ™stej materii (‘fireballs’- kule ogniste), które mogÄ… być badane eksperymentalnie.
Promocja nauki
Te kolosalne wyzwania i wielkie nadzieje powodujÄ… ogromne zainteresowanie zarówno Wielkim Zderzaczem Hadronów, jak i CERN-em, który jest nie tylko wielkÄ… europejskÄ… organizacjÄ… naukowÄ…, lecz przede wszystkim najwiÄ™kszym na Å›wiecie laboratorium i oÅ›rodkiem naukowym. Wspomnianym powyżej nadziejom na rozwikÅ‚anie szeregu zagadek naukowych towarzyszÄ… jednak obawy niektórych ludzi o pojawienie siÄ™ pod GenewÄ… czarnych dziur, co mogÅ‚oby doprowadzić do zniszczenia kuli ziemskiej. W Honolulu z kolei ludzie postanowili skierować pozew do sÄ…du, w którym zażądali wstrzymania eksperymentu z użyciem LHC. DmuchajÄ…c na zimne, dyrekcja CERN-u powoÅ‚aÅ‚a zespóÅ‚ ekspertów, który opublikowaÅ‚ raport stwierdzajÄ…cy, że w planowanych w LHC eksperymentach „nie ma podstaw do żadnych możliwych do wyobrażenia zagrożeÅ„”. {mospagebreak}
CERN jest obiektem zainteresowania mediów z caÅ‚ego Å›wiata. W roku 2002 siedzibÄ™ tej organizacji odwiedziÅ‚o 417 dziennikarzy, natomiast w roku 2007 – 1387. CiekawÄ… inicjatywÄ… dyrekcji CERN-u, majÄ…cÄ… na celu oswojenie ludzi z laboratorium i LHC, jest organizowanie dni otwartych. W tym roku odbyÅ‚y siÄ™ one 5-6 kwietnia a przybyÅ‚o na nie okoÅ‚o 70 tysiÄ™cy osób! Grupy zwiedzajÄ…cych oprowadzaÅ‚o ok. dwóch tysiÄ™cy przewodników - wolontariuszy.
Co powoduje tak ogromne zainteresowanie CERN-em?
Odpowiedź nie jest prosta. Zapewne wiele ludzi chce zobaczyć owe ogromne, skomplikowane urzÄ…dzenia, które majÄ… pomóc w wyjaÅ›nianiu tajemnic wszechÅ›wiata. Inni, zwÅ‚aszcza mÅ‚odzi, interesujÄ… siÄ™ wspóÅ‚czesnÄ… fizykÄ… i technikÄ…. Może zastanawiajÄ… siÄ™ nad wyborem kierunku studiów? Dla jeszcze innych CERN jest ciekawy, ponieważ tu pracujÄ… nobliÅ›ci, tu narodziÅ‚y siÄ™ wspaniaÅ‚e technologie stosowane w medycynie, przemyÅ›le i w życiu codziennym.
Płynące z badań pożytki
To wÅ‚aÅ›nie technologie zastosowane przez fizyków w budowie akceleratorów i wysokiej jakoÅ›ci detektorów oraz przy wytwarzaniu wiÄ…zek znalazÅ‚y zastosowanie w terapii hadronowej, stosowanej dzisiaj na caÅ‚ym Å›wiecie do leczenia głęboko poÅ‚ożonych guzów nowotworowych. W latach 70. w CERN-ie uzyskano po raz pierwszy obraz przy użyciu pozytonowej emisyjnej tomografii komputerowej (PET - positron emission tomography). PET jest obecnie powszechnie stosowanÄ… w diagnostyce medycznej technikÄ… skanowania, pozwalajÄ…cÄ… na oglÄ…d funkcjonowania różnych organów czÅ‚owieka (m.in. mózgu). CERN przyczyniÅ‚ siÄ™ także do opracowania technologii obrazowania wykorzystywanej w tomografii komputerowej.
Ważnym, wrÄ™cz sztandarowym, przykÅ‚adem wspaniaÅ‚ej technologii opracowanej w CERN-ie jest sieć www (World Wide Web), czyli Internet. Sieć wynaleziona w 1990 r. rozrosÅ‚a siÄ™ od tego czasu do okoÅ‚o 100 milionów stron, dostarczajÄ…c informacji setkom milionów użytkowników na caÅ‚ym Å›wiecie. Obecnie budowana technologia GRID toruje drogÄ™ nowym metodom przetwarzania danych, co przyczyni siÄ™ do intensyfikacji interdyscyplinarnych badaÅ„ w takich dziedzinach jak meteorologia, biologia, terapie nowotworowe.
Podczas budowy LHC, w CERN-ie opracowano wiele innych technologii, np. pozwalajÄ…cych na utrzymanie ultrawysokiej próżni. ZnajdÄ… one zastosowanie m. in. w urzÄ…dzeniach gospodarstwa domowego, co pozwoli zminimalizować straty ciepÅ‚a w lodówkach, piekarnikach itp.
Wkrótce start
WÅ‚adze CERN-u przewidujÄ…, że pierwszy próbny start maszyny nastÄ…pi późnÄ… wiosnÄ… lub wczesnym latem 2008. ZastrzegajÄ… siÄ™ przy tym, że nie można podać dokÅ‚adnej daty, zanim caÅ‚y ukÅ‚ad nie zostanie schÅ‚odzony i nie przeprowadzi siÄ™ wymaganych testów. KoordynacjÄ… wielkiej akcji informacyjno-promocyjnej zwiÄ…zanej z rozruchem LHC zajmuje siÄ™ specjalny zespóÅ‚ zÅ‚ożony z przedstawicieli krajów czÅ‚onkowskich, do których należy Polska. W caÅ‚ej Europie podejmowane sÄ… dziaÅ‚ania o bardzo zróżnicowanym charakterze: przygotowywane sÄ… wydawnictwa, programy telewizyjne i radiowe, publikacje w prasie i w Internecie, wystawy, dni otwarte, wykÅ‚ady publiczne. Również w Polsce poszczególne placówki naukowe, urzÄ™dy, media planujÄ… (lub już rozpoczęły) podejmowanie różnego rodzaju dziaÅ‚aÅ„ majÄ…cych na celu zapoznanie spoÅ‚eczeÅ„stwa polskiego z CERN-em, LHC i jego przeznaczeniem. Wielka maszyna, akcelerator ciekawoÅ›ci, wyobraźni i technologii wkrótce zacznie pracować. Warto wiedzieć o niej jak najwiÄ™cej.