Wielki Zderzacz

Utworzono: niedziela, 04 maj 2008 Drukuj E-mail

Wielki Zderzacz

Autor: 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 są hadronami i Collider – to zderzacz, ponieważ hadrony tworzą dwie wiązki biegnące w przeciwnych kierunkach, które zderzają się ze sobą w czterech punktach - miejscach przecinania się dwóch pierścieni maszyny. Hadrony (z gr. ‘odros’ - opasły) są cząstkami złożonymi z kwarków. Do tej rodziny cząstek należą protony i neutrony.

Historia budowy LHC sięga roku 1994, kiedy to władze CERN-u (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych) zatwierdziły jego projekt. Początkowo ograniczenia budżetowe wskazywały na to, że budowa LHC będzie realizowana w dwóch etapach. Jednakże dzięki wkładom pochodzącym z kilku państw nie będących członkami CERN-u, m.in. Japonii, USA, Indii, Rada CERN-u zgodziła się w 1995 r. na zrealizowanie projektu w jednym etapie. W latach 1996 - 1998 cztery wielkie eksperymenty – ALICE, ATLAS, CMS i LHCb – mogły się rozpocząć pracami konstrukcyjnymi w czterech różnych miejscach pierścienia akceleratorowego. Szacunkowy koszt inwestycji, która zostanie oddana do użytku 21 października tego roku wynosi około 3 mld euro.
LHC będzie przyspieszał dwie wiązki cząstek tego samego rodzaju: albo protonów, albo jonów ołowiu, (które też są hadronami). Akcelerator może przyspieszać tylko pewne rodzaje cząstek: po pierwsze, muszą to być cząstki naładowane (tylko takimi można sterować przy pomocy urządzeń elektromagnetycznych) i po wtóre - z wyjątkiem szczególnych przypadków, cząstki te nie mogą się rozpadać. Ogranicza to liczbę przyspieszanych cząstek do elektronów, protonów i jonów oraz ich antycząstek.
Budując LHC, wykorzystano tunel utworzony dla poprzedniego wielkiego akceleratora CERN-u – LEP (Wielkiego Zderzacza Elektronowo – Pozytonowego), rozmontowanego w 2000 r. Tunel podziemny był najlepszym pomieszczeniem dla maszyny o obwodzie 27 km, ponieważ jego wykopanie jest tańsze, niż kupno ziemi pod tak duży budynek, a ponadto wpływ takiej budowy na warunki krajobrazowe jest zminimalizowany. Dodatkowo, skorupa ziemska jest dobrym ekranem chroniącym przed promieniowaniem. Tunel został wydrążony na głębokości ok. 100 metrów ze względu na warunki geologiczne (co się przekłada na koszty) i ze średnim nachyleniem 1.4%. Jego głębokość waha się od 175 m (pod Jurą) do 50 m (w kierunku Jeziora Genewskiego).
Każda wiązka protonów biegnąca wokół LHC będzie miała energię 7 TeV, tak że podczas zderzenia dwóch protonów energia zderzenia będzie wynosiła 14 TeV. Jony ołowiu mają wiele protonów i wszystkie razem dają jeszcze większą energię: wiązki jonów ołowiu będą miały energię zderzenia 1150 TeV. Do tej pory tak wielka energia nie została osiągnięta w żadnym laboratorium.
Koncentracja energii jest tym czynnikiem, który czyni energię zderzenia szczególną. Gdy klaśniemy w ręce, to prawdopodobnie będzie to "zderzenie" o energii większej od energii protonu w LHC, lecz zdecydowanie mniej skoncentrowanej. Ale jeżeli włożymy do rąk igły i klaśniemy, to z pewnością odczujemy skutek takiego działania.
Energie cząstek w akceleratorze, w porównaniu z energiami, z jakimi mamy do czynienia na co dzień, nie są imponujące. W rzeczywistości 1 TeV jest energią ruchu fruwającego komara. To, co czyni akcelerator LHC tak nadzwyczajnym jest skupienie energii w przestrzeni milion milionów razy mniejszej niż wymiary komara. {mospagebreak}

Czy jest boska cząstka?

Obecna wiedza o wszechświecie nie jest kompletna. Tak zwany Model Standardowy cząstek i sił podsumowuje naszą obecną wiedzę w dziedzinie fizyki cząstek. Model Standardowy był testowany w wielu eksperymentach i niekiedy przynosił sukcesy w przewidywaniu istnienia nieznanych uprzednio cząstek. Jednakże pozostaje wiele nierozwiązanych problemów, w których wyjaśnieniu powinny pomóc eksperymenty przeprowadzone z wykorzystaniem LHC.
W szczególności Model Standardowy nie wyjaśnia zagadnienia początku masy, ani tego, dlaczego niektóre cząstki są ciężkie, a inne nie mają masy w ogóle. Być może, odpowiedź na to pytanie przyniesie tzw. mechanizm Higgsa. Zgodnie z mechanizmem Higgsa, cała przestrzeń wypełniona jest "polem Higgsa" przez oddziaływanie, w którym cząstki nabierają masy. Cząstki, które oddziałują silnie z polem Higgsa są ciężkie, a oddziałujące słabo - lekkie. Pole Higgsa ma przypisaną przynajmniej jedną nową cząstkę z nim związaną – bozon Higgsa. Jeżeli taka "boska" cząstka istnieje, to eksperymenty w LHC będą mogły ją wykryć.
Model Standardowy nie daje również jednolitego opisu wszystkich sił fundamentalnych. Supersymetria – teoria, która zakłada hipotetyczne istnienie cięższych partnerów znanych nam standardowych cząstek – może ułatwić unifikację fundamentalnych sił. Jeżeli supersymetria jest poprawna, wówczas - dzięki LHC - powinny być znalezione najlżejsze supersymetryczne cząstki.
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 musiały zostać wyprodukowane w tych samych ilościach w czasie Wielkiego Wybuchu, lecz na podstawie dotychczasowych obserwacji wiemy, że nasz wszechświat jest zbudowany tylko z materii. Dlaczego? LHC może nam pomóc w znalezieniu odpowiedzi.
I wreszcie - badanie zderzeń proton-proton i ciężkich jonów w LHC pozwoli na nowe spojrzenie na stan materii zwanej "plazmą kwarkowo-gluonową", która mogła istnieć we wczesnym wszechświecie. Gdy ciężkie jony zderzają się przy bardzo dużych energiach, tworzą się na chwilę gorące skupiska gęstej materii (‘fireballs’- kule ogniste), które mogą być badane eksperymentalnie.

Promocja nauki

Te kolosalne wyzwania i wielkie nadzieje powodują ogromne zainteresowanie zarówno Wielkim Zderzaczem Hadronów, jak i CERN-em, który jest nie tylko wielką europejską organizacją naukową, lecz przede wszystkim największym na świecie laboratorium i ośrodkiem naukowym. Wspomnianym powyżej nadziejom na rozwikłanie szeregu zagadek naukowych towarzyszą jednak obawy niektórych ludzi o pojawienie się pod Genewą czarnych dziur, co mogłoby doprowadzić do zniszczenia kuli ziemskiej. W Honolulu z kolei ludzie postanowili skierować pozew do sądu, w którym zażądali wstrzymania eksperymentu z użyciem LHC. Dmuchając na zimne, dyrekcja CERN-u powołała zespół ekspertów, który opublikował raport stwierdzający, że w planowanych w LHC eksperymentach „nie ma podstaw do żadnych możliwych do wyobrażenia zagrożeń”. {mospagebreak}
CERN jest obiektem zainteresowania mediów z całego świata. W roku 2002 siedzibę tej organizacji odwiedziło 417 dziennikarzy, natomiast w roku 2007 – 1387. Ciekawą inicjatywą dyrekcji CERN-u, mającą na celu oswojenie ludzi z laboratorium i LHC, jest organizowanie dni otwartych. W tym roku odbyły się one 5-6 kwietnia a przybyło na nie około 70 tysięcy osób! Grupy zwiedzających oprowadzało ok. dwóch tysięcy przewodników - wolontariuszy.
Co powoduje tak ogromne zainteresowanie CERN-em?
Odpowiedź nie jest prosta. Zapewne wiele ludzi chce zobaczyć owe ogromne, skomplikowane urządzenia, które mają pomóc w wyjaśnianiu tajemnic wszechświata. Inni, zwłaszcza młodzi, interesują się współczesną fizyką i techniką. Może zastanawiają się nad wyborem kierunku studiów? Dla jeszcze innych CERN jest ciekawy, ponieważ tu pracują nobliści, tu narodziły się wspaniałe technologie stosowane w medycynie, przemyśle i w życiu codziennym.

Płynące z badań pożytki

To właśnie technologie zastosowane przez fizyków w budowie akceleratorów i wysokiej jakości detektorów oraz przy wytwarzaniu wiązek znalazły zastosowanie w terapii hadronowej, stosowanej dzisiaj na całym świecie do leczenia głęboko położonych 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 stosowaną w diagnostyce medycznej techniką skanowania, pozwalającą na ogląd funkcjonowania różnych organów człowieka (m.in. mózgu). CERN przyczynił się także do opracowania technologii obrazowania wykorzystywanej w tomografii komputerowej.
Ważnym, wręcz sztandarowym, przykładem wspaniałej technologii opracowanej w CERN-ie jest sieć www (World Wide Web), czyli Internet. Sieć wynaleziona w 1990 r. rozrosła się od tego czasu do około 100 milionów stron, dostarczając informacji setkom milionów użytkowników na całym świecie. Obecnie budowana technologia GRID toruje drogę nowym metodom przetwarzania danych, co przyczyni się do intensyfikacji interdyscyplinarnych badań w takich dziedzinach jak meteorologia, biologia, terapie nowotworowe.
Podczas budowy LHC, w CERN-ie opracowano wiele innych technologii, np. pozwalających na utrzymanie ultrawysokiej próżni. Znajdą one zastosowanie m. in. w urządzeniach gospodarstwa domowego, co pozwoli zminimalizować straty ciepła w lodówkach, piekarnikach itp.

Wkrótce start

Władze CERN-u przewidują, że pierwszy próbny start maszyny nastąpi późną wiosną lub wczesnym latem 2008. Zastrzegają się przy tym, że nie można podać dokładnej daty, zanim cały układ nie zostanie schłodzony i nie przeprowadzi się wymaganych testów. Koordynacją wielkiej akcji informacyjno-promocyjnej związanej z rozruchem LHC zajmuje się specjalny zespół złożony z przedstawicieli krajów członkowskich, do których należy Polska. W całej Europie podejmowane są działania o bardzo zróżnicowanym charakterze: przygotowywane są wydawnictwa, programy telewizyjne i radiowe, publikacje w prasie i w Internecie, wystawy, dni otwarte, wykłady publiczne. Również w Polsce poszczególne placówki naukowe, urzędy, media planują (lub już rozpoczęły) podejmowanie różnego rodzaju działań mających na celu zapoznanie społeczeństwa polskiego z CERN-em, LHC i jego przeznaczeniem. Wielka maszyna, akcelerator ciekawości, wyobraźni i technologii wkrótce zacznie pracować. Warto wiedzieć o niej jak najwięcej.

Odsłony: 4165

Nowe wydanie

Wielki Zderzacz