Na tropie bozonu Higgsa. CWiNT z wizytą w CERN w Genewie
Dzisiaj kilka słów o naszej wizycie w samym sercu współczesnej fizyki w CERN – Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. Ośrodek naukowy CERN zlokalizowany jest w Genewie na granicy Szwajcarii i Francji i jest można śmiało powiedzieć obecnie największym i najlepszym ośrodkiem badawczym z zakresu fizyki cząstek na świecie. Wielu z pewnością kojarzy CERN i to nad czy się tam pracuje z sensacyjnych doniesień medialnych jak chociażby z wybuchu w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) zaraz po jego uruchomieniu, z informacji o odkryciu kolejnego ogniwa w tzw. modelu standardowym cząstek elementarnych bozonu Higgsa, który nadaje cząstkom masę czy też o rzekomym „przekroczeniu” prędkości światła przez neutrina.
My mieliśmy okazję zweryfikować swoją wiedzę na temat świata cząstek elementarnych i CERNu zaglądając praktycznie do najważniejszych miejsc tego niesamowicie skomplikowanego i zaawansowanego technologicznie laboratorium oraz rozmawiając z ludźmi którzy tam pracują, nadzorują i kierują największymi projektami naukowymi, a ponieważ była to nasza już druga wizyta w CERN, więc dokładnie wiedzieliśmy, co koniecznie należy zobaczyć.
Taka szczegółowa „penetracja” poszczególnych obiektów, laboratoriów i eksperymentów była możliwa dzięki trwającej obecnie w CERN od kilku miesięcy planowej przerwie technicznej związanej z tzw. upgrade’m urządzeń i systemów. Prace te wymagają wyłączenia większości urządzeń: akceleratorów, LHC i otwarcia ogromnych detektorów. Taka sytuacja pojawia się praktycznie raz na kilka lat i należało to wykorzystać. Oczywiście aby tam wejść musieliśmy otrzymać specjalne zezwolenia i przepustki i mieć osobistego opiekuna i przewodników/specjalistów z danej dziedziny. Na stałe pracuje tam około 2.500 uczonych i specjalistów, 1.500 czasowo zatrudnionych i około 10.000 uczestników projektów z ponad 600 uniwersytetów i ośrodków naukowych reprezentujących ponad 100 narodowości – istna wieża Babel, ale bardzo dobrze zorganizowana i zarządzana.
Należy stwierdzić, że wśród tysięcy pracujących tam uczonych, inżynierów i techników są również Polacy. Między innymi bardzo prestiżowe stanowisko Przewodniczącej Rady Organizacji Badań Jądrowych w CERN pełni Pani profesor Agnieszka Zalewska. Naszym opiekunem był Pan Łukasz Zwaliński absolwent AGH w Krakowie, który zaraz po studiach w 2006 roku podjął pracę w CERN, a obecnie kieruje grupą specjalistów z dziedziny kriogeniki w departamencie technologii akceleratorów. Dzięki „naszym” ludziom w CERN zobaczyliśmy rzeczy niesamowite i niewyobrażalne. Ta potężna skala przedsięwzięcia naukowego pokazuje jaki ogromny potencjał drzemie w ludzkich głowach i umysłach. Te współczesne naukowe „piramidy” budzą wielki szacunek i respekt dla ludzi, którzy potrafili coś takiego zaprojektować, wykonać i w dodatku działa to tak jak zostało założone, obliczone i opisane skrajnie skomplikowanymi równaniami matematycznymi, które tak w pełni rozumie tylko niewielka garstka ludzi na świecie.
W CERN na każdym kroku można „otrzeć” się o noblistę i guru naukowe co i my zaznaliśmy. I tak będąc w obiekcie tzw. eksperymentu AMS (Magnetyczny Spektrometr Alfa) spotkaliśmy noblistę profesora Samuela Tinga, który kieruje tym projektem. Moduły i urządzenia eksperymentu zostały umieszczone na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), która często jest widoczna nawet gołym, nieuzbrojonym okiem na naszym nocnym niebie. Głównym celem eksperymentu jest badanie tzw. ciemnej materii we Wszechświecie (to co widzimy: planety, gwiazdy, mgławice galaktyki stanowi zaledwie około 5% bilansu masy-energii wszechświata, ciemną, niewidoczną materię szacuje się na ok. 27%, cała reszta to ciemna energia?!). O skali i rozmachu tego projektu może świadczyć fakt, że NASA musiała przygotować specjalną, dodatkową misję wahadłowca aby te urządzenia o wadze ok. 7 ton dostarczyć na ISS – koszty tego jednego projektu szacuje się na około 1,5 miliarda dolarów!
Po wejściu do obiektu ASM na dużym ekranie mogliśmy na żywo obserwować załogę Międzynarodowej Stacji Kosmicznej – mieliśmy ich na wyciągnięcie ręki i oczywiście można było z załogą stacji porozmawiać. Ta stała, bezpośrednia multimedialna łączność ISS-CERN jest niezbędna do właściwego sterowania projektem.
Naszą przygodę w CERN rozpoczęliśmy od wykładu prof. Bolesława Pietrzyka – fizyka molekularnego ponad 30 lat pracującego w CERN, który szczegółowo wprowadził nas w koncepcję prowadzonych badań i eksperymentów oraz zaznajomił (abyśmy czasem nie zginęli) z rozległą topologią CERN. I tak zaopatrzeni w stosowną wiedzę rozpoczęliśmy zwiedzanie CERN od akceleratorów przyspieszających cząstki, ogromnych detektorów analizujących wyniki zderzeń, centrum komputerowego z kilkoma tysiącami serwerów, specjalistycznych laboratoriów skończywszy na głównym centrum sterowania, dowodzenia i zarządzania eksperymentami.
Główne elementy największego na świecie akceleratora cząstek – LHC (wielki zderzacz hadronów),umieszczone są około 100 m pod ziemią w tunelu w kształcie torusa o obwodzie 27 km. W akceleratorze cząstki (protony wytwarzane z wodoru) „biegną” w dwóch rurach w przeciwnych kierunkach. Cząstki „rozpędzone” do bardzo dużych energii, z prędkością światła obiegają akcelerator 11.000 razy na sekundę. Dokładniej rzecz biorąc cząstki są rozpędzane w kilku mniejszych akceleratorach zanim kierowane są do LHC. W pewnych ściśle określonych miejscach na obwodzie LHC protony z tych dwóch rur wprowadzane są na jeden tor i zderzając się wytwarzają nowe cząstki, nową materię. Energia zgodnie z równaniem Einsteina E=mc2 zderzeń są rejestrowane w przeogromnych urządzeniach – detektorach: dwu dużych (ATLAS o długości 46m, średnicy 25m i ciężarze 7.000 ton i CMS o długości 28,7m, średnicy 15m i ciężarze 14.000 ton) i dwu mniejszych (ALICE i LHCb). Urządzenia te w kształcie ogromnych walców zbudowane są z kilku/kilkunastu koncentrycznych warstw detektorów aktywnych na różnego typu cząstki i oddziaływania. Cząstki są „wyłapywane” i w postaci sygnału elektrycznego, dane przesyłane są do centrum komputerowego i dalej dystrybuowane do ośrodków naukowych rozlokowanych na całym świecie gdzie są analizowane – podczas zderzeń cząstek generowana jest tak ogromna ilość danych, że należy włączyć do obliczeń tysiące komputerów. Detektory pomimo, że są oplecione tysiącami kilometrów różnych kabli i przewodów (ATLAS 3.000km kabli) mają tak dużą czułość, że potrafią „obserwować” obiekty 1000 razy mniejsze od jądra atomowego. Dla uzmysłowienia tej skali wielkości obrazowy przykład: gdyby powiększyć atom do wymiaru stadionu piłkarskiego to jądro atomu miałoby wielkość ziarenka grochu. Projektując detektory w CERN naukowcy wzięli pod uwagę wiele czynników mogących zniekształcić lub wpłynąć na poprawność dokonywanych pomiarów. Między innymi uwzględniono wpływ księżyca, stan poziomu wody w jeziorze Genewskim czy zakłócenia wprowadzane przez szybkie pociągi TGV. Urządzenia te, ich poziom skomplikowania i wielkość zrobiły na nas rzeczywiście piorunujące wrażenie!
Tym z Państwa, którzy dotarli do tego miejsca bardzo dziękuję za poświęcony czas i cierpliwość – temat na pewno nie jest łatwy, aby w kilku krótkich zdaniach opisać te bardzo złożone kwestie. Tym którzy przerwali niniejszą lekturę wcześniej zastanawiając się po co to wszystko i dlaczego inwestuje się miliardy dolarów na „jakieś” tam badania i co z tego będzie miał szary człowiek też dziękuję, rozumiem, że przedstawione w artykule pewne pojęcia być może obecnie niewiele lub mało mówią. Będą jednak szczegółowo omawiane i wyjaśniane podczas naszych spotkań w CWINT. Będzie również mowa o korzyściach z badań naukowych, chociaż jak pokazuje historia nauki często od odkrycia do zastosowania mija niekiedy sporo czasu. Postaramy się by wszystko „podawane” było w prosty, zrozumiały sposób. Nasi koledzy to ludzie z ogromną pasją. Zebrane przez nas materiały edukacyjne obejmujące obydwie skrajne nieskończoności (mikroświat cząstek elementarnych i kosmos) w tym zdjęcia, filmy, interakcyjne programy komputerowe sprawią, że spotkania będą interesujące i bogate merytorycznie. Sprzęt astronomiczny umożliwi nam na własne oczy bardzo dokładne „podglądanie” obiektów znajdujących się w naszym układzie słonecznym, umożliwi podziwianie mgławic i gromad gwiazd w naszej liczącej 100 tys. lat świetlnych galaktyce jak również na głębokie spojrzenie w przestrzeń na odległe uciekające galaktyki.
O tych wszystkich działaniach będziemy szczegółowo informować.
Tekst: Piotr Duczmal, Prezes Zarządu CWINT
Foto : Martyna Adamska, Sekretarz CWINT