Hadrony, pociski LHC

Zderzane w LHC protony należą do grupy hadronów, które w istocie nie są cząstkami elementarnymi, bo posiadają wewnętrzną strukturę. Ale zwykło się je tak nazywać ze względów historycznych. Złożone są z kwarków – fundamentalnych, czyli niepodzielnych (jak się wydaje), klocków rzeczywistości. Obok protonów w jądrach atomów znajdziemy również złożone z kwarków neutrony.

LHC, wielki zderzacz hadronów

• Cztery detektory LHC buduje 5 tys. naukowców i inżynierów z ponad 300 jednostek badawczych w 50 krajach na 6 kontynentach.

• Nadprzewodzące włókna elektromagnesów użytych w LHC są dziesięciokrotnie cieńsze od ludzkiego włosa. Ćwierć utworzonej z nich linki wystarczyłoby do przytroczenia Ziemi do Słońca.

• Protony przyspieszane w CERN otrzymuje się „obierając ze skórki” atomy wodoru. 1 gram tego pierwiastka wystarczy na milion lat pracy zderzacza.

• Centralną częścią LHC jest gigantyczna zamrażarka. Wewnątrz będzie zimniej niż w kosmosie – 1,9 K (–271,3°C).

• Ciśnienie w rurach, którymi biegną wiązki protonów, będzie niższe niż na Księżycu.

• Protony będą się poruszać z 0,999999991 prędkości światła. W ciągu sekundy obiegną akcelerator 11 tys. razy. A kiedy już przeciwbieżne wiązki spotkają się ze sobą, w tym samym czasie nastąpi 800 mln zderzeń. Ale tylko jedno na miliard będzie tym, które interesuje badaczy.

• Każda z wiązek protonów w LHC osiągnie energię większą niż energia startującego odrzutowca pasażerskiego. Kiedy się zderzą, na bardzo małej przestrzeni wygenerują temperaturę 100 tys. razy większą od temperatury panującej w jądrze Słońca.

• Stal użyta do skonstruowania CMS, jednego tylko eksperymentu LHC, wystarczyłaby do postawienia nowej wieży Eiffla.

• Magnesy LHC wytworzą pole magnetyczne 100 tys. razy silniejsze niż ziemskie.

Wielkie projekty

Jednostka kosztów realizacji: 10 mld dol., czyli miesiąc wojny w Iraku (wg szacunków Josepha Stiglitza)

Gotycka katedra w Chartres – 0,2

Projekt Manhattan (stworzenie bomby atomowej) – 2

Kosmiczny teleskop Hubble’a – 0,6

ILC – 0,5; LHC – 0,5–1

(Liczby mają charakter szacunkowy)

Dziwadełka z (czarną) dziurką

Niektóre media głoszą, że Armagedon jest bliski. Jego źródłem miałyby być produkowane w LHC, na skutek zderzeń wysokoenergetycznych cząstek, małe czarne dziury, dodatkowe wymiary czy hipotetyczne żarłoczne kwantowe twory zwane dziwadełkami. Bez obaw. Po pierwsze, Ziemia jest nieustannie bombardowana cząstkami o nieporównanie większej energii niż te, które wytworzy wielki zderzacz pod Genewą. Gdyby miały unicestwić Ziemię, już dawno by to zrobiły. Po drugie, nie ma nawet pewności, czy czarne dziury, dziwadełka bądź dodatkowe wymiary pojawią się w zderzaczu.

CERN, utopia wcielona

CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, czyli Europejski Ośrodek Badań Jądrowych. Położony na przedmieściach Genewy. Jedno z największych na świecie centrów naukowych. Największe w dziedzinie badań materii (blisko 3 tys. stale zatrudnionych specjalistów, ponad 7 tys. współpracujących – to połowa światowej społeczności związanej z fizyką cząstek elementarnych). Budżet rzędu miliarda dolarów rocznie.

CERN to symbol zjednoczonej Europy, modelowy przykład współpracy ponad granicami (i pod – tunel akceleratora LHC przebiega bowiem pod Szwajcarią i Francją). To twór utopijny, ale istniejący, m.in. dzięki inicjatywie amerykańskiego laureata Nagrody Nobla Isydora Rabiego (1898–1988). To on w 1950 r., podczas 5 Konferencji Generalnej UNESCO we Florencji przedłożył rezolucję, która dwa lata później doprowadziła do ustanowienia CERN.

Polska należy do grona 20 państw członkowskich CERN. Sukces LHC stanie się więc również udziałem Polaków. Przy jego projektowaniu i budowie uczestniczyło prawie 350 uczonych, studentów, inżynierów i techników z dziewięciu jednostek badawczych. Efekty ich wieloletniej pracy wpływają na poprawne działanie niemal wszystkich elementów struktury akceleratora. Fachowcy z Polski biorą udział we wszystkich eksperymentach prowadzonych w ramach LHC (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb). Niektóre fragmenty akceleratora powstawały w rodzimych przedsiębiorstwach. Polacy są także wśród nauczycieli doskonalących swe umiejętności podczas kursów organizowanych w CERN już od przeszło 20 lat.

Poszukiwani wLHC: ciemna energia, ciemna materia, dodatkowe wymiary icząstki supersymetryczne

• To od ciemnej energii zależy los Wszechświata. Stanowi 2/3 jego całkowitej energii. Sprawia, że rozszerza się z rosnącą prędkością i jeśli nie pospieszymy się z badaniami, to historia Wszechświata bezpowrotnie się zatrze, ponieważ wszelkie widoczne na niebie gwiazdy i galaktyki znikną z pola widzenia, a niebo stanie się niemal doskonale czarne. Oczywiście na badania mamy jeszcze parę miliardów lat. Na razie jednak ciemna energia pozostaje niemal całkowitą tajemnicą. Wiemy tyle: to najbardziej powszechna forma czegoś we Wszechświecie, jest bardzo rozproszona (jej metr sześcienny to równowartość energii jednego atomu wodoru), elastyczna, a przede wszystkim – wywoływane przez nią pole grawitacyjne nie przyciąga, ale odpycha.

• Ciemna materia jest bardzo dziwna. W jej skład nie wchodzą żadne ze znanych obecnie cząstek. Wszechświat zawiera pięciokrotnie więcej ciemnej niż zwykłej, znanej z codziennego doświadczenia, materii. Ciemna jest niewidoczna, przenika z łatwością inne obiekty, ale nie wchodzi w interakcje z nimi. Skąd zatem wiemy, że istnieje? Gdyby nie ona, galaktyki nigdy nie uformowałyby się w znane nam kształty. Nie powstałby Układ Słoneczny. Życie nie pojawiłoby się na Ziemi. Nie zadawalibyśmy tego typu pytań.

• Dodatkowe wymiary to temat eksploatowany chętnie przez fantastykę naukową (stamtąd właśnie zwykle atakują krwiożercze pomidory znane z kina klasy C), ale także przez fizykę. Teorie zakładające obecność zwiniętych w mikroświecie wymiarów mogłyby tłumaczyć zaskakująco szybkie tempo rozszerzania się Wszechświata i fakt, że oddziaływanie grawitacyjne jest nieporównanie słabsze niż trzy pozostałe oddziaływania opisywane przez Model Standardowy. Gdyby takie wymiary istniały, jak zdołałyby się ukryć przez naszymi zmysłami? By to wytłumaczyć, Sean Carroll z University of Chicago proponuje analogię śmiałka, który po rozpiętej nad przepaścią linie może poruszać się tylko w przód i w tył (czyli w jednym wymiarze), a mrówki również dookoła liny (czyli w dwóch). Być może dla podstawowych elementów struktury Wszechświata bytowanie w 11 wymiarach to chleb powszedni.

• Niektórzy fizycy przypuszczają, że dostrzegamy tylko lekką stronę rzeczywistości, nie potrafiąc odkryć supersymetrycznych partnerów znanych nam cząstek, znacznie od nich cięższych (stąd przedrostek super, cząstki supersymetryczne). Niewykluczone, że supersymetryczni kuzyni ujawnią się w LHC. Warto ich szukać, bo mogą np. wchodzić w skład zagadkowej ciemnej materii. Ich obecność potwierdzałaby elegancję natury, której inne prawa, z nielicznymi wyjątkami, także noszą znamiona symetrii.

Skórka i wyprawka

Nawet gdyby badania naukowe prowadzone w wielkich zderzaczach nie odpowiedziały na najbardziej palące pytania fizyków (choć brak odpowiedzi też byłby cenną informacją), to i tak trudno przecenić praktyczne korzyści z budowy tych urządzeń. CERN jest jak wielki lewar cywilizacyjny. Oto wybrane zastosowania technologii opracowane na jego potrzeby:

• w elektronice, w złożonych systemach komunikacyjnych (tam powstała sieć) i obliczeniowych,

• w zaawansowanych technikach obrazowania w medycynie,

• śledzenie na żywo reakcji chemicznych (dzięki synchrotronowym źródłom promieniowania rentgenowskiego),

• neutralizacja odpadów nuklearnych (za pomocą źródeł wysokoenergetycznych protonów).

Osoby skupione wokół akceleratorów mogą zasilać szeregi m.in. specjalistów ds. bezpieczeństwa, techniki medycznej, badań kosmicznych, informatyki, telekomunikacji. Prestiżowe i korzystne kontrakty z CERN stymulują przemysł zaawansowanych technologii. Udział w budowie zderzaczy to certyfikat jakości.