Czas przewrotów

10 września. CERN, Genewa. Pierwszą wiązkę protonów właśnie wprowadzono do Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC; hadrony to cząstki złożone z kwarków, m.in. proton czy neutron). Test kończy się pełnym sukcesem, choć na zderzenia cząstek trzeba będzie poczekać jeszcze około miesiąca. Już wczesną wiosną ogłoszone zostaną pierwsze wyniki. Może rozszerzą nasze rozumienie świata.

Pierwsza wiązka

Ośrodek CERN jest dość niepozorny. Kiedy pierwszy raz przyjechałem tu dwa lata temu, spodziewałem się laboratorium rodem z filmów science fiction. Zastałem kilkunastoletnie budynki, trochę baraków, wielkich hal, olbrzymią stołówkę.

Przy głównym wejściu wartownik czasami sprawdzi, kto przekracza bramę. Naprzeciwko, po drugiej stronie ulicy - hala detektora Atlas. Kilkadziesiąt metrów pod nią znajduje się urządzenie, które ma dostarczyć fascynujących informacji o Wszechświecie.

Oddział fizyki teoretycznej to trzy piętra i ponad stu naukowców z kilkunastu krajów. CERN to przede wszystkim przedsięwzięcie międzynarodowe. Laboratorium powstało w latach 50. i było jednym z nielicznych miejsc na Zachodzie, gdzie podczas zimnej wojny można było spotkać naukowców zza żelaznej kurtyny, także z Polski. Odkrycia i metody tu opracowane zaowocowały trzema Noblami (w 1976, 1984 i 1992 r.).

Jeśli LHC dokona nowych odkryć, będą następne.

Przez ostatnich parę lat goście CERN-u mogli oglądać akcelerator w budowie. Gdy tylko ukończono montaż, tunel zamknięto i rozpoczęto wielkie, trwające kilka miesięcy chłodzenie. W międzyczasie testowano układy akceleratora. Datę wprowadzenia pierwszej wiązki protonów wyznaczono na 10 września. Uczestniczyłem właśnie w konferencji CERN na temat czarnych dziur, dzięki czemu miałem okazję oglądać to ekscytujące wydarzenie na żywo.

Obraz na telebimach komentowały dwie osoby. Mój kolega, Amerykanin, zauważył, że sposób, w jakim przedstawiono to wydarzenie, przypominał raczej mecz futbolowy niż relację z uruchomienia akceleratora. Narracja wzmagała napięcie oczekiwania na pierwszą wiązkę.

O 9.34 odniesiono pierwszy tego dnia sukces - wiązka znalazła się w LHC. Rozległy się wielkie brawa. Chociaż niczego jeszcze nie odkryto, panował taki nastrój, jak zapewne podczas pierwszego lądowania człowieka na Księżycu.

Po godzinie udało się zmusić wiązkę do pełnego okrążenia, wpuszczając ją do kolejnych sektorów akceleratora. Potem zrobiono to samo z protonami biegnącymi w drugim kierunku. Wszystko przebiegło bez zarzutu.

Fizyka międzynarodowa

Pierwszy pomysł stworzenia LHC pojawił się w 1984 r. Jeszcze dekadę temu w tunelu tym pracował Wielki Zderzacz Elektronów i Pozytronów (LEP). Daty uświadamiają skalę planowania inwestycji w CERN: pierwsze pomiary w LEP-ie wykonano w 1989 r., czyli już na pięć lat przed jego uruchomieniem myślano o nowej maszynie zdolnej do stawienia czoła największym wyzwaniom fizyki.

W połowie lat 80. w USA powstał projekt akceleratora o wiele potężniejszego - tzw. Nadprzewodzącego Super-Zderzacza (SSC). Planowano ponad 87-kilometrowy tunel z akceleratorem pozwalającym zderzać cząstki z energią trzy razy większą niż LHC. Przedsięwzięcie zawieszono po kilku latach w obliczu kryzysu finansowego, zmiany administracji (Bush/Clinton) oraz rosnących kosztów stacji kosmicznej Alfa. Zdążono wydać kilka miliardów dolarów i wydrążyć ponad 20 km tunelu. Mimo protestów, m.in. laureata Nagrody Nobla Stevena Weinberga, budowę SSC definitywnie zarzucono. Wielu amerykańskich naukowców musiało zmienić zajęcie.

Pokazuje to wagę współpracy międzynarodowej przy tego typu projektach. Koszt LHC oszacowano na kilka miliardów dolarów. Rozłożenie go na kraje członkowskie pozwoliło skonstruować Zderzacz, czyli prawie 1600 modułów magnesów nadprzewodzących, sześć detektorów oraz całą infrastrukturę pomocniczą.

Aby magnesy mogły nadprzewodzić, ich temperatura musi wynosić ok. -271?C, więc już sam system chłodzenia stanowił wielkie przedsięwzięcie inżynieryjne. Nie mówiąc o opracowaniu danych doświadczalnych - tak olbrzymich ilości informacji nie byłby w stanie przetworzyć pojedynczy komputer. Powstanie LHC przyspieszyło rozwój tzw. obliczeń rozproszonych, czyli GRID-ów. Taki technologiczny "efekt uboczny" projektu to tzw. spin-off. Inne to np. rozwój technik kriogenicznych (czyli pracy w niskich temperaturach), szybkiej elektroniki, technologii wysokiej próżni oraz inżynierii materiałowej.

Nie można więc twierdzić, że LHC to tylko zabawka fizyków. Ogromne projekty oprócz przesuwania granicy ludzkiego poznania dostarczają także wymiernych korzyści gospodarczych i technologicznych. Używany codziennie przez miliardy ludzi standard WWW powstał w pierwszej połowie lat 90. właśnie w CERN, dla ułatwienia wymiany informacji naukowych.

Hadrony zmienią fizykę

Przed nami miesiąc długiej kalibracji tego niezwykle skomplikowanego urządzenia. Do czego ono jednak właściwie posłuży?

Fizyka jest nauką doświadczalną, czyli taką, w której dane eksperymentalne służą do testowania teorii. W fizyce cząstek elementarnych teoria znacznie wyprzedziła doświadczenie. Istnieje tzw. Model Standardowy - najlepiej sprawdzona teoria fizyczna, która, by była spójna, wymaga istnienia cząstki nazywanej bozonem Higgsa. Jednym z celów LHC będzie właśnie "polowanie na Higgsa". Tyle że przez ostatnie kilkadziesiąt lat fizycy stworzyli ogromną liczbę prac, które postulują fizykę wybiegającą poza Model Standardowy. Odkrycie którejkolwiek z tych teorii stanowiłoby drogowskaz dla fizyki teoretycznej XXI wieku.

Cały urok LHC w tym, że nie do końca wiadomo, jakich odkryć należy się spodziewać. Z jednej strony Wielki Zderzacz Hadronów powinien dostarczyć dowodów na istnienie cząstki Higgsa, z drugiej brak potwierdzenia, że ona istnieje, postawiłby dotychczasową fizykę pod ścianą. Słynny angielski fizyk Stephen Hawking założył się nawet, że "nie zobaczymy" Higgsa.

Najciekawsze odkrycia LHC mogą dostarczyć pierwszych śladów nowej fizyki. Naukowcy od kilkudziesięciu lat postulują istnienie dodatkowej symetrii natury, nazywanej supersymetrią, która w świecie rzeczywistym z jakichś powodów jest złamana. Jeśli ten pomysł jest prawdziwy, to każda cząstka, którą wykryto do tej pory, ma nieco różniącego się od niej bliźniaka - tzw. superpartnera. Gdy supersymetria jest złamana, obydwie cząstki mają różne masy. Superpartnerzy, jako wyraźnie ciężsi od znanych cząstek, są trudniej wykrywalni. Najlższejszy superpartner musi być stabilny i, co za tym idzie, jest naturalnym kandydatem na tzw. ciemną materię, która stanowi około 1/3 masy całego Wszechświata. Jednym z twórców idei supersymetrii był zmarły niedawno prof. Jan Łopuszański z Uniwersytetu Wrocławskiego.

Na razie superpartnerzy to jednak tylko spekulacje. W najciekawszych scenariuszach LHC może dostarczyć dowodów na istnienie dodatkowych wymiarów, które postuluje teoria strun. Obecnie jest to jedyna poważna próba skonstruowania "teorii wszystkiego", która spójnie opisałaby znane nam oddziaływania, w tym grawitację. Teoria strun zakłada, że obserwowane w przyrodzie cząstki to tak naprawdę malutkie struny. Tak jak w muzyce różne drgania struny (np. tej w gitarze) odpowiadają różnym dźwiękom, tak tu odpowiadają one różnym cząstkom. Matematyczna spójność teorii strun wymaga istnienia sześciu dodatkowych wymiarów, które zwinięte do dostatecznie małych rozmiarów mogły pozostać do tej pory niezauważone. Ich zobaczenie oznaczałoby zmianę paradygmatu o randze przewrotu kopernikańskiego.

***

Możliwości jest mnóstwo. Nie można jednak wykluczyć, że Wielki Zderzacz Hadronów nie zarejestruje niczego nowego. Są jednak dobre podstawy, by być optymistą. A w planach jest już nowy akcelerator. Międzynarodowy Akcelerator Liniowy o długości 50 km ma wykonać precyzyjne pomiary cząstek odkrytych w LHC.

MICHAŁ P. HELLER jest fizykiem teoretykiem, pracuje na UJ. Przygotowuje doktorat z zastosowań teorii strun. Współautor "Tygodnikowego" bloga "Świat: jak to działa?" (swiat-jaktodziala.blog.onet.pl).

Autor dziękuje koleżankom i kolegom z blogu, szczególnie dr. hab. Pawłowi Górze i dr Annie Ochab--Marcinek oraz dr. hab. Michałowi Spalińskiemu z Instytutu Problemów Jądrowych.