Wielki Zderzacz

Rok 2008 ma być przełomowy dla światowej fizyki cząstek elementarnych: w Europejskim Ośrodku Fizyki Cząstek CERN w Genewie został właśnie uruchomiony akcelerator o nazwie LHC, czyli Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów). Dlaczego tak wielu uczonych oczekuje niecierpliwie na pierwsze wyniki doświadczeń prowadzonych na tym akceleratorze?

Wysokie energie

Badania najmniejszych składników materii doprowadziły w ostatnim półwieczu do ogromnego postępu. Okazało się, że cząstki, z których zbudowane są wszystkie jądra atomów otaczającej nas materii, czyli protony i neutrony, nie są elementarne. Za elementarne obiekty uważa się obecnie składniki tych cząstek, czyli wprowadzone przez Murraya Gell-Manna (nagrodzonego za to w 1969 roku nagrodą Nobla) kwarki, oraz cząstki pokrewne elektronom - leptony. Znamy po sześć rodzajów kwarków i leptonów. Oddziaływania kwarków i leptonów opisuje tzw. model standardowy, zbudowany z dwu teorii: oddziaływań elektrosłabych (tzw. teoria Glashowa, Salama i Weinberga, nagrodzonych za to w 1979 roku również nagrodą Nobla), oraz oddziaływań silnych (tzw. chromodynamika kwantowa).

Jak każda teoria fizyczna model standardowy nie może być "udowodniony", bo żadna liczba doświadczeń nie wystarczy, aby stwierdzić jego ogólną słuszność, może być natomiast sfalsyfikowany, jeśli choć jedno doświadczenie da wynik sprzeczny z jego przewidywaniami. Chociaż wszystkie wyniki dotychczasowych doświadczeń są zgodne z modelem standardowym, nikt z fizyków nie wątpi, że jest to tylko etap przejściowy na drodze naszego poznania świata i wcześniej lub później pojawi się konieczność modyfikacji tego modelu. Nie oznacza to oczywiście "odrzucenia" obowiązującej obecnie teorii: historia odkryć fizycznych wskazuje na to, że każda "nowa" teoria musi nie tylko wyjaśnić nowe fakty, niezgodne ze "starą", ale i wykazać, że "stara" teoria była jej szczególnym przypadkiem lub przybliżeniem, obowiązującym w szczególnym, "starym" zakresie zmiennych.

Wiele jest sugestii "nowych" teorii, których przybliżeniem ma być model standardowy. Z reguły zakłada się, że jest to "przybliżenie niskich energii": model standardowy opisuje bezbłędnie dotychczasowe doświadczenia, ale przy wyższych energiach zderzeń cząstki zaczną oddziaływać inaczej. Zatem nowe testy dla modelu standardowego (i nowych teorii) będą możliwe dopiero w nowych akceleratorach, przyspieszających cząstki do coraz wyższych energii.

Nie byłoby to jednak zapewne wystarczającym uzasadnieniem dla budowy urządzenia, kosztującego kilku miliardów franków szwajcarskich, bo konkurencyjnych nowych teorii jest wiele, a żadna nie podaje jednoznacznie wartości energii, przy której powinniśmy zobaczyć odchylenia wyników doświadczeń od modelu standardowego. Niewykluczone więc, że wszystkie wyniki doświadczeń wykonanych na LHC będą zgodne z modelem standardowym, choć łączna energia zderzających się protonów ma być w nim siedem razy większa niż w największym obecnie akceleratorze Tevatron w USA (a piętnaście tysięcy razy większa od energii spoczynkowej protonu!).

Domknąć model

Głównym powodem, dla którego przed kilkunastu laty najwybitniejsi fizycy przedstawili (a władze CERN-u zaakceptowały) plany budowy LHC, jest nadzieja na odkrycie cząstki, której istnienie wynika z modelu standardowego, a która dotychczas nie została odkryta: tzw. bozonu Higgsa. Rola tej cząstki w teorii jest podstawowa. Oryginalna teoria oddziaływań elektromagnetycznych zakładała (zgodnie z faktami doświadczalnymi), że foton (czyli cząstka, której wymiana jest odpowiedzialna za te oddziaływania) ma masę równą zeru. Podobnie jest w teorii oddziaływań silnych kwarków, opisywanych przez wymianę gluonów, które także mają zerową masę. Natomiast oddziaływania słabe opisywane są przez wymianę cząstek masywnych. Zgodnie z teorią Glashowa, Salama i Weinberga ("GSW"), taka niezerowa (i bardzo wielka, stukrotnie większa od masy protonu!) masa bozonów W i Z, których odkrycie było wielkim sukcesem tej teorii, jest wynikiem ich oddziaływania z obecnym nawet w próżni "polem Higgsa". Cząstki odpowiadającej temu polu nie udało się jednak dotąd odkryć, choć niektóre przypadki zderzeń elektron-pozyton w akceleratorze LEP II z końca 2000 roku interpretowano jako produkcję i rozpady takich cząstek (o masie jeszcze większej od masy cząstek W i Z). Paradoksalnie, właśnie konieczność zgodnego z planem rozpoczęcia budowy LHC uniemożliwiła wiarygodne sprawdzenie tych wyników…

Według modelu standardowego oddziaływanie z polem Higgsa odpowiada nie tylko za niezerowe masy bozonów W i Z, ale w ogóle za wszystkie niezerowe masy cząstek. Odkrycie bozonu Higgsa i szczegółowe zbadanie jego własności powinno więc zbliżyć nas do odpowiedzi na jedno z najtrudniejszych pytań fizyki współczesnej: dlaczego cząstki, z których zbudowany jest nasz świat, mają takie, a nie inne masy? Dodajmy, że łamanie symetrii związane z istnieniem pola Higgsa nie "psuje" własności teorii GSW, w szczególności zaś jej tzw. renormalizowalności, która pozwala na dowolnie dokładne obliczenia w ramach rachunku zaburzeń. Za wykazanie tej własności teorii kolejną nagrodę Nobla otrzymali w 1999 roku holenderscy fizycy Gerardus’t Hooft i Martinus Veltman. Zatem ewentualne odkrycie bozonu Higgsa byłoby ukoronowaniem czterdziestoletnich badań nad modelem standardowym. Tytuł "Boska cząstka" popularnej książki Leona Ledermana, również laureata nagrody Nobla, najlepiej wskazuje na znaczenie poszukiwań bozonu Higgsa dla naszego zrozumienia świata.

Niestety teoria nie przewiduje konkretnej wartości masy bozonu Higgsa. W kolejnych eksperymentach wykluczono istnienie tej cząstki dla wartości masy poniżej 120 mas protonu, a równocześnie precyzyjne analizy teorii pokazują, że masa ta nie może być dowolnie wielka. Można oszacować, że wykluczenie wartości masy do ok. 500 mas protonu oznaczałoby konieczność zmiany podstawowych założeń modelu standardowego, a przy tym sugerowałoby istnienie nowych cząstek nieobecnych w tym modelu. Zatem doświadczenia na LHC, który pozwala zbadać cały ten zakres mas, powinny doprowadzić albo do odkrycia bozonu Higgsa, "domykającego" model standardowy, albo do stwierdzenia konieczności gruntownej modyfikacji tego modelu.

Wypada zresztą dodać, że plany uruchomienia LHC (podobnie jak, kilka lat wcześniej, plany uruchomienia amerykańskiego akceleratora ciężkich jonów RHIC) spotkały się nie tylko z entuzjazmem, ale i z obawami. Niektórzy politycy (a zwłaszcza dziennikarze), do których dotarła informacja o przewidywanej przez niektóre teorie możliwości powstania w LHC tzw. "mikro czarnych dziur", zaniepokoili się perspektywą pochłonięcia przez taki obiekt całej naszej planety. Na szczęście obawy takie są nieuzasadnione. Zgodnie z teorią "mikro czarne dziury" rozpadają się tak szybko, że nie mogą pochłonąć przed rozpadem znaczącej ilości materii ze swojego otoczenia. Jeśli zaś ktoś wątpi w słuszność teorii, powinien uspokoić go prosty argument historyczny. W ciągu miliardów lat istnienia Ziemi doszło na niej biliony razy do zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego z jądrami materii o efektywnej energii podobnej lub większej niż planowana dla LHC. Skoro więc dotąd żadna czarna dziura nie powstała i nie "pożarła" Ziemi, możemy być rozsądnie pewni, że nie nastąpi to i po uruchomieniu LHC...

Gigant

To, jakim wyzwaniem technologicznym jest budowa LHC, najlepiej ilustruje wymienienie głównych elementów technicznych i (czasem trudno wyobrażalnych) liczb, które charakteryzują skalę przedsięwzięcia. LHC wykorzystuje odziedziczony po akceleratorze LEP tunel o długości 27 kilometrów i średnicy niemal 4 metrów, umieszczony na głębokości od 50 do 175 metrów pod ziemią między Genewą a górami Jura. Mają być w nim przyspieszane przeciwbieżne wiązki proton-proton do energii

7 TeV każda, a później także jądra ołowiu (do energii 1150 TeV). Cząstki będą okrążały tunel 11 245 razy na sekundę, lecąc w próżni odpowiadającej ciśnieniu 10-13 atm, czyli dziesięciokrotnie mniejszemu od ciśnienia na Księżycu.

Skoro pęd protonów przyspieszanych w LHC ma być niemal 70 razy większy niż pęd przyspieszanych w LEP elektronów i pozytonów, tyleż razy większe musiało być natężenie pola magnetycznego zakrzywiającego te tory. Tak potężne tradycyjne elektromagnesy zużywałyby niewyobrażalną energię, konieczne stało się więc zastosowanie techniki nadprzewodzącej. W uzwojeniu elektromagnesów schłodzonym w 60 tonach ciekłego helu do 1,9 K popłynie prąd o natężeniu 12 tys. A. Łączna liczba magnesów przekracza 9300, a największe z nich ważą po ponad 27 ton.

LHC będzie miał wielką świetlność, czyli iloczyn gęstości strumieni zderzających się cząstek, a zatem wielka będzie liczba zderzeń cząstek w każdej sekundzie (do 600 milionów!). Dzięki temu bardzo wzrośnie prawdopodobieństwo obserwacji interesujących (niezwykle rzadkich) zderzeń prowadzących do produkcji bozonów Higgsa.

W punktach przecięcia torów zderzających się wiązek ustawiono cztery wielkie detektory: ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS, czyli Toroidalny Detektor LHC), CMS (Compact Muon Solenoid, czyli Zwarty Solenoid Mionowy), ALICE (A Large Ion Collider Experiment, czyli Eksperyment Dużego Zderzacza Jonów) i LHCb. Pierwsze dwa z nich, to ogromne uniwersalne detektory, w których oprócz najważniejszego celu, czyli poszukiwania bozonów Higgsa, będzie można badać szczegółowo różne stany wielocząstkowe produkowane w zderzeniach protonów i jąder. ATLAS to cylinder o długości 46 m, średnicy 25 m i masie 7 tys. ton, a CMS o długości 21 m, średnicy 16 m i masie 12,5 tys. ton. ALICE jest detektorem przeznaczonym do badania wyników zderzeń jąder (o długości 26 m, średnicy 16 m i masie 10 tys. ton), a LHCb (o wymiarach 21 x 10 x 13 m i masie 5,6 tys. ton) ma specjalizować się w rejestracji cząstek zawierających tzw. kwark b (tzw. "piękny") i może przyczynić się do rozwiązania innej zagadki fizyki cząstek: tzw. łamania symetrii CP.

Oprócz nich przy LHC działać będą dwa "małe" eksperymenty, rejestrujące takie cząstki, które są tylko minimalnie odchylone od kierunku pierwotnych wiązek: TOTEM przy CMS (o formalnej długości 440 m, a faktycznych rozmiarach ok. 10 x 5 x 5 m i masie 20 ton), gdzie badane będą tzw. procesy dyfrakcyjne i LHCf przy ATLASie, (składający się z dwu "kieszonkowych" detektorów o wymiarach 30 x 10 x 10 cm i masie 40 kg), gdzie analiza kaskad wytwarzanych przez cząstki powstałe w zderzeniach ma służyć ulepszaniu technik badawczych promieniowania kosmicznego

Polski wkład

W eksperymentach w LHC ważną rolę odegrają fizycy polscy. Warto tu przypomnieć, że już od 1964 roku Polska (jako jedyny kraj bloku wschodniego!) miała w CERN-ie oficjalny status państwa-obserwatora. Pełnoprawnym członkiem tej organizacji państwo polskie stało się 1 lipca 1991 r., była to więc pierwsza międzynarodowa organizacja krajów Europy Zachodniej, do której zostaliśmy przyjęci. Obecnie skupia ona 20 krajów (większość krajów Unii Europejskiej, Norwegię i Szwajcarię), a status obserwatora mają m.in. USA, Rosja, Indie, Japonia i Turcja. Jak wynika ze statystyk, polscy fizycy są autorami lub współautorami jednej dziesiątej prac dotyczących badań prowadzonych w CERN-ie.

Grupy polskich fizyków wniosły istotny wkład do konstrukcji wszystkich wielkich detektorów LHC i będą uczestniczyły w przeprowadzanych na nich eksperymentach. Także polscy teoretycy brali aktywny udział w przygotowaniu planów eksperymentów i projektów systemu opracowania danych. Dane te będą zresztą wymagały skonstruowania światowego systemu przekazu, który umożliwi wykorzystanie komputerów z setek laboratoriów.

Szczególną rolę w przygotowaniu tego systemu, a także innych planów dla LHC, odegrał Michał Turała z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, współorganizator ostatniej z konferencji podsumowujących te plany, która odbyła się w lipcu 2006 roku w Krakowie.

Wśród 167 laboratoriów z 37 krajów biorących udział w eksperymencie ATLAS są dwa krakowskie. Grupą z IFJPAN kieruje Barbara Wosiek, a grupą z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH - Danuta Kisielewska. Udział krakowskich fizyków wśród 2100 członków współpracy ATLAS był i jest naprawdę znaczący. W Krakowie powstał pakiet programów do szybkiej symulacji detektora oraz algorytmy poszukiwania sygnałów bozonu Higgsa, a także projekt i symulacja systemu wyzwalania i akwizycji danych detektora. Wkładem zespołu krakowskiego w projekt i budowę detektora ATLAS były też prace nad odpornymi na promieniowanie detektorami krzemowymi i wyspecjalizowanymi układami scalonymi. Elżbieta Richter-Wąs (IFJ PAN i UJ) jest współprzewodniczącą grupy roboczej zajmującej się fizyką leptonu tau, a Barbara Wosiek - grupy ciężkich jonów.

Eksperyment CMS skupia obecnie jeszcze większą liczbę, bo około 2600 fizyków z 180 instytucji. Są wśród nich fizycy warszawscy z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW (grupa kierowana przez Jana Królikowskiego), Instytutu Problemów Jądrowych (Maciej Górski) i Instytutu Systemów Elektronicznych PW. Zespół warszawski zaprojektował, przetestował i zbudował system elektroniki sygnalizujący miony. ALICE jest już mniejszym przedsięwzięciem, bierze w nim udział 86 instytucji z 29 krajów (ok. 1000 uczestników), a wśród nich trzy grupy polskie: z IFJ PAN (Jerzy Bartke), z IPJ (Teodor Siemiarczuk) i PW (Jan Pluta). Zespoły polskie pracowały tu przy budowie dwóch podstawowych detektorów - kalorymetru elektromagnetycznego i komory projekcji czasowej. Wreszcie w eksperymencie LHCb pracuje 650 uczestników z 48 instytucji w 13 krajach, a w tym polskie grupy z IFJ PAN (Grzegorz Polok), AGH (Bogdan Muryn) i IPJ (Marek Szczekowski). Zespół polski opracował elektronikę do synchronizacji detektora z akceleratorem oraz prototyp koncentratora do przesyłania danych. Panele modułów detektora w ultralekkiej technologii wykonano także w Krakowie.

***

Już w czerwcu powinny ruszyć wiązki cząstek przyspieszanych w LHC, a wkrótce potem wszystkie detektory zaczną zbierać dane. Jeśli wszystko będzie przebiegać zgodnie z planem, na wielkiej konferencji fizyki wysokich energii, której organizację w 2009 roku przyznano ośrodkowi krakowskiemu, powinny pojawić się pierwsze wyniki wszystkich eksperymentów. Można oczekiwać, że rozszerzą one znakomicie naszą wiedzę o świecie cząstek elementarnych i odpowiedzą na wiele podstawowych pytań z tej dziedziny.

Prof. Krzysztof Fiałkowski jest fizykiem, pracownikiem Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego