W poszukiwaniu ciemnej materii

Plus Minus: Jakie są plany rozbudowy Wielkiego Zderzacza Hadronów? Co nowego możemy znaleźć? Czego fizycy CERN poszukują po zidentyfikowaniu bozonu Higgsa?

Arkadiusz Gorzawski: Pomimo odkrycia bozonu Higgsa, w fizyce cząstek elementarnych jest w dalszym ciągu wiele pytań, na które nie znamy odpowiedzi. Fizycy chcieliby się dowiedzieć na przykład, czym jest i z czego składa się tzw. ciemna materia. Odpowiedzi na część z tych pytań może udzielić Wielki Zderzacz Hadronów, lecz musi być w tym celu udoskonalony.

Do roku 2023 LHC przejdzie wiele modyfikacji potrzebnych do zwiększenia tzw. świetlności zderzacza. Jest to parametr, który mówi o skutecznej liczbie zderzeń protonów występujących w jednostce czasu, przez co ma bezpośredni wpływ na zwiększenie szansy zaobserwowania „produktów" zderzeń, które występują bardzo rzadko, takich jak bozon Higgsa. Świetlność zależy m.in. od przekroju poprzecznego zderzających się wiązek protonów.

W przyszłości dla głębszego poznania konkretnej cząstki (np. bozonu Higgsa) potrzebne będzie zbudowanie zderzacza, który będzie ukierunkowany tylko na jej tworzenie. Takie maszyny, z odpowiednio zdefiniowaną energią, muszą zderzać ze sobą leptony (pojedyncze elementarne cząstki, np. elektrony) i przewiduje się ich budowę od momentu każdego odkrycia nowej cząstki. Tak było np. z bozonami W i Z. Odkryte w zderzaczu SPS dalej studiowano w Zderzaczu Elektronowo-Pozytonowym (LEP). Tak jest i teraz w przypadku cząstki Higgsa. Jeden z możliwych przyszłych projektów CERN, Przyszły Zderzacz Kołowy FCC-ee może spełniać tę rolę. Z ekonomicznego punktu widzenia nie można planować budowy tak dużej maszyny bez możliwości jej rozbudowy, dlatego projekt FCC zakłada w dalszej przyszłości zbudowanie również wersji hadronowej (FCC-hh), ażeby powtórzyć misje LHC na dziesięciokrotnie wyższym poziomie energii. Jak wspomniałem wcześniej, taka wersja zderzaczy pozwala na szersze spektrum odkryć. Przy wyższych energiach możliwości stworzenia nowych cząstek będą odpowiednio większe.

Czy potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa i – ostatnio – fal grawitacyjnych otwiera nam drzwi do nowej fizyki, ewentualnie do nowych obserwacji?

Andrzej Siemko: Istnienie bozonu Higgsa, przewidzianego przez Model Standardowy, z pewnością nie zamyka nam drzwi do nowej fizyki, lecz trzeba szczerze przyznać, że nie wskazuje kierunku dalszych poszukiwań. Chcemy teraz poznać właściwości bozonu Higgsa i zrozumieć jego rolę, lecz mamy też nadzieję na to, że w zderzaczu LHC pojawią się nieznane dotąd składniki materii, których obecna teoria nie uwzględnia, podobnie jak i to, że nie uwzględnia oddziaływań grawitacyjnych.

Czy zasadne jest mówienie o końcu fundamentalnego dla fizyki cząstek tzw. Modelu Standardowego i zastąpienie go inną teorią – na przykład strun czy supersymetrii? Czy podręczniki do fizyki trzeba będzie napisać od nowa?

A.S.: To pytanie dla fizyków teoretyków, lecz jest oczywiste, że Model Standardowy nie jest ostateczną teorią opisu struktury materii i z pewnością nie jest to model doskonały. Fizycy z chęcią zastąpią go nową, bardziej ogólną teorią, z której Model Standardowy będzie wynikał. Jedną z kandydatek na taką teorię jest teoria tzw. supersymetrii, która przewiduje, że każda ze znanych dziś cząstek elementarnych ma swojego partnera. Problem w tym, że żadnego z postulowanych partnerów jak dotąd nie udało się dostrzec w zderzaczu LHC.

Pomimo swoich niedoskonałości Model Standardowy jest trwałym osiągnięciem w zrozumieniu świata cząstek elementarnych i jest przy tym oparty na faktach doświadczalnych. Eksperymenty przeprowadzone za pomocą zderzacza LHC doprowadziły nie tylko do odkrycia bozonu Higgsa, lecz także potwierdziły z dużą precyzją wszystkie poprzednio odkryte cząstki elementarne opisywane przez Model Standardowy.

Myślę, że bez względu na dalsze odkrycia Model Standardowy pozostanie w podręcznikach, podobnie jak równania mechaniki Newtona, które w podręcznikach znakomicie współistnieją z teorią względności Einsteina.

LHC to największa i najdroższa maszyna świata. Jakie są praktyczne zastosowania odkryć dokonywanych w CERN? W którym miejscu badania podstawowe mogą zostać przekute w użyteczne technologie?

A.S.: Historia odkryć cząstek elementarnych pokazuje, że praktyczne zastosowania mogą pojawić się dopiero po wielu latach. Tak było w przypadku odkrycia elektronu, który pozwolił na zrozumienie zjawisk elektrycznych i w końcu, po kilku dekadach, umożliwił zbudowanie tranzystorów, bez których trudno wyobrazić sobie nasze dzisiejsze życie. Także pozyton, antycząstka elektronu, musiał dość długo czekać, by znaleźć zastosowanie praktyczne w diagnostyce medycznej metodą tomografii PET, która jest dzisiaj wykorzystywana w wielu szpitalach.

Jaki będzie los i praktyczne zastosowanie bozonu Higgsa? Prawdę mówiąc, jeszcze nie wiemy, niemniej jednak jego znaczenie jest już dziś fundamentalne w naszym rozumieniu tego, jak funkcjonuje materia, z której sami jesteśmy zbudowani i z której jest zbudowany cały Wszechświat wokół nas.

Jednym z najpopularniejszych osiągnięć CERN jest coś, co opracowano nieco obok głównej działalności ośrodka – World Wide Web stworzony przez Tima Berners-Lee w 1989 roku. Czy obecnie również prowadzi się prace nad takimi technologiami niezwiązanymi bezpośrednio z fizyką cząstek? Czego dotyczą?

A.G.: Tak to jest w naszej dziedzinie, że podczas prac nad złożonymi projektami, niejako przy okazji powstają indywidualne technologie, takie jak WWW. WWW to faktycznie jeden z wielu przykładów. Podobny przykład to choćby wcielona w życie, nowatorska idea rozproszonej po całym świecie sieci komputerowej GRID umożliwiającej efektywne przetwarzanie olbrzymich ilości danych produkowanych przez eksperymenty LHC. W innych dziedzinach można wymienić opracowania nowych nadprzewodników, elektromagnesów, zasilaczy wysokoprądowych, chłodnictwa za pomocą ciekłego helu czy nawet metod geodezyjnych.

Sam fakt schłodzenia LHC do temperatury -269,4 st. C za pomocą ciekłego helu to przykła technologii, która pozwala na użytkowanie nadprzewodników na dużą skalę, co może zaowocować w przyszłości zastosowaniami przemysłowymi. Wiele zastosowań znajdują detektory cząstek, które są wykorzystywane w diagnostyce medycznej. Myślę, że to są przykłady przekazu wiedzy i technologii, z fizyki cząstek i akceleratorów do medycyny. Nie jest to nowe zjawisko.

Polacy mają znaczący udział w pracach CERN. Czy możemy liczyć na to, że nasza obecność będzie się zwiększać? W czym się specjalizujemy – jeżeli można mówić o „narodowej specjalizacji".

A.G.: Nie przypisywałbym naszej obecności w CERN wspomnianej „specjalizacji". Wpływ na naszą obecność mają doświadczenie zawodowe i wciąż wysoki (i doceniany!) poziom wykształcenia. To drugie, często doceniane już u młodych absolwentów uczelni (i studentów), faktycznie wyróżnia nas na tle innych narodowości. Jeżeli chodzi o udział Polaków w ogólnym zatrudnieniu, to jest to zdefiniowane na poziomie organizacji i w rzeczywistości wymaga wygrania wymagającego konkursu na proponowane przez CERN stanowiska. Jeżeli chodzi o programy dodatkowe dla stypendystów, doktorantów i studentów, to myślę, że już teraz Polska jest jednym z liderów tego typu rozwiązań.

Spróbujmy doradzić młodym naukowcom z Polski, którzy chcieliby tu pracować. Co fizyk powinien mieć, wiedzieć czy zrobić, aby dostać się do najsłynniejszego ośrodka badań cząstek elementarnych?

A.G.: Na to pytanie nie ma prostej, odpowiedzi. Każdy z nas, Polaków, tutaj pracujących, miał inną drogę. Na pewno każdy zainteresowany powinien spróbować. Ważny jest fakt, że CERN to nie tylko fizycy. Ktoś te maszyny musi zaprojektować, zbudować i przetestować. To inżynierowie, mechanicy, informatycy i ludzie wielu innych profesji dają fizykom działające urządzenia. Wydaje mi się, że wiedza, iż proces rekrutacji jest otwarty dla każdego z obywateli państw członkowskich, wystarcza do tego, aby po prostu spróbować swoich sił. Jeżeli nie bezpośrednio, to o różnego rodzaju staże można się ubiegać w porozumieniu z wieloma szkołami wyższymi w Polsce, takimi jak AGH w Krakowie, UW w Warszawie czy wiele innych.

PLUS MINUS

Prenumerata sobotniego wydania „Rzeczpospolitej":