Poszukiwacze boskiej cząstki

RZ: Czy eksperyment w LHC to naprawdę podróż do początku wszechświata?

Krzysztof Meissner: Fundamentalne pytanie brzmi: z czego się składa wszechświat? Jak wyglądał we wczesnych chwilach istnienia? Kiedy cofamy się w przeszłość, wiemy, że był on gorętszy, czyli były w nim bardziej masywne cząstki. Ale w pewnym momencie nasza wiedza się kończy. Jeżeli chcemy odpowiedzieć na pytanie, co było blisko początku wszechświata, jak wyglądał, jak się rozszerzał, dlaczego ma taki skład, skąd ma nadwyżkę materii nad antymaterią, musimy się cofnąć do pierwszych chwil jego istnienia. Coraz potężniejsze akceleratory, takie jak uruchamiany właśnie teraz LHC, pozwolą nam uzyskiwać cząstki o coraz większych masach, a więc takie, które istniały, kiedy wszechświat był bardzo gorący. W tym sensie eksperymenty w LHC pozwolą odpowiedzieć na pytanie, jaki jest fundamentalny skład materii.

Czy zobaczycie te nowe cząstki na ekranach komputerów?

Ależ skąd! Nie zobaczymy bezpośrednio żadnych nowych cząstek, o ich istnieniu dowiemy się jedynie pośrednio, porównując teoretyczne wyliczenia z obserwowanymi. W czasie zderzenia energia będzie tak wielka, że efektywnie będą zderzać się ze sobą nie protony, ale składniki protonu: kwarki i gluony. W momencie zderzenia uwalniana będzie olbrzymia energia, która może doprowadzić do powstania nowych cząstek. Chcemy zbadać, jakie cząstki mogą wtedy powstać, bo tak ogromnych energii jeszcze nie stosowaliśmy. Cząstki, które w wyniku takich zderzeń powstaną, będą miały ogromne masy, wielokrotnie większe niż masa protonu. Ale natychmiast się rozpadną. Produktami kolizji, które będziemy obserwować w detektorach, będą i tak cząstki, które już znamy. Ale o istnieniu nieznanych nam cząstek o dużych masach będziemy mogli wnioskować po zderzeniu jedynie pośrednio, na podstawie tego, co powstanie w wyniku kolizji. Taki sposób odkrywania nowych, z reguły bardzo nietrwałych, cząstek stosowany jest od dawna. Pewien paradoks polega na tym, że – chcąc badać świat w coraz mniejszej skali – potrzebujemy coraz większych akceleratorów. Do badania materii w skali mikronowej wystarczy mikroskop, ale badanie skali tysiąc razy mniejszej niż jądro atomowe wymaga już 27 kilometrowego tunelu i kilkuset megawatów mocy.

Jakich odkryć możemy się spodziewać?

Tak zwany Model Standardowy opisuje cząstki jakie znamy: sześć kwarków, trzy leptony i odpowiadające im neutrina oraz tzw. bozony pośredniczące. Przy czym dwa kwarki: zwane przez fizyków górnymi i dolnymi, to te, z których się składa materia, jaką znamy: stół, przy którym siedzimy, czy cząsteczka azotu. Pozostałe kwarki nie są składnikami widzialnej materii, bo bardzo szybko rozpadają się. Fizycy odkryli je dzięki wcześniejszym doświadczeniom w akceleratorach. Większe akceleratory są właśnie po to, by osiągać większe energie, tak aby cząstki, których nie potrafiliśmy dotąd wytworzyć, na chwilę zaistniały.

Czy w akceleratorze mogą pojawić się czarne dziury? Niektóre media straszyły takim kataklizmem.

To jest kompletny absurd. Pogłoski o czarnej dziurze, jaka miałaby nam zagrażać, oparte są na pracach pewnych teoretyków, którzy w poszukiwaniu rozgłosu wdali się w spekulacje. Twierdzenie, że w LHC mogłyby powstać czarne dziury, nie ma żadnych podstaw naukowych.

Na pewno nie ma takiej możliwości?

Czarna dziura rozpala wyobraźnię. Rzeczywiście takie obiekty rzędu milionów mas Słońca istnieją w centrach większości galaktyk, ale prawdopodobieństwo, że się czarna dziura pojawi w LHC jest równe temu, że znajdzie się tam zegarek wielkości jądra atomowego.

A jakie cząstki mogą się pojawić?

Jeżeli nie uda się nam znaleźć cząstki Higgsa, trzeba będzie zacząć budować całą teorię od nowa

Fizycy są zgodni, że powinna pojawić się tam cząstka Higgsa (zwana także boską cząstką – red.). Model Standardowy, który przecież świetnie sprawdza się od 40 lat, przewiduje, że oprócz cząstek, które znamy, istnieje tzw. pole Higgsa. Gdyby nie było pola Higgsa, wszystkie cząstki byłyby pozbawione masy. Nie istnielibyśmy, nie byłoby nic, co znamy. Nikt jeszcze nic lepszego niż mechanizm Higgsa nie zaproponował. Gdyby go usunąć, rozsypałby się Model Standardowy. Pole Higgsa działa mniej więcej w taki sposób, jak szkło, gdy do niego wpada światło. Nadal ma tę samą prędkość, ale przez fakt, że wzbudza fale, zaczyna poruszać się wolniej. Podobnie pole Higgsa. Według teorii, cały wszechświat jest wypełniony nienaładowanym elektromagnetycznie polem Higgsa i niektóre cząstki, np. kwarki, przedzierając się przez nie, nabierają masy. Ale na przykład foton nie oddziałuje z polem Higgsa, więc pozostaje bez masy. Jeśli pobudzimy pole Higgsa do drgania, to powinniśmy uzyskać boską cząstkę. Liczymy też na odkrycie zupełnie nieznanych dotąd cząstek. Wśród fizyków dominuje przekonanie, że poznamy nowe cząstki cięższe od partnerów wszystkich cząstek, które obecnie znamy. Jest także pogląd, że te cząstki o wielkich masach w ogóle nie istnieją i nic poza cząstką Higgsa i ewentualnie jeszcze jedną cząstką nie zobaczymy. Wraz z kolegą z Instytutu Maksa Plancka napisałem pracę, w której właśnie to twierdzimy i uzasadniamy. Mam więc stosunek osobisty do wyników badań, które przyniesie LHC.

A jak istnienia cząstki Higgsa nie da się potwierdzić?

Wtedy trzeba będzie założyć, że jest ona dużo cięższa, niż myśleliśmy, co teoretycznie jest możliwe, ale mało naturalne, lub wręcz stwierdzić, że Model Standardowy przypadkowo zgadzał się tak doskonale z obserwacjami i zacząć budowanie teorii od nowa.

Największy eksperyment naukowy w historii – akcelerator cząstek Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) – jest gotowy do rozpoczęcia testów. W sobotę w akceleratorze LHC przyśpieszone zostaną pierwsze cząstki. Na 10 września zaplanowano rozpoczęcie kolejnego etapu testów.

W 27-kilometrowy tunel pod granicą francusko-szwajcarską naukowcy chcą wpuścić pierwszy raz wiązkę protonów – cząstek, które są składnikami jądra atomowego. Dwa dni weekendu poświęcone będą sprawdzeniu synchronizacji małego akceleratora zwanego Super Proton Synchrotron (SPS), gdzie wiązka jest wstępnie rozpędzana z właściwym akceleratorem LHC. Idealna synchronizacja czasowa obu urządzeń jest kluczowa dla eksperymentu. Naukowcy w pierwszej kolejności chcą sprawdzić, jak wiązka protonów będzie wstrzykiwana w tunel w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. W następny weekend przetestowany zostanie ruch cząstek w kierunku przeciwnym.

SPS, zbudowany w latach 70. ubiegłego wieku, był przez jakiś czas największym akceleratorem na świecie. Połączenie z tunelami LHC, gdzie wiązki będą biegły po okręgu w obu kierunkach, wymagało przebudowy SPS. Ten akcelerator jest ostatnim czwartym stopniem procesu przyśpieszania cząstek przed wstrzyknięciem ich do głównego tunelu LHC.

Według władz CERN po zakończeniu testów synchronizacji akceleratorów, 10 września, po raz pierwszy cząstki popłyną przez oba tunele w przeciwnych kierunkach. Nie oznacza to jeszcze, że laboratorium osiągnie pełną gotowość. Próby niezwykle skomplikowanych urządzeń potrwają jeszcze do końca roku i być może obejmą cały rok 2009. – To długa droga, ale ciągle jesteśmy gotowi gorliwie nią podążać – zapewnia Lyn Evans, szef projektu LHC.

Następnym krokiem będzie skierowanie wiązek na siebie i ich zderzanie. Naukowcy planują, że docelowa prędkość, jaką osiągną protony, będzie zaledwie trzy metry na sekundę mniejsza niż prędkość światła. Protony (jądra atomów wodoru) będą podróżowały grupami po ok. 100 mld sztuk, tworząc paczki długości kilku centymetrów i średnicy ok. 1 milimetra. Całość tunelu schłodzona będzie do temperatury 1,9 stopnia Celsjusza powyżej zera bezwzględnego (-271,2 st. C) za pomocą nadciekłego helu. W chwili obecnej trzy z czterech sektorów tunelu są już schłodzone do zakładanej temperatury. Za kilka tygodni cały tunel będzie już najzimniejszym miejscem we wszechświecie.

Do końca miesiąca będą trwały testy instalacji elektrycznej akceleratora. Naukowcy chcą mieć pewność, że kiedy nastąpi przyśpieszenie cząstek do pełnej prędkości, nie będzie jakiejś przykrej niespodzianki.

W czterech miejscach tego gigantycznego okręgu drogi cząstek będą się przecinały i na siebie wpadały. Tam zbudowane zostały gigantyczne detektory rejestrujące cząstki wtórne, jakie powstaną w wyniku zderzeń.