Rozbijanie wszechświata na drobne

W badaniach będą brać udział także uczeni z Polski. Wczoraj w Warszawie z udziałem szefów CERN (Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych mieszczącego się w Szwajcarii i Francji) oraz polskich naukowców odbyło się sympozjum poświęcone uruchomieniu LHC – Wielkiego Zderzacza Hadronów, najdroższego urządzenia oddanego do dyspozycji fizykom, wybudowanego kosztem ponad 8 mld franków szwajcarskich.

Testy urządzenia rozpoczną się w czerwcu, a pierwsze badania odbędą się dopiero jesienią.

Naukowcy z CERN chcą odtworzyć warunki, jakie istniały we wszechświecie u jego zarania kilka milionowych ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu.

Od pomysłu do wcielenia go w życie upłynęło prawie ćwierć wieku. Czy uda się odpowiedzieć na podstawowe pytania? Potwierdzić Model Standardowy, który opisuje trzy z czterech oddziaływań pomiędzy cząstkami elementarnymi, jedną z najważniejszych teorii współczesnej fizyki? Znaleźć nieznane dotąd cząstki? Jedna z tych cząstek to tzw. bozon Higgsa – przewidziany przez Model Standardowy. Tę cząstkę wymyślił szkocki fizyk Peter Higgs. Gdyby okazało się, że cząstka Higgsa rzeczywiście istnieje, pozwoliłoby to wytłumaczyć, dlaczego inne cząstki we wszechświecie mają masę.

– Chcemy skoncentrować się na coraz mniejszych obszarach świata, dojść do najmniejszych cegiełek, z których zbudowane są cząstki elementarne – powiedział “Rz” dr Marek Pawłowski z Instytutu Problemów Jądrowych. – Marzeniem fizyków jest wejść w głąb mikroświata, do skali 10 – 100 razy mniejszej, niż znana dotychczas. Nikt nie wie, co nas tam spotka, czy natrafimy na skarb, czy na kolejną zagadkę. Nie wiemy, czy sprawdzą się przewidywania teoretyków. Może okaże się, że w tej mikroskali istnieje coś, czego dotychczas w ogóle nie przewidzieliśmy. Może uda się wytworzyć inną od naszej materię, o której wiemy, że istnieje we wszechświecie, ale jej nie znamy? A jeżeli tak, to może w przyszłości uda się ją wykorzystać w jakiś sposób i dzięki temu zbudować urządzenia, o których do tej pory nawet pisarzom fantastyki naukowej się nie śniło? – mówi dr Pawłowski.

Pole elektryczne w podziemnym tunelu rozpędzi wiązki cząstek do prędkości bliskiej prędkości światła, a bardzo silne pole magnetyczne w potężnych magnesach poprowadzi je wzdłuż obwodu akceleratora. W czterech olbrzymich, liczących dziesiątki metrów detektorach nastąpią zderzenia cząstek ze sobą. Dla fizyków wpadanie na siebie rozpędzonych wiązek będzie niczym otwarcie okna, przez które można obserwować pierwsze chwile istnienia wszechświata.

LHC, który zastępuje starszy, mniej doskonały akcelerator LEP, zajął jego miejsce w tunelu wydrążonym wzdłuż okręgu o długości 27 km na głębokości od 50 do 175 metrów między Jeziorem Genewskim a górami Jury. Dokładnie tam, gdzie przebiega granica francusko-szwajcarska. Na całej długości okręgu będzie ok. 7 tys. nadprzewodzących magnesów.

Wewnątrz tunelu wzdłuż całego okręgu biegną dwie rury, w których w przeciwnych kierunkach będą poruszały się cząstki. Wiązka protonów rozpędzi się na grzbiecie fali elektromagnetycznej tak jak na desce surfingowej.

Prędkość, jaką osiągną protony, będzie zaledwie o 3 metry na sekundę mniejsza niż prędkość światła. Uzwojenia elektromagnesów w tunelach schładzane będą ciekłym helem do temperatury –271,3 stopni Celsjusza, tylko dwa stopnie powyżej temperatury zera absolutnego. We wnętrzu rur będzie panowała niemal idealna próżnia.

Protony (jądra atomów wodoru) będą podróżowały grupami po ok. 100 mld sztuk, tworząc paczki długości kilku centymetrów i średnicy ok 1 mm.

Przed zderzeniem paczki zostaną ściśnięte, średnica zmniejszy się do 1/3 rozmiarów ludzkiego włosa. W czterech miejscach tego gigantycznego okręgu rury będą się przecinały i pędzące cząstki będą na siebie wpadały. Tam zbudowane zostały gigantyczne detektory rejestrujące cząstki wtórne, jakie powstaną w wyniku zderzeń. Każdy z nich będzie poszukiwał innych zjawisk lub swoje poszukiwania będzie prowadził w trochę inny sposób.Największy z nich, ATLAS (A Toroidal Large Hadron Colider), kształtem przypomina cylinder i ma długość 46 m i średnicę 25 m.

Część z powstałych w wyniku zderzenia cząstek będzie zwykłymi protonami, elektronami i innymi znanymi we współczesnej fizyce. W wyniku zderzenia protonów powstaną prawdopodobnie i takie, które fizycy widzą jedynie oczami wyobraźni, ich istnienie przewidują różne modele teoretyczne.

Poszukiwane, nieznane dzisiaj cząstki będą pojawiały się w niewielkich ilościach. To one właśnie będą przedmiotem analizy międzynarodowego zespołu tysięcy naukowców, który na tej podstawie ma szansę napisać na nowo całe rozdziały podręczników fizyki.

prof. Robert Aymar, dyrektor generalny CERN – Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych

Sugestie, że powstanie czarna dziura i połknie LHC razem z całym naszym światem, które pojawiły się w gazetach na Hawajach, a w ślad za tym w innych krajach, są jakimś ponurym żartem.

Ale sprawa jest zbyt poważna, aby jako żart ją potraktować. Informacje, jakoby istniało jakieś zagrożenie, nawet minimalne, na skutek pojawienia się podczas eksperymentu czarnej dziury, uważam wręcz za obelżywe dla jakości naszej analizy naukowej. Zagadnieniem bezpieczeństwa zajmowaliśmy się bardzo starannie cały czas w trakcie konstrukcji LHC. Zajmowaliśmy się czarnymi dziurami – nie możemy obiecać, że nie powstaną one przy zderzeniach cząstek w LHC. Na podstawie przeprowadzonej dotychczas analizy fizyki tego zagadnienia możemy natomiast powiedzieć, że jeżeli powstaną, będą złożone z kwarków i w żaden sposób nie zagrożą bezpieczeństwu świata.

Zdajemy sobie sprawę, że odpowiedzialnością naukowców jest myślenie nie tylko o samym eksperymencie, ale także o jego skutkach dla środowiska naturalnego Ziemi.

Sprawa ta była dokładnie analizowana. Naszym koronnym argumentem, że czarne dziury nam nie zagrażają, jest sama przyroda. Jeżeli w zderzeniach ciężkich jonów czarne dziury byłyby w jakiś sposób niebezpieczne, to mielibyśmy tysiące okazji do unicestwienia Ziemi w promieniowaniu kosmicznym, gdzie są zderzenia o znacznie wyższej energii i równie ciężkich jąder, jakie będziemy zderzać w LHC. A świat jakoś nie ginie.

Przed rozpoczęciem eksperymentów przeprowadziliśmy porządne studium na temat możliwości powstawania mini czarnych dziur. Oczywiście mogą powstawać, ale znany jest mechanizm ich wyparowywania, zanim zaczną wysysać wszystko dookoła. To są zupełnie inne czarne dziury niż te, które obserwujemy we wszechświecie, a które powstają we wnętrzu gwiazd neutronowych.

prof. Jan Nassalski, Instytut Problemów Jądrowych PAN, przedstawiciel polskich naukowców w radzie CERN

Przystępując do tego projektu, uzyskaliśmy dostęp do największych urządzeń badawczych na świecie i najnowocześniejszych technologii XXI wieku. Polska szkoła fizyki teoretycznej ma świetną renomę i długą tradycję. Na przykład prof. Jerzy Pniewski, który wraz wraz z Marianem Danyszem dokonał odkrycia pierwszego hiperjądra w 1952 roku. Obaj autorzy tego odkrycia wiele lat byli wymieniani jako kandydaci do Nagrody Nobla. Dzięki ich dokonaniom polscy fizycy już w latach 50. mieli szanse brać udział w pracach międzynarodowych zespołów.

Polska szkoła fizyki teoretycznej miała istotny wkład w tworzenierozszerzeń Modelu Standardowego, szczególnie w tzw. teorii supersymetrii. To także prace tych uczonych wcześniejszych pokoleń nadają sens wielkiemu przedsięwzięciu, jakim jest LHC.

Mamy także wymierne, konkretne korzyści. Przede wszystkim naukowe: uczestnictwo w badaniach daje nam udział w spodziewanych odkryciach.

Drugim niebagatelnym czynnikiem jest transfer technologii. Akcelerator stał się swoistym rynkiem najbardziej zaawansowanych technologii. Rozwinięte przez przedsiębiorstwa na potrzeby LHC mogą znaleźć zastosowanie w nowoczesnej energetyce, diagnostyce medycznej, inżynierii materiałowej, informatyce.

Polska do tego rynku zyskała dostęp już w 1991 roku. W pracach przy budowie LHC uczestniczyła ponad setka polskich inżynierów i techników.