Polska dama europejskiej fizyki

Czy „złapanie" przez Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) czegoś, co przypomina bozon Higgsa – zwany boską cząstką – to jakiś przełom w fizyce? Profesor Rolf Heuer, dyrektor CERN, kiedy to ogłaszał, nie krył wzruszenia.

To wielki sukces CERN jako laboratorium. Oczywiście do sukcesu przyczyniły się prace teoretyków. Ten opisany w teorii mechanizm nadawania masy cząstkom występuje pod jednym nazwiskiem Higgsa. Tymczasem ogromny wkład w opisanie tego mechanizmu miało jeszcze dwóch fizyków belgijskich Brout i Englert. Teraz się proponuje, żeby w nazwie mechanizmu uwzględniać wszystkie trzy nazwiska. Mam nadzieję, że w przyszłości ten wynik zostanie uczczony Nagrodą Nobla. Bez doświadczalnego sprawdzenia tego mechanizmu, teoria ta byłaby wciąż tylko spekulatywna. Trzeba było pokazać, że naprawdę istnieje cząstka Higgsa i nadaje masę wszystkim innym. Wobec tego to odkrycie w CERN ma ogromne znaczenie.

A kiedy dowiemy się, że jest to właśnie ta cząstka, a nie jakaś inna?

W ubiegłym tygodniu na zebraniu w Erice, poświęconym aktualizacji Europejskiej Strategii dla Fizyki Cząstek, padł postulat, który został przyjęty — przestańmy mówić zachowawczo o cząstce „ higsopodbnej", bo coraz więcej wskazuje na to, że jest to cząstka Higgsa. Coraz lepiej widać, że ma własności takie jak trzeba. Ale musimy poczekać jeszcze parę lat, żeby można było powiedzieć z całą pewnością, jaki jest spin tej cząstki. Powinien być zero – to jest bardzo ważne. Żeby bez wątpliwości określić spin, trzeba mieć znacznie więcej danych, niż dotychczas uzyskali naukowcy w eksperymentach ATLAS i CMS. W oparciu o wszystkie dane zebrane do końca 2012 roku badacze będą mogli określić spin z dokładnością czterech standardowych odchyleń statystycznych. W fizyce cząstek odkrycie uznaje się za potwierdzone, jeśli jest 5 odchyleń statystycznych, ale cztery to już bardzo, bardzo dużo. Jednym słowem wszystko idzie w tym kierunku, że jednak mamy do czynienia z cząstką Higgsa. Żeby uzyskać poziom pięciu odchyleń standardowych, potrzeba będzie nowych danych uzyskanych po powtórnym uruchomieniu Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Ale na razie przed nami przerwa w działaniu akceleratora...

Przerwa, przeznaczona na przebudowę LHC, rozpocznie się około połowy lutego i potrwa do Bożego Narodzenia 2014 roku. Warto zaznaczyć, że LHC znajduje się na końcu łańcucha przyśpieszania cząstek. Przed nim jest jeszcze kilka akceleratorów służących do wstępnego przyśpieszania. Przez większość czasu przebudowy LHC wszystkie będą unieruchomione. Prace przy LHC to olbrzymie zadanie — potrzebne będą wszystkie „ręce na pokładzie", wobec tego wszyscy specjaliści od akceleratorów w CERN -ie będą pracować nad przebudową LHC.

Po naprawie LHC będzie działał lepiej?

Dotychczas największa energia, przy jakiej pracował LHC, to było 8 teraelektronovoltów. Elektronowolt to taka jednostka, którą fizycy lubią się posługiwać — 1 elektronowolt to energia, jaką uzyskuje cząstka o ładunku równym ładunkowi elektronu przy przejściu różnicy potencjałów jednego Volta. Wielokrotność to kiloelektronowolty, megaelektronowolty, gigaelektronowolty, teraelektronowolty itd. Fizyka atomowa, czyli wiązania elektronów w atomach to są zakresy energii od elektronowoltów do kiloelektronowoltów. Fizyka jądrowa to obszar megaelektronowoltów, a fizyka cząstek typowo dotyczy energii powyżej gigaelektronowoltów. Po przebudowie, na początku w LHC będzie można uzyskać energię 13 teraelektronovoltów, ale celem jest 14. Więcej energii nie da się wycisnąć z LHC przy użyciu obecnych magnesów do utrzymywania protonów na orbicie w tym akceleratorze. Tyle było planowane. Początkowa awaria wydłużyła czas, jaki specjaliści potrzebowali do osiągnięcia energii maksymalnej. Ponowne uruchamianie LHC rozpocznie się w styczniu 2015 roku. Podwojenie energii zderzeń sprawi, że prawdopodobieństwo powstania cząstki Higgsa w zderzeniu protonów będzie większe niż dotychczas. Taka cząstka powstaje niezwykle rzadko — jest bardzo ciężka, a jak będziemy mieli do dyspozycji większa energię, wzrośnie prawdopodobieństwo, że zostanie wyprodukowana. Jeżeli chodzi o badanie różnych własności cząstki Higgsa to więcej danych jest konieczne.

A co dalej?

Wciąż poruszamy się w ramach tzw. Modelu Standardowego cząstek. Bozon Higgsa jest ostatnią brakującą cegiełką w tym modelu. Powstaje jednak pytanie, w którym momencie ta teoria przestanie się stosować, bo wiadomo, że kiedyś musi. To, co byłoby naprawdę bardzo ciekawe, to zobaczyć zjawiska, które wychodzą poza Model Standardowy. Najciekawsze byłyby jakieś nowe cząstki przewidywane przez różne teorie wychodzące poza Model Standardowy. Dotychczasowe doświadczenia prowadzone z użyciem różnych akceleratorów, w tym LHC, prowadzą do wniosku, że Model Standardowy trzyma się mocno.

To chyba dobrze, że wszystko się zgadza?

No niedobrze, wiemy że Model Standardowy musi się załamać. W którymś momencie będziemy mieć kłopoty z tzw. unitarnością teorii. Może uda się zaobserwować w LHC jakieś odstępstwo od teorii, ale potrzeba znacznie większej ilości danych. Najsympatyczniej byłoby znaleźć jakieś nowe cząstki. Wtedy lepiej wiedzielibyśmy, jak powinna wyglądać teoria, która jest szersza niż Model Standardowy. Najprostsza taka teoria – minimalna supersymetria, na razie w LHC nie została potwierdzona.

Czemu należy zawdzięczać, że stanowisko Przewodniczącego Rady CERN czyli Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, piastuje Pani, przedstawiciel biednej polskiej nauki?

Wszędzie powtarzam, że nie byłoby polskiej Przewodniczącej Rady CERN, gdyby nie wspaniała tradycja polskiej fizyki cząstek. Zdaję sobie sprawę, że ważna też była osoba, ale jestem przekonana o znaczeniu środowiska, jakie za mną stoi.

Polska jednak nie była krajem założycielskim CERN-u.

Nasz kraj był zaproszony do dołączenia się do powstającej Organizacji, ale z przyczyn politycznych nie mógł do niej przystąpić. Wtedy jako odpowiedź na powstanie CERN — Związek Radziecki powołał Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych w Dubnej. Myśmy niejako z automatu zostali członkiem Dubnej. Naszym szczęściem było, że mieliśmy znakomitych fizyków rodzącej się specjalności fizyki cząstek. W Warszawie pracowali profesorowie Marian Danysz i Jerzy Pniewski, a w Krakowie prof. Marian Mięsowicz. Mieli kontakty ze wybitnymi fizykami tej specjalności na Zachodzie. Bardzo wcześnie byli proszeni o przysyłanie swoich uczniów na staże. Pierwsi Polacy zaczęli pracować w CERN -ie już na przełomie lat 50 i 60 — tych. W połowie lat 60 mieliśmy już grupy eksperymentalne, które zaczęły pracować na danych z CERN –u w ramach międzynarodowych zespołów. Kiedy przygotowywałam swoją pracę magisterską w 1971 roku, pisałam ją już w oparciu o dane z CERN, nie mając wcześniejszego kontaktu z Dubną. Moi starsi koledzy przechodzili jeszcze przez Dubną. To, że mieliśmy wybitnych fizyków cząstek, spowodowało, że Polska była w bardzo specjalnej sytuacji. Jako jedyny kraj zza żelaznej kurtyny już w roku 1963 uzyskała status obserwatora w CERN.

LHC jest jedną z najdroższych maszyn na świecie, a Polska jak Pani wspomniała ma w pracach CERN istotny udział. Jak radzimy sobie z naszym wkładem w te międzynarodowe badania?

W wielkich eksperymentach prowadzonych w CERN każda grupa, a więc i polskie, muszą mieć swój wkład w budowę aparatury pomiarowej i w prowadzenie eksperymentów. My nie dysponowaliśmy wielkimi pieniędzmi, więc od początku staraliśmy się, aby wkładem w kolejne eksperymenty były „mózgi" i budowana w Polsce aparatura. Tu można podać wiele przykładów, ale wspomnę prof. Michała Turałę, który już w latach 70 budował w Krakowie detektory gazowe do eksperymentów w CERN, a w latach 90 przewodniczył Komitetowi ds. detektorów dla eksperymentów przy LHC oraz kierował jednym z oddziałów w CERN. Inny przykład – polski wkład finansowy w budowę detektora ATLAS wynosił ok. miniona franków szwajcarskich, a sprzęt zamówiony w Polsce kosztował ATLAS 1,4 miliona franków. Większą część orurowania eksperymentu CMS wykonała polska firma. Prace polskich inżynierów i techników, głównie z IFJ PAN i AGH, przy uruchamianiu, a w najbliższych dwu latach przy przebudowie LHC, to łącznie setki osobo-lat. Ten zespół cieszy się dużą renomą w Europie i jest zapraszany do udziału w budowie innych urządzeń tego typu. W Polsce, głównie w NCBJ, prowadzone są oryginalne prace akceleratorowe.

Polacy byli i są wybierani do komitetów naukowych w CERN. Profesorowie A.K. Wróblewski, K.Rybicki i ja, a od tego roku K.Redlich wybrani zostali do wspomnianego już Komitetu Polityki Naukowej, natomiast profesorowie J.Nassalski, L.Białkowska, S.Pokorski, M.Różańska, J.Dobaczewski i ja byli lub są członkami tematycznych komitetów naukowych. Prof. M.Gaździcki jest rzecznikiem całkiem dużego eksperymentu w CERN, dr Andrzej Siemko kieruje zespołem odpowiedzialnym za bezpieczne funkcjonowanie kompleksu akceleratorów, dr T.Kurtyka jest „ambasadorem" CERN m.in. w kontaktach z Rosją, a prof. E.Rondio była członkiem biura Dyrekcji CERN. Jeśli idzie o polskie sukcesy w Radzie CERN, to prof. R.Sosnowski był jej Wiceprzewodniczącym, Rada powierzyła Polsce organizację bardzo ważnej konferencji, która odbyła się we wrześniu 2012 roku w Krakowie, a na najbliższe trzy lata Najwyższa Izba Kontroli wybrana została na zewnętrznego audytora CERN. Nie podejmuję się wymienienia nazwisk polskich fizyków pełniących różne odpowiedzialne funkcje w eksperymentach.

Polska jest współwłaścicielem CERN, płacąc składkę na utrzymanie laboratorium. Część z niej do nas wraca w postaci zamówień w polskim przemyśle. Mamy bardzo dobry tzw. współczynnik zwrotu, co jest zasługą prof. M.Chorowskiego z Politechniki Wrocławskiej, no i oczywiście polskich firm. Naprawdę jest więc czym się pochwalić, a nie dotknęliśmy nawet zagadnienia transferu wiedzy i technologii.

Czy Rada CERN- zleca jakieś konkretne badania naukowe?

Jednym z ciał doradczych Rady jest Komitet Polityki Naukowej, w którym zasiadają fizycy europejscy, ale także japońscy i amerykańscy (chodzi o to żeby mieć jak najszersze spojrzenie na fizykę cząstek). W tym Komitecie, w którym są fizycy z wyboru, pracowałam przez dwie kadencje — 6 lat, wiem więc, na czym ta praca polega. Przewodniczący Komitetu referuje prace Komitetu na każdym zebraniu Rady. Ponadto od czasu do czasu Rada prosi ten komitet o przygotowanie opracowania na jakiś temat. Ostatnio oczywiście cząstka Higgsa była na tapecie. Wcześniej, kiedy jeszcze byłam członkiem Komitetu Polityki Naukowej, dostał on pytanie o przyszłość europejskiej fizyki neutrin. Ponieważ się na tym znam, w tej dziedzinie pracowałam przez ostatnie 10 lat, automatyczne weszłam do tego panelu i nawet mu przewodniczyłam.

A jakie obowiązki czekają Panią na stanowisku Przewodniczącego Rady?

Jest to funkcja rzeczywiście bardzo ważna, ale jeżeli sformułować, co jest głównym zadaniem Przewodniczącego, to zabrzmi to skromnie. Moje zadanie odczytuję jako bardzo porządne przygotowywanie zebrań Rady, żeby przebiegały sprawnie, a decyzje podejmowane były w jak największej zgodzie. To oznacza całkiem sporo pracy. Zajmuję się przygotowaniem agendy, aczkolwiek nie jest to tylko moja rola. Tu istotną funkcję pełni też dyrektor CERN. Jest on jednocześnie sekretarzem Rady, więc nasza dobra współpraca jest bardzo ważna.

Jak się układa współpraca?

Znakomicie, obecna Dyrekcja CERN w całości działa wspaniale. To przyjemność współpracować z tak dobrym zespołem.