Ciekawym aspektem nowych teorii — a wymieniliśmy tylko trzy najpopularniejsze podejścia — jest możliwość zunifikowania oddziaływań występujących w naturze. Unifikacja oznacza, że oddziaływania, które w niskich energiach wyglądają na różne i od siebie niezależne, w wysokich energiach „stapiają się" w jedno oddziaływanie. Od czasów Maxwella wiadomo na przykład, że pole elektryczne i pole magnetyczne są przejawami istnienia tego samego pola — elektromagnetycznego. W XX wieku oddziaływania elektromagnetyczne udało się zunifikować z jądrowymi słabymi. Obecnie fizycy dążą do połączenia oddziaływań elektrosłabych z jądrowymi silnymi — są to teorie tzw. Wielkiej Unifikacji. Budzą one wielkie zainteresowanie, bo unifikacja oddziaływań elektromagnetycznych i jądrowych słabych oraz silnych wymaga tak wysokiej energii, że można zacząć realnie myśleć o połączeniu wyłaniającego się z niej oddziaływania z grawitacją (a grawitacja w Modelu Standardowym w ogóle nie była uwzględniona). W kierunku wielkich unifikacji idą prace zwłaszcza w zakresie teorii supersymetrycznych oraz teorii strun.

Przedstawione próby rozszerzenia Modelu Standardowego prezentują najbardziej popularne podejścia do zagadnienia. Każda teoria, a nawet jej wariant, narzuca dość wyraźnie ograniczenia na zakres mas dozwolonych dla bozonu Higgsa. Jednocześnie większość teorii, zwłaszcza aspirujących do wielkiej unifikacji, nie potrafi odtworzyć bozonu Higgsa o masie zaobserwowanej ostatnio w LHC. Oznacza to, że bozon Higgsa i jego własności stały się papierkiem lakmusowym weryfikującym poprawność wielu dotychczasowych idei fizycznych.

Tak jak kanion wytycza kierunek, w którym biegnie nurt rzeki, tak bozon Higgsa wskazuje teraz drogę ku nowej fizyce.

Jak działa Wielki Zderzacz Hadronów?

2. ©CERN

Akcelerator LHC (Large Hadron Collider, czyli Wielki Zderzacz Hadronów) znajduje się w ośrodku CERN pod Genewą. Jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem skonstruowanym przez człowieka, rodzajem mikroskopu pozwalającego badać świat w bardzo małych skalach. W akceleratorze dochodzi do zderzeń dwóch poruszających się w przeciwne strony wiązek cząstek — protonów lub jąder ołowiu.

LHC nie jest konstrukcją samodzielną. Aby działał, potrzebny jest cały kompleks akceleratorów, stopniowo rozpędzających cząstki jądrowe do coraz większych energii.

Wszystko zaczyna się od wodoru, którego atomy składają się z jednego protonu i jednego elektronu. Atomy te raz na kilka godzin są pobierane z niewielkiej butli i jonizowane, czyli „odzierane" z elektronów. Tak otrzymane protony są kierowane do akceleratora liniowego Linac 2, gdzie rozpędza się je mniej więcej do 30% prędkości światła. Następnie trafiają do akceleratora PS Booster i tu ich energia kinetyczna wzrasta niemal 30-krotnie. Z Boostera protony są przekazywane do Synchrotronu Protonowego PS, a potem do Supersynchrotronu Protonowego SPS, na każdym etapie zwiększając energię ok. 20 razy. Niecałe pięć minut po opuszczeniu butli protony trafiają wreszcie do wnętrza tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów. Każdego dnia w LHC rozpędza się zaledwie kilka nanogramów (10^-9 g) wodoru. Oznacza to, że gram tego pierwiastka wystarczyłby mniej więcej na milion lat pracy akceleratora.

Jeśli w LHC mają się zderzać wiązki jąder ołowiu, ich wstępne rozpędzanie wygląda nieco inaczej niż w przypadku protonów, jednak ostatnie etapy drogi także wiodą przez akceleratory PS i SPS.

W LHC cząstki są formowane w dwie przeciwbieżne wiązki. Biegną one w dwóch równoległych rurach średnicy kilku centymetrów. Rury ułożono ok. 100 metrów pod ziemią, w kolistym tunelu o obwodzie 27 km. Aby cząstki nie rozpraszały się za szybko na gazach, wewnątrz rur (na całej długości tunelu!) panuje ultrawysoka próżnia.

Docelowo protony będą rozpędzane w LHC do prędkości ok. 0,999999991 prędkości światła i w każdej sekundzie okrążą tunel ponad jedenaście tysięcy razy. Aby zmusić cząstki o tak dużych energiach do ruchu w kolistym tunelu, trzeba zakrzywiać ich tory za pomocą pola magnetycznego wytwarzanego przez ponad 1200 potężnych elektromagnesów. Prąd płynący przez uzwojenia magnesów ma natężenie kilkunastu tysięcy amperów — jak w niewielkim wyładowaniu atmosferycznym.

Elektromagnesy w tunelu LHC zbudowano z nadprzewodników, czyli materiałów, które w bardzo niskich temperaturach nie stawiają oporu elektrycznego. Wszystkie nadprzewodniki są schłodzone do temperatury zaledwie 1,9 stopnia powyżej zera bezwzględnego (oznacza to, że wewnątrz LHC jest chłodniej niż w otwartej przestrzeni kosmicznej). Oprócz magnesów dipolowych, prowadzących cząstki wzdłuż rur próżniowych, LHC wyposażono w zespoły magnesów ogniskujących i korekcyjnych, które zapobiegają rozbieganiu się wiązek i ogniskują je w punktach zderzeń wewnątrz detektorów.

Protony we wnętrzu akceleratora krążą w paczkach po ok. 100 miliardów. Energia jednej paczki może odpowiadać energii eksplozji nawet 80 kg trotylu. W tunelu akceleratora, w siedmiometrowych odstępach, jednocześnie może krążyć ponad 2800 takich paczek. W ostatecznej konfiguracji akceleratora obie protonowe wiązki będą miały energię pociągu o masie 800 t, pędzącego z prędkością 150 km/h. Kontrolowanie tak dużej energii przez tak złożone urządzenie jest unikatowym w skali świata wyzwaniem naukowym i technicznym.

Po przyspieszeniu wiązek do właściwej energii, cząstki mogą krążyć w tunelu przez wiele godzin. Intensywność wiązek stopniowo maleje z powodu kontrolowanych zderzeń wiązek w detektorach oraz wskutek rozpraszania cząstek na resztkach gazu w rurach próżniowych. Po paru godzinach wiązki są wypuszczane z tunelu i kierowane na bloki grafitowe, gdzie wytracają swoją energię.

Podczas zderzania wiązek energia kinetyczna pierwotnych cząstek (protonów lub jąder ołowiu) przekształca się w nowe, w większości nietrwałe cząstki. Zadaniem detektorów jest identyfikacja cząstek powstających w zderzeniach, pomiar ich położenia w przestrzeni, ładunku elektrycznego, prędkości, masy i energii. Naprawdę ciężkie cząstki mają czasy życia krótsze od jednej pikosekundy (10^-12 s) i nie mogą być obserwowane w żadnym układzie detekcyjnym. Ich badanie jest możliwe tylko dzięki analizie energii i pędów zarejestrowanych produktów ich rozpadu.

Cząstki z obu przeciwbieżnych wiązek zderzają się ze sobą tylko w wybranych miejscach. W punktach przecięcia wiązek wybudowano detektory czterech głównych eksperymentów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. ATLAS jest największym detektorem LHC. Zawiera osiem nadprzewodzących cewek magnetycznych, każda długości 25 m, ułożonych w kształcie cylindra wokół rury wiązki znajdującej się w środku detektora. Cały ATLAS ma 46 m długości, 25 m wysokości i 25 m szerokości, waży 7000 t. Trochę mniejszy CMS jest prawie dwukrotnie cięższy.

Maksymalna liczba zderzeń proton-proton w LHC może sięgać miliardów na sekundę — to miliony razy więcej przypadków niż umiemy zapisać. Dlatego specjalne układy elektroniczne dokonują na bieżąco selekcji, oddzielając zderzenia ciekawe (do zapisania) od nieciekawych.

Udział Polaków w poszukiwaniach bozonu Higgsa

Odkrycie bozonu Higgsa nie byłoby możliwe bez akceleratora LHC. Kosztował on ok. 10 mld euro i powstał dzięki wspólnemu wysiłkowi kilkudziesięciu państw Europy i świata. Polscy podatnicy pokryli cztery procenty kosztów budowy i uruchomienia Wielkiego Zderzacza Hadronów i są jego współwłaścicielami.

Zespoły naukowe z naszego kraju zaangażowały się w prace nad LHC od momentu podjęcia decyzji o jego budowie przez radę CERN 16 grudnia 1994 roku. Polscy naukowcy brali udział w przygotowaniu programu badań fizycznych, stworzyli wiele narzędzi obliczeniowych, zajmowali się projektowaniem, testowaniem i budową elementów aparatury detekcyjnej czterech największych eksperymentów (ATLAS, CMS, LHCb i ALICE) oraz instalacją i testowaniem podukładów samego akceleratora. W pracach uczestniczyły następujące instytucje: Narodowe Centrum Badań Jądrowych (jako Instytut Problemów Jądrowych, IPJ), Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (IFJ PAN), Uniwersytet Warszawski (UW), Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH) w Krakowie, Uniwersytet Jagielloński (UJ), Politechnika Warszawska (PW) i Politechnika Krakowska (PK).

Poszukiwanie bozonu Higgsa oraz tropienie zjawisk wykraczających poza obecne teorie fizyczne to główne cele eksperymentu CMS. Zespół warszawski, w którego skład weszli naukowcy z IPJ, UW i PW, zaprojektował, zbudował i przetestował złożony system elektroniki decyzyjnej, służący do selekcji najciekawszych zdarzeń z udziałem mionów. Obejmuje on 12 kaset z (łącznie) 108 płytami elektronicznymi, zawierającymi 400 programowalnych procesorów logicznych FPGA. Grupa warszawska wykonała również system przesyłania informacji z detektora CMS do odległego o kilkadziesiąt metrów holu elektroniki. W tym celu 730 łączy optycznych obsługuje 120 kaset z (łącznie) 1700 płytami kodującymi dane z 2316 komór detekcyjnych. Ważnym wkładem teoretycznym do eksperymentu CMS było opracowanie przez polskich fizyków metod poszukiwania nowych cząstek elementarnych.

Drugim eksperymentem istotnym dla poszukiwań bozonu Higgsa jest ATLAS. Tu zespół krakowski wykonał projekt i symulację systemu selekcji zdarzeń i akwizycji danych. Opracowano pakiet do symulacji detektora ATLAS oraz algorytmy poszukiwania bozonu Higgsa. Ważnym wkładem były prace nad odpornymi na promieniowanie krzemowymi detektorami i wyspecjalizowanymi układami scalonymi oraz testy układów hybrydowych. Zaprojektowano i przetestowano układy sterowania oraz oprogramowanie systemu zasilaczy wysokiego napięcia, zbudowane następnie przez polską firmę Fideltronik. Zespół krakowski uczestniczył też w budowie układu kontroli i monitorowania detektora, odpowiada również za koordynację systemów gazowych i chłodzenia w całym detektorze oraz opracowanie metod instalacji komór mionowych. Podpory, na których stoi ATLAS, wykonała firma Budimex S.A. Mostostal Kraków w kooperacji z Hutą im. T. Sendzimira.

Analizą teoretyczną danych spływających z eksperymentów przy LHC zajmują się zespoły w różnych ośrodkach. W Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku działa kilkunastoosobowa, międzynarodowa grupa fizyków zaangażowanych w tę tematykę. Grupa jest prowadzona przez prof. dr. hab. Leszka Roszkowskiego, finansowanego z grantu programu WELCOME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Zespół analizuje dane otrzymane w LHC i sprawdza ich znaczenie dla poszukiwań nowych teorii fizycznych, wykraczających poza Model Standardowy. Przewidywania formułowane na podstawie informacji z LHC są tu zestawiane z wynikami doświadczeń i obserwacji przeprowadzonych w ramach innych eksperymentów, takich jak astronomiczne pomiary ilości ciemnej materii we Wszechświecie. Wyniki teoretyczne grupy z NCBJ są uznawane za jedne z najlepszych na świecie i w istotnym stopniu zawężają obszary poszukiwań nowych cząstek elementarnych w LHC.

Materiał przygotowany przez Narodowe Centrm Badań Jądrowych w Świerku

Dodaj komentarz do strony..   Zobacz komentarze (23)..

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word