Kalejdoskop
Wielki Zderzacz Hadronów (LHC – Large Hadron Collider) to największy na świecie akcelerator cząstek, który znajduje się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w Szwajcarii. Budowa tego najbardziej skomplikowanego w dziejach ludzkości urządzenia kosztowała około 6 miliardów franków szwajcarskich. W roku 2018 LHC został wyłączony, by mógł zostać poddany odpowiednim modyfikacjom. W październiku ubiegłego roku ruszył ponownie, a w pełni zaczął działać przed kilkoma tygodniami...
Wspaniała fizyka
Trzyletnie prace nad rozszerzeniem zdolności LHC polegały między innymi na wyposażeniu długiego na 27 kilometrów tunelu, znajdującego się pod ziemią na granicy Szwajcarii i Francji, w 130 dodatkowych magnesów o niezwykle dużej mocy. Zmianom uległ również system zasilania i chłodzenia. Usprawniony sprzęt ma nową nazwę, która jednak jeszcze nie obowiązuje: H-LLHC (High-Luminosity Large Hadron Collider). Naukowcy żywią nadzieję, że zastosowane modyfikacje pozwolą na przeprowadzenie wielu kluczowych eksperymentów oraz dokonanie nowych odkryć. Modernizacja na pierwszy rzut oka może wydawać się mało istotna, ale znacząco poszerza możliwości akceleratora cząstek.
Szef całego programu badań, Lothar Bauerdick, powiedział: – Osiągnęliśmy wszystkie nasze cele związane z trzyletnim zamknięciem obiektu, pomimo wyzwań związanych z pandemią. Nie możemy doczekać się ponownego zbierania danych za pomocą odnowionego i zmodernizowanego detektora oraz przy wyższych energiach. Powinno to zaowocować wspaniałą fizyką w nadchodzących latach.
Wielki Zderzacz Hadronów wytwarza olbrzymie pole magnetyczne. Początkowo nadrzędnym celem maszyny znajdującej się w Genewie było znalezienie tzw. bozonu cechującego, określanego mianem „boskiej cząsteczki”. Odkrycie nowej cząstki elementarnej, nazwanej bozonem Higgsa, ogłoszono w 2012 roku. Jest to cząstka, która – jak twierdzą badacze – miała zasadnicze znaczenie w czasie tak zwanego Wielkiego Wybuchu przed ponad 13 miliardami lat, który zapoczątkował tworzenie się wszechświata.
Kiedy odkryto bozon Higgsa, niektórzy myśleli, że projekt na tym się zakończy, jednak przed pracującymi w Szwajcarii naukowcami postawiono nowe cele. LHC ma pomóc ludziom lepiej zrozumieć niektóre zjawiska mające miejsce w otaczającym nas świecie. W najbliższych latach Wielki Zderzacz Hadronów być może umożliwi ludzkości zrozumienie, czym dokładnie jest tzw. ciemna materia. Jest ona niewidzialna, mimo że stanowi zasadniczy materiał, z którego zbudowany jest wszechświat.
Od czasu do czasu pojawiały się w przeszłości spekulacje o tym, iż działanie LHC może doprowadzić do jakiejś gigantycznej katastrofy, a może nawet zagłady naszego globu, gdyż tak silne pole magnetyczne skutkuje tworzeniem się czarnych dziur, które pochłaniają znajdującą się w ich pobliżu materię. Naukowcy jednak są zdania, że tego typu doniesienia należy umieścić w kategorii ciekawych, aczkolwiek niemających odzwierciedlenia w rzeczywistości teorii spiskowych.
Nieznana siła
Wznowiona właśnie działalność LHC zwana jest Run 3 (trzeci przebieg), gdyż przedtem były już dwa odrębne etapy prowadzonych eksperymentów. Naukowcy mają nadzieję, że w ramach nowych eksperymentów można będzie rozwiązać tzw. problem hierarchii, który dotyczy ogromnej rozbieżności między masą bozonu Higgsa a masą innych cząstek elementarnych. Jednak najważniejszym zadaniem jest rozszerzenie tzw. Modelu Standardowego fizyki.
Ów model jest teorią cząstek podstawowych, zwanych też cząstkami elementarnymi, które są składnikami każdej materii. Opisuje trzy z czterech (z wyjątkiem grawitacji) oddziaływań podstawowych: elektromagnetyczne, słabe i silne. Wszystko to sformułowane jest w języku zaawansowanej matematyki, opisującym relacje między poszczególnymi elementami tej teorii, co oznacza niestety, iż przeciętny śmiertelnik nie jest w stanie dokładnie zrozumieć, o co naukowcom w tym wszystkim chodzi.
Mimo to Model Standardowy jest jedną z najważniejszych teorii współczesnej fizyki, a jego podstawy teoretyczne zaczęto formułować w latach 70. XX wieku. W latach 80. potwierdzono większość jego przewidywań doświadczalnie. Teoria ta skutecznie zawarła w sobie i wyjaśniła wcześniejsze dociekania, np. dotyczące mechaniki kwantowej. Jednak współcześni fizycy są zgodni co do tego, że w obliczu najnowszych odkryć Model Standardowy wymaga rozszerzenia albo też całkowitej modyfikacji.
Kluczem do tego są badania prowadzone przy pomocy Wielkiego Zderzacza Hadronów. Chodzi między innymi o to, że naukowcy podejrzewają, iż w naszym wszechświecie istnieje dodatkowa, piąta i na razie niezidentyfikowana siła. Jest ona być może odpowiedzialna za szereg zjawisk, których na razie współczesna nauka nie jest w stanie wyjaśnić. Jeśli tak istotnie jest, i jeśli siła ta zostanie wykryta i zbadana, Model Standardowy praktycznie przestanie istnieć, co miałoby w fizyce rewolucyjne znaczenie.
Istnieją już plany wprowadzania kolejnych ulepszeń w 2024 roku, które pozwolą na zawężenie wiązek LHC i tym samym znaczne zwiększenie liczby zderzeń atomów. Należy przypomnieć, że zasadniczym procesem, jaki odbywa się w LHC, jest rozbijanie protonów w taki sposób, że rozpadają się one na cząstki elementarne, które tylko w ten sposób mogą być obserwowane i analizowane. Wiązki protonów w tunelu akceleratora, prowadzone przez niezwykle silne pole magnetyczne, podróżują z szybkością bliską prędkości światła i są celowo ze sobą zderzane.
Rende Steerenberg, szef tzw. pokoju kontrolnego LHC, podkreśla, że ponowne uruchomienie akceleratora to nie proste włączenie jakiegoś urządzenia, lecz niezwykle skomplikowana operacja, wymagająca precyzyjnej koordynacji setek różnych systemów i podzespołów. Zawsze istnieje możliwość wystąpienia jakiejś usterki, co mogłoby się zakończyć awaryjnym wyłączeniem LHC. Wszystko jednak odbyło się zgodnie z planem. Akcelerator działa na razie bez zarzutu, a pierwszych rezultatów nowych badań można się spodziewać już latem bieżącego roku.
Andrzej Malak
