CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cz

ą

stek Elementarnych

CERN to największy ośrodek badawczy fizyki
cząstek elementarnych na świecie Założone
w 1954 roku Laboratorium było jednym z
pierwszych

europejskich

wspólnych

przedsięwzięć. Położone jest na granicy
francusko - szwajcarskiej na zachód od
Genewy. W CERN pracuje 6500 naukowców,
a

więc

połowa

fizyków

cząstek

elementarnych na świecie. Reprezentują oni
500 uczelni i ponad 80 narodowości.
Działalność

CERN

to

czysta

nauka,

poszukiwanie odpowiedzi na najbardziej
podstawowe pytania dotyczące przyrody: Co
to jest materia? Skąd się bierze? W jaki
sposób tworzy ona tak skomplikowane
obiekty, jak gwiazdy, planety i istoty
ludzkie?
Zadaniem CERN jest dostarczanie fizykom wiązek cząstek o wysokich energiach, by mogli
wykorzystywać je do swoich eksperymentów. Pod tym względem Laboratorium jest
bezkonkurencyjne, bowiem posiada największy na świecie kompleks połączonych ze sobą
akceleratorów (przyspieszacz cząstek) i odpowiednie detektory (urządzenia rejestrujące i
analizujące otrzymane cząstki). Zderzając cząstki ze sobą wewnątrz akceleratorów zwanych
zderzaczami luk zderzając je z tarczami znajdującymi się poza akceleratorem, wytwarza się nowe
cząstki. Naukowcy w CERN badają miliony niezwykłych zderzeń, by zrozumieć, w jaki sposób
około 15 miliardów lat później Wszechświat stał się taki, jakim go teraz widzimy.

Przyspieszając cząstki do bardzo dużych energii i rozbijając je o
wyznaczone tarcze lub o siebie nawzajem, fizycy mogą pokazać
oddziaływania, występujące pomiędzy tymi cząstkami.
Istnieją dwa typy akceleratorów: liniowe i kołowe. W CERN są
obydwa

typy.

Akceleratory

wykorzystują

potężne

pola

elektryczne, by nadać energię wiązce cząstek. Pola magnetyczne
służą do utrzymania zwartości wiązki, a w urządzeniach
kołowych do kierowania jej po okręgu.
Akceleratory liniowe nadają energię wiązce cząstek na całej
długości akceleratora. Im urządzenie jest dłuższe, tym większa
jest energia końcowa. W akceleratorach kołowych cząstki krążą
cały czas, za każdym okrążeniem zwiększając energię. Ale im
szybciej cząstki się poruszają, tym bardziej próbują wylecieć
poza okrąg, tak jak samochody na ostrym zakręcie. Największy
pracujący do tej pory akcelerator CERN Wielki Zderzacz

Elektronowo-Pozytonowy (LEP) ma bardzo duży obwód (27 kilometrów), co powoduje, że zakręty
są bardzo łagodne. Obecnie LEP został rozebrany i na jego miejscu w tym samym tunelu buduje
się nowy akcelerator wielki zderzacz hadronów - LHC. W przyszłości być może ponownie nastąpi
uruchomienie LEP nad akceleratorem LHC.

Wielki zderzacz hadronów - LHC

Wielki zderzacz hadronów czyli LHC (ang. Large Hadron Collieder), to
akcelerator cząstek, który będzie sondował materię głębiej niż
kiedykolwiek dotychczas . Poi jego uruchomieniu, które planowane jest
na rok 2007, będą się w nim zderzać wiązki protonów o niesamowicie
dużej energii, oraz przyspieszane będą wiązki ołowiu.
LHC

wykorzysta

nadprzewodnictwo.

Aby

utrzymać

wiązki

na

odpowiednich torach LHC musi mieć silniejsze pole magnetyczne niż
stosowane dotychczas. Nadprzewodnictwo to zdolność niektórych
materiałów do przewodzenia, zwykle w bardzo niskich temperaturach,
energii elektrycznej bez oporu czyli bez strat. LHC będzie działać w
temperaturze bliskiej zera bezwzględnego (-273°C). Akcelerator ten,

Widok na CERN. Biała linia pokazuje przebieg tunelu o długości 27

km, gdzie znajdują się pod ziemią akceleratory.

Akcelerator liniowy w CERN

Page 1 of 4

CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html

mając obwód 27 km, będzie największą instalacją nadprzewodzącą na
świecie.

Ponieważ LHC będzie przyspieszał
dwie

wiązki

poruszające

się

w

przeciwnych kierunkach, będą to w
rzeczywistości dwa akceleratory w
jednym.

Aby

urządzenie

było

maksymalnie

zwarte

i

możliwie

najmniej

kosztowne,

magnesy

wbudowane będą w jeden blok.
LHC jest budowany w tym samym
tunelu co LEP. Przed wpuszczeniem
wiązki protonów do LHC, wiązki
protonów

będą

przygotowywane

przez akceleratory już pracujące w CERN.

Uniwersalne układy detekcyjne

Detektory, które będą badać zderzenia w LHC będą większe i bardziej skomplikowane niż
dotychczasowe. Będą również szybsze, zdolne wychwycić około 800 milionów zderzeń w każdej
sekundzie.
Z budową LHC związane są cztery programy badawcze: dwa
wielkie i uniwersalne - ATLAS i CMS, oraz dwa mniejsze, bardziej
wyspecjalizowane - ALICE i LHCB. Nazwy układów detekcyjnych i
zespołów naukowych, które je projektują, budują i będą
wykorzystywać po uruchomieniu LHC w 2007 roku, pochodzą od
skrótów nazw angielskich. Przykładowo, CMS to Compact Muon
Solenoid, czyli Zwarty (Magnes) Solenoidalny (do detekcji)
Mionów.
Układy

detekcyjne

muszą

zawierać

więc

dużą

liczbę

poddetektorów, podzielonych na wiele dalszych komórek. Każda
z nich zawiera elektroniczny tor sygnałowy, składający się z wzmacniaczy, układów formowania
impulsu, przetworników sygnałów analogowych na cyfry, kabli i włókien optycznych, systemu
pamięci buforowych itp. Okazuje się, że liczba kanałów elektroniki systemów detekcyjnych jest
bardzo wysoka: dla CMS wynosi ona około 100 mln kanałów. Tyle mniej więcej jest aparatów
telefonicznych w Europie.

System wyzwalania i zbierania danych

Jednym z najtrudniejszych problemów stojących przed fizykami
jest zbudowanie systemu wyzwalania, tzn. selekcji i odrzucania
większości "nieciekawych" oddziaływań proton-proton. System
wyzwalania w eksperymentach wysokich energii jest zazwyczaj
kilkustopniowy.

Zadaniem

pierwszego

stopnia

jest

jak

najszybsze (w około 3 ms) odrzucenie większości nieciekawych
oddziaływań- takich, w których nie powstały obiekty o dużych
pędach poprzecznych. Na tym poziomie niemożliwe jest
wykonywanie złożonych testów lub jakichkolwiek obliczeń, gdyż
trzeba działać z częstością 40 MHz. W czasie oczekiwania na
decyzję

nie

powinniśmy

jednak

tracić

potencjalnie

interesujących

przypadków.

Szybkie

rozstrzygnięcia

muszą

być

podejmowane

przez

wyspecjalizowane układy procesorów pracujących równolegle, tworzących układ znacznie bardziej
skomplikowany niż największe superkomputery. Przewiduje się, że po pierwszym etapie selekcji
pozostanie około 30 tys. przypadków, które poddane zostaną szczegółowej analizie. Dopiero po
odrzuceniu większości nieciekawych przypadków można wykonywać bardziej dokładne obliczenia,
takie jak na przykład wyznaczenie pędów cząstek i sprawdzenie, czy w danym zderzeniu nie
zaobserwowano rozpadów cząstek o czasach życia większych niż 1 ps (takie rozpady można
obserwować w detektorach). Takie operacje mogą już wykonywać zestawy dostępnych
komputerów, z których każdy zajmuje się jednym przypadkiem. Komputer taki musi otrzymać
wszystkie informacje o danym przypadku, czyli wspomniane ponad 100 mln liczb. Musimy więc
zaprojektować i zbudować swoistą centralę telefoniczną, która potrafi łączyć 100 mln abonentów-

Pierwsza prototypowa sekcja

LHC po pierwszej pomyślnej

próbie.

Podwójna struktura nadprzewodzących

magnesów LHC

Fragment połączeń w CERN

Page 2 of 4

CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html

kanałów elektroniki z centralą-komputerem z częstości 40 MHz (nie chcemy bowiem zgubić
żadnego przypadku). Takie systemy wyzwalania i zbierania danych będą budowane w
eksperymentach LHC.

Program badawczy LHC

W LHC mają zostać zrealizowane cztery podstawowe
programy eksperymentalne.

Poszukiwanie cz

ą

stki Higgsa

Cząstka ta jest ostatnim elementem składowym Modelu
Standardowego,

który

nie

został

jeszcze

zaobserwowany.

Z

przeprowadzonych

dotychczas

eksperymentów wiadomo, że jej masa spoczynkowa
musi być bardzo duża. Celem badań, które zostaną
przeprowadzone w LHC, będzie dokładne spenetrowanie
całego tego obszaru możliwych wartości mas. Nie jest to
zadanie proste, bowiem cząstka Higgsa ma niezwykle
krótki czas życia i w zależności od swojej masy może
rozpadać się na wiele różnych sposobów. Na szczęście,
możliwe kanały rozpadu zostały w ciągu ostatnich
kilkunastu lat gruntownie przeanalizowane zarówno
teoretycznie, jak i za pomocą symulacji komputerowych i
wiadomo bardzo dokładnie, jakie oznaki istnienia tej
cząstki możemy zaobserwować w detektorach LHC.

W poszukiwaniu cz

ą

stek supersymetrii

Sformułowanie hipotezy supersymetrii stanowi bez
wątpienia

jedno

z

najważniejszych

osiągnięć

współczesnej fizyki teoretycznej. Symetria ta jest
uogólnieniem symetrii czasu i przestrzeni, odkrytych na
początku XX wieku przez Lorentza i Einsteina. Cechuje
się ona tak niezwykłym pięknem, że jeśliby natura nie
zrealizowałaby

tej

symetrii

w

świecie

cząstek

elementarnych, to byłoby zaiste niezwykle trudne do
zrozumienia.

Z

punktu

widzenia

fizyka

cząstek

elementarnych supersymetria jest szczególnie ważna,
ponieważ umożliwia budowę tzw. modeli wielkiej
unifikacji, będących naturalnym uogólnieniem Modelu
Standardowego. Teorie wielkiej unifikacji przewidują
istnienie nowej klasy cząstek elementarnych, których
będzie się w tym programie poszukiwać.

Plazma kwarkowo - gluonowa

W LHC przyspieszane być mogą, zamiast protonów, również ciężkie jony (na przykład jądra
ołowiu). Kiedy rozpędzone do wielkich energii jądra takie zderzają się ze sobą, przez krótką
chwilę kwarki i gluony poddane zostają ciśnieniom i temperaturom wielokrotnie przekraczającym
ciśnienia i temperatury panujące we wnętrzach najbardziej masywnych gwiazd. W tych
ekstremalnych warunkach powstaje nowy, egzotyczny stan skupienia materii zwany plazmą
gluonowo-kwarkową. W zderzeniach cząstek elementarnych struktura wiązań kwarków ulega
zaburzeniu. Jeśli jednak energia i gęstość materii nie jest wystarczająco duża, każdy kwark
znajduje sobie natychmiast odpowiedniego partnera w swoim najbliższym otoczeniu i wiąże się z
nim. Sytuacja zmienia się drastycznie, kiedy gęstość materii gluonowo-kwarkowej osiąga pewną
wartość graniczną. Wtedy każdy kwark ma w swoim otoczeniu wielu potencjalnych partnerów, z
którymi może się związać. Na dodatek nie musi on pozostawać na zawsze w jednym związku,
może porzucić swojego partnera i znaleźć sobie szybko nowego. Własności materii w stanie tej
dzikiej orgii w wykonaniu kwarków i gluonów są w zasadzie nieznane. Chromodynamika
kwantowa, teoria opisująca zachowanie kwarków i gluonów, jest jednym z najbardziej

Takie ślady powinna pozostawić po sobie w
detektorze cząstka Higgsa, postała po zderzeniu
elektronów i pozytonów w nowym alceleratorze
liniowym

Symulacja powstania hipotetycznych cząstek

neutralino

Page 3 of 4

CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html

skomplikowanych i wyrafinowanych modeli fizyki teoretycznej i bardzo skutecznie opiera się
dotychczas wysiłkom badaczy, próbujących przewidzieć opisywane przez nią zachowanie materii
w ekstremalnych warunkach. Nie ulega jednak wątpliwości, że zrozumienie fizyki plazmy
gluonowo-kwarkowej będzie miało kolosalne znaczenie nie tylko dla astrofizyki i kosmologii, ale
może mieć daleko idące konsekwencje praktyczne.

Fizyka kwarka b

Ostatnim z wielkich projektów doświadczalnych, które mają być przeprowadzone przy użyciu LHC,
jest badanie własności kwarka b. LHC jest w stanie wyprodukować bardzo duże ilości tych
kwarków, ich zachowanie z kolei pozwala na dokładny pomiar pewnych, trudnych do określenia w
inny sposób, parametrów Modelu Standardowego. Badania fizyki kwarka b nie będą dotyczyć
"nowej fizyki", ale bardzo dokładnego zbadania własności modelu, który jest już znany; są one
jednak niezwykle ważne, ponieważ w konstruowaniu nowych teorii niezwykle istotna jest
dokładna znajomość własności ich poprzedników.

Nowy akcelerator liniowy

W sierpniu 2004 roku zdecydowano na międzynarodowej
konferencji w Pekinie o budowie akceleratora czyli przyrządu
do przyspieszania cząstek naładowanych. Wybór miejsca,
gdzie zostanie zbudowana maszyna, jest w pewnym sensie
sprawą polityczną. Najpoważniejszymi kandydatami są
Niemcy (ośrodek DESY) gdzie już pracuje próbny odcinek,
USA (może Fermilab pod Chicago) i Japonia (KEK w
Tsukuba). Decyzja zapadnie za dwa-trzy lata. Ma on być
finansowany przez największe ośrodki fizyki na świecie - z
Europy, USA i Japonii. Całkowity koszt budowy wynosi 5 mld
dolarów.
Będzie to w odróżnieniu od LHC akcelerator liniowy, tzn.
rozpędzane cząstki poruszać się będą po linii prostej. Służyć
on będzie do badania zderzeń lekkich cząstek elektronów i
pozytonów i dla takich cząstek akcelerator kołowy byłby
droższy. Nowy przyspieszacz powstanie w tunelu o długości
ponad 30 km i średnicy pięciu metrów umieszczonym
kilkadziesiąt metrów pod ziemią. Cząstki będą rozpędzane
napięciem ponad 26 mln woltów przez nadprzewodzące
instalacje. Całkowita moc akceleratora wynosi aż 155 MW
(całkowita moc elektrowni Adamów koło Turku wynosi 600MW) czyli jedną czwartą średniej
wielkości elektrowni.

Nowy akcelerator pozwoli badać cząstki powstałe w
wyniku zderzenia elektronów i pozytonów. Takie warunki
panowały zaraz po

Wielkim Wybuchu

, będzie więc można

testować

różne

hipotezy

przebiegu

powstawania

Wszechświata. Być może zbadamy dokładniej właściwości
neutrino. Fizycy szukać też będą

cz

ą

stki Higgsa

.

Testowana będzie

teoria strun

, według której wszystkie

cząstki można traktować jak maleńkie struny. Szukać się
też

będzie

cząstek

postulowanych

przez

teori

ę

supersymetrii

, które wyginęły tuż po Wielkim Wybuchu.

Taką cząstką jest neutralino, cząstka symetryczna do
neutrino.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych

w

serwisie naukowym Gazety Wyborczej

. Opis projektu

można

znaleźć

na

stronie

http://www.interactions.org/linearcollider/

Rezonatora wykonanego z niobu w którym poruszać

się będą elektrony i pozytony

Page 4 of 4

CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html