LHC - CZYLI BIG BANG W LABORATORIUM

prof. dr hab. Jan Pluta

1. Wprowadzenie

Parę lat temu w czasopismach popularno-naukowych pojawiły się artykuły anonsowane na okładkach hasłami typu "LHC- największa zabawka fizyków na tropie zagadek Wszechświata" - "Wiedza i Życie", "Fizyka w krainie teraskali - Czy LHC i jego następcy wywołają lawinę odkryć?" - "Świat Nauki". Informacje o uruchomieniu LHC pojawiały się też w prasie codziennej oraz wiadomościach radiowych i telewizyjnych.

W czym tkwi tajemnica takiej popularności zaawansowanych badań naukowych, których istota zrozumiała jest tylko nielicznemu gronu fizyków? Czy może to być ważne i ciekawe dla ogółu społeczeństwa i czy warto o tym informować w środkach masowego przekazu? Rąbka tajemnicy uchylają ostrzeżenia, że eksperymenty z pomocą tej "największej zabawki.." mogą doprowadzić do utworzenia antymaterii, która w połączeniu z materią spowoduje unicestwienie naszego globu lub przemieni go w czarną dziurę. W kinach pojawił się film "Anioły i Demony", który podobne kataklizmy przewidywał.

Czy to prawda, czy nieprawda…? LHC faktycznie został zbudowany i już pojawiają się pierwsze eksperymentalne rezultaty, które zmieniają nasze poglądy na własności i oddziaływania elementarnych składników budowy materii. Czym jest więc LHC? Po co został zbudowany? Czego poszukuje? Jak działa? Czy jest niebezpieczny? Dlaczego określany bywa jako "Big-Bang w laboratorium"? To są pytania, na które odpowiedzi zawarte są w omawianym tu wykładzie.

LHC to akronim od angielskiej nazwy "Large Hadron Collider" czyli Wielki Zderzacz Hadronów. Hadrony, to klasa cząstek, do których należą protony i neutrony. Konkretnie, w LHC zderzają się protony lub jądra ołowiu. Można zapytać - po co się je zderza? Aby na to pytanie odpowiedzieć trzeba najpierw zauważyć, że prędkości, z jakimi poruszają się zderzane protony lub jądra atomowe są bardzo bliskie prędkości światła. Jeżeli jednak zderzenia następują przy takich prędkościach, a wiec przy ogromnych energiach zderzających się obiektów, to konieczne staje się przypomnienie słynnego wzoru Einsteina: E=mc². Wzór ten zna prawie każdy, ale niezbyt wielu wie, co wzór ten w sobie zawiera, a zawiera ogromną treść. Można go nazwać "poezją fizyki", bo utwór poetycki w krótkiej formie wyraża ogrom uczucia, piękna, miłości itp., a wzór fizyczny w formie kilku symboli opisuje ogromną mnogość zjawisk fizycznych, czego przykładem jest podany wyżej słynny wzór Einsteina.

2. Opis wykładu

Na początku podany i rozszyfrowany jest wzór E=mc². Powiedziane jest, co należy rozumieć pod pojęciami "energia" i "masa", wprowadzone jest pojęcie masy spoczynkowej i czynnika Lorentza, podana jest wartość prędkości światła i wielkości określającej stosunek danej prędkości do prędkości światła. Zwrócona jest uwaga, że równoważność masy i energii może być rozumiana dwojako, można zamienić masę w energię i energię w masę. Właśnie takie zamiany mają miejsce w zderzeniach, które analizuje się z pomocą LHC.

Następnie zadane jest pytanie, które chyba każdy zadaje sobie jeszcze jako dziecko "Co na świecie jest najmniejsze? Prowadzi to w naturalny sposób do pojęcia "cząstka elementarna". Przedstawiony jest rozwój poglądów na strukturę materii poczynając od atomów i idąc w kierunku układów bardziej złożonych, a także w drugą stronę tj. w kierunku struktur elementarnych, aż do kwarków i leptonów. Wprowadzone jest pojęcie "uwięzienia" kwarków w hadronach i pokazane są symulacje komputerowe prowadzące do rozbicia jąder atomowych i utworzenia ogromnej liczby nowych cząstek w myśl wzoru Einsteina pokazującego równoważność masy i energii. Omówione są oddziaływania fundamentalne w przyrodzie i tablica cząstek elementarnych, gdzie podane są podstawowe własności kwarków.

Kolejnym rozważanym problemem jest - jak uzyskać materię kwarkową, skoro kwarki nie występują w przyrodzie w stanie swobodnym? Pokazane jest, że stan materii kwarkowej można uzyskać w zderzeniach jąder atomowych rozpędzonych do prędkości bliskich prędkości światła, co właśnie realizowane jest w LHC. W ten sposób powiedziane jest, czego poszukuje LHC i po co takie urządzenia się buduje.

Gdzie znajduje się LHC, jakie są podstawowe elementy tego urządzenia i jak działa LHC - omawiane jest w następnej kolejności. LHC, to największe urządzenie badawcze zbudowane przez człowieka. Znajduje się w Europejskim Ośrodku Badań Jadrowych CERN w pobliżu Genewy, na terytorium Szwajcarii i Francji. Zwrócona jest uwaga na rekordowe wartości parametrów technicznych LHC (temperatura, próżnia, pole magnetyczne itp.) i na konieczność niestandardowych rozwiązań, które dotyczą bardzo wielu dziedzin techniki, informatyki, elektroniki itd. Pokrótce omówiona jest konstrukcja czterech wielkich eksperymentów, które realizowane są na wiązkach cząstek przyspieszanych w LHC: ATLAS, CMS, LHCb, ALICE. Eksperyment ALICE "A Large Ion Collider Experiment", omówiony jest bardziej dokładnie, bowiem to właśnie ten eksperyment ma za cel badanie przejścia fazowego ze stanu materii hadronowej do stanu materii kwarkowej.

W dalszej części wykładu przedstawiona jest tytułowa tematyka dotycząca relacji pomiędzy badaniami prowadzonymi z pomocą LHC, a hipotezą Wielkiego Wybuchu "Big-Bang" i wczesnymi stadiami ewolucji Wszechświata. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, własności materii tworzonej w wyniku zderzeń jądrowych w LHC, odpowiadają własnościom pierwotnej materii, tuż po Wielkim Wybuchu. Zbadanie tych własności oraz poznanie mechanizmów przejścia pomiędzy materią kwarkową i hadronową to "cofnięcie czasu" do pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu i odtworzenie stanu materii z tego okresu w laboratorium. Taka możliwość pojawiła się po raz pierwszy w rozwoju badań naukowych, pozwalając człowiekowi sięgnąć do podstawowych pytań dotyczących pochodzenia materii, zniknięcia antymaterii, poznania tajemnic ciemnej materii i ciemnej energii, lepszego zrozumienia natury sił występujących w przyrodzie itp.

3. Dostępność badań, związek z innymi dziedzinami i zastosowania

Ta fascynująca dziedzina wiedzy jest dla nas dostępna nie tylko poprzez publikacje naukowe. Polscy fizycy uczestniczą bezpośrednio w badaniach prowadzonych w CERN, a z nimi uczestniczą także polscy studenci i doktoranci. W ten sposób otwarta jest droga do udziału w najbardziej zaawansowanych badaniach, jakie prowadzone są w największych laboratoriach świata dla absolwentów szkół średnich, interesujących się naukami ścisłymi i osiągnięciami techniki. W eksperymencie ALICE uczestniczy zespół z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Pokazane są przykłady udziału członków tego zespołu w badaniach prowadzonych w CERN. Zaprezentowane są ilustracje stanowiące wizualizację zdarzeń zarejestrowanych w ALICE, a wykonane przez studenta Wydziału Fizyki PW. Zwrócona jest uwaga na możliwość wizyty w CERN przez uczniów szkół polskich, bowiem Polska jest oficjalnym członkiem tej organizacji naukowej.

Często zadawane są pytania o koszty prowadzenia tak zaawansowanych badań i o korzyści jakie może z nich mieć przeciętny mieszkaniec naszego globu. Prowadzenie tych badań rzeczywiście wymaga zastosowania najnowszych osiągnięć nauki i techniki, wykonania unikalnej aparatury i rozwiązania wielu niespotykanych wcześniej problemów. Wymaga to w naturalny sposób także środków finansowych, ale właśnie to jest dźwignią postępu technicznego i intelektualnego. W ten sposób rodzą się nowe odkrycia, które potem znajdują praktyczne zastosowania. Podane są dwa przykłady. Komory jonizacyjne skonstruowane przez laureata nagrody Noble, George'a Charpaka dla celów badań w CERN, znajdują zastosowania w diagnostyce medycznej zmniejszając dawki promieniowania, na jakie narażony jest człowiek w badaniach rentgenowskich i zwiększając możliwości analizy uzyskiwanych w ten sposób informacji. World Wide Web, znany jako "WWW" - czyli internetowy sposób przekazu danych, wykorzystywany dosłownie przez wszystkich i we wszystkich dziedzinach życia, "narodził się" w CERN dla potrzeb przekazu ogromnej ilości informacji generowanej w eksperymentach fizycznych. Jest symptomatyczne, że nie powstał w korporacjach przemysłowych czy komercyjnych, które dysponują ogromnymi środkami finansowymi i tak chętnie korzystają z tej formy łączności, ale w laboratorium naukowym.

Wykład ma charakter interdyscyplinarny, pokazując relacje pomiędzy badaniami w bardzo konkretnej dziedzinie wiedzy, jaką jest fizyka czasek elementarnych, z innymi badaniami podstawowymi, jakimi są zagadnienia astrofizyki i kosmologii oraz fizyki jądra atomowego. Zasadniczą jednak interdyscyplinarną cechą tego wykładu jest pokazanie badań podstawowych, jako dźwigni rozwoju techniki i technologii rozumianej bardzo szeroko. Zbudowanie LHC nie byłoby możliwe, bez zastosowania nadprzewodzących magnesów, a do tego konieczne było osiągnięcie rekordowo niskich temperatur w ogromnej objętości, rekordowo wysokiej próżni, co umożliwiło osiągnięcie rekordowych pól magnetycznych i rekordowych energii przyspieszanych cząstek. Podkreśla to zdanie, że "LHC to prawdziwa "księga rekordów Guinnessa". Najbardziej jednak spektakularnym elementem pokazującym możliwość uniwersalnych zastosowań wyników prac, dla których inspiracją są badania prowadzone w CERN jest WWW - "pajęczyna internetowa", która znajduje zastosowanie we wszystkich dosłownie dziedzinach działalności człowieka, a narodziła się w CERN w celu zrealizowania potrzeb prowadzonych tam eksperymentów fizycznych. To właśnie badania prowadzone w CERN stworzyły potrzebę i znalazły rozwiązanie, z którego korzysta teraz cały świat.

Podręcznik dla nauczyciela

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

4

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

---