Wielki zderzacz hadronów na półmetku

Large Hadron Collider (LHC) - gigantyczny akcelerator do badania najmniejszych cząstek materii - działa już z połową zaplanowanej energii. - Pod koniec sierpnia zwiększymy intensywność zderzanych wiązek - mówi szef zespołu technicznego CERN dr Andrzej Siemko.

- Wszystko idzie zgodnie z planem. Jesteśmy pewni, że elektromagnesy, niezbędne do działania akceleratora, pracują doskonale, podobnie jak połączenia między nimi. Zadaniem moim i grupy, którą kieruję, jest utrzymanie tego stanu i dopilnowanie, aby wszystko pracowało możliwie bezawaryjnie - powiedział dr Siemko.

Jak jednak dodał, bezawaryjna praca tak złożonej aparatury nie jest możliwa w stu procentach. - Przy takim ogromie urządzenia i liczbie elementów, normalnym jest, że od czasu do czasu coś przestaje funkcjonować. To można porównać np. do eksploatacji wszystkich samochodów w Polsce. Jest niemożliwe, żeby wszystkie samochody w Polsce funkcjonowały przez cały rok bez żadnej usterki. Coś musi się w którymś zepsuć i tak naprawdę psuje się co chwilę. Cały akcelerator jest skonstruowany w ten sposób, że wszystkie urządzenia krytyczne są zdublowane, więc nawet gdy coś nie działa, to jego funkcje przejmuje urządzenie zapasowe. Niemniej jednak, jeśli coś przestało działać, musi być naprawione - podkreślił fizyk.

Large Hadron Collider (ang. Wielki Zderzacz Hadronów), znajdujący się w ośrodku badawczym Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) pod Genewą, został po raz pierwszy uruchomiony we wrześniu 2008 r. Po początkowych trudnościach, w tym poważnej awarii, która wstrzymała pracę akceleratora na kilka miesięcy, ostatecznie aparatura zaczęła działać w marcu tego roku i od tej pory regularnie dochodzi w nim do zderzeń cząstek. Wygląda to tak, że w tworzącej okrąg rurze o średnicy niecałych 10 cm krążą wokół akceleratora dwie przeciwbieżne wiązki protonów, rozpędzone do energii 3,5 Teraelektronowolta (TeV). Jest to około 3,5 tys. razy więcej niż energia protonu w stanie spoczynku. W kilku miejscach na 27-kilometrowej trasie tory wiązek przecinają się i dochodzi tam do zderzeń. Tam też zainstalowana jest aparatura pomiarowa - detektory rejestrujące efekty kolizji.

- Odbywamy tzw. przebiegi fizyczne, które polegają na tym, że do akceleratora wstrzykuje się zaprogramowaną liczbę cząstek, przyspiesza się je do energii 3,5 TeV i wiązki krążą, zderzając się ze sobą. Zderzają się przez dosyć długi okres - średnio jest to 10-12 godzin. Najdłuższy taki "run", jaki mieliśmy, trwał 30 godzin. Przez te 30 godzin te cząstki krążyły i część protonów uległa zderzeniom ze sobą, a to było rejestrowane przez detektory. Po takim okresie kontrola nad wiązką jest już przeważnie trudna, więc "fizyczny run" trzeba zakończyć i usunąć wiązkę z akceleratora. Następnie przeprowadza się tzw. run techniczny, kiedy bada się zarejestrowane zjawiska pod kątem oceny pracy samego akceleratora - to zwykle robi się za dnia, w czasie kiedy ci, którzy się tym zajmują, są w pracy. A później szykuje się następną wiązkę do badań fizycznych i zwykle przez całą noc jest rejestracja zderzeń itd. itd. - opowiadał dr Siemko.

Nie jest łatwo "wcelować" jednym protonem w drugi, dlatego trzeba je zagęścić tak bardzo, żeby przy przecięciu się torów wiązek, jak najwięcej cząstek miało szansę się zderzyć. To ważne, bo im częściej dochodzi do kolizji, tym szybciej można zarejestrować interesujące, bądź nowe zjawiska i potwierdzić lub obalić teorie fizyczne. Jak wyjaśnił dr Siemko, wiązka w LHC składa się z "paczek", z których każda zawiera po ok. 100 mld protonów. Długość paczki wynosi kilka centymetrów, a jej grubość jest trzykrotnie mniejsza od grubości ludzkiego włosa. Docelowo "paczek" w każdej wiązce ma być 2808. Biorąc pod uwagę, że w ciągu sekundy każda paczka okrąża akcelerator ponad 11 tys. razy, to, kiedy akcelerator osiągnie już pełną wydajność, może dochodzić nawet do 600 milionów zderzeń na sekundę.

Obecnie do LHC można wpuścić wiązkę składającą z nieco ponad jednej setnej docelowej liczby "paczek". - W tej chwili osiągnęliśmy intensywność wiązki, wynoszącą 25 "paczek" po 100 mld protonów. Postanowiliśmy, że na tej intensywności akcelerator będzie pracował cały miesiąc, żeby zbadać stabilność różnych urządzeń i zobaczyć jak to w dłuższym okresie czasu się zachowuje - tłumaczył dr Siemko. Jak dodał, już pod koniec sierpnia intensywność wiązki zostanie podwojona. Później będzie sukcesywnie zwiększana aż do końca 2011 r. - Przez ten czas akcelerator będzie pracował z energią 3,5 TeV. Do tej pory mamy nadzieję osiągnąć ok. połowę maksymalnej zaplanowanej intensywności wiązki - dodał fizyk.

Także energia LHC ma wzrosnąć. Maszyna jest zaprojektowana do rozpędzania protonów do energii 7 TeV. Jak tłumaczył dr Siemko, pod koniec 2011 r. na kilkanaście miesięcy akcelerator zostanie wyłączony w celu przygotowania go do ponownego uruchomienia, tym razem już z maksymalną energią. Eksperymenty mają zostać wznowione na wiosnę 2013 r.

LHC znajduje się w specjalnym kolistym tunelu, 100 metrów pod ziemią. Tunel ma średnicę ok. 9 km i ok. 27 km obwodu. Został zaprojektowany do poszukiwania nieodkrytych do tej pory cząstek elementarnych (wśród nich cząstki Higgsa, która miałaby wpływać na masę wszystkich innych cząstek) oraz do symulacji w mikroskali zjawisk podobnych do tych, jakie mogły zachodzić w pierwszych sekundach po Wielkim Wybuchu. Wszystko po to, aby lepiej poznać zasady, rządzące otaczającym nas światem.

LHC jest dla przeciętnego człowieka maszyną tyleż fascynującą, co niezrozumiałą. Nieliczne informacje na temat akceleratora, które przebijają się do powszechnej świadomości, budzą u ludzi podziw i lęk, bo mowa w nich o antymaterii, mikroskopijnych czarnych dziurach czy dodatkowych wymiarach.

Nic dziwnego, że urządzenie to, tajemnicze nie tylko ze względu na swoje przeznaczenie, ale też położenie w tunelu 100 metrów pod ziemią, stało się m.in. inspiracją dla popularnej powieści sensacyjnej "Anioły i demony". Jej autor Dan Brown wpadł na pomysł osnucia fabuły wokół eksperymentów prowadzonych pod Genewą po tym, jak sam odwiedził ośrodek i miał możliwość zobaczenia m.in. będącego wtedy w budowie LHC.

W okresie poprzedzającym pierwsze uruchomienie akceleratora pojawiły się też głosy, że doświadczenia prowadzone w LHC będą bardzo niebezpieczne, a wręcz, że zagrożą dalszemu istnieniu Ziemi. Kilka grup osób podzielających ten pogląd próbowało nawet pozwać do różnych sądów organizację CERN, domagając się zaniechania eksperymentów.