Druga odsłona LHC – największy akcelerator na świecie gotowy do ponownego uruchomienia

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC, Large Hadron Collider), najpotężniejszy akcelerator świata, jest gotowy do ponownego uruchomienia.

Podczas dwuletniej przerwy naprawiono i zmodernizowano jego kluczowe elementy oraz znacząco podwyższono parametry urządzeń. Pozwoli to badaczom, wśród których jest również około 100 ekspertów z Polski, na eksplorowanie nowych horyzontów fizyki oraz lepsze zrozumienie budowy materii na poziomie fundamentalnym.

„Najważniejszymi efektami prac modernizacyjnych jest podwyższenie energii cząstek do 6,5 TeV. Po raz pierwszy w historii uzyskamy energię zderzeń na poziomie 13 TeV. Pozwoli to nam na poszukiwanie nowych, szczególnie ciężkich, cząstek oraz zweryfikowanie teorii, które do tej pory były niemożliwe do sprawdzenia” – tłumaczy dr Maciej Górski, Kierownik Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ, uczestnik eksperymentu CMS w LHC – „Co więcej, zderzenia cząstek będą zachodzić co 25 nanosekund, dzięki czemu uzyskamy ponad dwukrotnie większą ich liczbę, a więc więcej danych do szczegółowych analiz niż w latach 2011-2012”.

W zmodernizowanym LHC, podczas „Run 2” zaplanowanego do roku 2017, badacze mają nadzieję na uzyskanie dokładniejszych informacji dotyczących:

• Bozonu Higgsa - manifestacji przewidzianego przez Brouta-Englerta-Higgsa mechanizmu odpowiedzialnego za obdarzanie cząstek elementarnych masami. Była to ostatnia, wcześniej nie potwierdzona eksperymentalnie, cząstka przewidziana przez Model Standardowy (teorię opisującą cząstki fundamentalne i działające między nimi siły). Większa energia akceleratora LHC to większe prawdopodobieństwo wytworzenia bozonów Higgsa w zderzeniach, a zatem więcej okazji aby dokładniej zmierzyć ich właściwości i zbadać rzadsze kanały rozpadu.
• Ciemnej materii – obserwacje grawitacyjne dowodzą, że Wszechświat musi składać się w przeważającej części z niewidocznej ciemnej materii. Czym ona jest? Jeden z poglądów głosi, że składa się z cząstek „supersymetrycznych”. Dane eksperymentalne zebrane w LHC przy wyższych energiach mogłyby rzucić więcej światła na te kwestie.
• Supersymetrii – teorii wymyślonej aby wypełnić niektóre z istniejących luk teorii Modelu Standardowego. Przewiduje, że każda znana cząstka ma partnera. Jeżeli takie założenie jest prawdziwe to supersymetryczne cząstki powinny pojawić się w wysokoenergetycznych zderzeniach obserwowanych w LHC.
• Dodatkowych wymiarów – teoria postulująca, że każda standardowa cząstka ma w dodatkowych wymiarach swe cięższe wersje (podobnie jak każdy atom ma oprócz swego niskoenergetycznego stanu podstawowego także stany wzbudzone o wyższych energiach). Takie ciężkie cząstki mogłyby zostać odkryte przy wysokich energiach zderzeń zapewnionych przez zmodernizowany akcelerator LHC.
• Antymaterii – czyli antycząstek, którą ma każda cząstka materii, o identycznych własnościach, tyle, że z odwrotnym ładunkiem (przykładowo antyelektron, zwany pozytronem jest identyczny pod każdym względem z elektronem, tylko ma jeden dodatni a nie ujemny elementarny ładunek elektryczny). Stykająca się antymateria i materia anihiluje, czyli suma ich mas zmienia się w błysk energii. Na poziomie oddziaływań elementarnych symetria pomiędzy antymaterią i materią jest prawie zachowana a procesy ją łamiące przewidziane w Modelu Standardowym są dość rzadkie. Precyzyjne zbadanie tych procesów za pomocą analizy rozpadów cząstek powabnych lub pięknych oraz ich częstości może pozwolić na zrozumienie obserwowanej w rzeczywistości asymetrii i znalezienie zjawisk wykraczających poza Model Standardowy.
• Plazmy kwarkowo-gluonowej – wyższe energie zderzeń przy akceleratorze LHC powinny lepiej scharakteryzować tą plazmę a tym samym dookreślić co wydarzyło się przez kilka milionowych części sekundy bezpośrednio po Wielkim Wybuchu.
• Cząstek egzotycznych – przewidzianych w teoriach, które dopuszczają istnienie całego świata cząstek jeszcze nieodkrytych ze względu na to, że nie ulegają one oddziaływaniom elektromagnetycznym. Jeśli jednak byłyby obdarzone masą, to muszą oddziaływać z polem stowarzyszonym z bozonem Higgsa. Tak więc bozon Higgsa jest „punktem styku” między Modelem Standardowym a ewentualnym światem cząstek egzotycznych.

Fizycy podkreślają, że na odpowiedzi na powyższe pytania będziemy musieli poczekać. Restart LHC będzie odbywał się etapami, począwszy od kalibracji urządzeń, przetestowania poszczególnych systemów, uruchomienia urządzenia przy nominalnej energii, stopniowe zwiększenie liczby paczek zderzanych cząstek, modyfikację ich ogniskowania aż do uzyskania docelowych parametrów. Szacuje się, że może nastąpić to nawet na przełomie 2015/2016 roku. Na tą chwilę czekają nie tylko grupy doświadczalne ale również fizycy-teoretycy zajmujący się zagadnieniami nowej fizyki, ciemnej materii czy bozonem Higgsa. 

„Szczególnie interesująca wersją nowej fizyki jest supersymetria, która przewiduje istnienie dodatkowych bozonów Higgsa oraz ciemnej materii i w której te zagadnienia są ze sobą powiązane” – dodaje prof. Leszek Roszkowski, prowadzący zespół BayesFITS w NCBJ, jedną z wiodących w tej dziedzinie grup fizyków-teoretyków na świecie – „Nasze przewidywania będą wkrótce weryfikowane przez międzynarodowe zespoły doświadczalne na bazie nowych danych z LHC”.

Aby uzyskać założone parametry Wielkiego Zderzacza Hadronów przez blisko dwa lata modernizacji wprowadzono w nim wiele ulepszeń oraz nowych rozwiązań technicznych. Przetestowano nadprzewodzące magnesy kontrolujące tor lotu cząstek i kilka z nich wymieniono, opracowano nowy system kriogeniczny utrzymujący magnesy w stanie nadprzewodzącym, zaprojektowano bezpieczniejszy system próżniowy, wprowadzono rozwiązania lepiej ogniskujące wiązki, podwyższające napięcia jak również układy elektroniczne odporne na promieniowanie. Prowadzone prace, ze względu na stopień skomplikowania, wymagały dużej dokładności, zaangażowania szeregu specjalistów z różnych dziedzin jak i czasu. Wśród nich aktywnie uczestniczyły również polskie grupy. Wartość całości prac szacuje się na 150 milionów franków szwajcarskich.

Fizycy zakładają, że Wielki Zderzacz Hadronów będzie pracować jeszcze przez kolejnych 20 lat. Okres ten obejmuje kilka zaplanowanych przerw technicznych niezbędnych dla konserwacji i modernizacji urządzenia. Dalsze badania zależą od odkryć naukowych oraz możliwości organizacyjnych, technologicznych i ekonomicznych.

CERN zaprasza na briefing prasowy, w którym udział wezmą Rolf Heuer, dyrektor generalny CERN oraz Frédérick Bordry, dyrektor departamentu akceleratorów CERN. Spotkanie odbędzie się w czwartek, 12 marca br, o godzinie 14:15 w siedzibie CERN (konieczna wcześniejsza akredytacja dziennikarzy). Dla osób nie mogących wziąć udziału zorganizowana zostanie specjalna transmisja on-line:  http://webcast.web.cern.ch/webcast/play.php?event=377352

* * *

Udział polskich naukowców w pracach przy LHC

Oficjalnie Polska stała się członkiem Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN w 1991 roku. Dziś przy wszystkich projektach i eksperymentach przy LHC, wśród 8 tysięcy naukowców pracuje blisko 300 naszych ekspertów z takich instytucji jak Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki, Politechnika Warszawska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Instytut Fizyki Jądrowej PAN i innych. Zajmowali oni lub wciąż pełnią bardzo odpowiedzialne funkcje. Obecnie Przewodniczącą Rady CERN jest prof. dr hab. Agnieszka Zalewska (IFJ PAN). W ubiegłych latach prof. dr hab. Ewa Rondio (NCBJ) była członkiem Biura Dyrekcji CERN, a prof. dr hab. Ryszard Sosnowski (NCBJ) – zastępcą przewodniczącego Rady CERN. Profesorowie Helena Białkowska (NCBJ) i Jan Nassalski (NCBJ) byli członkami tematycznych komitetów naukowych CERN, przy czym prof. Nassalski był także przedstawicielem polskich fizyków w Radzie CERN. Prof. Grzegorz Wrochna (NCBJ) był koordynatorem międzynarodowego zespołu budującego jeden z podukładów eksperymentalnych do detektora CMS. Prof. Krzysztof Meissner (UW) jest jednym z dwóch koordynatorów eksperymentu OSQAR. Prof. Michał Turała (AGH) był szefem departamentu  Electronics and Computing for Physics Division.

Polscy naukowcy odpowiadają również za zaprojektowanie i budowę kluczowych elementów Wielkiego Zderzacza Hadronów. Przykładowo, Zakład Aparatury Jądrowej (ZdAJ), wchodzący w skład NCBJ, uczestniczył w modernizacji pierwszego stopnia przyspieszania cząstek w kompleksie akceleratorów zasilających LHC. W Świerku wykonywane były również specjalne komory przyspieszające protony i grupujące je w paczki. Warszawska Grupa eksperymentu CMS (UW, NCBJ, PW) zaprojektowała i wykonała modernizację elektroniki trygera mionowego, tego samego mechanizmu, który stworzyła dla LHC w 2009 roku. Polsce badacze z zespołu LHCb wykonali dużą część detektora składającego się z tzw. komór słomkowych umieszczonych w detektorze śladowym. Z kolei krajowi konstruktorzy z ALICE brali udział w budowie kalorymentru elektromagnetycznego PHOS (Photon Spectrometer) służącego do badania i rekonstrukcji własności mezonów pi zero oraz "samotnych" fotonów. Powstająca w Polsce infrastruktura obliczeniowa wykorzystywana jest w ramach „Worldwide LHC Computing Grid”, ogólnoświatowej sieci 160 centrów komputerowych. Przykładowo Centrum Informatyczne Świerk, obok AGH i ICM, udostępnia do przetwarzania zgromadzonych danych ok. 1100  rdzeni obliczeniowych, ponad 500 TB (terabajtów) przestrzeni dyskowej, a także specjalistyczne oprogramowanie naukowe i wydajną infrastrukturę sieciową – w pełni redundantne łącze światłowodowe o przepustowości 10 Gbit/s. Ma to szczególne znaczenie, ponieważ tylko jeden eksperyment pracujący przy LHC, CMS, generuje 100 Mb danych na sekundę. 

Powstanie i osiągnięcia LHC

Naukowcy zaczęli myśleć o LHC już na początku dekady lat ’80, gdy poprzedni akcelerator LEP jeszcze nie pracował. W grudniu 1994 Rada CERN zatwierdziła projekt jego budowy a pierwszy projekt techniczny został opublikowany w październiku następnego roku. Wkład Japonii, USA, Indii i innych państw nie będących członkami CERN przyspieszył bieg spraw tak, że w latach 1996-1998 oficjalnie zatwierdzono cztery eksperymenty (ALICE, ATLAS, CMS i LHCb) oraz rozpoczęto prace konstrukcyjne w wyznaczonych dla nich miejscach. 10 września 2008 roku uzyskano w LHC pierwszą wiązkę protonów, a 23 listopada 2009 pierwsze zderzenie cząstek. 30 listopada 2009 roku ustanowiono światowy rekord energii wiązki (1,18 TeV), a 16 grudnia – światowy rekord energii zderzeń (2,36 TeV). W latach 2011-2012 w LHC dochodziło do zderzeń proton-proton o wysokiej intensywności przy energii 7 a następnie 8TeV. Pozwoliło to na odkrycie bozonu Higgsa, które zostało ogłoszone 4 lipca 2012. Jest to potwierdzenie mechanizmu nadawania masy cząstkom elementarnym, za który jego autorzy (F. Englert i P. Higgs) zostali nagrodzeni nagrodą Nobla w 2014.

Jak działa LHC?

Wielki Zderzacz Hadronów jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem skonstruowanym przez człowieka. To rodzaj mikroskopu pozwalającego badać świat w bardzo małych skalach. Dochodzi w nim do zderzeń dwóch poruszających się w przeciwne strony wiązek cząstek – protonów lub jąder ołowiu. Aby LHC 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, 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. Następnie 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.

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 wszystkich paczek krążących w akceleratorze może odpowiadać energii eksplozji nawet 80 kg trotylu. W tunelu akceleratora, w siedmiometrowych odstępach, jednocześnie może krążyć ponad 5600 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 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 człowiek umie zapisać. Dlatego specjalne układy elektroniczne dokonują na bieżąco selekcji, oddzielając zderzenia ciekawe (do zapisania) od nieciekawych.