Początek wszechświata będzie można odtworzyć w laboratorium!
W laboratorium fizyki cząstek CERN pod Genewą powstanie największy na świecie akcelerator, w którym uczeni chcą odtworzyć warunki podobne do panujących przy narodzinach wszechświata. W nowym przyspieszaczu o nazwie LHC (Large Hadron Collider) będzie wytwarzana - w czasie zderzenia rozpędzonych jąder ołowiu - energia podobna do tej, jaka powstała w ułamku pierwszej sekundy Wielkiego Wybuchu. Decyzję o budowie LHC podjęto w przededniu 50. rocznicy rozpoczęcia budowy tego ośrodka. Wielki zderzacz cząstek powstanie na miejscu wykorzystywanego od 11 lat największego dotychczas akceleratora kołowego LEP (Large Electron Positron Collider), czyli wielkiego zderzacza wiązek przeciwbieżnych.
Decyzja wywołała kontrowersje, bo w ostatnim eksperymencie przeprowadzanym w tym akceleratorze fizykom prawdopodobnie udało się złapać tzw. bozony Higgsa, poszukiwane od 40 lat boskie cząstki! Fizycy są przekonani, że są one brakującym ogniwem teorii budowy materii. Uczeni wykryli już wszystkie cegiełki materii potrzebne do wyjaśnienia świata: leptony i kwarki oraz to coś, co pozwala się im "widzieć" czy "komunikować", czyli tzw. bozony pośredniczące (jak przewiduje obowiązująca - i doskonale sprawdzająca się w praktyce - teoria zwana modelem standardowym). Jeśli ta teoria jest prawdziwa, a wszystko na to wskazuje, to musi istnieć również poszukiwany bozon Higgsa, który nadaje im masę. Niestety, dotychczas nikomu nie udało się złapać boskiej cząstki (z wyjątkiem niepewnego eksperymentu w CERN na akceleratorze LEP). "A bez bozonów Higgsa wszechświat - według naszej wiedzy - w ogóle nie powinien istnieć" - twierdzi fizyk Adrian Cho, publicysta tygodnika "New Scientist".
Cząstki wiedzy
Demokryt pisał w dziele "O małym porządku świata", że "nie istnieje nic oprócz atomów i przestrzeni, a wszystko inne jest opinią". Atom Demokryta pozostawał niepodzielny ("atomus" znaczy "niepodzielny") aż do ogłoszenia 30 kwietnia 1897 r. odkrycia pierwszej cząstki elementarnej - elektronu. Wtedy wyodrębniła się fizyka cząstek zajmująca się obiektami mniejszymi niż atomy. Uczeni wpadli na pomysł badania atomów i cząstek dzięki zderzaniu ich z sobą. W 1932 r. na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley wybudowano pierwszy akcelerator, który nadawał protonom energię 1,2 MeV (megaelektronowoltów).
W 1954 r. 12 państw podpisało konwencję o budowie CERN - Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych. Dziś stałymi członkami CERN jest 20 państw, w tym Polska, a pracuje w nim połowa fizyków zajmujących się tym problemem na świecie (reprezentują oni ponad 500 uczelni i 80 narodowości). W 1989 r. zbudowano tutaj wielki zderzacz wiązek przeciwbieżnych LEP o obwodzie 27 km. Znajduje się on na granicy Francji i Szwajcarii, w tunelu wydrążonym w skałach 100 m pod ziemią. Człowiekowi przejście tym tunelem zajęłoby siedem godzin, a cząstki pokonują tę odległość 11 tys. razy w ciągu sekundy. Rozpędza się je niemal do prędkości światła, a gdy zderzą się z sobą, skutki kolizji są rejestrowane w czterech detektorach przypominających olbrzymie cebule. Tysiące układów elektronicznych przesyła o tym dane do komputerów olbrzymiej mocy.
- Moglibyśmy nie ruszać zasłużonego LEP, ale nauka musi się rozwijać - przekonuje Luciano Maiani, poprzedni dyrektor CERN. Wybudowanie nowego akceleratora w nowym miejscu byłoby niemożliwe ze względów finansowych. - Gdy zdemontujemy LEP, zostanie po nim infrastruktura, przede wszystkim pusty tunel, komory z detektorami, laboratoria, warsztaty i ośrodek naukowy. Tego wszystkiego nie trzeba będzie budować od początku - twierdzi prof. Maiani. W nowym akceleratorze LHC poszukiwane cząstki Higgsa będą widoczne jak na dłoni.
Nadprzewodnik odkryć
Nowy przyspieszacz ma pracować od 2007 r. W LHC energia zderzeń protonów ma wynosić aż 14 TeV (teraelektronowoltów), czyli będzie prawie 12 mln razy większa niż w pierwszym akceleratorze z Berkeley. Nowy przyspieszacz ma wykorzystywać zjawisko zwane nadprzewodnictwem (brak oporu elektrycznego w niskich temperaturach) - dzięki temu będzie można wytwarzać silniejsze niż dotychczas pola magnetyczne, utrzymywać cząstki na ściśle określonych torach i przyspieszać je do jeszcze większych energii. A wszystko to przy takim samym zużyciu prądu jak w wypadku LEP (w czasie eksperymentu przewyższa ono zapotrzebowanie energetyczne Genewy).
Oprócz nowego akceleratora powstaną dwa dodatkowe detektory. Będą one mogły rejestrować 800 mln zderzeń na sekundę i będą przetwarzały tyle informacji, ile dziś przetwarza cała europejska sieć telekomunikacyjna. Największe istniejące w CERN detektory wykorzystują około 10 mln informacji z każdego zderzenia. Nowe układy mają ich dostarczać 20 razy więcej. Czy to wystarczy, by odpowiedzieć na wszystkie pytania w fizyce? Raczej nie. Nowy akcelerator pozwoli jednak odpowiedzieć przynajmniej na niektóre z nich, szczególnie te dotyczące początków wszechświata. A może w laboratorium dojdzie do małego Wielkiego Wybuchu?
Decyzja wywołała kontrowersje, bo w ostatnim eksperymencie przeprowadzanym w tym akceleratorze fizykom prawdopodobnie udało się złapać tzw. bozony Higgsa, poszukiwane od 40 lat boskie cząstki! Fizycy są przekonani, że są one brakującym ogniwem teorii budowy materii. Uczeni wykryli już wszystkie cegiełki materii potrzebne do wyjaśnienia świata: leptony i kwarki oraz to coś, co pozwala się im "widzieć" czy "komunikować", czyli tzw. bozony pośredniczące (jak przewiduje obowiązująca - i doskonale sprawdzająca się w praktyce - teoria zwana modelem standardowym). Jeśli ta teoria jest prawdziwa, a wszystko na to wskazuje, to musi istnieć również poszukiwany bozon Higgsa, który nadaje im masę. Niestety, dotychczas nikomu nie udało się złapać boskiej cząstki (z wyjątkiem niepewnego eksperymentu w CERN na akceleratorze LEP). "A bez bozonów Higgsa wszechświat - według naszej wiedzy - w ogóle nie powinien istnieć" - twierdzi fizyk Adrian Cho, publicysta tygodnika "New Scientist".
Cząstki wiedzy
Demokryt pisał w dziele "O małym porządku świata", że "nie istnieje nic oprócz atomów i przestrzeni, a wszystko inne jest opinią". Atom Demokryta pozostawał niepodzielny ("atomus" znaczy "niepodzielny") aż do ogłoszenia 30 kwietnia 1897 r. odkrycia pierwszej cząstki elementarnej - elektronu. Wtedy wyodrębniła się fizyka cząstek zajmująca się obiektami mniejszymi niż atomy. Uczeni wpadli na pomysł badania atomów i cząstek dzięki zderzaniu ich z sobą. W 1932 r. na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley wybudowano pierwszy akcelerator, który nadawał protonom energię 1,2 MeV (megaelektronowoltów).
W 1954 r. 12 państw podpisało konwencję o budowie CERN - Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych. Dziś stałymi członkami CERN jest 20 państw, w tym Polska, a pracuje w nim połowa fizyków zajmujących się tym problemem na świecie (reprezentują oni ponad 500 uczelni i 80 narodowości). W 1989 r. zbudowano tutaj wielki zderzacz wiązek przeciwbieżnych LEP o obwodzie 27 km. Znajduje się on na granicy Francji i Szwajcarii, w tunelu wydrążonym w skałach 100 m pod ziemią. Człowiekowi przejście tym tunelem zajęłoby siedem godzin, a cząstki pokonują tę odległość 11 tys. razy w ciągu sekundy. Rozpędza się je niemal do prędkości światła, a gdy zderzą się z sobą, skutki kolizji są rejestrowane w czterech detektorach przypominających olbrzymie cebule. Tysiące układów elektronicznych przesyła o tym dane do komputerów olbrzymiej mocy.
- Moglibyśmy nie ruszać zasłużonego LEP, ale nauka musi się rozwijać - przekonuje Luciano Maiani, poprzedni dyrektor CERN. Wybudowanie nowego akceleratora w nowym miejscu byłoby niemożliwe ze względów finansowych. - Gdy zdemontujemy LEP, zostanie po nim infrastruktura, przede wszystkim pusty tunel, komory z detektorami, laboratoria, warsztaty i ośrodek naukowy. Tego wszystkiego nie trzeba będzie budować od początku - twierdzi prof. Maiani. W nowym akceleratorze LHC poszukiwane cząstki Higgsa będą widoczne jak na dłoni.
Nadprzewodnik odkryć
Nowy przyspieszacz ma pracować od 2007 r. W LHC energia zderzeń protonów ma wynosić aż 14 TeV (teraelektronowoltów), czyli będzie prawie 12 mln razy większa niż w pierwszym akceleratorze z Berkeley. Nowy przyspieszacz ma wykorzystywać zjawisko zwane nadprzewodnictwem (brak oporu elektrycznego w niskich temperaturach) - dzięki temu będzie można wytwarzać silniejsze niż dotychczas pola magnetyczne, utrzymywać cząstki na ściśle określonych torach i przyspieszać je do jeszcze większych energii. A wszystko to przy takim samym zużyciu prądu jak w wypadku LEP (w czasie eksperymentu przewyższa ono zapotrzebowanie energetyczne Genewy).
Oprócz nowego akceleratora powstaną dwa dodatkowe detektory. Będą one mogły rejestrować 800 mln zderzeń na sekundę i będą przetwarzały tyle informacji, ile dziś przetwarza cała europejska sieć telekomunikacyjna. Największe istniejące w CERN detektory wykorzystują około 10 mln informacji z każdego zderzenia. Nowe układy mają ich dostarczać 20 razy więcej. Czy to wystarczy, by odpowiedzieć na wszystkie pytania w fizyce? Raczej nie. Nowy akcelerator pozwoli jednak odpowiedzieć przynajmniej na niektóre z nich, szczególnie te dotyczące początków wszechświata. A może w laboratorium dojdzie do małego Wielkiego Wybuchu?
| Nabój i tarcza |
|---|
| Wielki zderzacz wiązek przeciwbieżnych LEP (Large Electron Positron Collider) ma obwód 27 km i jest częścią systemu połączonych akceleratorów liniowych i kołowych. Olbrzymie pola elektryczne i magnetyczne nadają przyspieszenie cząstkom znajdującym się w rurze i utrzymują je w zwartym szyku. Wcześniej jedną cząstkę przyspieszano, a druga - jak tarcza - "stała w miejscu". Później zauważono, że impet zderzenia jest znacznie większy, jeśli biorą w nim udział cząstki rozpędzone wcześniej w przeciwnych kierunkach. W LEP w dwóch rurach położonych obok siebie w przeciwnych kierunkach rozpędzane są "nabój" i "tarcza". W tunelu wydrążonym 100 m pod ziemią mieszczą się dwie rury akceleracyjne i cztery olbrzymie układy detekcyjne. To właśnie w tych czterech miejscach rury się krzyżują i w samym centrum detektorów dochodzi do kolizji cząstek. |
Więcej możesz przeczytać w 20/2004 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.
