Ludzie, których się tutaj spotyka, mają zaskakujące marzenia
Chcieliby na przykład, jak doc. dr Helena Białkowska z Instytutu Problemów Jądrowych w Warszawie, odtworzyć choć na moment warunki, jakie panowały tuż po Wielkim Wybuchu, czyli w pierwszej sekundzie po powstaniu świata. Pomijając niezwykłość tego zamiaru i krańcową trudność jego realizacji, jaki może być cel takiego eksperymentu?
- Zupa kwarkowo-gluonowa - odpowiada natychmiast doc. Białkowska, od wielu lat związana z eksperymentami prowadzonymi w CERN, pokazując grupie dziennikarzy NA 49. Skrót ten oznacza North Area - Północny Obszar Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek pod Genewą, gdzie właśnie przeprowadza się eksperyment nr 49. - Chcemy uzyskać egzotyczną, nigdy wcześniej nie obserwowaną formę materii - wyjaśnia. Kiedyś, gdy wszechświat był jeszcze młody i gorący, materia w formie, jaką dziś znamy, nie zdążyła się jeszcze utworzyć. Najmniejsze cząstki elementarne, kwarki i gluony, obecnie uwięzione w jądrach atomów, poruszały się swobodnie, tworząc gorącą plazmę lub - jak kto woli - zupę kwarkowo-gluonową. Wraz z gwałtownym rozszerzaniem się wszechświata, gdy jego temperatura gwałtownie spadała, kwarki i gluony miały jednak coraz mniej energii, by się przemieszczać swobodnie. Wreszcie zostały na stałe uwięzione w "klatkach" jąder atomowych, tworząc protony i neutrony. Wszyscy jesteśmy z nich zbudowani. W każdym atomie są kwarki i sklejające je z potężną siłą gluony. Trzymają się tak mocno, że nikt nie zdołał nigdy wybić pojedynczego kwarka z jakiegokolwiek jądra atomu. Nikt też dokładnie nie wie, jak może się zachować materia podgrzewana do bilionów stopni, w miarę uwalniania się kwarków i gluonów z atomowych pułapek. Eksperymenty prowadzone od dziesięciu lat w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek, w których bierze udział wielu fizyków, inżynierów i elektroników z polskich ośrodków naukowych, zdają się wskazywać, że taką gorącą plazmę wolnych kwarków, jaka istniała po Wielkim Wybuchu, tuż po stworzeniu świata, można będzie otrzymać w laboratorium. Na razie jednak energie, jakie fizycy potrafią uzyskać, zderzając cząstki w wielkim podziemnym akceleratorze, choć ogromne, wciąż są za małe, by tę plazmę utrzymać przez ułamek sekundy potrzebny do jej zbadania. Dlatego postanowiono zbudować Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Inwestycja ta pochłonie 3 mld franków szwajcarskich, ale w nowym akceleratorze będzie można uzyskać około trzystu razy większą energię zderzeń niż dotychczas, a to znaczy, że uda się prawdopodobnie wytworzyć temperatury wielu miliardów stopni Celsjusza. Tak wysokie temperatury i tak duża gęstość energii skupionej w niewielkiej przestrzeni może wystarczyć do odtworzenia warunków, jakie panowały w tworzącym się wszechświecie. Pytania, jakie fizycy stawiają dziś naturze, coraz częściej dotyczą początków czasu i wydarzeń tak niepowtarzalnych jak stworzenie świata. Jedno z nich brzmi: co się stało z antymaterią? Podczas Wielkiego Wybuchu musiała powstać nie tylko znana nam materia, ale i antymateria. Takie są reguły zamiany energii w materię. Każdej powstającej cząstce materii musi towarzyszyć jej antymaterialny bliźniak. Elektron utworzony z materii ma ładunek ujemny, antyelektron jest naładowany dodatnio. Proton materialny jest dodatni, antymaterialny - ujemny. Równie dobrze jednak mogą tworzyć atomy, pierwiastki, planety i gwiazdy. Kwiat z materii i drugi z antymaterii byłyby nie do odróżnienia. Nie można by ich tylko zetknąć z sobą. Natychmiast przestałyby istnieć, absolutnie i nieodwołalnie zamieniając się na energię. Fizycy wiedzą, że zawsze, we wszystkich eksperymentach, gdy z energii tworzą się cząstki materialne, równocześnie powstają ich antymaterialne bliźniaki. - Jeśli więc wszechświat powstał z energii, musiało się z niej utworzyć dokładnie tyle samo materii, ile antymaterii - mówi prof. Rolf Landua. Między materią i antymaterią powinna być doskonała symetria. Tu jednak trafiamy na paradoks, którego nie umiemy rozwiązać. Gdyby materii i antymaterii po Wielkim Wybuchu powstało tyle samo, wszystko przestałoby istnieć, obie bowiem zamieniłyby się w dramatycznej eksplozji na energię. Tymczasem wszechświat istnieje, a wszystko wokół nas i my sami zbudowani jesteśmy z materii. Jak to wytłumaczyć? - Być może zdarzyła się jakaś drobna asymetria, niewielka dysproporcja - na przykład: materii było odrobinę więcej. Gdyby tylko na każde 100 mld cząstek antymaterii powstało 100 mld i dodatkowo jeszcze jedna cząstka materialna, ta drobna różnica wystarczyłaby, aby mógł się utworzyć obecny świat i my w nim. Prof. Landua prowadzi w CERN eksperyment mający doprowadzić do powstania atomów antywodoru. Najpierw jednak w akceleratorze z energii zderzeń tworzą się antyprotony, czyli antymaterialne składniki jąder antywodoru. Nie mogą się one oczywiście zetknąć z żadną cząstką materialną. Jedne i drugie skończyłyby bowiem swój żywot w mikroeksplozji. Antycząstki chwyta się więc w pułapki próżniowe tworzone przez silne pola magnetyczne. - Mamy zamiar uzyskiwać kilka tysięcy atomów antywodoru na minutę. Przy takiej ilości może uda się nam dostrzec różnice we własnościach materii i antymaterii i zrozumieć, dlaczego ta ostatnia zwyciężyła, przynajmniej w dostępnej nam części wszechświata - wyraża nadzieję prof. Landua. Odtworzenie warunków, w jakich 15 mld lat temu w wielkiej eksplozji pierwotna materia i antymateria zamieniły się na energię, wymaga zaangażowania najwyższych umiejętności technicznych współczesnego przemysłu. Dlatego Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek jest jednym z największych na świecie zleceniodawców dla przemysłu hi-tech i nie mogłoby bez niego istnieć. W powstającym właśnie w CERN akceleratorze ciężkich jonów (LHC), uważanym za najtrudniejsze przedsięwzięcie techniczne obecnej doby, ma być zamontowanych 800 ogromnych magnesów nadprzewodzących, które będą utrzymywane w temperaturze ciekłego tlenu (minus 271oC), w podziemnym tunelu o obwodzie 27 km, w próżni doskonalszej niż w przestrzeni kosmicznej. Ciekłego helu do tych urządzeń od lat dostarcza polska fabryka helu w Odolanowie.
W laboratoriach Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek pod Genewą odtwarza się warunki, jakie panowały podczas powstania wszechświata
W eksperymencie Atlas będzie się badać wyniki zderzeń cząstek w akceleratorze LHC, który ma być gotów w 2005 r. Energie osiągane w tym akceleratorze będą wyższe niż uzyskiwane w jakimkolwiek laboratorium na świecie. - W fizyce nastąpiło wielkie przesunięcie od teorii do inżynierii, bo sięgamy w takie obszary poznania, gdzie dotychczasowe metody badań nie mogą już dać efektów - tłumaczy prof. Michał Turała z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie. Prof. Turała, od dłuższego czasu związany z doświadczeniami prowadzonymi w Genewie, przez kilka lat był w CERN kierownikiem działu elektroniki i komputerów dla fizyki, później przewodniczącym Komitetu ds. Rozwoju Detektorów, obecnie jest kierownikiem jednego z zespołów w eksperymencie Atlas. - Dziesięć lat temu nie sądziliśmy nawet, że będziemy rozwiązywać tak krańcowo trudne problemy techniczne, na jakie natrafiamy na przykład w detekcji, czyli tropieniu cząstek powstających w wyniku zderzeń w akceleratorze. W akceleratorze LHC wiązki cząstek pędzące z dwu przeciwnych kierunków będą się z sobą zderzać 40 mln razy na sekundę. W każdym takim zderzeniu dojdzie do miliarda kolizji między cząstkami. Nie w każdym zderzeniu będą jednak powstawały interesujące nas egzotyczne cząstki. Obliczamy, że może się to stać raz na 10 tys. mld zderzeń, czyli mniej więcej raz na dzień. Detektory, pięciopiętrowe olbrzymy nasycone elektroniką i połączone z siecią komputerów, mają analizować wyniki tych tysięcy miliardów zderzeń każdego dnia i natychmiast wybierać do rejestracji te, które wróżą jakieś nowe odkrycia, nową poszukiwaną cząstkę. Wewnętrzne czujniki elektroniczne w detektorze Atlas będą zawierać 10 mld tranzystorów, mniej więcej tyle, ile jest gwiazd w Drodze Mlecznej. Muszą przy tym wytrzymywać promieniowanie sto razy większe niż to, jakie zagraża statkom kosmicznym. Ze względu na tak wysokie wymagania elektronika do obsługi detektorów jest tak skomplikowana, że fabryka tych urządzeń elektronicznych kosztowałaby tyle, ile cały akcelerator LHC - około 3 mld franków szwajcarskich. Dlatego projekty robimy w CERN, a wykonanie zlecamy koncernom elektronicznym. W zeszłym roku w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek pracowało kilkudziesięciu Polaków - m.in. z Instytutu Fizyki Jądrowej i Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, z Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Problemów Jądrowych w Warszawie, z Instytutu Mikro- i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Ten ostatni zespół wykonał projekt prototypu specjalnego procesora do jednego z najnowszych detektorów: CMS. Inżynier Tadeusz Kurtyka z Politechniki Warszawskiej, kierujący w CERN jednym z projektów przygotowujących urządzenia do wielkiego zderzacza ciężkich cząstek, pokazywał nam w laboratorium prototypy magnesów tzw. trzeciej generacji. Będą to magnesy nadprzewodzące, wytwarzające pole elektryczne 200 tys. razy silniejsze od ziemskiego. Magnesy zostaną wypełnione ciekłym helem, który CERN kupuje w fabryce w Odolanowie. Raciborska Fabryka Kotłów buduje kriostaty, czyli komory próżniowe dla magnesów nadprzewodzących. Aby utrzymać je w wymaganej temperaturze minus 271oC, trzeba magnesy skutecznie odizolować od otoczenia. Instytut Problemów Jądrowych wygrał w marcu przetarg na dostawę 200 komór próżniowych w ciągu najbliższych pięciu lat. Wartość kontraktu wynosi około miliona franków szwajcarskich. - Polska jest od 1991 r. członkiem CERN i współwłaścicielem tego wspaniałego laboratorium - podkreśla prof. Andrzej Kajetan Wróblewski, który brał udział w wielu doświadczeniach prowadzonych w europejskim centrum pod Genewą, a od kilku lat jest członkiem Komitetu Polityki Naukowej CERN, wyznaczającego i oceniającego kierunki badań. - Polacy biorą udział w niemal wszystkich eksperymentach, a poza tym są bardzo aktywni w konstruowaniu nowych urządzeń - na przykład detektorów. Pracuje tam również wielu naszych studentów, mając dostęp do najbardziej wyrafinowanej aparatury naukowej. W dodatku znaczna część składki, którą wpłacamy jako udziałowcy CERN, wraca do przemysłu w postaci zamówień i kontraktów. W poprzednich latach współczynnik zwrotu sięgał 80-90 proc. naszego wkładu finansowego. Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek okazało się również stymulatorem rozwoju wyrafinowanych technologii. Między innymi światowej sieci informacji World Wide Web - wymyślonej dziesięć lat temu w CERN, by zapewnić fizykom łatwy dostęp do wyników badań prowadzonych w Genewie, gdziekolwiek na świecie by się znaleźli.
- Zupa kwarkowo-gluonowa - odpowiada natychmiast doc. Białkowska, od wielu lat związana z eksperymentami prowadzonymi w CERN, pokazując grupie dziennikarzy NA 49. Skrót ten oznacza North Area - Północny Obszar Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek pod Genewą, gdzie właśnie przeprowadza się eksperyment nr 49. - Chcemy uzyskać egzotyczną, nigdy wcześniej nie obserwowaną formę materii - wyjaśnia. Kiedyś, gdy wszechświat był jeszcze młody i gorący, materia w formie, jaką dziś znamy, nie zdążyła się jeszcze utworzyć. Najmniejsze cząstki elementarne, kwarki i gluony, obecnie uwięzione w jądrach atomów, poruszały się swobodnie, tworząc gorącą plazmę lub - jak kto woli - zupę kwarkowo-gluonową. Wraz z gwałtownym rozszerzaniem się wszechświata, gdy jego temperatura gwałtownie spadała, kwarki i gluony miały jednak coraz mniej energii, by się przemieszczać swobodnie. Wreszcie zostały na stałe uwięzione w "klatkach" jąder atomowych, tworząc protony i neutrony. Wszyscy jesteśmy z nich zbudowani. W każdym atomie są kwarki i sklejające je z potężną siłą gluony. Trzymają się tak mocno, że nikt nie zdołał nigdy wybić pojedynczego kwarka z jakiegokolwiek jądra atomu. Nikt też dokładnie nie wie, jak może się zachować materia podgrzewana do bilionów stopni, w miarę uwalniania się kwarków i gluonów z atomowych pułapek. Eksperymenty prowadzone od dziesięciu lat w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek, w których bierze udział wielu fizyków, inżynierów i elektroników z polskich ośrodków naukowych, zdają się wskazywać, że taką gorącą plazmę wolnych kwarków, jaka istniała po Wielkim Wybuchu, tuż po stworzeniu świata, można będzie otrzymać w laboratorium. Na razie jednak energie, jakie fizycy potrafią uzyskać, zderzając cząstki w wielkim podziemnym akceleratorze, choć ogromne, wciąż są za małe, by tę plazmę utrzymać przez ułamek sekundy potrzebny do jej zbadania. Dlatego postanowiono zbudować Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Inwestycja ta pochłonie 3 mld franków szwajcarskich, ale w nowym akceleratorze będzie można uzyskać około trzystu razy większą energię zderzeń niż dotychczas, a to znaczy, że uda się prawdopodobnie wytworzyć temperatury wielu miliardów stopni Celsjusza. Tak wysokie temperatury i tak duża gęstość energii skupionej w niewielkiej przestrzeni może wystarczyć do odtworzenia warunków, jakie panowały w tworzącym się wszechświecie. Pytania, jakie fizycy stawiają dziś naturze, coraz częściej dotyczą początków czasu i wydarzeń tak niepowtarzalnych jak stworzenie świata. Jedno z nich brzmi: co się stało z antymaterią? Podczas Wielkiego Wybuchu musiała powstać nie tylko znana nam materia, ale i antymateria. Takie są reguły zamiany energii w materię. Każdej powstającej cząstce materii musi towarzyszyć jej antymaterialny bliźniak. Elektron utworzony z materii ma ładunek ujemny, antyelektron jest naładowany dodatnio. Proton materialny jest dodatni, antymaterialny - ujemny. Równie dobrze jednak mogą tworzyć atomy, pierwiastki, planety i gwiazdy. Kwiat z materii i drugi z antymaterii byłyby nie do odróżnienia. Nie można by ich tylko zetknąć z sobą. Natychmiast przestałyby istnieć, absolutnie i nieodwołalnie zamieniając się na energię. Fizycy wiedzą, że zawsze, we wszystkich eksperymentach, gdy z energii tworzą się cząstki materialne, równocześnie powstają ich antymaterialne bliźniaki. - Jeśli więc wszechświat powstał z energii, musiało się z niej utworzyć dokładnie tyle samo materii, ile antymaterii - mówi prof. Rolf Landua. Między materią i antymaterią powinna być doskonała symetria. Tu jednak trafiamy na paradoks, którego nie umiemy rozwiązać. Gdyby materii i antymaterii po Wielkim Wybuchu powstało tyle samo, wszystko przestałoby istnieć, obie bowiem zamieniłyby się w dramatycznej eksplozji na energię. Tymczasem wszechświat istnieje, a wszystko wokół nas i my sami zbudowani jesteśmy z materii. Jak to wytłumaczyć? - Być może zdarzyła się jakaś drobna asymetria, niewielka dysproporcja - na przykład: materii było odrobinę więcej. Gdyby tylko na każde 100 mld cząstek antymaterii powstało 100 mld i dodatkowo jeszcze jedna cząstka materialna, ta drobna różnica wystarczyłaby, aby mógł się utworzyć obecny świat i my w nim. Prof. Landua prowadzi w CERN eksperyment mający doprowadzić do powstania atomów antywodoru. Najpierw jednak w akceleratorze z energii zderzeń tworzą się antyprotony, czyli antymaterialne składniki jąder antywodoru. Nie mogą się one oczywiście zetknąć z żadną cząstką materialną. Jedne i drugie skończyłyby bowiem swój żywot w mikroeksplozji. Antycząstki chwyta się więc w pułapki próżniowe tworzone przez silne pola magnetyczne. - Mamy zamiar uzyskiwać kilka tysięcy atomów antywodoru na minutę. Przy takiej ilości może uda się nam dostrzec różnice we własnościach materii i antymaterii i zrozumieć, dlaczego ta ostatnia zwyciężyła, przynajmniej w dostępnej nam części wszechświata - wyraża nadzieję prof. Landua. Odtworzenie warunków, w jakich 15 mld lat temu w wielkiej eksplozji pierwotna materia i antymateria zamieniły się na energię, wymaga zaangażowania najwyższych umiejętności technicznych współczesnego przemysłu. Dlatego Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek jest jednym z największych na świecie zleceniodawców dla przemysłu hi-tech i nie mogłoby bez niego istnieć. W powstającym właśnie w CERN akceleratorze ciężkich jonów (LHC), uważanym za najtrudniejsze przedsięwzięcie techniczne obecnej doby, ma być zamontowanych 800 ogromnych magnesów nadprzewodzących, które będą utrzymywane w temperaturze ciekłego tlenu (minus 271oC), w podziemnym tunelu o obwodzie 27 km, w próżni doskonalszej niż w przestrzeni kosmicznej. Ciekłego helu do tych urządzeń od lat dostarcza polska fabryka helu w Odolanowie.
W laboratoriach Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek pod Genewą odtwarza się warunki, jakie panowały podczas powstania wszechświata
W eksperymencie Atlas będzie się badać wyniki zderzeń cząstek w akceleratorze LHC, który ma być gotów w 2005 r. Energie osiągane w tym akceleratorze będą wyższe niż uzyskiwane w jakimkolwiek laboratorium na świecie. - W fizyce nastąpiło wielkie przesunięcie od teorii do inżynierii, bo sięgamy w takie obszary poznania, gdzie dotychczasowe metody badań nie mogą już dać efektów - tłumaczy prof. Michał Turała z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie. Prof. Turała, od dłuższego czasu związany z doświadczeniami prowadzonymi w Genewie, przez kilka lat był w CERN kierownikiem działu elektroniki i komputerów dla fizyki, później przewodniczącym Komitetu ds. Rozwoju Detektorów, obecnie jest kierownikiem jednego z zespołów w eksperymencie Atlas. - Dziesięć lat temu nie sądziliśmy nawet, że będziemy rozwiązywać tak krańcowo trudne problemy techniczne, na jakie natrafiamy na przykład w detekcji, czyli tropieniu cząstek powstających w wyniku zderzeń w akceleratorze. W akceleratorze LHC wiązki cząstek pędzące z dwu przeciwnych kierunków będą się z sobą zderzać 40 mln razy na sekundę. W każdym takim zderzeniu dojdzie do miliarda kolizji między cząstkami. Nie w każdym zderzeniu będą jednak powstawały interesujące nas egzotyczne cząstki. Obliczamy, że może się to stać raz na 10 tys. mld zderzeń, czyli mniej więcej raz na dzień. Detektory, pięciopiętrowe olbrzymy nasycone elektroniką i połączone z siecią komputerów, mają analizować wyniki tych tysięcy miliardów zderzeń każdego dnia i natychmiast wybierać do rejestracji te, które wróżą jakieś nowe odkrycia, nową poszukiwaną cząstkę. Wewnętrzne czujniki elektroniczne w detektorze Atlas będą zawierać 10 mld tranzystorów, mniej więcej tyle, ile jest gwiazd w Drodze Mlecznej. Muszą przy tym wytrzymywać promieniowanie sto razy większe niż to, jakie zagraża statkom kosmicznym. Ze względu na tak wysokie wymagania elektronika do obsługi detektorów jest tak skomplikowana, że fabryka tych urządzeń elektronicznych kosztowałaby tyle, ile cały akcelerator LHC - około 3 mld franków szwajcarskich. Dlatego projekty robimy w CERN, a wykonanie zlecamy koncernom elektronicznym. W zeszłym roku w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek pracowało kilkudziesięciu Polaków - m.in. z Instytutu Fizyki Jądrowej i Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, z Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Problemów Jądrowych w Warszawie, z Instytutu Mikro- i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Ten ostatni zespół wykonał projekt prototypu specjalnego procesora do jednego z najnowszych detektorów: CMS. Inżynier Tadeusz Kurtyka z Politechniki Warszawskiej, kierujący w CERN jednym z projektów przygotowujących urządzenia do wielkiego zderzacza ciężkich cząstek, pokazywał nam w laboratorium prototypy magnesów tzw. trzeciej generacji. Będą to magnesy nadprzewodzące, wytwarzające pole elektryczne 200 tys. razy silniejsze od ziemskiego. Magnesy zostaną wypełnione ciekłym helem, który CERN kupuje w fabryce w Odolanowie. Raciborska Fabryka Kotłów buduje kriostaty, czyli komory próżniowe dla magnesów nadprzewodzących. Aby utrzymać je w wymaganej temperaturze minus 271oC, trzeba magnesy skutecznie odizolować od otoczenia. Instytut Problemów Jądrowych wygrał w marcu przetarg na dostawę 200 komór próżniowych w ciągu najbliższych pięciu lat. Wartość kontraktu wynosi około miliona franków szwajcarskich. - Polska jest od 1991 r. członkiem CERN i współwłaścicielem tego wspaniałego laboratorium - podkreśla prof. Andrzej Kajetan Wróblewski, który brał udział w wielu doświadczeniach prowadzonych w europejskim centrum pod Genewą, a od kilku lat jest członkiem Komitetu Polityki Naukowej CERN, wyznaczającego i oceniającego kierunki badań. - Polacy biorą udział w niemal wszystkich eksperymentach, a poza tym są bardzo aktywni w konstruowaniu nowych urządzeń - na przykład detektorów. Pracuje tam również wielu naszych studentów, mając dostęp do najbardziej wyrafinowanej aparatury naukowej. W dodatku znaczna część składki, którą wpłacamy jako udziałowcy CERN, wraca do przemysłu w postaci zamówień i kontraktów. W poprzednich latach współczynnik zwrotu sięgał 80-90 proc. naszego wkładu finansowego. Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek okazało się również stymulatorem rozwoju wyrafinowanych technologii. Między innymi światowej sieci informacji World Wide Web - wymyślonej dziesięć lat temu w CERN, by zapewnić fizykom łatwy dostęp do wyników badań prowadzonych w Genewie, gdziekolwiek na świecie by się znaleźli.
Więcej możesz przeczytać w 18/1999 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.