Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 20

Artykuły

Duże zabawki dla fizyków – akceleratory cząstek elementarnych

12th Lip '13

Fizycy cząstek elementarnych i dzieci mają ze sobą więcej wspólnego niż mogłoby się wydawać. Jedni i drudzy próbują zaspokoić olbrzymie pokłady ciekawości, a brnąc ku ostatecznej odpowiedzi, dochodzą do wniosku, że badany obiekt najlepiej po prostu rozbroić. Różnica jest taka, że niesforny dzieciak rozkręci ojcu zegarek, a fizyk użyje całej dostępnej, drogiej aparatury do rozkwaszenia pojedynczych cząstek otaczającej nas materii.

Po co niszczymy cząstki?

Doświad­czenia oparte na radosnym roz­bi­janiu cząstek ele­men­tar­nych, od dzie­siątek lat, nie­zmiennie stanowią pod­sta­wową metodę badań świata w mikro­skali. Można powie­dzieć, że akce­le­ra­tory są dla fizyków cząstek ele­men­tar­nych tym samym, czym dla astro­nomów tele­skopy. I tak jak astro­no­mowie montują w swoich przy­rzą­dach coraz potęż­niejsze zwier­ciadła, tak ich koledzy po fachu wydają miliardy dolarów w celu skon­stru­owania urządzeń osią­ga­ją­cych rekor­dowe moce.

Czym mocniej roz­pę­dzimy obiekty, tym większa będzie energia ich zde­rzenia. Nie ma w tym rozu­mo­waniu żadnej tajem­nicy. Nawet dziecko rozumie, iż sil­niejsza kolizja oznacza więcej odłamków. Dlatego lekkie stuk­nięcie dwóch samo­chodów poskut­kuje ode­rwa­niem zderzaka i stłu­cze­niem reflek­tora, ale nie ukaże nam silnika i całej reszty ustroj­stwa. Fizycy się jednak nie hamują, zawsze usiłując zajrzeć pod maskę badanego obiektu. A czym bardziej zaawan­so­wane badania pro­wa­dzimy, tym trudniej dojrzeć nam kolejne dno. O ile rozbicie prze­cięt­nego atomu wymaga energii  rzędu setek elek­tro­no­woltów (eV, o tym później), o tyle dla doj­rzenia kwarków budu­ją­cych protony i neutrony, konieczne jest wyge­ne­ro­wanie mocy liczonej w giga­elek­tro­no­wol­tach, czyli miliar­dach eV. Pod tym względem, potrzeby ener­ge­tyczne naukowców wydają się nie­wy­czer­palne – przecież kwarki wcale nie należą do naj­bar­dziej nie­uchwyt­nych cząstek. Więk­szość drobin z jakich składa się nasz wszech­świat, niczym matrioszka, może posiadać wewnętrzną struk­turę, możliwą do uchwy­cenia jedynie przy pomocy coraz potęż­niej­szych akce­le­ra­torów.

Nie myślcie jednak, że spraw­dzanie czy każda kolejna cząstka nie posiada czegoś w środku, zawsze stanowi cel sam w sobie. Pewnie że dobrze wiedzieć z czego zbu­do­wane są nasze ciała, powie­trze którym oddy­chamy i planeta po której stąpamy, ale ponad tym wszystkim znajdują się głębsze pytania, nie­rzadko się­ga­jące nawet tak abs­trak­cyj­nych tematów jak czarne dziury, ciemna materia, model stan­dar­dowy, czy wielki wybuch. W rzeczy samej, dopro­wa­dzając do zderzeń czo­ło­wych między cząst­kami, w bardzo małej skali odwzo­ro­wu­jemy wyso­ko­ener­ge­tyczne warunki jakie panowały we wszech­świecie w wieku nie­mow­lęcym. Czym mocniej roz­kwa­simy cząstki tym bardziej zbliżamy się na osi czasu do samego aktu stwo­rzenia. Akce­le­ra­tory są więc nie tylko swo­istymi tele­sko­pami, ale również źródłem lwiej części argu­mentów dla teo­re­tyków.

Drogocenne elektronowolty

Dzieje akce­le­ra­torów sięgają niemal tak daleko jak historia samej fizyki jądrowej. Nie od razu jednak dys­po­no­wano energią pozwa­la­jącą na symu­lo­wanie warunków pierw­szej sekundy po wielkim wybuchu.

Metodę zgłę­biania tajemnic materii, poprzez strze­lanie poje­dyn­czymi cząst­kami, sto­so­wali już na początku ubie­głego wieku odkrywcy jądra atomu – Ernest Ruther­ford i Hans Geiger. Pio­nierzy nie posia­dali apa­ra­tury choćby w przy­bli­żeniu tak skom­pli­ko­wanej jak obecnie, więc ich amunicja pod postacią swo­bodnie emi­to­wa­nych cząstek alfa (czyli jąder atomu helu) trafiała w metalową płytkę z nie­wielką energią kilku mega­elek­tro­no­woltów. Elek­tro­no­wolt, jak defi­niuje Leon Lederman, to ilość energii, którą otrzy­małby poje­dynczy elektron podczas wędrówki od ujemnego do dodat­niego bieguna baterii dającej napięcie jednego wolta.

Dla lepszego zobra­zo­wania konieczne jest ukazanie w jakiej skali się poru­szamy. Czy poje­dynczy elek­tro­no­wolt to dużo? A kilka milionów elek­tro­no­woltów jakimi dys­po­nował Ruther­ford? Oczy­wi­ście to zależy od tego, czego wła­ściwie ocze­ku­jemy. Z naszego punktu widzenia, istot żyjących w świecie makro­sko­powym, nawet tera­elek­tro­no­wolt (bilion eV) nie robi więk­szego wrażenia. Kon­kret­niej, taka energia wystarczy do pod­rzu­cenia ziarenka piasku, ewen­tu­alnie uwol­nienia jakiejś iskry. Jeśli jednak, skie­ru­jemy podobną energię na poje­dynczy atom – biliardy razy mniejszy od ziarenka piasku – okaże się, że mamy do czy­nienia z mon­stru­alną dawką. Taką, która pozwoli roz­pę­dzić cząstkę do pręd­kości nie­osią­gal­nych dla dużych obiektów.
atlas
W pewnym sensie, moż­li­wości naszej apa­ra­tury są z góry ogra­ni­czone. Nigdy bowiem nie skon­stru­ujemy akce­le­ra­tora, który pozwoli na wyrwanie się z okowów ein­ste­inow­skiego zakazu prze­kra­czania pręd­kości światła. Wszystkie fundusze i genialne projekty służą „jedynie” jak naj­więk­szemu zbli­żeniu się do tej magicznej granicy. Choć trudno nam to sobie uzmy­słowić, dla fizyków między 99,999% a 99,9999% pręd­kości światła, istnieje kolo­salna różnica. Ten zanie­dby­walnie mały przyrost o kilka tysięcz­nych procenta pręd­kości, może zaowo­cować znacznie wyraź­niej­szym wzrostem energii, nawet rzędu kil­ku­nastu procent.

Jak rozbić cząstkę?

Gdybyśmy nazywali akce­le­ra­torem, każde urzą­dzenie zdolne to strze­lania cząst­kami ele­men­tar­nymi, oka­za­łoby się, że nie­jed­no­krotnie się z takowym zetknę­liśmy. Kine­skopy mon­to­wane w starych typach tele­wi­zorów, opierały swoje dzia­łanie na niczym innym, jak na ostrze­li­waniu ekranu elek­tro­nami. Z tyłu kine­skopu znaj­do­wała się katoda wyrzu­ca­jąca z siebie ujemnie nała­do­wane cząstki, które po drodze pod­le­gały odpo­wied­niemu odchy­laniu na skutek dzia­ła­ją­cego pola magne­tycz­nego i osta­tecznie lądowały w odpo­wied­nich sek­to­rach wewnętrznej strony ekranu.

Akce­le­ra­tory, chociaż posia­dają większą i bardziej skom­pli­ko­waną struk­turę, działają podobnie. Główną różnicą jest to, że poza wystrze­le­niem cząstki musimy zadbać o jej przy­śpie­szenie, dające upra­gnione elek­tro­no­wolty. Z pomocą przy­chodzi tu oczy­wi­ście elek­tro­ma­gne­tyzm. Podobnie jak w lampie elek­tro­nowej, wyko­rzy­stuje się efekt szcze­liny (wnęki) – gdy obda­rzone ładun­kiem cząstki prze­ska­kują z jednej elek­trody na drugą, przy okazji przy­śpie­szają. Takie „punkty przy­śpie­szenia” umieszcza się w kilku miej­scach tunelu, wewnątrz którego porusza się badana wiązka.
lhc
Same tunele, to praw­dziwy inży­nierski maj­stersztyk. Na przykład w LHC, protony kołują wewnątrz rurki o grubości zaledwie 8 cen­ty­me­trów, poko­nując odle­głość 27 kilo­me­trów jede­na­ście tysięcy razy w ciągu każdej sekundy! Aby wiązka nie dotknęła ścianki tunelu, ani nie zderzyła się przed­wcze­śnie z wiązką prze­ciwną (w końcu zabie­gamy o jak naj­sil­niejsze zde­rzenie), wymagana jest nie­sły­chana precyzja. Jakby tego było mało, wewnątrz rurki powinno panować jak naj­niższe ciśnienie. Idealnej próżni nie osią­gniemy nigdy, ale można zadbać przy­najm­niej o to, aby zabłą­kane atomy gazów jak naj­rza­dziej zakłó­cały eks­pe­ry­menty. Sporą ewolucję prze­szedł też kształt tuneli – od krótkich akce­le­ra­torów linio­wych (cząstki poru­szały się po linii prostej) do potęż­nych kołowych syn­chro­tronów – jak Tevatron i LHC. Budowa okrą­głego tunelu stanowi trud­niejsze przed­się­wzięcie, bowiem wymaga zamon­to­wania szeregu potęż­nych magnesów dipo­lo­wych, zakrzy­wia­ją­cych tor lotu wiązki. Zalety takiego roz­wią­zania trudno jednak prze­cenić – cząstka poru­sza­jąca się w kółko korzysta wie­lo­krotnie z tych samych urządzeń przy­śpie­sza­ją­cych, dzięki czemu można jej nadać znacznie większą energię.

Warto też odno­tować, że nie każda cząstka nadaje się do roli „amunicji” akce­le­ra­tora. Speł­nione powinny być przy­najm­niej dwa warunki. Po pierwsze, cząstka musi posiadać ładunek elek­tryczny, ujemny bądź dodatni, tak aby reago­wała na dzia­łanie wszech­obec­nych magnesów i apa­ra­tury przy­śpie­sza­jącej. Po drugie, co nie mniej ważne, obiekt musi odzna­czać się trwa­ło­ścią. Bo jak przy­śpie­szyć cząstkę, której średni czas życia można liczyć w setnych czę­ściach sekundy? A takich wcale w przy­ro­dzie nie brakuje. Z tych powodów, oraz w związku z ogólną dostęp­no­ścią, fizycy naj­czę­ściej wtła­czają do swoich zabawek ujemne elek­trony lub dodatnio nała­do­wane protony.

Zderzenie to połowa sukcesu

Mimo wszyst­kich zabiegów, nie jesteśmy w stanie z dowolną dokład­no­ścią zderzyć czołowo dwóch obiektów o roz­mia­rach mniej­szych niż bilio­nowa część metra. Dlatego też, naukowcy nie roz­pę­dzają poje­dyn­czych cząstek, a całe wiązki liczące po kilkaset miliardów sztuk. Fizycy wychodzą ze słusz­nego zało­żenia, że wywo­łując wielką kraksę, przy­najm­niej jedna kolizja na miliard przy­niesie zado­wa­la­jący efekt. 

Jednak to roz­wią­zanie generuje inny problem. Poza całym osprzętem służącym do roz­kwa­szania cząstek, akce­le­rator musi dys­po­nować niewiele mniej roz­bu­do­wanym systemem, skon­cen­tro­wanym na zebraniu i analizie spły­wa­ją­cych infor­macji. Wystarczy przy­po­mnieć, iż doświad­czenia prze­pro­wa­dzane w Wielkim Zder­zaczu Hadronów, śledzi aż osiem detek­torów, z których naj­większy mierzy 40 metrów wyso­kości i waży 12 tysięcy ton! Na taką kupę żelastwa, składa się kilka warstw czuj­ników, odpo­wie­dzial­nych za pomiary kon­kret­nych wła­ści­wości wyklu­tych w zde­rzeniu cząstek.

W każdej sekun­dzie aktyw­ności akce­le­ra­tora, dochodzi do milionów zdarzeń. Wszystko odbywa się w takim tempie, że detektor musi wyko­nywać prawie miliard „ujęć” poje­dyn­czej kolizji. Nie istnieją super­kom­pu­tery pozwa­la­jące na przegląd takiej ilości danych w locie, toteż są one zapi­sy­wane i maga­zy­no­wane. Później całymi tygo­dniami lub mie­sią­cami, super­kom­pu­tery odfil­tro­wują z morza infor­macji poje­dyncze perełki – doty­czące zderzeń czo­ło­wych. Pozo­stałe 99% danych trafia do kosza.

Większy może więcej

Akce­le­ra­tory stały się scenerią naj­waż­niej­szych badań fizyki. Nie ruszając się z Ziemi zgłę­biamy struk­turę ota­cza­jącej nas rze­czy­wi­stości, kreujemy nowe cząstki oraz odwzo­ro­wu­jemy warunki wiel­kiego wybuchu. Nie powinno dziwić, że otwarcie nowego urzą­dzenia tego typu, jak i każde pobicie rekordu osią­gniętej energii, to wyda­rzenie wobec którego świat nauki wstrzy­muje oddech.

A co przy­niesie przy­szłość? Ame­ry­kanie, przy­najm­niej na razie, nie rzucili rękawicy ośrod­kowi w CERN. Ich projekt – Super­con­duc­ting Super Collider – akce­le­ra­tora prawie trzy­krotnie więk­szego od LHC nigdy nie zostanie dokoń­czony. Trudno jednak zakładać, że za dekadę lub dwie, USA bądź Chiny nie spróbują zakoń­czyć euro­pej­skiej hege­monii w dzie­dzinie cząstek ele­men­tar­nych. Mam nadzieję na taką rywa­li­zację. Jeżeli akce­le­rator przy­szłości przy­niesie podobny postęp jak Wielki Zderzacz Hadronów wobec Teva­tronu (sied­mio­krotnie większa moc!), to być może docze­kamy się otwarcia nowego roz­działu w historii fizyki.
Literatura uzupełniająca
L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Warszawa 2005;
L. Randall, Pukając do Nieba Bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć wszechświat, Warszawa 2013;
M. Sapiński, Jak fizycy przyśpieszają cząstki?, [online: http://indico.cern.ch/getFile.py/access?contribId=30&resId=0&materialId=slides&confId=105117];
Z. Ajduk, S. Pokorski, K. Turzyński, Oddziaływania elementarne i LHC, [online: http://www.mimuw.edu.pl/delta/artykuly/delta0105/lhc.pdf].
podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Ano­ny­mous

    Dałoby radę abyś choć w jednym ze swoich arty­kułów poruszył sprawy z pogra­nicza sci-fi?
    Całość jak zawsze na propsie. Dosko­nale napisane. 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Fanem futu­ry­styki nigdy nie byłem, ale zależy co masz na myśli. Jakiś kon­kretny temat?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Zasta­na­wiałem się co byś powie­dział o artykule na temat „portal guna” z gry „Portal”. Czy miałby jakie­kol­wiek prawo ist­nienia w rze­czy­wi­stości? Jakie zagro­żenia, jakie pomoce, para­doksy z nim związane. Nie byłoby to wyssane z palca, w sieci znaleźć można nawet dokładne plany budowy takiego urzą­dzenia, stwo­rzone na potrzeby gry.
      Oczy­wi­ście naj­le­piej by było gdyby powstał cały dział mówiący o tematach sci-fi: napęd WARP, gravity gun i wiele innych tematów które się o to ocierają. :)

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Trochę tematach z „pogra­nicza” nauki mówi książka: http://en.wikipedia.org/wiki/The_Physics_of_Star_Trek

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • fizyczna

    Wspa­niałe – te tunele i gigan­tyczna maszy­neria. Chcia­labym kiedyś zwiedzić wielki zderzacz hadronów.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Kto to finan­suje? To pie­niądze wyrzu­cone w błoto .Marnotrastwo.Odkrycia i wyna­lazki rodzą się w głowach, a nie w tym bzdurnym zderzaczu(nazwa równie głupia jak i to urzą­dzenie)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Zanim odpowiem, potwierdź proszę, że to nie jest pro­wo­kacja. Tak na wszelki wypadek.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

    To jak już jesteśmy przy prośbach, może jakiś tekst o CCC i nowej kon­cepcji Penrose’a? Jego wizja wydaje się bardzo ciekawa, ale dowody są albo bardzo cienkie, albo ich nie zro­zu­miałem. Chętnie prze­czy­tałbym analizę, która wyszła spod Twojej ręki.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17274233212089619943 Kacper Myst­kowski

    Bardzo inte­re­su­jący wpis oraz blog – na którym jestem po raz pierwszy. Z pew­no­ścią tu wrócę i może poszukam inspi­racji do własnych wpisów o nauce – czasami. O ile autor nie będzie miał mi tego za złe. Pozdra­waim

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Zasta­na­wiałem się co byś powie­dział o artykule na temat „portal guna” z gry „Portal”. Czy miałby jakie­kol­wiek prawo ist­nienia w rze­czy­wi­stości? Jakie zagro­żenia, jakie pomoce, para­doksy z nim związane. Nie byłoby to wyssane z palca, w sieci znaleźć można nawet dokładne plany budowy takiego urzą­dzenia, stwo­rzone na potrzeby gry.
    Oczy­wi­ście naj­le­piej by było gdyby powstał cały dział mówiący o tematach sci-fi: napęd WARP, gravity gun i wiele innych tematów które się o to ocierają. :)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Dlaczego zmie­niłeś nazwę? Stara była lepsza.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/10494457799658594301 Borys Emilian Rittev

      Podpinam się pod pytanie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17274233212089619943 Kacper Myst­kowski

    Tak. Portal Gun wytłu­maczmy jego fizykę. A później zasta­nówmy się jak wytłu­ma­czyć Super­mana.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Co dało rozbicie czą­steczki ?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Ale jakiej cząstki, gdzie i kiedy?

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/04842367139356695435 Hubert Michalak

      @Anonimowy
      Czasem, by dowie­dzieć się jak / z czego coś jest zbu­do­wane trzeba to rozwalić.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/06266718210435412118 Krzysztof Szczesny

    Coś potrzebne w teorii, a tak naprawdę nasi nie­od­po­wie­dzialni naukowcy chca sie w boga pobawić, bo do tego ich badania przecież prowadzą. Nie­moż­liwa. Jest symu­lacja two­rzenia. Świata w miejscu gdzie on juz istnieje. Taka głupota nie­uchronnie prowadzi do zastą­pienia naszego świata zupelnie innym, w którym dla nas miejsca już nie będzie…. Co mam na myśli? To samo jak zasto­sować energię nukle­arna dla naszego ppw­szech­nego dobra… Najpierw wybili miliony istnień, zaszko­dzili milionom następ­nych, a dopiero później okazało się, że oprócz bomby można postawić elek­trownie lub coś innego w pozy­tywnym zna­czeniu. To nie jest do końca normalne, bo zamiast nauki powstał nowy kierunek wyścigu do władzy (ktoś chce się w bogq pobawić ale nie pojął, że do takich zabaw trzeba być nie­smier­telnym….)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Oczy­wi­ście kom­pletnie się nie zgadzam z tą opinią. W ogóle porów­ny­wanie realiów w których roz­kwitał Projekt Man­hattan z bada­niami w CERN to czysty nonsens. Oppen­he­imer i spółka pra­co­wali od początku nad bronią masowej zagłady, takie dostali zlecenie i trwała wojna, impli­ku­jąca wyścig zbrojeń. Rze­czy­wi­ście rozwój ener­ge­tyki jądrowej było póź­niej­szym dodat­kiem. Akce­le­ra­tory jednak zaczęły powstawać już po wojnie, w celach typowo badaw­czych i przy współ­pracy wielu państw. Wszakże głównym zarzutem kie­ro­wanym wobec takich ośrodków jest właśnie nie­prak­tycz­ność ich osią­gnięć – na tym etapie pozna­jemy świat, zaspo­ka­jamy cie­ka­wość.

      Zabawa w boga jest wygodnym frazesem, żeby nie powie­dzieć pusto­sło­wiem. Dzia­łania jakie dopro­wa­dziły do tego, że dziś korzy­stasz z żarówek a nie lampy naftowej mógłbyś spro­wa­dzić do tego samego – w swoim czasie. Co robił Newton, Maxwell czy Einstein? Każdy z nich na swój sposób bawił się w pozna­wanie „umysłu Boga”, co przy­niosło nie­sa­mo­wity postęp, na którym zyskuje cała ludzkość.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: KB #11: LHC znów rozkwasza cząstki | Kwantowo.pl - astronomia, fizyka, nauka!()

  • Pingback: 21 AstroGifów cz. 1 | Kwantowo.pl - astronomia, fizyka, nauka!()