Akcelerator cząstek: duża zabawka dla fizyków

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 gigantycznej, drogiej aparatury do rozkwaszenia pojedynczych cegiełek 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 akcelerator cząstek jest dla fizyków tym samym czym dla astronoma teleskop. 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 cząstek elementarnych 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, detektor Wielkiego Zderzacza Hadronów

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 zderzyć cząstki?

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 cząstek elementarnych – na czele ze słynnym Wielkim Zderzaczem Hadronów – posiadają większą i bardziej skomplikowaną strukturę, lecz co do zasady działają podobnie. Główna różnica sprowadza się do faktu, iż 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.

Największy akcelerator cząstek elementarnych

Same tunele akceleratorów, to prawdziwy inżynierski majstersztyk. Na przykład w Wielkim Zderzaczu Hadronów, 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 SSC (Superconducting Super Collider) – akceleratora prawie trzykrotnie większego od LHC – nigdy nie zostanie dokończony. Trudno jednak zakładać, że za dwie lub trzy dekady, 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].
10 naukowych wydarzeń na pożegnanie lat dziesiątych XXI wieku Zagrajmy w czasoprzestrzenny bilard Mars w 7 krokach