Czytaj dalej

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 akce­le­ra­tory cząstek są dla fizyków 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 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.

Wnętrze tunelu największego akceleratora 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 – 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].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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