SSC, czyli jak Amerykanie odpuścili sobie fizykę cząstek

Wielki Zderzacz Hadronów zapewnił Europie przewodnią rolę w dziedzinie badań podstawowych, która jeszcze długo nie zostanie zachwiana. Jednak wszystko potoczyłoby się inaczej, gdyby Amerykanie nie wstrzymali budowy superzderzacza SSC.

Badania podstawowe odbywają się na poziomie, na którym nie pytasz, jaki jest zysk ekonomiczny.

David Kaplan

Krajobraz po LHC

Załóżmy, że długa rura współdziałająca z jakimiś superzaawansowanymi instrumentami daje nam prestiż, przyciąga do nas najtęższe umysły z całego świata, weryfikuje nasze hipotezy i tym samym poszerza naszą wiedzę o wszechświecie. Jaki powinniśmy postawić kolejny krok? Rzecz jasna, najlepiej zainwestować w jeszcze dłuższą rurę wraz z jeszcze bardziej zaawansowaną aparaturą.

Taką niezbyt wyrafinowaną, ale chyba skuteczną logiką, zdaje się kierować Europejska Organizacja Badań Jądrowych. Niedługo po wyłączeniu w 2000 roku Wielkiego Zderzacza Elektronowo-Pozytonowego (LEP) rozpoczęto prace nad potężniejszym Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC). Ten błyskawicznie stał się ikoną fizyki wysokich energii i bodaj najsławniejszym przyrządem naukowym na Ziemi. Teraz gdy piszę te słowa – dwanaście lat od wypuszczenia w LHC pierwszej wiązki protonów oraz osiem od historycznej detekcji śladu bozonu Higgsa – CERN postanowił pokazać, że ambicje europejskich naukowców wciąż nie zostały zaspokojone.

W opublikowanym niedawno dokumencie, zawierającym długoterminową strategię badawczą, oficjalnie zapowiedziano budowę kolejnego akceleratora cząstek, przy którym Wielki Zderzacz Hadronów, będzie wielki już tylko z nazwy. Nowy synchrotron (o roboczej nazwie Future Circular Collider) wypełni tunel o długości nawet 100 kilometrów i będzie miażdżył drobiny z energią dochodzącą do 100 teraelektronowoltów. Jeśli przypomnimy sobie, że pierścień zasłużonego LHC mierzy tylko 27 kilometrów i rozkwasza cząstki z energią rzędu zaledwie 14 TeV, to łatwo pojmiemy, na jak wielki skok jakościowy mogą liczyć europejscy fizycy.

Ale to nie jedyna ekscytująca inwestycja, jakiej warto wyglądać. Jeszcze zanim rozpocznie się drążenie nowego tunelu pod Genewą (co planowo nastąpi dopiero w 2038 roku), inauguracyjną wiązkę powinien wystrzelić chiński CEPC (ang. Circular Electron Positron Collider). Pierwsze przechwałki Azjatów – wygłoszone zaraz po detekcji bozonu Higgsa – brzmiały równie odważnie co ogólnikowo i nie wzbudziły większego zainteresowania. A jednak koncept 80-kilometrowego akceleratora podległego pekińskiemu Instytutowi Fizyki Wysokich Energii nabiera coraz wyraźniejszych kształtów. Jeśli nie dojdzie do jakiejś katastrofy, która spowolniłaby rozpędzoną lokomotywę chińskich aspiracji, do końca dekady w prowincji Hebei powstanie istna fabryka cząstek elementarnych, skalibrowana pod masową produkcję higgsonów.

Amerykański sen o SSC

Pojawia się pytanie, jakie miejsce w tej prestiżowej rywalizacji zajmują Stany Zjednoczone Ameryki? Jaka będzie reakcja lidera globalnej gospodarki, nauki i technologii, na wyzwanie rzucone mu przez Stary Kontynent i Państwo Środka?

Prawdopodobnie żadna. Jednak nie to jest najdziwniejsze. Najbardziej niewiarygodny wydaje się fakt, że akcelerator równie imponujący co inżynierskie popisy Europejczyków i Chińczyków, mógł powstać po drugiej stronie Atlantyku już wiele lat temu. Mógł i powinien.

Mowa o projekcie Nadprzewodzącego Superzderzacza SSC (ang. Superconducting Super Collider), wznoszonego na początku lat 90. w sąsiedztwie teksańskiego miasteczka Waxahachie[1]. Doniosłe obietnice oraz idące za nimi dolary, lały się niczym miód na serca amerykańskich uczonych. W tunelu o długości 87 kilometrów protony miały być przyśpieszane i zderzane z energią dochodzącą do 40 TeV. Suche liczby mogą nie do końca uzmysławiać rozmach SSC, więc ujmę rzecz inaczej. Akcelerator niemal trzykrotnie wydajniejszy od LHC, mógł działać już w połowie lat 90. ubiegłego stulecia – jeszcze zanim CERN w ogóle podjął decyzję o budowie swojego flagowego instrumentu.

Był to czas, kiedy to Amerykanie wciąż dzierżyli dumny tytuł przodownika w zakresie fizyki wysokich energii. Szczególne prawo do zadzierania nosa mieli uczeni zgromadzeni wokół Narodowego Laboratorium im. Enrico Fermiego, odnoszący regularne sukcesy dzięki 6-kilometrowemu Tevatronowi. Był to pierwszy synchrotron rozbijający cząstki z energią bliską 1 TeV (stąd nazwa). To właśnie to urządzenie dostarczyło dowodów na istnienie kwarka wysokiego, hiperonu Ω, hiperonu Ξ, a także wielu danych i sugestii dotyczących innych cząstek, co okazało się bezcenne dla kształtowania modelu standardowego[2]. Nic dziwnego, że wkrótce amerykańscy fizycy zamarzyli o jeszcze głębszym zajrzeniu w istotę Matki Natury.

Tevatron, czyli zamknięty akcelerator cząstek Fermilabu
Panorama na Tevatron. Największy akcelerator do czasu uruchomienia LHC został zamknięty w 2011 roku.

I tu wkracza idea Nadprzewodzącego Superzderzacza. Akceleratora czterdziestokrotnie sprawniejszego od Tevatronu, który nie tylko z nawiązką spełniłby wygórowane oczekiwania panów w grubych okularach, ale przede wszystkim utrwalił amerykański monopol w dyscyplinie badań podstawowych, co najmniej na kolejne pokolenie.

Najdroższy pierścień świata

Na początku 1987 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych przedłożył w Waszyngtonie oficjalną koncepcję wycenioną na 4,4 miliarda ówczesnych dolarów. Prezydent Ronald Reagan podpisując dokumenty podobno stwierdził z przekąsem, że jego decyzja doprowadzi do ekstazy wielu naukowców, ale dla równowagi rozczaruje tysiące oczekujących podwyżek nauczycieli fizyki (w końcu, fundusze na badania muszą pochodzić z budżetu edukacyjnego, a nie np. z cięć wydatków zbrojeniowych. Czego nie rozumiecie?).

Projekt Nadprzewodzącego Superzderzacza SSC
Rysunek kampusu SSC, wykonany na zlecenie Departamentu Energii.

W każdym razie, pomysł został przyklepany, a do Waxahachie zjechali się robotnicy i inżynierowie. Projekt SSC realnie wszedł w fazę budowy.

Oczywiście tylko głupiec mógł uwierzyć, że tak kolosalna, długoterminowa inwestycja doczeka się pełnej finalizacji w określonym kształcie, w wyznaczonym terminie i nie przekroczy ustalonego budżetu. Gdy tylko stery w państwie przejął George Bush sr., dowiedział się, że abstrakcyjne zachcianki jajogłowych będą kosztować co najmniej 5,9 miliarda dolarów, więc o 1/3 więcej niż zakładano. Z kolei na początku kadencji Billa Clintona, przewidywana cena SSC niebezpiecznie zbliżyła się do okrągłej sumy 10 miliardów. Przyczyny były te same, co zwykle w takich sytuacjach: błędy w początkowych założeniach, spory koncepcyjne, inflacja, rozbuchana administracja, przetasowania na stołkach, wahania ekonomiczne i niespójna polityka.

Siedziba niedokończonego akceleratora SSC
Główny budynek SSC.

Jeszcze w 1993 roku padła propozycja, aby podtrzymać projekt pod warunkiem przesunięcia terminów i rozłożenia kosztów w czasie. W takim układzie, Superzderzacz doczekałby się rozruchu w okolicach 2003 roku. Lepiej późno niż wcale. W międzyczasie problem rosnących wydatków na fizykę wysokich energii kilkukrotnie stawał się przedmiotem sporu w Kongresie. Początkowo SSC skutecznie brał w obronę Senat, jednak ostatecznie Izba Reprezentantów dopięła swego. Za przerwaniem inwestycji opowiedziało się 264 kongresmenów, za kontynuowaniem – tylko 159.

“Bohaterem” ponurego posiedzenia okazał się republikanin z Kolorado, Joel Hefley. Polityk w emocjonalnym tonie stwierdził, że nikt nie wyłuszczył mu sensu wydawania grubych sum na czystą naukę i abstrakcyjne próby zrozumienia wszechświata. Swoje wystąpienie zakończył kąśliwą uwagą:

Powiedzieli mi: “jeśli my tego nie zrobimy, zrobią to Europejczycy”. Powinienem odpowiedzieć: “pozwólmy im na to”. My i tak robimy wszystko, stacje kosmiczne i wszystko inne. Pozwólmy im na to. Niech też sobie coś odkryją.

~ Joel Hefley

Negocjacje w Kongresie nie były łatwe.

Już się w to nie bawimy

Po kilku latach prac, po wykopaniu 23 z planowanych 87 kilometrów tunelu, po wydaniu ponad dwóch miliardów dolarów – plac budowy nagle opustoszał. Jęki zawodu słychać było we wszystkich amerykańskich placówkach, od Fermilabu po Caltech. Idea Superzderzacza wylądowała na śmietniku historii, a wraz z nią wzniosłe hasła i żarliwe aspiracje fizyków. Jak zauważył noblista Leon Lederman: “Z punktu widzenia nauki, szeroko pojętej nauki, a także z uwagi na wzrost gospodarczy i dobrobyt mieszkańców Stanów Zjednoczonych, przerwanie prac nad akceleratorem SSC było niepowetowaną stratą. Gdyby Kongres był prawdziwym ciałem przywódczym, nie zrezygnowałby z budowy SSC i znalazłby sposób, aby projekt zrealizować”.

Rozżalenie naukowców jest łatwe do zrozumienia. Gdyby wydarzenia potoczyły się inaczej niewielkie Waxahachie stałoby się nową Mekką przyciągającą najtęższe umysły z całego globu, bozon Higgsa zostałby odkryty wiele lat wcześniej, zaś Ameryka do dziś zachowałaby status niekwestionowanego hegemona w sektorze badań podstawowych. Jednak los (zwany Kongresem) chciał inaczej.

Literatura uzupełniająca:
L. Lederman, C. Hill, Dalej niż Boska Cząstka, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
The dumbest question You can ask a scientist, [online: http://howtoflyahorse.com/the-dumbest-question-you-can-ask-a-scientist/];
M. Banks, Back to the future, [online: https://physicsworld.com/a/back-to-the%E2%80%AFfuture/];
S. Panse, The Superconducting Super Collider: How the USA Abandoned Its Most Expensive Science Project, [online: www.ststworld.com/superconducting-super-collider/];
J. Cramer, The Decline and Fall of the SSC, [online: https://web.archive.org/web/19971010114852/http://www.npl.washington.edu/AV/altvw84.html];
2020 Update Of The European Strategy for Particle Physics, [online: https://home.cern/sites/home.web.cern.ch/files/2020-06/2020%20Update%20European%20Strategy.pdf];
X. Lou, The Circular Electron Positron Collider, “Nature Reviews Physics” vol. 1, marzec 2019.
[+]
Wszechświat pozbawiony czasu Ostatnie lądowanie promu Atlantis. Zmierzch epoki wahadłowców Zwięźle o wenusjańskim fosforowodorze