Praca przy największym akceleratorze świata – rozmowa z Marcinem Chrząszczem

LHC to nie tylko jeden z najważniejszych instrumentów naukowych współczesnej nauki, ale również Mekka dla tysięcy zdolnych naukowców z całego globu. Do tego zacnego grona należy również mój ostatni rozmówca – dr inż. Marcin Chrząszcz.

Jeśli nie wiecie, w tym roku Polska świętowała trzydziestolecie swojej obecności w strukturach Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. Od 1991 roku do chwili obecnej przez Genewę przewinęło się kilkuset polskich fizyków – zarówno teoretyków, jak i techników dbających o konserwację najcenniejszej aparatury badawczej świata. Wielu z nich wykorzystało tę niepowtarzalną szansę, zaznaczając swoją obecność w elitarnych badaniach nad symetrią, modelem standardowym i najgłębszą strukturą materii.

Jednym z polskich naukowców, który zdecydował się na karierę w CERN-ie jest dr inż. Marcin Chrząszcz z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Młody fizyk rozpoczął swoją przygodę z genewską placówką już jako doktorant i ciągu zaledwie paru lat zdążył wziąć udział w zaprojektowaniu kilku detektorów oraz stworzeniu systemów analizy danych, używanych w ramach eksperymentów LHCb oraz SuperB. Mówiąc bardziej po ludzku, dr Chrząszcz należy do tych osób, które czuwają nad techniczną stroną badań mających na celu rejestrowanie rozpadów cząstek (zwłaszcza mezonów B i D), które za jakiś czas mogą zmusić fizyków do zrewidowania aktualnych teorii.

Ale więcej o ekscytujących poszukiwaniach Nowej fizyki, a także o codziennej harówce w jednym z najbardziej niesamowitych miejsc na Ziemi – najlepiej opowie sam naukowiec.


Zacznijmy od spraw “administracyjnych”. Panie Doktorze, jak w ogóle wygląda prowadzenie badań w CERN-ie pod względem organizacyjnym? Zakładam, że tabuny naukowców z całego kontynentu marzą o tym, aby przetestować swoje przewidywania w największym akceleratorze. Jest jakaś kolejka? Kto decyduje jaki eksperyment zostanie przeprowadzony?

Należy odróżnić dwie kwestie: budowy/przeprowadzania nowego eksperymentu od przeprowadzenia pomiaru z wykorzystaniem obecnego eksperymentu. Powstanie nowego eksperymentu to bardzo skomplikowany i długotrwały proces. Zaczyna się od propozycji, następnie przeprowadzane są symulacje Monte Carlo[1]. Cały proces jest nadzorowany przez CERN i oceniany. Na samym końcu komisje i rady w CERN-ie podejmują decyzję, czy dany eksperyment jest warty budowy. Budżet na naukę pozostaje ograniczony i nie każdy pomysł doczeka się realizacji. Zdecydowana większość projektów przepada w otchłani desek kreślarskich inżynierów.

Nie ukrywam, że jedną z motywacji do przeprowadzenia tego wywiadu są częste pytania o stronę techniczną odkryć dokonywanych w LHC. W wielu miejscach można znaleźć ciekawostki o gabarytach akceleratora oraz o procesie przyśpieszania cząstek – znacznie mniej miejsca poświęca się samemu procesowi detekcji. Jak to wygląda? Jak detektor odróżnia np. kwark powabny od kwarka górnego? Skąd wiemy, na co patrzymy?

Detekcja cząstek to temat rzeka, któremu poświęcono całe książki. Upraszczając temat detektor “widzi” tylko kilka rodzajów cząstek, które mają na tyle długie czasy życia, że nie rozpadają się zaraz po ich produkcji. Tak więc detektor bardzo dobrze rejestruje cząstki naładowane: piony, kaony, elektrony, miony i protony. Niektóre detektory (np. LHCb) są wyposażone w poddetektory które potrafią rozróżnić powyższe cząstki między sobą. Drugą grupą cząstek są cząstki neutralne np. neutron czy foton, których detekcja w detektorze jest zdecydowanie trudniejsza, ale również możliwa. 

Jak widać nigdzie nie wspomniałem o kwarkach. To dlatego, iż detektor jako przyrząd laboratoryjny nie jest w stanie ich rejestrować. Dzieje się tak, ponieważ w przypadku produkcji wspomnianych kwarków pięknych czy powabnych zachodzi hadronizacja[2], czyli produkowane są hadrony, w tym hadrony piękne i powabne. Hadronizacja jest procesem na tyle szybkim, że dzieje się – z punktu widzenia rozdzielczości detektora – natychmiast. W następnym etapie hadrony zawierające wspomniane kwarki ulegają rozpadowi. Jest wiele kanałów rozpadu, które często są kaskadowe.

Czyli z cząstki wypadają inne cząstki, a z tych kolejne?

Na przykład mezon piękny rozpada się produkując mezon powabny, następnie ten mezon powabny rozpada się dalej, w wyniku czego mogą zostać wyprodukowane kaony i piony. Dopiero te końcowe cząstki są rejestrowane przez detektor. Praca fizyka polega na dojściu po nitce do kłębka, tj. na podstawie tych końcowych cząstek stwierdzić, czy mieliśmy do czynienia z rozpadem mezonu pięknego czy powabnego i jeszcze, jaki był to dokładnie mezon, bo każdy ma kilka odmian.  

Cofnijmy się jeszcze o dwa kroki. Jak w ogólnym zarysie wygląda taki detektor? Bo same zderzenia cząstek odbywają się (jeśli dobrze rozumiem) w próżni tunelu akceleratora, ale co potem? Mamy rodzaj jakiegoś medium/materiału, który wychwytuje produkty rozpadu?

Pytanie jest bardzo obszerne i zwykle dla studentów organizowane są semestralne wykłady, gdzie omawia się jak wyglądają współczesne detektory. W bardzo dużym skrócie detektor to materiał, z którym reaguje przelatujące cząstka. W wyniku tego oddziaływania wytwarzane są sygnały, takie jak światło, impulsy elektryczne etc., które zostaną zarejestrowane. Istnieje wiele typów detektorów: półprzewodnikowe, gazowe, scyntylacyjne… Każdy bazuje na innym zjawisku oddziaływania cząstki z materią i ma swoje wady i zalety. W celu niwelacji wad współczesne detektory mają formę “kanapki” gdzie stosowane są warstwy różnych detektorów.  Tak, żeby słabości danego detektora były nadrabiane innym detektorem.

Schemat detektora LHCb
Schemat detektora LHCb, jednego z głównych eksperymentów prowadzonych obecnie w CERN-ie.

Zaciekawiła mnie wspomniana kwestia cząstek neutralnych. Jak to możliwe, że w ogóle potrafimy poruszyć lub chwycić (mówiąc obrazowo) obojętny neutron i dokonać jakiegoś pomiaru? Na czym będzie polegała różnica między eksperymentami na protonach i na neutronach?

Neutron jesteśmy w stanie wychwycić, ponieważ oddziałuje on silnie. Polega to na skierowaniu bardzo masywnego detektora zwanego kalorymetrem. Taki neutron przelatując przez bardzo gęste materiały w końcu “trafi” na jądro atomowe. W wyniku tej interakcji powstaną cząstki neutralne i naładowane, które będą dalej przemieszczać się przez materiał do momentu, kiedy one też trafią na jądro i tak dalej. Proces ten nazywa się kaskadą hadronową i w ten sposób jesteśmy w stanie zaobserwować neutrony. 

Protony mają ładunek elektryczny, więc widzimy ich ślady w detektorach krzemowych. Tutaj nie ma problemu. Oczywiście osobną kwestią jest rozróżnienie protonu od innej cząstki naładowanej.

Hadronizacja cząstek
Hadrony (np. protony) posiadają wewnętrzną strukturę złożoną z kwarków i gluonów, więc podczas zderzeń dochodzi do wysypu cząstek. Jednak kwarki nie mogą istnieć samodzielnie, więc zachodzi proces hadronizacji i łączenia w kolejne hadrony.

Jaka jest szansa fałszywego alarmu? Albo inaczej, jak wiele zdarzeń należy zarejestrować, aby ogłosić odkrycie?

Na tak postawione pytanie niestety nie da się odpowiedzieć jednoznacznie. Wynika to z faktu, iż odkrycie nie sprowadza się zawsze do obserwacji nowej cząstki. Odkrycie może też polegać na zmierzeniu czegoś bardzo dokładnie i w rezultacie na stwierdzeniu, że pomiar ten jest niezgodny z przewidywaniami współczesnej teorii, czyli modelem standardowym. Również obserwacji cząstki nie da się sprowadzić do jednej liczby, ponieważ w normalnych warunkach poza sygnałem jest jeszcze tło. Obserwacja 11 przypadków rozpadu, gdy oczekuje się 10 przypadków tła, nie jest tym samym, co obserwacja 11 przypadków rozpadu, gdy oczekuje się 1 przypadku tła. W jednym i w drugim scenariuszu zaobserwowaliśmy 11 przypadków, ale w pierwszej sytuacji mówimy o wyniku zgodnym z przewidywaniami, natomiast w drugim mówimy o obserwacji.

Z tego powodu fizycy używają do określania odkrycia nie ilości przypadków, tylko prawdopodobieństwa fałszywego odkrycia. I tak zwyczajowo fizycy zaczynają mówić o obserwacji, gdy prawdopodobieństwo fałszywego odkrycia wynosi 1 na 370. O odkryciu mówimy, gdy prawdopodobieństwo to spada do 1 na 1 744 278.         

To jest to słynne 5 sigma? =)

Tak, dokładnie, to jest to słynne 5 sigma =)

Sigma 5
Prawdopodobieństwo wystąpienia danego wyniku, mieszczące się w granicach kolejnych “sigm”. Powyżej 4σ szansa na pomyłkę jest bliska zeru, a wynik można uznać za pewny.

Większość badań wiąże się z rejestrowaniem poszczególnych kanałów rozpadu. Zazwyczaj mowa o procesach trwających niewiarygodnie krótko: miliardowe lub bilionowe części sekundy. Jaka jest “rozdzielczość” czasowa detektorów?

Rozdzielczość czasowa oczywiście zależy od detektora. Na przykład dla detektora LHCb wynosi ona około 40 femtosekund (40-15s). Oczywiście układy elektroniczne nie są wystarczająco szybkie, aby rejestrować takie sygnały. Do osiągnięcia wspomnianej rozdzielczości przychodzi z pomocą prędkość światła, która jak wiemy jest dość duża. =) Także efektywnie mierzymy dwa punkty w przestrzeni: miejsce, gdzie cząstka została wyprodukowana i gdzie uległa rozpadowi. Znając tę odległość i pęd cząstki jesteśmy w stanie obliczyć czas jej życia. Rozdzielczość 40fs to średnia wartość, jaką uzyskujemy dokonując tych obliczeń, biorąc pod uwagę niepewności związane z odległością i pędem. 

Jeden z Kwantowiczów zapytał “jak szybko zużywają się elementy detektorów które bezpośrednio narażone są na działanie cząstek wysokiej energii bądź efektów ich zderzeń? Jak często trzeba więc konserwować wrażliwą aparaturę elektroniczną i w jaki sposób promieniowanie i rozbrykane cząstki elementarne wpływają na zużywanie się tejże?”

Bardzo dobre pytanie. Detektory, które znajdują się blisko punktu zderzeń są bardziej narażone na promieniowanie i ulegają szybszemu uszkodzeniu. Nie da się oczywiście konserwować takich urządzeń, bo uszkodzeniom ulega struktura krystaliczna detektora. To nieodwracalne.

Przed instalacją detektora jego prototyp jest napromieniowywany, żeby sprawdzić jaką dawkę jest w stanie “przeżyć”. Na przykład obecnie w Instytucie Fizyki Jądrowej napromieniowujemy elementy światłoczułe przyszłego detektora LHCb żeby sprawdzić, czy przetrwa on dawki, których oczekujemy w przyszłym detektorze. 

Inne pytanie od czytelnika: “Domyślam się, że LHC ciągnie dużo prądu. Jak to wygląda w praktyce: funkcjonuje jakaś odrębna elektrownia zasilająca sprzęt, włączona na potrzeby eksperymentu”?

CERN zużywa 200MW, z czego zdecydowana większość idzie na prace LHC. Dla porównania miasto Genewa, koło którego leży CERN, zużywa 3 razy więcej prądu. Energię elektryczną bierzemy z sieci, także nie ma dedykowanej elektrowni wyłącznie na potrzeby LHC. Z tego też powodu w zimie, gdy zapotrzebowanie na energię jest wyższe, CERN wyłącza LHC z użytku. 

Eksperyment LHCb
Główna hala eksperymentu LHCb.

Zostawmy na chwilę fizykę na boku. Jak wygląda pierwszy dzień pracy w CERN-ie? Jaka była pierwsza myśl, kiedy trafił Pan Doktor do Genewy?

Pierwszy dzień był przesączony ekscytacją. Pojechałem tam jeszcze jako student. Świadomość, że jest się na praktykach w największym laboratorium świata wywoływała gęsią skórkę. 

Atmosfera CERN-u z początku przytłacza? Jak długo trzeba się wdrażać, żeby czuć się komfortowo?

Tylko na początku. Człowiek szybko wpada w tryby wielkiej maszyny i zaczyna pracować. Tutaj wygląda to trochę jak duża międzynarodowa korporacja, w której wszystko musi być zorganizowane, żeby działało wydajnie. Wydaje mi się, że szybko przechodzi się do porządku dziennego, właśnie przez taką organizację. Zwykle na początku pracuje się z młodym opiekunem, co dodatkowo pozwala poczuć się swobodnie i zintegrować z grupą.

Jaka jest kultura CERN-u? W końcu mamy do czynienia z ośrodkiem zrzeszającym ludzi z całej Europy i nie tylko. Czy w ogóle “czuć” na co dzień, że jesteśmy w Szwajcarii?

Zacznę może od małej anegdotki: mój poprzedni szef na Uniwersytecie w Zurychu (Szwajcar z krwi i kości) za każdym razem, gdy przyjeżdżał do Genewy mawiał, że czuje się jak w innym państwie. Wynikało to z faktu, że cała Szwajcaria jest dość zróżnicowana i Genewa w porównaniu do Zurychu wygląda, jakby była innym krajem. Co oczywiście jest historycznie uzasadnione, bo do Konfederacji Szwajcarskiej Genewa przystąpiła dopiero w XIX wieku.

Wracając do pytania. W CERN-ie w ogóle nie czuć, że jest się w Szwajcarii. Tym bardziej, że jest on położony zarówno w Szwajcarii jak i we Francji. Jak przeszedłem 200 metrów od mojego pokoju, to już byłem we Francji. Tak więc niektórzy spędzają więcej czasu we Francji niż w Szwajcarii, w zależności od pokoju, w którym pracują. 

Pomijając geograficzne położenie pokoi, nie czuje się tam żadnego kraju ponieważ CERN jest praktycznie autonomicznym państwem. Na terenie CERN-u znajduje się przedszkole, stołówka, miejsca do rekreacji, warsztat samochodowy, grill czy nawet piec do pieczenia pizzy opalany drewnem. Człowiek nie musi wychodzić z CERN-u, więc nie ma dużo okazji obcować ze Szwajcarią.  

Dodatkową sprawą jest koktajl kulturowy osób, z którymi się pracuje. Są tam ludzie z całego świata. Pamiętam, jak na jednym wykładzie dla praktykantów profesor powiedział: “przemawiając do was mam poczucie, jakbym mówił do całego świata”. Mogę się podpisać pod jego słowami.

LHC leży na granicy francusko-szwajcarskiej. W przyszłości powstanie w tym regionie jeszcze większy akcelerator, noszący roboczą nazwę Future Circular Collider (FCC).

Co robi pracownik LHC w czasie trwania eksperymentu? Jak wygląda rutyna pracownika elitarnego ośrodka naukowego?

Nie da się na to pytanie odpowiedzieć w sposób jednoznaczny, ponieważ wśród fizyków istnieją różne specjalizacje. Np. są osoby pracujące przy detektorach i do ich zadania należy dokładny nadzór nad detektorem. Mają oni własne spotkania, gdzie raportują ewentualne usterki/problemy.

Miał Pan również szansę pracować przy analizie danych?

Tak. Dzień osób zajmujących się analizą jest bardziej luźny i koncentruje się na zebraniach poświęconych analizie danych oraz na przeprowadzeniu takiej analizy. Analiza z punktu praktycznego to pisanie ogromnej ilości kodu, za pomocą którego jesteśmy w stanie wyłuskać obserwable fizyczne z danych.

Jaka jest największa wada pracy w CERN-ie? Czy było coś, czego Pan wyjątkowo nie znosił i sprawiało problemy?

Największą wadą CERN-u jest jego położenie. Wbrew pozorom leży zdecydowanie bliżej francuskich miasteczek niż Genewy. Powoduje to, że człowiek chcąc odetchnąć od CERN-u, idąc do restauracji, na spacer, dalej widzi te same osoby, co w pracy.

Kolejną poważna wadą jest język francuski. Francuzi znani są z tego, że chociaż znają angielski, to niechętnie go używają. Także bariera językowa poważnie przeszkadza w życiu codziennym. 

Czyli stereotyp Francuza jest prawdziwy… Wróćmy jeszcze do fizyki. Gdyby miał Pan wymienić największe osiągnięcie LHC – uwaga – poza detekcją bozonu Higgsa, co by Pan Doktor wskazał?

Gdyby Pan nie sprecyzował bozonu Higgsa, to również nie wskazałbym go jako największe osiągnięcie. Nie ulega wątpliwości, że jest to bardzo ważne odkrycie wieńczące model standardowy, ale była to gra bez ryzyka. Wiedzieliśmy, że musi istnieć coś nowego przy tej skali, ponieważ w innym przypadku przekroje czynne wybuchałyby do nieskończoności. Osobiście liczyłem, że będzie to coś bardziej skomplikowanego niż higgson, bo higgson jest dość prostą cząstką skalarną. 

Odpowiadając, co uważam za największe osiągnięcie? Zdecydowanie są to zaobserwowane anomalie w fizyce ciężkich zapachów. Jeśli się potwierdzą, to zrewolucjonizują fizykę cząstek, jaką mamy. 

Jak ocenia Pan obecny stan badań mikroświata? Można spotkać opinie, że panuje pewien zastój. Oczywiście odkrywamy nowe cząstki, ale niemal wszystko co robimy to w mniejszym lub większym stopniu potwierdzanie założeń dawnych teorii. Podziela Pan to rozczarowanie?

Nic bardziej mylnego. Istnieje duża liczba fizyków teoretycznych, dla których supersymetria[3] była rozwiązaniem wszystkich problemów w fizyce i poświęcając jej dużą cześć swojego życia, zaczęli oczekiwać jej potwierdzenia w LHC. Podobna sytuacja miała miejsce na poprzednim akceleratorze LEP. Też oczekiwania były takie, że zobaczymy supersymetrię, a tak się nie stało… 

LHC widzi za to zdecydowanie ciekawsze efekty niż SUSY. Coraz bardziej prawdopodobne wydają się pomiary świadczące o łamaniu uniwersalności leptonowej. Uniwersalność ta jest wbudowana w model standardowy i przed LHC nikt w ogóle nie myślał, że coś takiego może mieć miejsce. Nowe teorie zaczęły wyrastać jak grzyby po deszczu i okazuje się, że nie jest specjalnie trudno wymyśleć teorię obejmującą proces, który powoduje łamanie tej uniwersalności. 

Sam Pan Doktor tego chciał. Teraz muszę poprosić o wyjaśnienie nam szaraczkom, choćby skrótowo, na czym polega problem łamania uniwersalności leptonowej.

Uniwersalność leptonowa to cecha modelu standardowego polegająca na tym, że bozony mają taką samą stałą sprzężenia do wszystkich leptonów. Mówiąc obrazowo, znaczy to tylko tyle, że taki bozon nie czuje różnicy między elektronem, mionem czy leptonem tau[4]

Nowe pomiary sugerują jednak, że w pewnych procesach mamy mniej mionów niż elektronów w rozpadach, co może świadczyć właśnie o łamaniu tej uniwersalności.

Narodziny internetu w CERN
Jeśli nie wiecie, “wynalezienie” sieci WWW przypisuje się często praocwnikowi CERN-u Timowi Bernersowi-Lee. Brytyjczyk próbował sprostać zapotrzebowaniu na wymianę danych między naukowcami, a stworzył wylęgarnie memów i śmiesznych kotów.

Idąc dalej, czy sądzi Pan, że obecna generacja akceleratorów dostarczy nam jeszcze jakiegoś wyraźnego przełomu, czy jednak powinniśmy oczekiwać zapowiedzianego Future Circular Collidera?

Jest tutaj znowu pewna rozbieżność filozoficzna. Niektórzy fizycy uważają za przełom odkrycie nowej cząstki elementarnej. Jeśli tak zdefiniujemy przełom to nie uważam, że LHC nam dostarczy czegoś takiego. Jeśli jednak za przełom uznamy pomiar, który będzie niezgodny z modelem standardowym, to jestem optymistą. Należy zwrócić uwagę, że historycznie zwykle obserwowaliśmy najpierw jakieś niezgodności z danym modelem, jeszcze zanim udawało się znaleźć daną cząstkę. Na przykład: kwark powabny był przewidziany przez mechanizm Cabbibo zanim został odkryty. Z kolei mechanizm Cabbibo powstał, ponieważ pomiary nie zgadzały się przewidywaniami teoretycznymi. 

Bliższym z punktu widzenia historii są oscylacje neutrin. Ich obserwacja świadczy jednoznacznie, iż model standardowy jest błędny i musi istnieć “coś”, czym jest zapewne jakaś nowa cząstka (np. neutrino Majorany), która będzie powodować generację ich masy. Niestety nie wiemy dokładnie, gdzie, co i jak generuje tę masę. Mamy jednak wyraźną wskazówkę, gdzie zacząć szukać. Moim zdaniem takie odkrycie czegoś nowego w sposób pośredni jest również bardzo ważne. Świadczy też o tym fakt, iż za tę obserwację przyznano Nagrodę Nobla. 

Odpowiadając na pytanie. Czy powinniśmy oczekiwać zapowiedzianego Future Circular Collidera? Moim zdaniem zdecydowanie tak! Musimy zbadać dokładniej bozon Higgsa, bo jest tam dużo miejsca na fizykę spoza modelu standardowego. FCC będzie w stanie osiągnąć lepszą precyzję pod tym względem.

W takim razie pozostaje mi życzyć Panu Doktorowi (i wszystkim zainteresowanym) doczekania do rozruchu nowego akceleratora cząstek i znalezienia upragnionych śladów Nowej fizyki. Dziękuję za poświęcony czas!

Z Marcinem Chrząszczem rozmawiał
Adam Adamczyk

[+]
Skąd pochodzi masa Twojego ciała? Dokąd zmierzasz grafenie? Rozmowa z Włodzimierzem Strupińskim Zróbmy coś, bo zepsują nam klimat – rozmowa z Aleksandrą Kardaś