Wyobraźmy sobie bitwę na jedzenie w stołówce. Możemy przewidzieć liczbę osób, które oberwą zabłąkanym klopsikiem.
Paul Lujan
W czerwcu pracownicy CERN-u wyłączyli Wielki Zderzacz Hadronów ze świadomością, że nadchodząca przerwa w pracy będzie dłuższa niż zwykle. Akcelerator pod Genewą ucichł na pełne cztery lata, w czasie których inżynierowie wymienią zużyte elementy, zainstalują silniejsze magnesy ogniskujące, przebudują dwa detektory i zmodernizują infrastrukturę na odcinku 1,2 z 27 kilometrów podziemnego tunelu.
Tak głęboka ingerencja jest możliwa tylko przy w pełni wygaszonej maszynie[1]. Oczywiście LHC to nie toster, który wystarczy odłączyć od gniazdka. Samo zabezpieczenie instalacji kriogenicznych i ogrzanie magnesów do temperatury pokojowej, potrafi trwać pięć tygodni. Z tego powodu najdroższy instrument naukowy świata pracuje w rytmie wieloletnich kampanii badawczych – tzw. runów – przedzielanych równie długimi okresami przeznaczonymi na remonty – long shutdownami.
Obecny long shutdown jest dopiero trzecim od momentu rozruchu LHC w 2008 roku, ale przyniesie też najrozleglejsze zmiany. Po zakończeniu operacji latem 2030 roku, Zderzacz rozpocznie Run 4 w całkiem nowej konfiguracji: HL-LHC, czyli High-Luminosity LHC. Bo to właśnie wysoka świetlność będzie główną bohaterką przyszłych eksperymentów.
Pisząc o akceleratorach skupiamy się zwykle na tym, z jaką energią potrafią one rozkwaszać cząstki. Nie ma w tym żadnego błędu. Po to rozpędzamy protony do 99,99999905% prędkości światła, żeby zderzyć je ze sobą z jak największą energią, a tym samym wniknąć jak najgłębiej w ich strukturę.
Gwoli przypomnienia, hadrony – rodzina cząstek, do której należy m.in. proton – nie są elementarnymi cegiełkami materii. W ich wnętrzach kryją się kwarki uwiązane przenoszonym przez gluony oddziaływaniem silnym.
Tak naprawdę to one są uczestnikami każdej miniaturowej kraksy, do której doprowadzają fizycy. Wyższa energia podnosi szansę, że podczas bliskiego spotkania kwarków lub gluonów wydarzy się coś ciekawego: wykażą one jakieś nowe właściwości, połączą się albo – wykorzystując dostarczoną im energię – zamienią w inne rodzaje cząstek. Mało finezyjne, ale skuteczne.
Energia zderzeń, wyrażana w elektronowoltach (eV), jest ważna, ponieważ decyduje o tym, na co w ogóle możemy liczyć w trakcie eksperymentu. Jeżeli dany proces ujawnia się tylko przy określonej energii, to jakbyśmy się starali, nie zobaczymy go bez przekroczenia tego progu. Podczas Run 3 protony wpadały na siebie z sumaryczną energią 13,6 TeV, po 6,8 TeV na jeden proton. HL-LHC ma dociągnąć do pełnych 14 TeV.
Jeżeli pomyśleliście teraz, że wzrost o raptem 3% nie jest żadną rewolucją, to macie rację. Jednak pod tym względem LHC właściwie osiągnął już swoje projektowe maksimum i wiele więcej z niego nie wyciśniemy przy tej długości pierścienia. Rozważano co prawda koncepcję High-Energy LHC, zakładającą podbicie energii przez samo podwojenie wielkości magnesów. Jednak stosunek ceny takiego przedsięwzięcia[2] do potencjalnych korzyści nie był satysfakcjonujący.
Dlatego władze CERN-u postanowiły skupić się na podkręcaniu drugiego kluczowego parametru, jakim jest świetlność. Wbrew pozorom nie ma ona nic wspólnego ze światłem. Świetlność odpowiada na pytanie, ile mamy okazji do zderzeń cząstek w danym miejscu i czasie. Tak jak energia informuje nas, co może wykluć się podczas kolizji, tak świetlność mówi, ile tego czegoś może się wykluć. Jedno pokrętło ustawia rodzaj zwierzyny, na którą polujemy, drugie liczebność populacji w tej części lasu.
Obie wartości są ważne i się uzupełniają. Żadna liczba powtórzeń nie wyprodukuje cząstki, której masa leży poza zasięgiem energetycznym zderzacza. Z kolei sama dostępność energii nie daje gwarancji zobaczenia śladu procesu, który zachodzi raz na miliard czy bilion kolizji.
Cały ten remont i trzeci long shutdown służą zwiększeniu świetlności nawet dziesięć razy. Żeby zrozumieć, dlaczego to aż tak ważne, musimy przyjrzeć się bliżej kolizjom cząstek i poznać kilka obcobrzmiących pojęć.
Protony krążące w tunelu akceleratora nie lecą w jednym równym strumieniu, tylko w zagęszczonych paczkach.
Trajektorie takich paczek nadlatujących z przeciwnych kierunków przecinają się w wyznaczonych punktach. Jednak wbrew pozorom, nie dochodzi tam do masowego karambolu. Większość protonów po prostu się mija. I mówiąc większość mam na myśli jakieś 99,9999999625% cząstek uczestniczących w eksperymencie.
Podczas typowego dnia pracy w ramach Run 3 jedna paczka zawierała średnio 160 miliardów protonów, z których kolizję podczas jednego przecięcia zaliczało… 60 sztuk. Nie jest to aż takie dziwne, pamiętając o skali, w której się poruszamy. Możemy mieć do dyspozycji ogromną liczbę pocisków, ale jeżeli są one naprawdę maleńkie (kaliber 0,8 femtometra), szansa na czołowe spotkanie w przestrzeni również jest marginalna.
Pomyślcie o tym jak o dużym arkuszu papieru, do którego przyklejono w losowych miejscach kilka monet. Bierzecie garść małych kamyczków i rzucacie nimi z daleka w kierunku kartki. Szansa trafienia będzie zależeć głównie od tego, jaki jest rozmiar monet i jaką część powierzchni arkusza łącznie zajmują.
Podobna zależność dotyczy właściwości protonów (nasze monety) i całej rozpędzanej paczki (arkusz). Fizycy nazywają to ładnie przekrojem czynnym i podają w jednostkach, o których większość normalnych ludzi nie słyszała – barnach. Jeden barn to 10-28 metra kwadratowego, co z grubsza odpowiada przekrojowi jądra atomowego uranu[3]. Nazwa nie pochodzi od nazwiska żadnego pana Barna, lecz od słowa… stodoła (ang. barn).
Geneza sięga lat 40. ubiegłego stulecia i prac nad pierwszą bombą nuklearną. Naukowcy z Los Alamos żartowali między sobą, że ciężkie jądro uranu jest tak duże, że rozbijanie go przy pomocy neutronów przypomina strzelanie w drzwi stodoły.
O ile wtedy była to prawda, o tyle szansa na interakcję pomiędzy mijającymi się kwarkami jest nieporównywalnie mniejsza. Podczas eksperymentów w LHC barn okazuje się jednostką równie poręczną, jak kilometr w rękach mikrobiologa. Dlatego w publikacjach fizyków cząstek częściej spotkamy pikobarny i femtobarny.
Przekrój czynny ma pewną nieprzyjemną cechę: trudno go naciągnąć. Właściwości celu ustaliła natura i żaden budżet badawczy tego nie zmieni[4]. Jądro uranu w danych warunkach ma taki przekrój, jaki ma, tak samo jak goły proton.
Skoro nie możemy powiększyć stodoły, musimy zmienić technikę strzałów. W naszym przypadku – sypnąć jak największym i jak najgęstszym gradem cząstek.
Właśnie to gradobicie opisuje świetlność[5]. Jest ona miarą intensywności zderzeń: jak często i gęsto doprowadzamy do bliskiego spotkania protonów. Ile cząstek upchnęliśmy w paczce, jak ciasno ją ścisnęliśmy i jak wiele razy na sekundę paczki będą się mijać. Fizyk zapisze ją jako liczbę zderzeń na jednostkę powierzchni i czasu (np. 1034 na centymetr kwadratowy na sekundę).
Zależność jest następująca: mnożąc świetlność przez przekrój czynny, dostajemy częstość zdarzeń. I chociaż przekroju nie zmienimy, to już świetlność jak najbardziej.
Do tego sprowadza się idea High-Luminosity LHC. Im większa świetlność, tym więcej zderzeń i danych. A im więcej zebranych danych, tym więcej okazji na wypatrzenie jakiegoś skrajnie rzadkiego procesu.
Żeby zwiększyć liczbę trafień kamykami w monety przyklejone do kartki, możemy: 1) rzucać częściej, 2) sypać większą garścią kamyków, 3) zagęścić położenie monet. W podobny sposób możemy myśleć o podnoszeniu świetlności.
Przypomnę najpierw, że protony rozpoczynają swoją wędrówkę od przelotu przez łańcuch mniejszych akceleratorów (Linac4, Proton Synchrotron Booster, Proton Synchrotron, Super Proton Synchrotron). Każdy z nich przejmuje wiązkę, zwiększa jej energię i przede wszystkim, przygotowuje strukturę paczek dla następnego ogniwa. Dopiero tak przygotowane paczki trafiają do 27-kilometrowego pierścienia, który okrążają 11 tysięcy razy na sekundę. W punktach zajmowanych przez detektory kolejne pary paczek spotykają się co 25 nanosekund.
Najważniejsze zmiany w pierścieniu będą dotyczyć okolicy detektorów ATLAS i CMS, a dokładniej ustawionych przed nimi magnesów kwadrupolowych (czterobiegunowych). W odróżnieniu od magnesów dipolowych (dwubiegunowych), które służą do zakrzywiania lotu cząstek i utrzymania ich w pierścieniu, te pełnią rolę czegoś na kształt soczewek ogniskujących. Skupiają śmigające wiązki protonów, w taki sposób, żeby spotkały się dokładnie w wybranym punkcie. Trudność tego zadania można porównać, do próby zderzenia dwóch pocisków karabinowych wystrzelonych z przeciwległych brzegów Morza Bałtyckiego.
Nowe magnesy mają wygenerować pole aż o połowę silniejsze od swoich poprzedników (skok z 8 do 12 tesli). Zamiast sprawdzonego stopu niobu z tytanem, po raz pierwszy zdecydowano się na bardziej kruchy i kapryśny w obróbce, ale znacznie wydajniejszy związek niobu i cyny.
Ściskanie paczek rodzi jednak pewien kłopot. Dwie wiązki nie przecinają się dokładnie czołowo, lecz pod niewielkim kątem tak, aby protony nie wpadały na siebie poza ustalonymi punktami (tzw. zderzenia pasożytnicze). Przy węższych paczkach zmniejsza się obszar spotkania.
Innowacyjnym rozwiązaniem mają być wnęki krabowe – specjalnie ukształtowane komory umieszczone około 160 metrów przed i za detektorami. Wykorzystują one pole elektromagnetyczne, żeby precyzyjnie szturchać przód pędzącej paczki w jedną stronę, a jego tył w przeciwną. Sam tor lotu wiązki się nie zmienia, ale cała paczka zostaje przechylona i sunie naprzód ustawiona lekko bokiem – stąd skojarzenie z chodem kraba. Za detektorem drugi zestaw wnęk usuwa przechylenie, aby wiązka mogła dalej krążyć po torze w naturalny sposób.
Żeby ta sztuczka zadziałała, wnęki, magnesy i cała reszta sprzętu muszą być zsynchronizowane co do dziesięciu femtosekund, czyli jednej stubilionowej części sekundy.
Próba drastycznego podbicia świetlności ma swoją inżynieryjną cenę. Detektory akceleratora zawsze tonęły w informacjach – a teraz będzie ich jeszcze więcej. Podczas Run 2 na jedno przecięcie paczek przypadało średnio 30 kolizji proton-proton. Później przy Run 3 było to już 60 kolizji. W High-Luminosity LHC będzie ich od 140 do 200. Fizycy dostaną zapis kraksy dwustu aut na jednym skrzyżowaniu, z którego dopiero muszą wyłowić tę jedną, interesującą ich tablicę rejestracyjną. W żargonie nazywa się to pile-upem, czyli spiętrzeniem zdarzeń.
Z tego powodu nowe detektory muszą mieć większą ziarnistość, precyzyjniejszy pomiar czasu i zostać wyposażone w sprytniejsze algorytmy – oparte na uczeniu maszynowym – żeby w ogóle za tym chaosem nadążyć.
Stosuje się przy tym pewien wybieg zwany poziomowaniem świetlności. Zamiast puszczać maszynę od razu na maksimum, celowo się ją stopuje, utrzymując zderzenia na wysokim, ale nie na najwyższym dostępnym technicznie poziomie. Potem, w miarę jak wiązka naturalnie się przerzedza, operatorzy stopniowo puszczają hamulec.
Chodzi o to, żeby do detektora napływał względnie stały strumień danych, a zamiast pojedynczej fali tsunami. Nagłe skoki byłyby niekorzystne zarówno z perspektywy czystości zbieranych informacji, jak i eksploatacji samego sprzętu. Pamiętajcie, że w rurce o grubości włosa zamykamy wystarczająco energii, żeby zagotować dwie tony wody[6]. Każde zderzenie to erupcja ciepła i promieniowania, które powoli uszkadza magnesy, detektory i całą towarzyszącą im infrastrukturę. Jeżeli chcemy, żeby po modernizacji akcelerator pracował co najmniej przez kolejną dekadę, nie możemy szarżować.
Szacuje się, że cały projekt High-Luminosity LHC przyniesie setki miliardów bozonów W oraz Z, około 15 miliardów kwarków wysokich (to te najmasywniejsze) i przede wszystkim 380 milionów bozonów Higgsa – prawie siedem razy tyle, ile wyprodukowaliśmy od pierwszej detekcji w 2012 roku do dzisiaj.
Skąd ta niegasnąca obsesja fizyków na punkcie tej cząstki? Samo udowodnienie istnienia higsonu stanowiło przełom i mniej więcej potwierdziło nasze wyobrażenie, co do podstaw modelu standardowego. Jednak gdyby nauka na tym poprzestała, nie różniłaby się zanadto od kolekcjonowania znaczków. Satysfakcja z upolowania rzadkiego okazu jest zawsze ogromna, ale nie o to w tym wszystkim chodzi. Fizyka przede wszystkim domaga się zrozumienia mechanizmów. Do tego potrzebujemy więcej danych. A żeby wyłuskać więcej danych, trzeba przeanalizować więcej zderzeń.
Jedna z najbardziej frapujących tajemnic dotyczy tego, czy bozony Higgsa oddziałują również same ze sobą. Jeśli tak, to ślad takiego sprzężenia będziemy w stanie zauważyć, pod warunkiem, że zarejestrujemy za jednym zamachem dwa bozony. Problem polega na tym, że zgodnie z teorią taka para wykluwa się z kolizji protonów tysiąc razy rzadziej niż pojedyncza sztuka. Co gorsza, nie każda para rodzi się w konfiguracji, która dobrze uwydatnia samooddziaływanie.
Przyroda nie tylko schowała odpowiedź w stogu siana, ale jeszcze złośliwie wymieszała go z innymi stogami, żeby urozmaicić nam zabawę.
Dlaczego produkcja dwóch higsonów jest tak trudna? Co właściwie oznacza samosprzężenie? I dlaczego ma ono znaczenie nawet na poziomie kosmologicznym? Na odpowiedzi musicie poczekać do osobnego artykułu. Jeśli czas pozwoli, takowy powstanie, zanim Wielki Zderzacz Hadronów rozpocznie swój czwarty bieg.
Ostatnie komentarze: