Z wizytą w CERN-ie, część 1 - cztery eksperymenty, które mają dać odpowiedzi na najważniejsze pytania ludzkości
CERN - najważniejszy dziś badawczo-naukowy ośrodek na świecie z zewnątrz nie robi większego wrażenia. Ot, grupa budynków niczym w dość zaawansowanym zakładzie produkcyjnym. Nawet budynek jednego z dwóch muzeów CERN-u - tego nowszego, obliczonego na wywołanie efektu łał u zwiedzających - nie różni się wcale z zewnątrz od zwykłego planetarium. Co innego, gdy wejdzie się do środka.
Zresztą nawet wizyta w muzeum, czy w jednym z potężnych produkcyjnych budynków CERN-u to tylko namiastka tego, co tak naprawdę się tu dzieje.
Podstawą jest Large Hadron Collider (LHC), po polsku Wielki Zderzacz Hadronów (WZH), który ukryty jest głęboko po ziemią (w niektórych miejscach nawet do 150 metrów w głąb Ziemi). To największy na świecie akcelerator. Umieszczony w tunelu o obwodzie 27 km, rozprzestrzenia się pomiędzy górami Jura we Francji, a Jeziorem Genewskim w Szwajcarii.
W jego wnętrzu odwzorowywane są wydarzenia, które miały miejsce tuż po Wielkim Wybuchu.
Dokonuje się tego, w następujący sposób:
Wiązki protonów tworzone są w siatce akceleratorów CERN-u, a następnie wpuszczone do Wielkiego Zderzacza Hadronów, gdzie poruszają się w warunkach zbliżonych do przestrzeni kosmicznej. Każda taka wiązka składa się z ok 3 tys. zbitek cząstek elementarnych, z kolei każda taka zbitka zawiera w sobie ok 100 mld cząstek.
Protony okrążają 27-kilometrowy Zderzacz 11,245 tys. razy na sekundę, czyli w prędkości maksymalnie zbliżonej do prędkości światła (0,999...1 proc.). W ciągu 10 godzin wiązka protonów pokonuje dystans 10 mld kilometrów, czyli wystarczająco, by dolecieć do Neptuna i z powrotem.
W czasie okrążania LHC, wiązki protonów zderzają się ze sobą ok 600 mln razy na sekundę. W ten sposób odwzorowują to, co działo się tuż po Wielkim Wybuchu, tyle że w skali mikro.
Na obwodzie LHC, w czterech punktach zlokalizowane są miejsca, gdzie dokonuje się najważniejszych eksperymentów, które mają nam dać odpowiedzi na tzw. fundamentalne pytania ludzkości:
- jak powstał Wszechświat?
- z czego i jak zbudowany jest Wszechświat?
- co stało się z antymaterią?
- jak tworzy się masa materii?
Te punkty/eksperymenty to: LHCb, CMS, Atlas oraz Alice. Każdy z nich jest odpowiedzialny za inne rodzaje badań, próby odpowiedzi na różne pytania w związku ze zdarzeniem ze sobą cząstek w Wielkim Zderzaczu.
LHCb to Large Hadron Collider beauty experiment.
Beauty to z angielska "piękno", więc pełna nazwa eksperymentu brzmi: eksperyment piękna Wielkiego Zderzacza Hadronów.
Brzmi pięknie, ale o co tu chodzi?
Gdy materia i antymateria napotykają na siebie, to wynik tego spotkania jest... dramatyczny. W mgnieniu oka obie znikają, niszcząc siebie nawzajem.
To rodzi niezwykle nurtujące pytania. Jeśli materia i antymateria powstała w takich samych ilościach podczas Wielkiego Wybuchu 13,7 mld lat temu (a takie jest aktualne rozumienie początku Wszechświata), to dlaczego żyjemy w kosmosie, który składa się jedynie z materii?
Czy gdzieś w niewidzialnych dla nas przestworzach (ludzkość widzi zaledwie 4 proc. Uniwersum) istnieje anty-Ziemia, z anty-ludźmi, z anty-każdym z nas?
Jeśli nie, to musi mieć miejsce jakiś nieznany jeszcze ludzkości mechanizm, który powstrzymuje materię i antymaterię przed totalnym wyniszczeniem siebie nawzajem.
LHCb ma za zadanie badanie asymetrii pomiędzy materią a antymaterią za pomocą cząstek znanych jako 'kwarki piękna'.
Chociaż takich kwarków nie ma dziś we Wszechświecie, to jednak były obecne bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Wewnątrz LHCb jest ich dziś miliardy, wraz z nimi ich anty-odpowiednikami, czyli anty-kwarkami piękna.
Badając najmniejsze różnice pomiędzy kwarkami piękna a anty-kwarkami piękna, naukowcy pracujący przy eksperymencie LHBc rzucają nowe światło na jedną z największych zagadek stworzenia Wszechświata.
Detektor CMS
CMS to z kolei eksperyment, w którym protony i jony zderzają się ze sobą z nieprawdopodobną energią tworząc... no właśnie - to tutaj naukowcy szukają nowych cząstek elementarnych, to tu potwierdzili istnienie bozonu Higgsa, to tu tworzone są i analizowane mikro czarne dziury, a także niezwykle gorące i gęste rodzaje materii.
Detektor CMS składa się z ponad 100 milionów różnych elementów, z których każdy szuka najmniejszego śladu nowych cząstek i zjawisk. Badania odbywają się na poziomie jednej 40-milionowej sekundy.
Detektor umiejscowiony jest 100 metrów pod ziemią, pod francuską miejscowością Cessy, znajdującą się tuż obok granicy ze Szwajcarią. Ma 21 metrów długości oraz 15 metrów średnicy. Waży 14 tys. ton.
Eksperyment ustawiony jest na 10 lat. Uważa się, że to najnowocześniejsze, najbardziej skomplikowane i dokładne narzędzie badawcze kiedykolwiek skonstruowane przez człowieka.
ATLAS
Trzeci z eksperymentów wokół Wielkiego Zderzacza Hadronów ma za zadanie zbadać dlaczego nasz Wszechświat wygląda dziś tak, jak wygląda, głównie badając kwestie materii.
To tu 3 tys. naukowców z 38 państw obserwują zderzenia cząstek w jednym z największych detektorów na świecie - ATLAS ma 46 metrów długości i 25 m wysokości.
Różne warstwy detektora obserwują trajektorię lotu cząstek w LHC mierząc ich energię. Z ok 100 milionów zderzeń par protonów tylko kilka z nich będzie miało odpowiednią charakterystykę, która może prowadzić do nowych odkryć. Sztuką jest wyłowić je z tego wielkiego tłumu.
Alice
Ostatni z eksperymentów aktualnie prowadzonych w LHC ma za zadanie zdobycie odpowiedzi na temat początku Wszechświata.
Co dzieje się z materią podgrzaną do temperatury 100 tys. razy wyższej, niż w centrum Słońca? Dlaczego protony i neutrony ważą 100 razy więcej niż kwarki, z których się składają? Czy można uwolnić kwarki z wewnątrz protonów i neutronów?
To niezwykle istotne pytania w kontekście naszego rozumienia Wszechświata, życia i fizyki. Materia według standardowych praw fizyki zbudowana jest z atomów, które z kolei składają się z jądra otoczonego chmurą elektronów. Jądra składają się z protonów i neutronów, które z kolei zbudowane są z kwarków.
Kwarki są zbite razem wokół protonów i elektronów przez siłę znaną jako 'oddziaływanie silne', które wywoływane jest przez gluony, czyli bezmasowe cząstki elementarne.
O ile fizyka oddziaływań silnych jest możliwa do opisania naukowo, o tyle podstawowe zagadnienie z nią związane jest wciąż nierozwiązane: w jaki sposób powstaje masa?
Oto bowiem trzy kwarki, które tworzą protony i neutrony ważą zaledwie... 1 proc. masy protonu lub neutronu. Gdzie podziewa się pozostałe 99 proc.? Czy mechanizm nadawania masy, który ma miejsce pomiędzy kwarkami a protonami/neutronami jest odpowiedzialne za powstanie masy materii, którą znamy? Jeśli tak, to poznanie tego mechanizmu dałoby nam odpowiedź na najważniejsze - jak powstał Wszechświat, jaki dziś znamy, i który doprowadził do powstania nas, ludzi.
Odpowiedzi na te pytania nie tylko dadzą nam czytelny obraz tego, co działo się tuż po Wielkim Wybuchu, ale także otworzą drzwi to poznania niestandardowych praw fizyki.
A stamtąd to już wiadomo
- wprost do podróży w czasie i odkrywania innych światów. Kto wie, może gdzieś tam, w czarnych dziurach i anty-materii jest gdzieś wierna kopia nas samych.
* w kolejnej części o tym, jak zbudowany jest Wielki Zderzacz Hadronów.
