W języku fizyków Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider, LHC) to tzw. akcelerator cząstek elementarnych. Czyli w języku laików urządzenie, które przyspiesza do wielkich prędkości najmniejsze drobinki, z których składa się materia. Po co? By odtworzyć warunki, które panowały we wszechświecie ułamki sekundy po Wielkim Wybuchu. Naukowcy są przekonani, że kosmos składał się wówczas z trylionów rozpędzonych cząsteczek, które zderzały się ze sobą. I właśnie z tych zderzeń wyłonił się znany nam świat - galaktyki, gwiazdy, planety, Ziemia. A wreszcie my sami.
Kłopot w tym, że o ile wiemy już sporo o prawach fizyki obowiązujących na naszej planecie, o tyle w kosmosie napotkamy sporo zagadek. Czym są np. takie zjawiska, jak ciemna materia czy ciemna energia? Naukowcy liczą, że odpowiedzi znajdziemy, gdy uruchomimy Wielki Zderzacz Hadronów. Liczą również, że dzięki ukrytej sto metrów pod ziemią maszynie dowiemy się, skąd wzięło się coś tak banalnego jak masa oraz czy trzy wymiary, które rozpoznajemy dzięki zmysłom, są jedynymi, jakie istnieją.
"Znaleźliśmy się na progu zupełnie nowej epoki" - mówi DZIENNIKOWI prof. Jan Nassalski z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku stojący na czele polskich naukowców zaangażowanych w projekty LHC. "Można tę sytuację porównać z narodzinami nowej fizyki, do jakich doszło w wyniku odkryć Marii Curie-Skłodowskiej i jej badań nad promieniotwórczością. Wtedy w nauce rozpoczął się zupełnie nowy rozdział, który teraz, po około stu latach, właśnie się kończy".
Brzydki Model Standardowy
By wytłumaczyć, czym naprawdę jest LHC, trzeba w paru słowach opisać problemy, z którymi mierzą się dziś naukowcy na całym świecie.
Jednym z wielkich odkryć XX w. było sformułowanie przez fizyków tzw. Modelu Standardowego. Określa się w ten sposób fizyczną teorię budowy materii i sił, jakie na nią działają. Według Modelu Standardowego cały świat: Ziemia, woda, rośliny i zwierzęta, a nawet gazy zbudowane są z cząstek mniejszych niż atomy - kwarków i leptonów. One z kolei podlegają czterem oddziaływaniom - grawitacji, elektromagnetyzmowi, oddziaływaniom słabym i silnym. Pierwsze dwa rozumiemy dość dobrze (dzięki pracom Alberta Einsteina i Jamesa Maxwella). Dwa pozostałe ciągle kryją wiele zagadek. Przyjmuje się, że oddziaływania słabe związane są z przebiegiem reakcji jądrowych w gwiazdach, zaś oddziaływania silne wiążą jądra atomów w całość. Szczególnie te ostatnie stanowią dla naukowców prawdziwe wyzwanie. - Istnieje w fizyce długa tradycja mówiąca, że oddziaływania silne są za skomplikowane dla ludzkiego umysłu - stwierdził nawet Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki.
Naukowcy zgadzają się, że Model Standardowy opisuje prawie wszystkie cząstki i oddziaływania. Niestety "prawie” robi w tym przypadku dużą różnicę. Otóż do Modelu Standardowego kompletnie nie pasują słynne równania grawitacyjne Einsteina. Kiedy próbuje się połączyć jedno z drugim, naukowcy otrzymują... nieskończoność. Ale to jeszcze pół biedy. Model Standardowy nie wyjaśnia także, dlaczego materia ma masę, co to jest masa i skąd się w ogóle wzięła. A że masa istnieje - wszyscy doskonale wiemy. Zakłada się zatem, że istnieje specjalna cząsteczka zwana bozonem Higgsa i że to ona nadaje materii masę.
Inna zagadka, z którą nie radzi sobie Model Standardowy, ma skalę kosmiczną. Otóż skrupulatne obliczenia i obserwacje astronomiczne wykazały, że to, co widzimy na niebie - galaktyki i gwiazdy - to tylko 4 proc. znajdującej się we wszechświecie materii. Obok niej musi jednak istnieć inna materia, gdyż inaczej nie powstałby kosmos jaki znamy. Fizycy przypuszczają, że ta tzw. ciemna materia składa się ze specjalnego rodzaju cząstek nazwanych supersymetrycznymi. Niestety tak samo jak w przypadku bozonu Higgsa cząstek supersymetrycznych nikt jeszcze nie widział ani nie zarejestrowało ich żadne zbudowane przez człowieka urządzenie.
"Model standardowy jest po prostu brzydki" - napisał w książce "Hiperprzestrzeń” Michio Kaku, jeden z najwybitniejszych fizyków teoretycznych świata. "A jego brzydota i sztuczność są tak oczywiste, że nawet jego twórcy czują się zawstydzeni. Dlatego sądzi się, że Model Standardowy jest tylko częścią wielkiej, nieodkrytej jeszcze ostatecznej teorii wszystkiego".
I tu wracamy do Wielkiego Zderzacza Hadronów. Naukowcy są zdania, że dzięki tej maszynie uda się potwierdzić istnienie i bozonu Higgsa, i cząstek supersymetrycznych. A to stanowiłoby wskazówkę do stworzenia wspomnianej teorii wszystkiego i rozpoczęcia fizyki zupełnie nowej ery.
LHC w liczbach
Skalę przedsięwzięcia, na które porywają się fizycy, najlepiej uświadamia kilka liczb. Spójrzmy choćby na cząstki, którymi z chirurgiczną precyzją zamierzają operować badacze. Są nimi protony wodoru, czyli składniki jądra atomowego, serca atomu wodoru. Powiedzenie, że taki atom ma średnicę 0,0000000001 metra, jest mało obrazowe. Wyobraźmy więc sobie, że powiększamy go tak bardzo, aż jego średnica sięgnie 10 km. Gdybyśmy wtedy wyjęli z takiego atomu proton, miałby on - uwaga - jedną dziesiątą milimetra.
Chociaż protony są tak mikroskopijne, w Wielkim Zderzaczu nie zgubi się ani jeden ich strumień. Kiedy maszyna się rozpędzi, takich strumieni będzie w niej śmigać 2800. Każdy z nich, o grubości kilka razy mniejszej niż grubość ludzkiego włosa, zawierać ma 100 miliardów protonów. Wiązki będą się poruszać po kole w przeciwnych kierunkach i zderzać ze sobą 30 milionów razy na sekundę. W efekcie zderzeń protony zaczną się rozpadać na jeszcze mniejsze cząstki. Uczeni są zdania, że cząstkowa zupa, jaka znajdzie się we wnętrzu Zderzacza, będzie przypominać wszechświat ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu.
Mimo że w CERN (ośrodek w Szwajcarii, gdzie znajduje się LHC) pracują specjalne komputery i mimo że na potrzeby eksperymentu powstał internet nowej generacji, nie ma na Ziemi urządzenia, które byłoby w stanie zarejestrować wszystkie kolizje w LHC. Dlatego naukowcy tak zaprojektowali detektory cząstek (maszynerię do rejestrowania obecności najbardziej poszukiwanych drobin), by odnotowywały tylko zderzenia najciekawsze z punktu widzenia fizyki. Fizycy uważają, że przy pełnej pracy LHC jest szansa, że za rok pojawią się w nim pierwsze cząstki supersymetryczne, a za dwa lata w jednym z miliardów zderzeń wytworzy się bozon Higgsa. A około 2012 r. może się okazać, że niektóre z powstałych w akceleratorze cząstek zniknęły nie wiadomo gdzie - przeniosły się do innych wymiarów. Co stanowiłoby pierwszy dowód, że inne wymiary naprawdę istnieją!
By jednak to wszystko się udało, protony muszą pędzić po 27-kilometrowym kole z zawrotną prędkością. Wówczas ich energia będzie na tyle duża, że przy zderzeniu pojawią się cząstki, których nie zarejestrowały działające dotąd akceleratory. Cała trudność polegać będzie na tym, by nadać protonom szybkość prawie równą prędkości światła. Wiązki cząstek będą zatem rozpędzane w kilku akceleratorach. Pierwszy, najmniejszy, znajduje się jeszcze na powierzchni ziemi. Drugi o obwodzie 7 km - kilkanaście metrów pod nią. Trzecim, wkopanym sto metrów pod ziemię, jest właśnie LHC. Wypadając z drugiego akceleratora, protony mają mieć prędkość równą 99,9998 prędkości światła. LHC jest zaś tylko po to, by zwiększyć ją do 99,9999991 prędkości światła.
Czarne dziury i scenariusze
Oczywiście przy okazji startu LHC znaleźli się malkontenci, którzy postanowili ponarzekać. Jednym nieco przesadzony wydał się koszt przedsięwzięcia (ok. 5 mld euro). Inni zaś dopatrzyli się w nim zagrożenia, w wyniku którego całej Ziemi grozi zagłada.
O co chodzi? Otóż istnieje niewielkie prawdopodobieństwo, iż w Zderzaczu na ułamek sekundy pojawi się mała czarna dziura. A ponieważ jej wielkie kuzynki obserwowane w kosmosie mają zwyczaj pożerać wszystko dookoła, włącznie ze światłem, pojawiły się głosy, że nawet minidziura mogłaby połknąć to i owo (np. Układ Słoneczny). Na szczęście naukowcom łatwo było wykazać bezpodstawność takich obaw - przy minidziurach grawitacja jest tak słaba, że raczej nie dałyby rady schrupać nawet cząstek elementarnych.
Drugi niepokój wyrażany przez niektórych fizyków wywołuje dużo mocniejszy dreszczyk. Przypominają oni o teorii zakładającej, że jednymi z nieodkrytych jeszcze cząstek są tzw. dziwadełka - drobiny, które zamieniają w kolejne dziwadełka wszystko, czego dotkną. Stąd pojawiły się obawy, że jeśli w Zderzaczu powstanie choćby jedno, grozi nam reakcja łańcuchowa i świat zbudowany tylko z dziwadełek. Twórcy LHC odpowiadają na to, że obawa jest bezpodstawna, bo Ziemia od miliardów lat jest bombardowana cząstkami z kosmosu i jeszcze jakoś żadne dziwadełko nie powstało.
Ale tak naprawdę czarny scenariusz jest tylko jeden. "Może się okazać, że nie ma bozonu Higgsa, nie ma cząstek supersymetrycznych ani w ogóle żadnych innych poza znanymi do tej pory" - tłumaczy Chiara Mariotti, jeden z szefów detektora CMS, gdzie będzie się szukać boskiej cząsteczki. "To by znaczyło, że myślenie o wszechświecie i działających w nim siłach należy zacząć od początku".
p
Po co nam ten Zderzacz?
MAŁGORZATA MINTA-KOBUS: Czy eksperymenty w LHC mogą w jakiś fundamentalny sposób zmienić naszą wiedzą o wszechświecie?
JAN PAWEŁ NASSALSKI*: Możliwe są różne scenariusze wyników przy LHC. Najprawdopodobniejszy to znalezienie cząstki Higgsa, która wyjaśnia, dlaczego cząstki mają masę, oraz znalezienie cząstek superymetrycznych, które mogą wyjaśnić zagadkę ciemnej materii we wszechświecie. Ale najciekawszy byłby taki wynik, że nie odkryjemy nic nowego, żadnych nowych cząstek. To byłoby wielkim zaskoczeniem i wówczas naprawdę musielibyśmy zreformować nasz sposób rozumienia świata cząstek elementarnych. Okazałoby się, że zostaliśmy zwiedzeni na manowce, bo stworzyliśmy wspaniały model, który co prawda bardzo dobrze przewiduje wiele zjawisk, ale ma problem z cząstką Higgsa.
Wielki Zderzacz Hadronów uchodzi za najbardziej skomplikowane urządzenie, jakie kiedykolwiek zbudował człowiek. Jak można go prosto opisać?
Wielki Zderzacz Hadronów, czyli LHC, to najpotężniejszy akcelerator, w którym bardzo gęsto upakowane protony będą rozpędzane do rekordowych energii, a następnie doprowadzane do czołowych zderzeń. LHC jest największym urządzeniem badawczym na świecie. Ma kształt pierścienia o obwodzie 28 km i umieszczony jest pod ziemią. Te duże rozmiary są potrzebne do uzyskania rekordowych energii rozpędzanych w nim cząstek.
To znaczy?
Energię pojedynczego protonu w LHC można porównać do energii kinetycznej, jaką ma lecący komar. Wyniki czołowego zderzenia dwóch komarów i dwóch protonów w LHC będą jednak zasadniczo różne. Otóż rozmiar komara to kilka milimetrów, podczas gdy rozmiar protonu jest bilion razy mniejszy. Czyli przy zderzeniu protonów energia będzie skoncentrowana w bardzo małej objętości i w rezultacie może powstać bardzo dużo nowych cząstek. Teoretycznie w ten sposób może się utworzyć kilka tysięcy nowych protonów i antyprotonów. Albo, dla odmiany, mogą się utworzyć pojedyncze cząstki znacznie od nich cięższe, np. cząstka Higgsa.
Czyli celem eksperymentów w LHC będzie obserwowanie i badanie kolizji protonów?
W LHC będziemy zderzać ze sobą czołowo "paczki” utworzone ze 100 miliardów protonów upakowanych w obszarze o grubości ludzkiego włosa i długości kilku centymetrów. Chodzi o to, żeby zwiększyć szansę zaobserwowania pojedynczego zderzenia, w którym utworzą się nowe cząstki, co powinno następować rzadko. Wyniki tych zderzeń będą obserwowane przez cztery gigantyczne detektory o rozmiarach kilkupiętrowych kamienic, umieszczone na pierścieniu LHC. Wewnątrz nich znajdują się setki precyzyjnych urządzeń pomiarowych wyposażonych w superszybką elektronikę. Chciałbym przy okazji powiedzieć, że w ich konstrukcji uczestniczyli również polscy fizycy, inżynierowie i technicy. Podobnie zresztą jak i przy budowie LHC. Polska jest jednym z dwudziestu krajów członkowskich CERN, czyli współwłaścicielem tego największego na świecie laboratorium.
Fizycy zapowiadają, że eksperyment w LHC ma pomóc w rozwiązaniu kłopotów z tzw. modelem standardowym. W czym jeszcze?
Na przykład w badaniu symetrii między materią i antymaterią. Wszechświat, który powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu, musiał zawierać tyle samo materii, co antymaterii. No ale teraz mamy świat zbudowany tylko z materii. Czyli bardzo wcześnie musiała powstać nadwyżka materii nad antymaterią. Cała antymateria zanihilowała z tą samą ilością materii, a zachowała się tylko nadwyżka materii, z której jesteśmy zbudowani. LHC powinien przybliżyć nas do odpowiedzi na pytanie, jak to się stało.
LHC to największe urządzenie zbudowane przez człowieka. Czy naukowcy mają w planach konstrukcję czegoś jeszcze większego?
To będzie zależeć od wyników doświadczeń przy LHC. Jeżeli po kilku latach nie zaobserwujemy nic nowego, to można jeszcze stosunkowo tanim kosztem zwiększyć liczbę protonów w LHC, czyli szansę zaobserwowania rzadkich zdarzeń. Rozważa się też możliwość zwiększenia ich energii przez zainstalowanie w tunelu potężniejszych magnesów. Jeżeli natomiast zaobserwujemy Higgsa i ewentualnie inne nowe cząstki, to następnym urządzeniem badawczym powinien być zderzacz elektronów, przy którym własności tych cząstek będzie można precyzyjnie zbadać. Projekt takiego urządzenia jest obecnie już opracowywany, również przy udziale Polaków.
Podobno eksperyment w LHC może być niebezpieczny. Mówi się ryzyku powstania czarnej dziury. Jest się czego bać?
Wszystkie aspekty ryzyka były szczegółowo zbadane. Kiedy swego czasu budowano zderzacz ciężkich jąder atomowych w Brookheaven, powołano specjalną komisję, która oceniała zagrożenia. Po zakończeniu swoich prac komisja opublikowała profesjonalne, rzetelne opracowanie naukowe, które wykazało, że żadnych zagrożeń nie ma. Zderzacz ten działa od kilku lat i nie spowodował żadnej katastrofy. Podobnie zrobiono teraz w CERN - tu także powstał zespół najwyższej klasy specjalistów, który ocenił niebezpieczeństwo związane z działaniem LHC. Konkluzje są takie same. Można je znaleźć na stronach internetowych CERN. Niezależnie od rozważań naukowych podstawowy argument jest taki, że Ziemia i wszystkie ciała niebieskie są nieustannie bombardowane przez promieniowanie kosmiczne, którego energia jest kilka tysięcy razy większa od energii zderzeń, do jakich będzie dochodzić w LHC. No i skoro w ciągu miliardów lat nic się Ziemi nie stało, to LHC również nie stanowi zagrożenia.
*prof. dr hab. Jan Paweł Nassalski jest zastępcą dyrektora ds. naukowych w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku oraz przedstawicielem polskich fizyków w radzie CERN
