Rusza LHC - największy akcelerator cząstek na świecie
Antymateria i cząstki kosmicznej ciemnej materii to niektóre zjawiska, które będą badać fizycy w ośrodku badawczym CERN pod Genewą. Dziś (10.09.2008) został tam uruchomiony Wielki Zderzacz Hadronowy - Large Hadron Collider (LHC) - największe na świecie urządzenie badawcze.
LHC to kołowy akcelerator cząstek elementarnych, znajdujący się w ośrodku badawczym CERN pod Genewą. LHC znajduje się w specjalnym kolistym tunelu, 100 metrów pod ziemią. Tunel ma średnicę ok. 9 km. Kiedy urządzenie przejdzie pomyślnie wszystkie testy, będą w nim przyspieszane dwie przeciwbieżne wiązki cząstek, najczęściej protonów. W odpowiednim momencie wiązki zostaną nakierowane na siebie i zacznie dochodzić do zderzeń cząstek. Właśnie te zderzenia będą przedmiotem badań fizyków. Ich obserwacja umożliwi lepsze poznanie początków wszechświata i budowy materii.
Jak to działa?
Naukowcy wprowadzili dziś do akceleratora pierwszą wiązkę cząstek. Hadrony, czyli jądra atomów (w tym przypadku protony - jądra wodoru), będą w urządzeniu przyspieszane do energii 450 GeV (Gigaelektronowoltów). Elektronowolt to jednostka energii, prędkości i masy używana w fizyce cząstek elementarnych. Dla porównania, 1 GeV to mniej więcej energia pojedynczego protonu w stanie spoczynku.
Te eksperymenty to swego rodzaju podróż w czasie. Chodzi o to, że kiedy zderzą się ze sobą rozpędzone niemal do prędkości światła, gęsto skupione cząstki, to na ułamek sekundy we wnętrzu akceleratora zapanują warunki podobne do tych, jakie panowały na początku wszechświata. Obserwacja zjawisk zachodzących wtedy, pozwoli fizykom odpowiedzieć na wiele pytań, związanych z budową materii.
Materia, antymateria i ciemna materia
Celem naukowców eksperymentujących z LHC jest m.in. weryfikacja teorii mówiącej, że wszędzie wokół nas znajduje się niewidoczne pole kwantowe, zwane polem Higgsa. Cząstki tego pola (cząstki Higgsa) wywierałyby wpływ na znane cząstki elementarne i w ten sposób wpływałyby na ich masę. Istnienie pola Higgsa to jedno z możliwych wyjaśnień faktu, że cząstki elementarne, chociaż pod względem różnych właściwości, są do siebie bardzo podobne, różną się od siebie masą. Problem ten nurtuje fizyków od dawna.
Poza tym fizycy mają nadzieję na odkrycie przy pomocy LHC tzw. cząstek supersymetrycznych - nowego rodzaju materii, którego istnienie postulują teorie fizyczne. Odkrycie cząstek supersymetrycznych byłoby krokiem do zrozumienia natury tzw. ciemnej materii. Chodzi o wykryte przez astronomów w kosmosie skupiska materii, która nie wysyła żadnego wykrywalnego promieniowania, ale tworzy pole grawitacyjne - dzięki temu wiadomo, że musi mieć masę. Obliczenia wskazują, że ciemnej materii jest kilkakrotnie więcej niż zwykłej, znanej nam. Poza tym naukowcy przypuszczają, że nieznanych form materii jest więcej a ta, którą znamy, stanowi zaledwie ok. 5 proc. masy wszechświata.
Kolejnym przedmiotem badań fizyków w CERN jest antymateria. Wiadomo, że każda cząstka elementarna ma swój odpowiednik, który zasadniczo różni się od niej tym, że ma ładunek elektryczny o przeciwnym znaku. Czyli antyproton jest cząstką o masie i innych własnościach protonu, ale o ujemnym ładunku, zaś antyelektron (inaczej pozytron) ma masę elektronu, ale ładunek dodatni. Inną znaną własnością antymaterii jest to, że gdy cząstka antymaterii zetknie się z cząstką materii to obie ulegają anihilacji, czyli znikają zamieniając się w fotony - czystą energię.
We wszechświecie nie ma obecnie antymaterii, a jeżeli się pojawi, w wyniku rozpadu promieniotwórczego lub wytworzona sztucznie w laboratorium, anihiluje w zetknięciu ze swoim zwykłym odpowiednikiem zamieniając się w czystą energię. Natomiast w procesie kreacji, czyli zamianie energii w materię, regułą jest tworzenie się takiej samej ilości cząstek i antycząstek. We wszechświecie powinno zatem być tyle samo materii co antymaterii, ale nie ma.
Naukowcy są jednak przekonani, że kiedyś - w najwcześniejszych początkach wszechświata - tak właśnie było. W tym gwałtownym okresie, powstałe w wyniku tego gigantycznego aktu kreacji cząstki i antycząstki, stykając się ze sobą anihilowały, ale... nie pozostała po nich czysta energia. Ponieważ przed anihilacją materia z jakiegoś powodu przeważyła nad antymaterią. Skutek był taki, że anihilowała taka sama ilość materii i antymaterii, a "nadwyżka" materii pozostała, umożliwiając w ten sposób powstania materialnego świata - gwiazd, planet i życia na planetach. Być może w LHC, gdzie w trakcie zderzeń będzie w dużych ilościach powstawała materia i antymateria będzie możliwe zaobserwowanie różnic między nimi i wyjaśnienie zagadki.
LHC zniszczy Ziemię?
Wokół planowanego uruchomienia potężnego akceleratora krąży wiele mitów. M.in. pojawiają się głosy, że w urządzeniu może powstać czarna dziura, co doprowadzi do katastrofy. W marcu amerykańskie media informowały, że w sądzie na Hawajach złożony został pozew przeciwko podobnym do CERN ośrodkom badawczym w USA, również przeprowadzających doświadczenia z akceleratorami. Osoby, które pozwały te ośrodki argumentowały, że eksperymenty tam przeprowadzane mogą doprowadzić do końca świata. O próbę zniszczenia Ziemi oskarżali też CERN.
Biuro prasowe CERN zapewniało, że eksperymenty w LHC nie stanowią żadnego zagrożenia. Podobne zjawiska, jak tłumaczą pracownicy ośrodka, zachodzą co chwilę, kiedy do Ziemi docierają wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego. Miniaturowe czarne dziury, jeśli istnieją, to równie dobrze mogą tworzyć się samoistnie wewnątrz ciał ludzi, jak w rurze akceleratora.
Udało się!
Czarne scenariusze dotyczące wywołanego przez LHC końca świata nie sprawdziły się. Dzisiejszy eksperyment przebiegał bezpiecznie i można mówić o sukcesie.
- Akcelerator LHC to jedyna w swoim rodzaju aparatura badawcza, niezwykle skomplikowana i zaawansowana technicznie. Do końca nie było wiadomo czy zadziała poprawnie - powiedział dziennikarzom w CERN szef zespołu inżynierów pracujących przy LHC Lyn Evans.
Jak przyznał Evans, inżynierowie byli nawet zaskoczeni, że przeprowadzenie przez akcelerator pierwszej wiązki przebiegło bez zakłóceń i bardzo szybko. Zastrzegł, że doprowadzenie urządzenia do pełnej mocy może zająć kilka miesięcy. Dopiero wtedy zderzenia wiązek będą na tyle efektywne, aby fizycy mogli szukać potwierdzenia swoich teorii.
Pomyślnie zakończyły się próby wprowadzenia do akceleratora zarówno wiązki biegnącej zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jak i wiązki biegnącej w przeciwnym kierunku. Obie wiązki przeszły cały obwód akceleratora.
"Dzień pierwszej wiązki" był ostateczną próbą sprawności instalacji. Przygotowania do eksperymentów nie są jednak jeszcze zakończone. Teraz fizycy muszą wyregulować urządzenie, zanim będą mogli przyspieszyć wiązki do większych energii i zacząć doprowadzać do zderzeń. Środowa próba nie przebiegła całkowicie bez zakłóceń. Wprowadzenie wiązki w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara opóźniło się, ze względu na potrzebę dodatkowego schłodzenia elektromagnesów, utrzymujących wiązkę na torze.
Jak tłumaczył przedstawiciel Centrum Kontroli CERN (CCC) Steve Myers, problemów należało się spodziewać.
- Mamy tutaj prawie dwa tysiące magnesów i wszystkie muszą pracować idealnie. To normalne, że pierwsze próby użycia tych unikatowych urządzeń przysparzają nam pewnych trudności - powiedział Myers dziennikarzom po udanym przeprowadzeniu drugiej wiązki.
Jak poinformował, w rzeczywistości pierwsza wiązka obiegła akcelerator trzykrotnie, a druga dwukrotnie. W ciągu najbliższych kilku dni naukowcy chcą "poćwiczyć" obieg wiązki i utrzymywanie jej optymalnego toru a także, być może doprowadzić do kilku próbnych zderzeń przy relatywnie niskich energiach, żeby zespoły pracujący przy poszczególnych detektorach mogły wyregulować swoją aparaturę.
Dyrektor Generalny CERN Robert Aymar podziękował i pogratulował zespołowi CERN za pracę przy akceleratorze. Przypomniał, że przygotowania do uruchomienia LHC trwały prawie 20 lat. Wyraził nadzieję, że podobnie jak próby właściwe eksperymenty też będą owocne.
