Historyczne wydarzenie w Wielkim Zderzaczu Hadronów. To tajemnica wszechświata

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), największy i najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie, zlokalizowany w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN pod Genewą, nieustannie przesuwa granice ludzkiego poznania. Maszyna umieszczona jest w 27-kilometrowym tunelu pod ziemią, na granicy Szwajcarii i Francji. Jej zadaniem jest przyspieszanie cząstek, takich jak protony czy jony ciężkich pierwiastków, do prędkości bliskich prędkości światła, a następnie zderzanie ich w precyzyjnie kontrolowanych warunkach. Wyniki tych zderzeń są rejestrowane przez zaawansowane detektory, takie jak ATLAS, CMS, ALICE czy LHCb, które pozwalają naukowcom analizować cząstki elementarne i ich oddziaływania.

Od momentu uruchomienia w 2008 roku LHC przyczynił się do przełomowych odkryć, w tym potwierdzenia istnienia bozonu Higgsa w 2012 roku, co było kluczowym krokiem w weryfikacji Modelu Standardowego fizyki cząstek. Obecnie, w trzecim okresie działania (rozpoczętym w 2022 roku), akcelerator osiąga rekordowe energie zderzeń sięgające 13,6 teraelektronowoltów (TeV), a modernizacje pozwalają na zwiększenie liczby rejestrowanych kolizji.

Naukowcy związani z ośrodkiem CERN informują, że najnowsze eksperymenty w LHC koncentrują się na zderzeniach protonów z jonami tlenu. To nowość w porównaniu z do dotychczasowymi badaniami, które głównie wykorzystywały zderzenia proton-proton lub jonów ołowiu. Dlaczego tlen? Jony tlenu, choć lżejsze od jonów ołowiu, umożliwiają badanie unikalnych zjawisk fizycznych, szczególnie związanych z plazmą kwarkowo-gluonową, czyli stanem materii, który istniał we wszechświecie zaledwie ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu.

Zderzenia proton-tlen są szczególnie interesujące dla naukowców pracujących przy eksperymencie ALICE, który specjalizuje się w analizie materii w ekstremalnych warunkach. Takie kolizje pozwalają na lepsze zrozumienie fizyki promieniowania kosmicznego, które bombarduje Ziemię cząstkami o energiach znacznie wyższych niż te generowane w LHC. Ponadto badania te mogą dostarczyć nowych danych na temat oddziaływań silnych, jednej z czterech fundamentalnych sił natury, odpowiedzialnej za wiązanie jąder atomowych.

Głównym celem nowych eksperymentów jest głębsze poznanie struktury materii i jej zachowania w ekstremalnych warunkach. Zderzenia proton-tlen pozwalają naukowcom badać, jak cząstki elementarne, takie jak kwarki i gluony, oddziałują ze sobą w gorącej i gęstej "zupie" subatomowej, znanej jako plazma kwarkowo-gluonowa. Ten stan materii jest kluczowy dla zrozumienia ewolucji wszechświata w jego najwcześniejszych chwilach.

Dodatkowo, eksperymenty te mają na celu weryfikację hipotez wykraczających poza Model Standardowy. Naukowcy poszukują dowodów na istnienie cząstek supersymetrycznych, które mogłyby być kandydatami na ciemną materię, stanowiącą około 27% masy-energii wszechświata. Innym zagadnieniem jest asymetria między materią a antymaterią, która może wyjaśnić, dlaczego wszechświat składa się głównie z materii.

Aby umożliwić zderzenia proton-tlen, LHC w ostatnim czasie przeszedł znaczące modernizacje, podczas przerwy w latach 2018-2022. Ulepszono systemy magnesów nadprzewodzących, które utrzymują wiązki cząstek na ich torze, oraz systemy chłodzenia, wykorzystujące ciekły hel do utrzymania temperatury bliskiej zera absolutnego (-271,25°C). Nowe technologie pozwoliły na zwiększenie świetlności akceleratora, czyli liczby zderzeń na jednostkę czasu, co przekłada się na większą ilość danych dla detektorów.

W 2024 roku LHC osiągnął rekordową świetlność, generując średnio 0,83 fb⁻¹ (odwrotnych femtobarnów) danych dziennie, co znacznie przewyższyło wyniki z poprzednich lat. To osiągnięcie pozwala na bardziej precyzyjne analizy i zwiększa szanse na odkrycie rzadkich zjawisk fizycznych.

Eksperymenty z użyciem jonów tlenu to kolejny krok w kierunku zrozumienia fundamentalnych zasad rządzących wszechświatem. Wyniki tych badań mogą nie tylko poszerzyć naszą wiedzę o fizyce cząstek, ale także znaleźć zastosowanie w innych dziedzinach, takich jak medycyna (np. w terapiach hadronowych) czy technologie obliczeniowe. Warto również zauważyć, że dane generowane przez LHC są analizowane przez ogólnoświatowy system komputerowy WLCGrid, który przetwarza ogromne ilości informacji, nawet 140 terabajtów dziennie.

Naukowcy po wspaniałych efektach eksperymentów jednak nie spoczną na laurach, CERN już planuje przyszłość. Już teraz trwają intensywne prace nad projektem Future Circular Collider (FCC), następcy LHC, który ma być trzykrotnie większy i zdolny do osiągania energii zderzeń rzędu 100 TeV. Budowa FCC może rozpocząć się w 2033 roku, a jej ukończenie planowane jest na 2050 rok. Eksperci sądzą, że to urządzenie, będące wówczas najbardziej zaawansowanym w historii ludzkości, odkryje przed nami fascynujące tajemnice skrywane przez niewidoczną dla ludzkiego wzroku otchłań kosmosu.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 88 tys. obserwujących nasz fanpage - polub GeekWeek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!