Prace badawcze naukowców z AGH pomagają zrozumieć Wielki Wybuch
30 lat temu Polska przystąpiła do udziału w badaniach prowadzonych w największym centrum fizyki cząstek na świecie. Natomiast naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej dołączyli do eksperymentów ponad 20 lat temu. Od tego czasu kadra naukowa z AGH pracuje w CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, m.in. nad poznaniem podstawowych składników materii oraz na rzecz odtworzenia stanu wczesnego Wszechświata.
Obecnie, głównym narzędziem badawczym jest LHC (ang. Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów) największy, zbudowany dotychczas przez człowieka akcelerator przyspieszający protony. Dzięki LHC możliwa jest zamiana energii w materię oraz prowadzenie dokładnych badań jej własności. Warunki jakie panują podczas zderzeń protonów w LHC są podobne do tych jakie istniały tuż po Wielkim Wybuchu. W tym sensie naukowcy mówią, że LHC odtwarza stan wczesnego Wszechświata.
Badania prowadzone aktualnie w CERN koncentrują się na precyzyjnych testach Modelu Standardowego i poszukiwaniu zjawiska Nowej Fizyki. Badacze pracujący w CERN mają nadzieję, że dzięki temu uda się zrozumieć naturę ciemnej materii i ciemnej energii, które stanowią główną część otaczającego nas Wszechświata. Główne prace badawcze prowadzone są przez cztery Wielkie Eksperymenty: ATLAS (ang. A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (ang. Compact Muon Solenoid), LHCb (ang. Large Hadron Collider beauty) oraz ALICE (ang. A Large Ion Collider Experiment).
Największymi dotychczasowymi osiągnięciami instytutu CERN są między innymi stworzenie globalnej sieci www, projekt oraz budowa Wielkiego Zderzacza Hadronów, który jest największym narzędziem badawczym zbudowanym przez naszą cywilizację, czy odkrycie bozonu Higgsa, który jest odpowiedzialny za nadawanie masy cząstkom elementarnym.
Od ponad 20 lat naukowcy z AGH uczestniczą w projektach związanych z badaniami prowadzonymi w CERN. Aktualnie jedna z grup działających przy eksperymencie ATLAS liczy dziewięciu pracowników z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH oraz pięciu doktorantów. Zespół pracuje nad analizami fizycznymi, takimi jak badanie rozpadów bozonu Higgsa, procesy dyfrakcyjne czy też pomiary zderzeń ciężkich jonów. Do największych osiągnięć grupy należą pomiary związane z pierwszą obserwacją rzadkiego zjawiska rozpraszania foton-foton, czy rzadkiego rozpadu bozonu Higgsa na leptony i foton.
Drugą grupą zaangażowaną w prace w CERNE są naukowcy działający przy eksperymencie LHCb. Członkowie grupy LHCb-AGH prowadzą analizy fizyczne, wnoszą znaczny wkład do przygotowania oprogramowania eksperymentu oraz części sprzętowej. Lider zespołu prof. Tomasz Szumlak wyjaśnia: - Nasze badania mają na celu odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące otaczającego nas Wszechświata. Dlaczego w ogóle istniejemy - na skutek Wielkiego Wybuchu powstało tyle samo materii co antymaterii, powinniśmy mieć więc we Wszechświecie same fotony anihilacyjne, a jednak mikroskopowa część materii pozostała - dzięki czemu powstało życie; dlaczego cząstki mają masę i jaka jest natura Bozonu Higgsa; czym jest ciemna materia i ciemna energia oraz czy istnieją nowe cząstki i nowe oddziaływania. Bardzo ważny jest też aspekt społeczny i aplikacyjny naszych badań. CERN od wielu lat prowadzi programy popularyzujące badania fundamentalne oraz stara się przyciągać studentów oraz młodych badaczy ze wszystkich krajów świata. Równie istotne są aplikacyjne zastosowania technologii detekcyjnych używanych w CERN, np. do zastosowań w obrazowaniu medycznym czy terapii fotonowej.
Prócz tego, po raz pierwszy w eksperymentach na LHC polska grupa wzięła pełną odpowiedzialność za opracowanie złożonego układu odczytowego. Badacze z AGH przygotowali specjalistyczną platformę do analizy danych pochodzących z detektorów krzemowych z elementami inteligentnymi, dzięki którym system może uzyskać autonomiczność w podejmowaniu decyzji dotyczących jakości danych. To z kolei jest istotne gdyż, jak podkreślają naukowcy systemy inteligentne mogą szybciej niż człowiek zauważyć problemy aparatury badawczej, która jest coraz bardziej skomplikowana i narażona na coraz trudniejsze warunki pracy w ekstremalnych polach promieniowania.
Realizacja badań w CERN wymaga także tworzenia najnowocześniejszych systemów informatycznych. Współpraca AGH z CERN w tym zakresie rozpoczęła się od prowadzonych od 2009 roku staży wakacyjnych dla studentów informatyki. W roku 2013 Katedra Informatyki (obecnie Instytut Informatyki) została oficjalnym członkiem eksperymentu TOTEM (jeden z siedmiu detektorów przy wybudowanym w CERN Wielkim Zderzaczu Hadronów), a od roku 2018 - również eksperymentu CMS, innym z detektorów. Zespół z AGH zajmuje się przede wszystkim rozwojem i zapewnieniem jakości oprogramowania do rekonstrukcji danych i symulacji odpowiedzi detektorów. Dodatkowym elementem prac informatycznych jest zastosowanie przetwarzania równoległego do analizy dużych zbiorów danych, z użyciem nowoczesnych środowisk klastrów
i chmur obliczeniowych.
Co roku w te prace angażuje się kilku studentów w ramach wakacyjnych staży w CERN. Tematy projektów są często rozwijane w formie prac inżynierskich czy magisterskich. Ich efekty są wysoko oceniane przez współpracujących fizyków z CERN i stanowią wkład do wspólnych wyników. Jednym z nich jest niedawno ogłoszone odkrycie odderonu - quasi-cząstki, której istnienie przewidziano prawie 50 lat temu.
