Gigantyczny akcelerator LHC (Large Hadron Collider), największa i najbardziej skomplikowana maszyna, jaką kiedykolwiek zbudowała ludzkość rozpoczął pracę w Europejskim Centrum Badań Jądrowych CERN. Czy spełni pokładane w nim nadzieje na przełom w nauce i rozumieniu świata?

Po latach planowania, budowy i testowania, w LHC umiejscowionym 100 metrów pod ziemią w tunelu zataczającym olbrzymie koło od Jeziora Genewskiego aż do podnóża gór francuskiej Jury, uformowano pierwszą wiązkę protonów i przyspieszono ją do niewiarygodnej prędkości równej nieomal prędkości światła. Protony kolimowane i prowadzone w wysokiej próżni przez 7000 potężnych, nadprzewodnikowych magnesów chłodzonych do temperatury -271OC, obiegają 27 kilometrowy obwód akceleratora ponad 11 tysięcy razy w każdej sekundzie. Gdy w końcu zderzą się z protonami biegnącymi z taką samą prędkością w wiązce przeciwbieżnej, wyzwoli się energia, jakiej do tej pory nigdy nie uzyskano - energia bilionów elektrowoltów, docelowo sięgająca 14 TeV.

Od lewej: prof. dr hab. Jacek Szade, dr Jan Jelonek i prof. zw. dr hab. Andrzej Ślebarski w komorze detektora CMS

Takich zderzeń będzie ponad 600 milionów na sekundę. Wszystkie z nich nastąpią w czterech precyzyjnie zaplanowanych punktach - w centrum olbrzymich detektorów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. Zadaniem detektorów będzie rejestrowanie informacji o milionach nowych cząstek elementarnych, kreowanych z wyzwolonej energii. Największy z nich - ATLAS, o niewiarygodnie złożonej budowie ma, bagatela - 25 m średnicy i ponad 40 m długości, najcięższy zaś - CMS waży więcej niż wieża Eiffla!

Uruchomienie akceleratora opóźniło się prawie o rok w stosunku do zakładanych terminów. Jednak, zanim mogło to w końcu nastąpić, trzeba było wykonać zaiste herkulesową pracę. Modyfikacje projektu i pokonywanie tysięcy powstających w trakcie budowy problemów angażowało naukowców i specjalistów z całego świata. Rozwiązania konstrukcyjne samego akceleratora i detektorów są rozwiązaniami unikatowymi. Nic więc dziwnego, że zdarzały się błędy. Jedną z poważniejszych przyczyn, które opóźniły uruchomienie LHC był właśnie, wykryty w czasie testów błąd konstrukcyjny kwadrupolowych elektromagnesów nadprzewodnikowych, zaprojektowanych w FERMILAB (Laboratorium Fermiego w Batavii w USA) i wykonanych w kooperacji z firmą japońską. Ich zadaniem było kolimowanie wiązki protonów tuż przed wprowadzeniem jej do detektora. Wykryta w porę wada groziła całkowitym zniszczeniem elektromagnesów w przypadku ich wyjścia ze stanu nadprzewodnictwa. 19 września, kilka dni po uruchomieniu akceleratora wydarzyła się pierwsza awaria. W czasie testowania zasilania elektromagnesów symulującego pracę akceleratora z energiami rzędu 5 TeV, wadliwe połączenie dwóch elektromagnesów uległo stopieniu stając się przyczyną uszkodzenia linii kriogenicznej, dostarczającej ciekły hel do chłodzenia elektromagnesów. Nastąpił duży wyciek helu do tunelu akceleratora. Wstępne ustalenia po awarii przewidują konieczność ogrzania całego sektora akceleratora i szacują czas niezbędny do całkowitego usunięcia skutków awarii na nie mniej niż dwa miesiące.

Magnesy dipolowe w tunelu LHC

Czego chcemy się dowiedzieć dzięki LHC? Przede wszystkim chcemy zweryfikować tak zwany Model Standardowy, czyli, ogólnie mówiąc, zespół teorii opisujących budowę świata. Jednym z przewidywań Modelu jest istnienie nie odkrytej jeszcze dotąd hipotetycznej cząstki Higgsa, odpowiedzialnej za masę materii. Weryfikacja Modelu i nowe granice poznania z pewnością pozwolą na lepsze zrozumienie istoty grawitacji, a być może pozwolą także wyjaśnić, czym jest ciemna materia, która zdaje się wypełniać cały Wszechświat.

Energie uzyskiwane w najpotężniejszym do tej chwili akceleratorze, którym był Tevatron (nazwa pochodzi od osiągniętej po raz pierwszy energii rzędu TeV) pracujący w FERMILAB, są aż siedmiokrotnie niższe niż w LHC. Okazały się niewystarczające do potwierdzenia istnienie cząstki Higgsa. Amerykanie podjęli co prawda prace nad największym planowanym do tej pory akceleratorem, potężnym SSC (Superconducting Super Collider) umiejscowionym w Dallas, w Teksasie, który miał osiągać energie 40 TeV, jednak Kongres zdecydował o zaniechaniu prac nad jego budową.

Na przełomie marca i kwietnia tego roku, tuż przed całkowitym zamknięciem dostępu do tunelu akceleratora i detektorów, w CERN gościła z wizytą kilkunastoosobowa grupa uczonych i doktorantów z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego. Była jedną z ostatnich grup wizytujących CERN, które mogły jeszcze zjechać pod ziemię i bezpośrednio zobaczyć detektory i tunel z akceleratorem, w ostatniej fazie ich budowy.

CERN jest niezwykłym miejscem, o czym nie trzeba przekonywać nikogo, kto spędził tam choćby jeden dzień. Jest tak nie tylko ze względu na olbrzymie możliwości użytkowanej tam, unikatowej i najbardziej na świecie wyrafinowanej aparatury badawczej, ale przede wszystkim ze względu na niezwykły klimat twórczej pracy, wyczuwalny natychmiast po przekroczeniu bram laboratoriów. CERN można porównać bez przesady do tygla, w którym wciąż wrze. Dyskusje nie kończą się tu nigdy, na stołówce słychać wszystkie języki świata, a przy sąsiednim stoliku można natknąć się na któregoś z laureatów Nagrody Nobla...

Od kilku lat Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego i CERN łączy bardzo ścisła współpraca w dziedzinie edukacji. Korzystając z poparcia Śląskiego Kuratorium Oświaty organizowane są co roku wyjazdy nauczycieli fizyki z naszego regionu na szkolenia prowadzone specjalnie dla nich w CERN. W ciągu tygodniowego pobytu nauczyciele biorą udział w wykładach, warsztatach i dyskusjach oraz zapoznają się szczegółowo z prowadzonymi w CERN eksperymentami. Po powrocie do szkół zdobyte doświadczenia i przywiezione z CERN materiały dydaktyczne wykorzystują w czasie organizowanych wykładów i prezentacji oraz oczywiście, na lekcjach fizyki w swoich szkołach macierzystych.

LHC zbudowany wspólnym wysiłkiem państw europejskich dopiero zaczyna pracę, a tymczasem wiadomo już, że następnym krokiem będzie budowa wielkiego akceleratora liniowego. Czy warto budować takie maszyny? Co przyjdzie nam z odkrycia nowej cząstki? Nie wyobrażamy sobie nawet odpowiedzi na te pytania, ale tak samo nie wyobrażał jej sobie Thompson, gdy w 1897 roku odkrył elektron.