1 lipca 2021 minęło 30 lat od przystąpienia Polski – jako pełnoprawnego członka – do Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN. Naukowcy z polskich instytucji, w tym również z Uniwersytetu Śląskiego współpracujący od wielu lat z CERN wykorzystali ten ważny jubileusz do podsumowań projektów naukowych, wskazania największych sukcesów i nadchodzących wyzwań.

Prof. dr hab. Janusz Gluza przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN (detektor CMS)

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN to międzynarodowa organizacja naukowa, której siedziba znajduje się na przedmieściach Genewy przy granicy z Francją. W ośrodku naukowo-badawczym prowadzone są badania w dziedzinie fizyki przy użyciu najnowocześniejszych detektorów i akceleratorów wysokich energii. Celem tych eksperymentów jest coraz lepsze zrozumienie własności materii w skalach subatomowych oraz badanie wpływu fizyki cząstek elementarnych na powstanie i ewolucję Wszechświata. Instytucji tej zawdzięczamy również powstanie strony WWW (w 1989 roku brytyjski fizyk i programista Tim Berners-Lee, pracując nad usprawnieniem wymiany informacji pomiędzy badaczami opracowującymi wyniki eksperymentów na LEP-ie, stworzył język HTML oraz protokół http) oraz opracowanie nowych technik obrazowania, które używane są w medycynie i metody neutralizacji odpadów nuklearnych. CERN to jednostka łącząca najwybitniejsze umysły z całego świata – współpracuje z nim liczne grono laureatów Nagrody Nobla. Ośrodek ściśle współdziała z przemysłem, dając mu innowacyjne rozwiązania, ale też kształci nowe pokolenia naukowców (w CERN-ie około 90% zatrudnionych osób to technicy oraz inżynierowie implementujący i testujący najnowsze osiągnięcia w zakresie, między innymi, informatyki, elektroniki, kriofizyki, fizyki ciała stałego i silnych pól magnetycznych). To tam znajduje się Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider, LHC), czyli największy na świecie akcelerator cząstek, którego zasadnicze elementy znajdują się w tunelu o długości 27 kilometrów prawie 90 metrów pod ziemią. Został uruchomiony 10 września 2008 roku. W 2012 roku w LHC odkryto ostatnią cząstkę elementarną modelu standardowego – bozon Higgsa. Obecnie akcelerator jest przebudowany i w przyszłości ma powstać Wielki Zderzacz Hadronów Wysokiej Świetlności, który według planów będzie pracował do 2038 roku.

W latach 1964–1991 Polska jako jedyny kraj bloku wschodniego miała w CERN oficjalny status państwa obserwatora, pełnoprawnym członkiem została 1 lipca 1991 roku. Z ośrodkiem związanych jest obecnie około 550 naukowców z Polski. Polscy fizycy są autorami lub współautorami znaczącej liczby prac dotyczących badań prowadzonych w CERN. 20 września 2012 przewodniczącą Rady CERN została prof. Agnieszka Zalewska z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (w latach 1999–2006 była nauczycielem akademickim na Uniwersytecie Śląskim w Katowicach). Funkcję tę pełniła do 2015 roku. Również naukowcy, doktoranci i studenci z naszej uczelni intensywnie uczestniczą w badaniach prowadzonych w CERN, m.in. w eksperymencie NA61 oraz pracach nad przyszłym kołowym akceleratorem FCC (Future Circular Collider).

Prof. Jan Kisiel i prof. Carlo Rubbia, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1984) w ośrodku naukowo-badawczym CERN pod Genewą

Naukowcy pracujący w ramach konkretnych eksperymentów badania realizują częściowo w rodzimych instytucjach, częściowo w CERN. Wyjazdy do CERN trwają z reguły kilka tygodni, w trakcie takich wyjazdów eksperymentatorzy realizują tzw. szychty (dozorowanie zbierania danych), teoretycy współpracują w mniejszych grupach, na co dzień mając możliwość dyskusji zarówno z pracownikami CERN-u, jak i osobami wizytującymi ten ośrodek. Finansowanie wyjazdów odbywa się w ramach prowadzonych grantów, środków finansowych danej kolaboracji czy też umów bilateralnych pomiędzy UŚ i CERN.

CERN to nie tylko LHC. Na jego terenie znajdują się także mniejsze eksperymenty. Water Cerenkov Test Experiment (WCTE) to nowy eksperyment z użyciem CERN-owskich wiązek cząstek naładowanych. Bierze w nim udział grupa fizyków z Uniwersytetu Śląskiego pod kierunkiem prof. dr. hab. Jana Kisiela. Wyniki tego eksperymentu zostaną wykorzystane m.in. przez międzynarodową współpracę fizyków Hyper-Kamiokande, w której pracują także naukowcy z UŚ. Hyper-Kamiokande będzie największym wodnym detektorem promieniowania Czerenkowa. Program naukowy eksperymentu WCTE obejmuje m.in. określenie wydajności nowej technologii fotopowielaczy (multi-PMT), opracowanie metod kalibracji detektorów Czerenkowa oraz pomiar słabo zbadanych procesów fizycznych, takich jak produkcja światła Czerenkowa pod dużymi kątami względem toru cząstki naładowanej czy rozpraszanie i absorpcja jonów.

Pomimo gwałtownego rozwoju technologii i nauki w fizyce pozostaje wiele fundamentalnych pytań o naturę Wszechświata, na które nie znamy odpowiedzi, na przykład: czym jest tzw. ciemna materia, czym spowodowana jest asymetria między materią a antymaterią? Odpowiedzi na te i wiele innych pytań zajmujących umysły fizyków na całym świecie udzielić może planowany następca LHC, akcelerator FCC, zderzacz kołowy o obwodzie 100 km, który dzięki wykorzystaniu najnowszych dostępnych technologii pozwoli na uzyskanie nawet 100 razy bardziej precyzyjnych pomiarów od dostępnych obecnie. Wiodącymi tematami badań teoretycznych pracowników, doktorantów i studentów z IF UŚ w grupie badawczej prof. Janusz Gluzy jest fenomenologia rozszerzeń modelu standardowego cząstek elementarnych oraz precyzyjne obliczenia na potrzeby przyszłego akceleratora FCC.

We wszystkich projektach niezwykle cenny jest udział studentów i doktorantów uczestniczących w poszczególnych etapach eksperymentu – od symulacji komputerowych i budowy układu detekcyjnego, przez dozorowanie zbierania danych, a kończąc na analizie i przygotowywaniu publikacji. Projekty badawcze w CERN-ie są przeważnie wieloletnie, a włączenie się studentów i doktorantów jest możliwe i chętnie widziane na każdym etapie ich realizacji. Dzięki podjętym badaniom realizują prace dyplomowe oraz doktoraty, a projekty naukowe są podstawą grantów krajowych NCN (uzyskane w ramach konkursów Preludium, Opus, Beethoven, Grieg) oraz międzynarodowych związanych z pracami kolaboracji NA61 oraz FCC. Na Uniwersytecie Śląskim realizowane są projekty w ramach np. EU COST Action (ParticleFace) oraz EU Marie Skłodowska-Curie Actions (LHCPhenoNet). W ramach współpracy organizowane są również na naszej uczelni cykliczne międzynarodowe konferencje („Matter to the Deepest”) i spotkania robocze zespołów badawczych (ICARUS, NA61, FCC). Często są one połączone z popularnymi wykładami organizowanymi przez Instytut Fizyki UŚ oraz Polskie Towarzystwo Fizyczne. Gośćmi takich spotkań byli m.in. prof. Carlo Rubbia – rzecznik eksperymentu ICARUS, laureat Nagrody Nobla z fizyki w roku 1984, prof. Alain Blondel – jeden z liderów CERN-owskich eksperymentów LEP oraz FCC, prof. David Kosower – wybitny teoretyk amerykański pracujący w CEA-Saclay (Francja). W 2011 roku na Uniwersytecie Śląskim odbyło się zebranie robocze eksperymentu ICARUS, który wykorzystywał wiązkę neutrin produkowaną w CERN-ie.

Jakie wyzwania stoją przed naukowcami z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ? Przyszłość zapowiada się niezwykle pracowicie. W ramach planu przewidzianego dla eksperymentu NA61/SHINE na lata 2021–2024 działania skupią się na pomiarze produkcji otwartego powabu w zderzeniach Pb+Pb. Informacja płynąca z tych pomiarów pozwoli uzupełnić informacje związane z warunkami tworzenia się kolejnego stanu materii, jakim jest plazma kwarkowo-gluonowa. Funkcja koordynatora modernizacji detektora została powierzona właśnie Uniwersytetowi Śląskiemu. W ramach tego zadania fizycy z UŚ zajmują się modernizacją wszystkich elementów detekcyjnych oraz budową nowych detektorów.

Kontynuowana jest również analiza danych zebranych w ramach poprzedniego etapu eksperymentu. W eksperymencie NA61/SHINE dr hab. Seweryn Kowalski, prof. UŚ pełni rolę koordynatora technicznego, zarządza zasobami IT, pracuje nad unowocześnianiem detektora, a także jest zastępcą koordynatora ds. bezpieczeństwa. Przy wspomnianym eksperymencie ważną rolę odgrywa dr Szymon Puławski, prof. UŚ. Jest zastępcą koordynatora technicznego, pełni również funkcję koordynatora oprogramowania, wiązki i systemu jej monitorowania.

Z okazji 30-lecia przystąpienia Polski do Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych – CERN powstała strona internetowa (www.us.edu.pl/wydzial/wnst/uscern), na której można zapoznać się z historią tej współpracy oraz z badaniami, w których uczestniczą naukowcy związani z Instytutem Fizyki im. A. Chełkowskiego Uniwersytetu Śląskiego. W zakładce „Moja historia” znajdują się również osobiste wspomnienia poszczególnych fizyków.