W lutym 2024 roku prof. dr hab. Janusz Gluza z Instytutu Fizyki im. Augusta Chełkowskiego Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach otrzymał dofinansowanie w wysokości 3 456 869 zł w ramach konkursu Narodowego Centrum Nauki – MAESTRO 15 na realizację projektu „Precyzyjne badania dla fizyki zderzaczy cząstek”. Badacz opowiedział o celach projektu, dążeniach do zrozumienia natury Wszechświata oraz współpracy z międzynarodowym środowiskiem naukowym.

Prof. dr hab. Janusz Gluza

Blisko 3,5 mln złotych na realizację projektu robi wrażenie, ale czy to rzeczywiście kwota wystarczająca na badania dotyczące cząstek elementarnych? W końcu w grę wchodzą tak potężne i drogie aparatury, kosztujące kilkanaście czy kilkadziesiąt miliardów złotych, jak te wykorzystywane w CERN-ie.

To w dużej mierze zależy od tego, jakie badania się prowadzi. Na uprawianie nauki finansowanie często jest za niskie. W przypadku projektu, który realizuję w ramach NCN, główne finansowanie to zatrudnienie na okres 40 miesięcy trzech doświadczonych teoretyków (postdoków) – po jednym na UŚ, Uniwersytet Jagielloński oraz Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie (IFJ), z którymi będziemy realizować grant. Na naszej uczelni mamy dwa mocne serwery obliczeniowe zakupione w ramach poprzednich moich grantów NCN, co w dużym stopniu zabezpiecza prowadzenie przez nas badań teoretycznych. Główne koszty badań procesów w skalach dużo mniejszych od rozmiarów atomów i jąder atomowych są jednak po stronie eksperymentalnej. Związane jest to z testami, implementacją i budową aparatury do przyśpieszania i zderzania cząstek oraz analizą ich efektów w technologicznie maksymalnie rozwiniętych detektorach. W ostatnich latach wraz ze współpracownikami pracujemy głównie na potrzeby Przyszłego Akceleratora Kołowego (Future Circular Collider, FCC) w CERN-ie, który ma zastąpić obecnie działający Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC). Uniwersytet Śląski ma podpisaną umowę z kolaboracją FCC w CERN-ie, w ramach której mamy możliwość wyjazdów i kontaktów z fizykami w Genewie. Faktycznie, FCC to ogromny projekt – obwód urządzenia będzie miał około 91 km, co robi znaczną różnicę przy 27 km jego poprzednika (LHC). Oczywiście to, co chcemy przeanalizować, bada się też w innych laboratoriach na świecie, czyli koszty są w pewien sposób rozproszone w budżetach i niezależnych projektach naukowych. Konkurencja oraz niezależne podejścia i obliczenia są w przypadku tak skomplikowanych obliczeń niezwykle ważne – nie można polegać na wynikach jednej grupy.

W opisie projektu mowa jest o współpracy z ekspertami z kraju i zagranicy. Jak duży jest zespół uczestniczący w przedsięwzięciu?

Prace prowadzone będą przez trzy dość niezależne zespoły z osobnymi budżetami, przy współpracy z pojedynczymi naukowcami z innych ośrodków spoza Polski (Niemiec, Węgier, Szwajcarii, Ukrainy, Wielkiej Brytanii i USA). Jeśli chodzi o współpracę w kraju, grant realizujemy ze wspomnianymi już grupami z Krakowa (UJ, IFJ PAN). Kontakty z tą drugą instytucją zainicjowane zostały już kilka lat temu, kiedy nawiązałem współpracę z prof. Stanisławem Jadachem, który niestety zmarł w ubiegłym roku. Jeszcze w latach 90. stworzył on generatory Monte Carlo, które symulowały zderzania elektronów i pozytonów na potrzeby akceleratora LEP (Large Electron-Positron Collider) w CERN-ie. Obecnie kontynuuję współpracę z jego uczniami, teraz już profesorami na UJ i w IFJ. Krakowscy eksperci specjalizują się w symulacjach procesów i dalszym rozwijaniu generatorów Monte Carlo. Z kolei my na Uniwersytecie Śląskim zajmujemy się obliczeniami wirtualnych poprawek kwantowych do procesów wyższych rzędów. Grupy nasze są wspierane przez doświadczalników z IFJ, UJ czy z USA. Wszystkie te działania realizowane przez podzespoły trzeba jednak w pewnych momentach połączyć i sprawdzić, czy są one spójne. Obliczenia te są niezbędne i stanowią odnośniki dla planowanych eksperymentów wysokich energii, które będą dla wielu procesów ponad stukrotnie dokładniejsze od obecnie dostępnych wyników eksperymentalnych (przewyższając obecny poziom dokładności obliczeń teoretycznych). Równolegle opracowujemy teorię powiązaną z tymi obliczeniami. Zresztą to, co chcemy osiągnąć w ramach projektu, ma mieć uniwersalne zastosowanie – nie tylko dla wysokich, ale też niskich energii w akceleratorach, które wykorzystywane są na całym świecie w różnych miejscach. Obliczeń będzie można użyć i w CERN-ie, i w mniejszych akceleratorach, np. w Japonii.

Czy w ogóle jest dziś możliwe, by badania tego typu dało się prowadzić w pojedynkę, jak robili to blisko sto lat temu Albert Einstein czy Erwin Schrödinger?

Mapa przedstawiająca lokalizację i wielkość FCC w porównaniu do LHC

Wydaje się, że obecnie eksperymenty i teorie są tak „wyśrubowane”, że trudno cokolwiek nowego odkryć. Na szczęście jest to jedynie złudzenie. Osobiście nie wydaje mi się, żebyśmy „dobijali do ściany”. Odkrycie w 2012 roku skalarnej cząstki Higgsa wciąż stwarza możliwość nowych spekulacji i badań na wyższym poziomie abstrakcji i wchodzenie w dywagacje na temat m.in. możliwych podstruktur, obecnie uważanych za cząstki elementarne. Poszukujemy na przykład dodatkowych wymiarów, które mają nam pomóc zrozumieć naturę Wszechświata i próbujemy te teorie rozwijać. Trzeba jednak uczciwie powiedzieć: bardzo trudno cały czas wymyślać tak spektakularne i przemawiające do wyobraźni nowe teorie, a wszystkie próby wymagają dalszej analizy i współpracy wielu osób czy też grup. W środowisku fizyków cząstek wiemy, że mechanika kwantowa (dokładniej teoria pola) wymaga wielu usprawnień, może innego podejścia, bo wciąż pozostaje sporo zagadek i nadal nie jesteśmy pewni, dlaczego pewne zjawiska zachodzą w taki, a nie inny sposób oraz z jakiej przyczyny. Na Uniwersytecie Śląskim również przy innych projektach interesujemy się zagadnieniami wokół ciemnej materii, neutrin czy zjawiska łamania symetrii CP. Zastanawiamy się, skąd się bierze asymetria pomiędzy materią a antymaterią i ciemną materią. Ciągle próbujemy też dopasowywać do znanych procesów nowe modele, wymyślając dodatkowe hipotetyczne cząstki o określonych własnościach, ale to często pomysły niedoskonałe, koślawe.

Tematy, o których wspomina Pan Profesor, w uszach laika mogą brzmieć bardzo zawile…

Dla nas też.

Panie Profesorze…

Nie żartuję! (śmiech) W jednym projekcie potrzebowaliśmy bardzo konkretnego rodzaju obliczeń: pewnych całek Mellin-Barnesa w dwuwymiarowej zespolonej płaszczyźnie (oczywiście na początek, całki jednowymiarowe dokładnie rozpracowaliśmy wcześniej). Zwróciliśmy się w tym celu do matematyka specjalizującego się w tego typu obliczeniach, okazało się jednak, że nasze przypadki są bardziej skomplikowane od tych, które omawiał on w swoich opracowaniach i książce. Do tej pory problem czeka na wyjaśnienie. Często w zastosowaniu do fizyki trudno znaleźć odpowiednie obszary matematyki, które odpowiadałyby zajmującemu nas zagadnieniu. Wszystko jest na tak zaawansowanym poziomie, że poszukiwanie rozwiązań bywa niezwykle żmudne. Odnoszę się tutaj przede wszystkim do matematycznych aspektów w moich badaniach, które są ich bardzo istotnym elementem.

No dobrze, ale gdyby przyszedł do Pana Profesora zwykły Kowalski i zapytał, dlaczego zajmuje się Pan akurat tym i co takie badania mogą przynieść ludzkości, to co by Pan Profesor odpowiedział? Zwłaszcza że zdarza się słyszeć, iż podobne projekty pochłaniają zbyt wiele pieniędzy.

„A dlaczego warto żyć?”. Rzeczywiście, w danym momencie może się niektórym wydawać, że te koszty są ogromne, ale wystarczy je z czymś porównać. Ile osób zastanawia się, jak wiele budżetu pochłaniają konflikty zbrojne? Może należałoby odwrócić pytanie? Jakie mechanizmy należy stworzyć, aby grupy, które dorwały się do władzy, nie wpędzały całych narodów w wojny? My jako naukowcy też w zasadzie walczymy, ale o to, by móc pozyskiwać środki na badania. Gdybym miał wskazać jeden przykład konkretnego zastosowania badań podstawowych, którymi się zajmuję, czyli fizyką cząstek, mogłyby to być pierwsze akceleratory Thomsona. Rozwijanie ich ostatecznie umożliwiło tworzenie sprzętu, który często w kompaktowej formie służy nam teraz w medycynie. Przy tworzeniu detektorów wykorzystywanych do przyśpieszania cząstek potrzebna jest wiedza z wielu dziedzin fizyki ciała stałego (nadprzewodniki, magnesy), kriofizyki (niskie temperatury) czy informatyki (zbieranie i analiza danych). Po czasie na szerszą skalę zastosowanie znajdują nowe materiały, których właściwości możemy odkrywać właśnie przez prowadzenie badań podstawowych i dzięki nim tworzyć coś, co przysłuży się w przyszłości np. w diagnozowaniu chorób. Czasem mogą powstać mniej oczywiste efekty uboczne współpracy tysięcy osób w ośrodkach, takich jak CERN, czego dowodzi zrodzona tam koncepcja stron WWW. Posłużę się w tym miejscu anegdotą. Michael Faraday zapytany przez jednego polityka, do czego będą mogły służyć efekty jego odkryć z elektryczności, miał odpowiedzieć, że nie wie, ale na pewno będzie można je opodatkować. Nie zawsze jako naukowcy możemy przewidzieć, jakie zastosowanie dla naszych osiągnięć znajdą inni, ale o to właśnie w tym chodzi. Prowadzimy te badania przede wszystkim po to, by coś zrozumieć.

W kwietniu żegnaliśmy fizyka Petera Higgsa, którego nazwisko Pan Profesor wspomniał. Wspólnie z François Englertem otrzymał on w 2013 roku Nagrodę Nobla za teoretyczne odkrycie bozonu Higgsa, którego istnienie potwierdzono w 2012 roku w CERN-ie. Czy po odkryciu „boskiej cząstki” LHC ma jeszcze jakąś rolę do spełnienia?

Powiedziałbym, że odkrycie nazwanego potem na cześć Higgsa bozonu było jednym z dwóch lub trzech najważniejszych osiągnięć CERN-u. Teorię dotyczącą tej cząstki znano od lat 60., więc jego odkrycie w CERN-ie stanowiło właściwie końcowe potwierdzenie całego modelu. Oczywiście wcześniej w CERN-ie też prowadzono istotne badania. Jednym z ważniejszych odkryć było potwierdzenie istnienia bozonów W i Z, czyli nośników oddziaływań słabych jądrowych. Oprócz tego udało się ustalić istnienie trzech generacji neutrin. Analizowano również wszelkiego rodzaju procesy towarzyszące rozpadom cząstek. Obecnie w LHC zbierane są dane w prowadzonych eksperymentach, a te będą analizowane jeszcze przez długie lata. Planowana jest jeszcze jedna aktualizacja LHC (w latach 2026–2028) do tzw. high luminosity, czyli dużej świetlności, gdzie generowane będą jeszcze bardziej skondensowane wiązki. Co jakiś czas detektory niszczone przez promieniowanie wymagają odświeżenia. Po tej modyfikacji HL-LHC będzie pracował przez około dziesięć lat, do 2038 roku. W międzyczasie przygotowywana jest koncepcja kolejnego wiodącego eksperymentu FCC, który w różnych konfiguracjach będzie działał przez kolejne dekady. Obecna rola LHC polega na dalszym badaniu procesów hadronowych, egzotycznych stanów związanych, kwarków, gluonów czy stanów metastabilnych, które są z kolei powiązane z innymi zagadnieniami, jak mechanizmy tworzenia gwiazd (w szczególności gwiazd neutronowych), testowaniem nowych modeli oraz poszukiwaniem nowych cząstek i oddziaływań. Nie jest więc tak, że Wielki Zderzacz Hadronów odszedł już na emeryturę.

Niedawno czytałam książkę Lee Smolina, w której fizyk odniósł się do „kryzysu mechaniki kwantowej” zauważanego przez wielu badaczy. Niepokoi ich to, że wciąż nie znajdujemy odpowiedzi na wiele nurtujących pytań. Zwrócił przy tym uwagę na to, że być może traktujemy poszczególne dyscypliny zbyt wąsko. Czy potrzebujemy zmiany paradygmatu?

Wcześniej zapytała Pani, czy możemy spotkać dziś takie osoby, jak np. Albert Einstein, który miał liczne zainteresowania badawcze i wniósł ogromny wkład do kilku z nich – kosmologii, mechaniki kwantowej czy termodynamiki. Dzisiaj też znajdziemy w różnych dziedzinach osoby o szerokich horyzontach, ale raczej żyjemy w czasach z mocno rozwarstwioną nauką. To już niekoniecznie epoka tytanów, ale specjalistów z dość wąskich zakresów dyscyplin. Nie ma w tym nic złego. Moim zdaniem podstawą rozwoju nauki jest spokojna, konsekwentna praca, w ramach której odkrywamy korelacje, sprzeczności pozwalające na definiowanie nowych hipotez. Znajdujemy rzecz jasna wielkie umysły spośród np. zajmujących się informacją kwantową (wśród nich wielu znakomitych Polaków, chociażby profesorowie Horodeccy), zdecydowana większość to jednak osoby, których uwaga nie będzie zanadto wykraczać poza sferę, jaką badają.

Na drugiego Thomasa Younga nie mamy co liczyć? Nie dość, że był autorem jednego z najważniejszych eksperymentów – eksperymentu z dwiema szczelinami, to jeszcze dołożył cegiełkę do medycyny i egiptologii.

To bardzo dobry przykład. Inny to wymieniony już Erwin Schrödinger, który napisał w 1944 roku książkę What is life. Odkrywcy struktury molekularnej DNA i nobliści w dziedzinie fizjologii lub medycyny Francis Crick oraz James Watson mówili, że pewne idee fizyka zainspirowały ich badania. Schrödinger zastanawiał się w swoim dziele, jak przyroda splata się z podstawowymi prawami fizyki. Ciekawiły go powiązania pomiędzy osiągnięciami z różnych dyscyplin i w pewnym stopniu pisał o czymś, co Crick i Watson rozpoznali później jako DNA. Wskazówką miał być fragment z What is life o potencjalnych powiązaniach między (nieperiodycznymi) kryształami a informacją. Współcześnie moglibyśmy spośród fizyków wskazać choćby Gerarda t’Hoofta czy też Franka Wilczka (również nobliści), którzy stawiają podobne pytania o fundamentalne prawa wszechświata i przyrody. Ten ostatni naukowiec również chwyta się pozornie rozbieżnych tematów. Nie ukrywam, że sam bardziej czuję się dobrym rzemieślnikiem, wykonując coś, co można nazwać pracą u podstaw. Nie wiem, do czego w przyszłości posłużą moje badania, jaki będzie ostateczny efekt realizowanych projektów, ale wiem, że bez badań tego typu nie bylibyśmy dziś w tym samym miejscu. Nie stworzymy niczego wielkiego, nie próbując zrozumieć podstawowych praw rządzących naszym światem.

Dziękuję za rozmowę.