Fizycy cząstek potrzebują aparatury elektronicznej, której nie można kupić. Projektują ją i budują w dużej mierze sami, współpracując z elektronikami i korzystając ze współczesnych technologii.
Danuta Kisielewska
WIELKIE INTEGRACJE
W dniach 11-15 września br. odbywała się w Krakowie międzynarodowa konferencja naukowa Elektronika dla eksperymentów na LHC. Organizatorami tych szóstych już corocznych warsztatów naukowych były: Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego oraz Wydział Fizyki i Techniki Jądrowej Akademii Górniczo-Hutniczej. Aby rozszyfrować znaczenie tytułu konferencji i przybliżyć cel obrad, w których wzięło udział prawie 200 fizyków, inżynierów elektroników i informatyków z całego świata, warto podać parę informacji o budowanym w Europejskim Ośrodku Fizyki Cząstek (CERN) w Genewie akceleratorze LHC. Uruchomienie tego urządzenia jest przewidziane na 2005 rok.
dzieje zderzenia
Metodą badania najbardziej podstawowych składników materii oraz fundamentalnych sił je wiążących jest rejestracja i analiza produktów zderzeń cząstek elementarnych o bardzo wysokich energiach. W LHC (Large Hadron Collider) zderzać się będą przeciwbieżne wiązki protonów o gigantycznych, największych w świecie energiach. Akcelerator to tylko jedno z narzędzi niezbędnych do badań w dziedzinie fizyki cząstek. Potrzebne są także kompleksy detektorów, otaczających punkt zderzenia wiązek, rejestrujących wszystkie cząstki powstałe w wyniku kolizji, elektroniczny odczyt i zapis uzyskanych impulsów oraz ogromny system informatyczny, pozwalający te wyniki uporządkować i zanalizować. Takie projekty, ze względu na koszt, mogą być realizowane tylko przez zespoły kilku tysięcy fizyków i inżynierów z kilkudziesięciu laboratoriów świata. W przypadku LHC i czterech planowanych przy jego użyciu eksperymentów (ATLAS, CMS, ALICE i LHCb) "ośrodkiem dowodzenia" jest CERN.
Efektem znaczącego udziału fizyków i inżynierów z ośrodków krakowskiego i warszawskiego w pracach nad przygotowaniem nowego zderzacza LHC i eksperymentów na nim było zaszczytne powierzenie nam organizacji konferencji. Warszawę w tej konkurencji pobiliśmy urokiem Krakowa.
Konferencja, co podkreślali członkowie międzynarodowego komitetu i uczestnicy, była zarówno merytorycznie owocna, jak i bardzo dobrze zorganizowana. Na ścisłe naukowe podsumowanie wyników jeszcze za wcześnie. Najlepszym sprawdzianem powodzenia będą wyniki kompleksowych badań poszczególnych podzespołów budowanej gigantycznej "fabryki" i sprawny organizacyjnie, terminowy postęp prac. Poza tym, 13 referatów plenarnych, ponad 70 raportów prezentowanych w ramach dwóch równolegle odbywających się sesji oraz dwie podsumowujące dyskusje panelowe zawierają, nawet dla uczestnika obeznanego z tematyką, zasób wyników trudny do ogarnięcia i sklasyfikowania pod względem ważności. Jeszcze trudniejsze byłoby ich w miarę popularne omówienie.
W tej sytuacji zdecydowałam się na nietypowe podsumowanie - impresje, które wiąże pojęcie integracji w różnych aspektach związanych z odbytą konferencją i działalnością fizyków badających cząstki elementarne. Hasłem Wielka Integracja bez przesady można określić rolę CERN-u, jako organizacji, której celem, oprócz koordynacji programu badawczego fizyki europejskiej, jest działanie w imię tworzenia trwałych wartości intelektualnych bez granic i uwarunkowań politycznych. Sprawy integracji przejawiają się także w dużych projektach badawczych, prowadzonych w tym ośrodku. Przykładem są dyskutowane na konferencji przygotowania do eksperymentów prowadzonych na LHC. Tu Integracja, w różnym stopniu i w różnych sferach: technicznej, finansowej czy socjologicznej, jest warunkiem koniecznym powodzenia przedsięwzięcia. Wreszcie zespolenie wysiłków i wzajemne oddziaływanie różnych z pozoru dziedzin nauki, w naszym przypadku fizyki i elektroniki, to też przykład nawiązujący do myśli przewodniej tego artykułu.
przerzucanie mostów
Zacznijmy może od najważniejszej sprawy - współpracy naukowców świata, rozwijającej się często wbrew uwarunkowaniom politycznym. Ideę utworzenia europejskiej organizacji naukowej przedstawiono po raz pierwszy na Europejskiej Konferencji Kulturalnej w Lozannie w 1949 roku. Uczeni i politycy uczestniczący w tym spotkaniu otrzymali list od laureata Nagrody Nobla Louisa de Broglie z apelem o podjęcie wspólnego programu badawczego, który miał służyć rozwojowi nauki europejskiej. Podatny grunt stanowiła atmosfera eliminowania wzajemnych uprzedzeń, pochodzących jeszcze z II wojny światowej. Działania w tym kierunku zaowocowały ostatecznie w 1954 roku ratyfikowaniem przez 12 państw konwencji o utworzeniu CERN. Współpraca polskich fizyków z tą organizacją rozpoczęła się dzięki personalnym kontaktom międzynarodowym prof. Mariana Danysza z ośrodka warszawskiego i prof. Mariana Mięsowicza z Krakowa. Pierwszy polski stypendysta wyjechał do Genewy w 1959 roku. Już w 1964 roku Polska uzyskała status państwa-obserwatora przy Radzie CERN. Próby ze strony dyrekcji CERN zaoferowania nam statusu członkowskiego napotkały na sprzeciw Związku Radzieckiego. Mimo to władze CERN sprzyjały współpracy z polskimi fizykami zarówno ze względu na ich osiągnięcia naukowe, jak i na ogólnoludzką misję organizacji - przerzucanie mostów ponad podziałami. Wkrótce współpraca została rozszerzona na inne państwa zza "żelaznej kurtyny".
W 1991 roku Polska stała się 16. członkowskim państwem CERN - pierwszym z dawnego obszaru wpływów Związku Radzieckiego. Została podpisana umowa pomiędzy Rządem Rzeczypospolitej Polskiej i CERN, ratyfikowana przez Prezydenta RP.
W tym czasie CERN dysponował już kilkoma akceleratorami o nieosiągalnych gdzie indziej parametrach i najnowocześniejszym wyposażeniem aparaturowym. Odkrycia fizyczne: istnienia oddziaływań słabych, później kwantu przenoszącego te oddziaływania, Nagroda Nobla, ostateczne potwierdzenie tzw. standardowego modelu oddziaływań elektro-słabych i wiele innych, określały wysoką pozycję tego laboratorium w świecie.
A udział Polaków? W opracowaniu, przygotowanym dla Rady ds. Atomistyki w 1998 roku, prof. Ryszard Sosnowski, członek najwyższego organu - Rady CERN - przytacza wymierne przykłady naszego zaangażowania w eksperymentach cernowskich. Zespoły z polskich instytutów i uczelni uczestniczą w 21 projektach badawczych prowadzonych w tym europejskim ośrodku. Liczba polskich współautorów cernowskich publikacji od 1992 roku wynosi około 100 rocznie i stale rośnie. Jeżeli dodać do tego osiągnięcia w zakresie kształcenia młodych fizyków i inżynierów, począwszy od okresu studiów, można stwierdzić, że nasze członkostwo w CERN znacząco przyczynia się do rozwoju polskiej fizyki. Niebagatelnym atutem tej współpracy jest również statutowy "protekcjonizm" CERN w zakupach aparatury, materiałów i usług w państwach członkowskich. Stwarza to możliwość współpracy polskiego przemysłu na uprzywilejowanych warunkach i dzięki informacyjnej oraz wspomagającej akcji Państwowej Agencji Atomistyki przynosi wymierne korzyści.
po raz pierwszy na taką skalę
Wróćmy teraz do eksperymentów planowanych na LHC i Integracji w rozumieniu technicznym. Bez masowego zastosowania specjalnej elektroniki o tzw. wielkiej skali integracji nie dałoby się zbudować potrzebnych urządzeń. Wymagania planowanych eksperymentów można porównywać z potrzebami badań kosmicznych: elektronika musi być bardzo szybka, zwarta, pobierać mało mocy, być odporna na promieniowanie. Wydawać by się mogło - rzecz nie do osiągnięcia. Zintegrowanie tej wyspecjalizowanej elektroniki z detektorami cząstek ma miejsce w fizyce doświadczalnej na tak dużą skalę po raz pierwszy. Prawie wszystkie detektory wyposażone będą w dedykowane obwody scalone - jest ich do zaprojektowania dziesiątki typów, a setki tysięcy do wyprodukowania i przebadania. Na rozwiązanie czekają ogromne problemy techniczne ze zbudowaniem spektrometru składającego się z milionów elementów i połączeniem tych wszystkich urządzeń w jeden system pomiarowy o rozmiarach sześciopiętrowego budynku. Przy projektowaniu i budowie elementów, które muszą ze sobą współpracować, a siłą rzeczy powstają w kilkudziesięciu laboratoriach świata, problem wymiany informacji urasta do sprawy zasadniczej. Nie wiadomo, czy korzystający z dobrodziejstw Internetu i www użytkownicy mają świadomość tego, że Web, pajęcza sieć, narodziła się właśnie w CERN, w latach 90., z potrzeby szybkiej komunikacji między członkami wielkich międzynarodowych zespołów badawczych.
Skala przedsięwzięcia jest olbrzymia i to nie tylko technicznie. Zespoły badawcze eksperymentów ATLAS i CMS liczą ponad 1500 naukowców i inżynierów każdy, z ponad 150 instytucji z ok. 40 krajów! Badania w dziedzinie fizyki cząstek rzucają się w oczy jako kosztochłonne, gdyż są skoncentrowane w kilku ośrodkach w świecie. Ta gałąź nauki często jest atakowana za brak bezpośrednich praktycznych efektów i wysokie nakłady finansowe. Powstaje jednak pytanie, czy niewielkie zespoły lub pojedynczy badacze, prowadzący równolegle badania w danej dziedzinie, którzy potrzebują własnej aparatury i środków w kilkudziesięciu laboratoriach jednocześnie, nie pochłaniają średnio większych funduszy? To przykład pozytywnej roli finansowej Integracji, z którą mamy do czynienia w eksperymentach fizyki cząstek. Warto również dodać, że w laboratoriach fizyki wysokich energii, gdzie buduje się kosztowne urządzenia, działa wiele komitetów nadzorczych, które na każdym etapie kontrolują poprawność techniczną projektów, terminowość prac i wydatkowanie wspólnych pieniędzy.
fenomen mrowiska
Następny aspekt Integracji to problem ogromnych zespołów ludzkich, nie pozbawionych wielkich indywidualności, pracujących nad jednym projektem. Jest to chyba fenomen nieznany z innych dziedzin nauki i pewnie interesujący temat dla socjologa. Jak w takim świecie traktować np. sprawę rywalizacji, konkurencji, a w wypadku znaczącego odkrycia - satysfakcji jednostki? Praca w kilkutysięcznym zespole przypomina mrowisko. Dla przygodnego obserwatora jawi się jako chaotyczne działanie bardzo wielu jednostek, a jednak, jak u mrówek, wszystko funkcjonuje, a i dokonania w skali mrówki są imponujące. Doświadczenia poprzednich dużych eksperymentów pokazują, że i środowisko naukowe jest w stanie dostosować się do wspólnego celu i budować imponujące rzeczy na zasadach współpracy.
symbioza
I wreszcie Integracja w sensie wzajemnego oddziaływania odrębnych już dziś dziedzin nauki. Krakowska konferencja w podtekście pozwoliła wrócić do kwestii związków elektroniki z fizyką. Jest faktem znanym, że elektronika ma swoje źródła w fizyce. Fundamentalne prace dotyczące koncepcji i teoretycznego opisu tranzystora zostały opublikowane w czasopiśmie fizycznym "Physical Review" na początku lat 50. Później dopiero wyodrębnił się dział nauki i techniki zwany elektroniką półprzewodnikową. Można wskazać przykłady, jak kolejne etapy rozwoju technologii półprzewodnikowych miały swoje źródła w badaniach prowadzonych w laboratoriach fizyków. W szczególności fizyka wysokich energii odgrywała stymulującą rolę w rozwoju pewnych działów elektroniki. W niektórych dziedzinach wymagania wielkich eksperymentów fizyki cząstek elementarnych znacznie wyprzedzały żądania stawiane elektronice ze strony przemysłu. Dlatego też fizycy, aby móc realizować swoje pomysły, musieli sami rozwijać elektronikę. Na przykład w latach 60., w odpowiedzi na potrzeby zbierania wielkiej ilości danych w eksperymentach, w CERN powstała koncepcja modułowego systemu elektroniki CAMAC. Na owe czasy możliwości tego systemu przerastały wielokrotnie wymagania stawiane przed standardową aparaturą elektroniczną, a już 15 lat później zalety tego rozwiązania zostały docenione w przemyśle przy kontroli złożonych procesów technologicznych. Historia powstania www i jego wszechstronnej ekspansji mówi sama za siebie. Dziś rozwój elektroniki jest stymulowany głównie przez masowe zastosowania komercyjne i wielu kojarzy się przede wszystkim z rozwojem kolejnych generacji mikroprocesorów. A fizycy cząstek dalej potrzebują aparatury elektronicznej, której nie można kupić. Projektują ją i budują w dużej mierze sami, ale bez współpracy znakomitych elektroników i korzystania ze współczesnych technologii o sukcesie nie mogliby marzyć. I tak, zespoły złożone z fizyków i elektroników znowu swoimi koncepcjami wyprzedzają wymagania stawiane elektronice użytkowej.
Nie zawsze przydatność badań naukowych jest łatwa do udowodnienia. Dzięki związkom fizyki z elektroniką uzyskujemy twierdzącą odpowiedź na postawione wcześniej pytanie: czy finansowanie badań podstawowych społeczeństwu się opłaca? Oprócz już wymienionych pożytków, należy dodać, że opracowane dla fizyki cząstek nowe specjalizowane detektory promieniowania i ich obsługa elektroniczna i informatyczna są już uznawane za bardzo ważne w gałęzi diagnostycznej medycyny. Wystarczy wspomnieć o kryształach znajdujących zastosowanie w tomografii, detektorach pozycyjnych do obrazowania, oraz systemach komputerowej interpretacji obrazów.
Bardzo spektakularny przykład potwierdzający symbiozę elektroniki z fizyką pojawił się zupełnie niedawno. 10 października Komitet Noblowski ogłosił: Nagrodę Nobla z fizyki otrzymują Zhores I. Alferow (Rosja) i Herbert Kroemer (USA) za rozwój heterostruktur półprzewodnikowych używanych w szybkiej elektronice i optoelektronice, oraz Jack S. Kilby (USA) za wkład w wynalezienie układów scalonych.
Prof. dr hab. Danuta Kisielewska, fizyk cząstek elementarnych, jest pracownikiem Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Uwagi.
