Z niecierpliwością czekamy na pierwsze sygnały pochodzące od nowych cząstek. Być może na całkiem nową fizykę...

U PROGU NOWEJ ERY

Małgorzata Nowina−Konopka

W CERN – Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, czyli największym na świecie laboratorium fizyki cząstek elementarnych – dobiegła końca budowa akceleratora LHC. Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) jest niewątpliwie największym i najbardziej skomplikowanym urządzeniem do badania struktury materii, jakim kiedykolwiek dysponowali fizycy. Pracuje w zakresie energii rzędu biliona elektronowoltów (TeV), nieosiągalnych dotąd w żadnym laboratorium świata.

LHC znajduje się na głębokości 100 m pod ziemią, w tunelu o średnicy około 8 m i obwodzie 27 km, zbudowanym pod miasteczkami koło Genewy, na granicy pomiędzy Szwajcarią a Francją. W tym tunelu do 2000 roku pracował akcelerator elektronowo−pozytonowy LEP, ale tunel to jedyne, co tam po nim pozostało. Wszystkie elementy rur akceleratorowych są nowe. Magnesy nadprzewodzące z zegarmistrzowską dokładnością zakrzywiają tory cząstek i ogniskują je. Oczywiście nowej konstrukcji wymagały też detektory i urządzenia sterujące. W LHC przyspiesza się wiązki protonów do prędkości bliskich prędkości światła. W czterech miejscach ich tory zostały skrzyżowane, tak by pędzące w przeciwnych kierunkach protony mogły się zderzać produkując nowe: znane i nieznane cząstki.

Miejsca, gdzie zachodzą zderzenia, obudowano detektorami o wysokości kilku pięter, naszpikowanymi elektroniką. Największy spośród nich ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ma średnicę 25 m, szerokość 46 m i waży 7000 ton. Detektor CMS (Compact Muon Solenoid) jest dwukrotnie mniejszy od ATLAS−a, ale za to dwa razy cięższy. Głównym przeznaczeniem ATLAS−a i CMS jest poszukiwanie bozonów Higgsa oraz innych nieznanych ciężkich cząstek. Detektory LHCb i ALICE są nieco inne, bo i przeznaczone do bardziej wyspecjalizowanych działań.

We wrześniu tego roku akcelerator LHC rozpoczął pracę (i dwa dni później stanął na skutek wycieku helu; naprawa potrwa kilka miesięcy). Poszukiwane w produktach zderzeń bozony Higgsa przewidziano teoretycznie. Dzięki nim wszystkie inne elementarne składniki materii posiadają masę. Bozon Higgsa jest jedyną cząstką w tzw. Modelu Standardowym do tej pory niezarejestrowaną doświadczalnie. Czy jednak chodzi wyłącznie o bozony Higgsa?

Bozon higgsa

Zaproponowany w latach siedemdziesiątych XX wieku Model Standardowy, czyli zespół teorii opisujących mikroskopową budowę świata, znakomicie zgadza się z doświadczeniem w zakresie oddziaływań elektrosłabych i silnych. Natomiast nie uwzględnia wcale oddziaływań grawitacyjnych. Model zakłada, że nasz świat zbudowany jest z dwóch rodzajów cząstek: kwarków i leptonów. Te dwie grupy różnią się między sobą; np. kwarki, w przeciwieństwie do leptonów, posiadają własność zwaną kolorem, chociaż nie ma ona nic wspólnego z barwą jako taką (w istocie jest ładunkiem silnego oddziaływania). Kwarki są kolorowe i nazywają się: górny, powabny, prawdziwy, dolny, dziwny i piękny. Leptonów jest również sześć: elektron, mion, taon i trzy odpowiadające im neutrina. Siły występujące w przyrodzie są przenoszone przez bozony. Fotony są bozonami przenoszącymi oddziaływania elektromagnetyczne. Oddziaływania słabe przenoszą bozony Z0 oraz W+/W−, a silne – gluony g, które wiążą kwarki w protonach i innych cząstkach. Jedyna występująca w Modelu Standardowym niepotwierdzona dotąd doświadczalnie cząstka, zwana bozonem Higgsa, nadaje masę kwarkom, leptonom oraz bozonom, a więc znaczenie bozonu Higgsa jest nie do przecenienia. Z masą nieodłącznie związana jest bezwładność. Puszczając wodze fantazji, można sądzić, że gdyby udało się kiedyś sterować bezwładnością, miałoby to niesamowite konsekwencje w życiu codziennym. Dzięki ekranowaniu pola Higgsa pojazdy mogłyby przyspieszać do ogromnych prędkości w ułamkach sekund, w każdej chwili można by uniknąć wszelkich kolizji zmieniając zwrot pola Higgsa. A gdyby już doszło do zderzenia z przeszkodą, ludzie nie ginęliby na skutek gigantycznych przeciążeń. Bezwładność przestałaby być groźna.

Model Standardowy nie jest w istocie teorią fundamentalną, nosi cechy teorii efektywnej. Zawiera ok. 20 różnych parametrów, których dopasowanie wymaga dokładności do kilkunastu miejsc po przecinku. Nie wiemy, czy poprawny jest mechanizm Higgsa, nie tłumaczy on, dlaczego masy cząstek, nawet elementarnych, tak bardzo się różnią.

Model Standardowy jest elementem Kosmologicznego Modelu Standardowego opisującego powstanie i ewolucję wszechświata. Jednak nie ma w nim opisu pierwszych chwil istnienia wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu, w czasie których nastąpiła ekspansja, zwana inflacją. Nie ma wyjaśnienia, dlaczego we wszechświecie nie występuje antymateria. Masa wszechświata nie zgadza się z obserwowaną ilością materii. Jej brakująca część to materia ciemna, nieemitująca i nieodbijająca światła, której istnienie zdradzają jedynie wywierane przez nią efekty grawitacyjne. Ale i tej materii jest za mało. Bilans mogłaby uzupełnić dopiero ciemna energia. Materia ciemna stanowi jedną z największych zagadek w kosmologii i fizyce cząstek. Nie wiadomo zupełnie, jaka jest jej natura ani z czego się składa.

supersymetria

Prawdziwa teoria opisująca świat musi mieć w sobie prostotę i piękno, musi spełniać zasady symetrii, zasady zachowania itd. Fantazja podpowiada fizykom różne pomysły na tworzenie nowych teorii, jak: wielka unifikacja, supersymetria, teoria strun itp., które oczywiście czekają na potwierdzenie eksperymentalne. Zapewne uda się dzięki LHC znaleźć bozon Higgsa dopełniający Model Standardowy, ale równocześnie jest możliwe odkrycie nowych faktów doświadczalnych pozwalających wyjaśnić inne zagadki, utrzymać Model Standardowy lub zweryfikować go poprzez głębsze teorie.

Najbardziej prawdopodobna wydaje się teoria supersymetrii. Polega ona na założeniu, że z każdym kwarkiem i leptonem związana jest cząstka supersymetryczna o takim samym czasie życia, ale przeciwnym znaku pewnych liczb kwantowych. Supersymetria jest symetrią szczególną, gdyż zachodzi między bozonami a fermionami, czyli cząstkami o różnych spinach. Model zakłada, że kwarkom odpowiadałyby skwarki, leptonom – sleptony o spinie 0, dla fotonu, bozonów W i Z, gluonu oraz bozonu Higgsa istniałyby: fotino, wuino, zetino, gluino i Higgsino o spinie 1/2. To podwaja liczbę cząstek elementarnych. Ponieważ w przeprowadzonych dotąd eksperymentach nie zaobserwowaliśmy cząstek supersymetrycznych, to oznacza, że ich masy muszą być większe niż cząstek już poznanych. Najprostsza wersja supersymetrycznego modelu standardowego przewiduje, że masy te są rzędu 1 TeV/c2. W tym zakresie energii pracuje właśnie akcelerator LHC. Spodziewane jest więc zarejestrowanie w detektorach ATLAS lub CMS cząstek supersymetrycznych, które powinny być licznie produkowane ze względu na silne oddziaływania skwarków i gluin. Oznaczałoby to potwierdzenie teorii spoza Modelu Standardowego.

W eksperymencie ALICE (A Large Ion Collider Experiment) rozpędzone jony ołowiu będą się zderzać z energią 1150 TeV. Powstaną wtedy warunki ekstremalnie wysokich temperatur i bardzo wielkich gęstości materii, podobne do panujących tuż po Wielkim Wybuchu, czyli 13,7 biliona lat temu. Materia była wtedy w stanie plazmy kwarkowo−gluonowej, istniejącym aż do momentu znacznego i gwałtownego rozszerzenia i ochłodzenia wszechświata. Oczekuje się, że w wyniku zderzeń jąder ołowiu powstaną miniaturowe wielkie wybuchy, w których utworzy się „ognista kula” plazmy kwarkowo−gluonowej. Może wtedy powstać nawet 20 tys. cząstek. Dlatego detektor ALICE został wyposażony w wiele mniejszych detektorów o bardzo dobrej zdolności rozdzielczej. Zderzenia proton – proton będą w tym eksperymencie traktowane jako dane porównawcze do zderzeń jonów ołowiu. Zbadanie stanu plazmy pozwoli lepiej zrozumieć historię wszechświata i to nie od jednej setnej, ale aż od jednej miliardowej sekundy po Wielkim Wybuchu.

asymetria

Wiadomo, że w Wielkim Wybuchu energia przekształcała się w cząstki materii i antymaterii, które podczas zderzeń anihilowały zamieniając się z powrotem na energię. Początkowo panowała idealna równowaga pomiędzy ilością cząstek i antycząstek, ale już po jednej stubilionowej sekundy ta równowaga została zaburzona – antymateria zaczęła zanikać.

W latach 60. w Brookhaven Laboratory Christensen, Cronin Fitch i Turlay zauważyli asymetrię w rozpadach długo żyjących cząstek o nazwie kaony. Później Japończycy Kobayashi i Maskawa pokazali, jak wytłumaczyć tę asymetrię w ramach teorii oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Ostatnio w japońskim laboratorium fizyki cząstek KEK i w Stanford Linear Accelerator Center badano „niedoskonałe zwierciadło”, jakim są mezony zawierające kwark b. Rozpad tych mezonów jest nieco inny niż ich antycząstek. Uznano, że ta niewielka różnica mogłaby wyjaśnić, dlaczego wszechświat zawiera tak mało antymaterii. Ale dopiero LHC będzie produkował rocznie biliony mezonów, zawierających kwark lub antykwark piękny b. Eksperyment LHCb (Large Hadron Collider beauty) pozwoli zbadać drobne różnice między rozpadami tych mezonów. Rozwiązanie zagadki, dlaczego nie obserwujemy w przyrodzie antymaterii, jest jednym z ważnych celów programu na LHC. Być może kryje się tu całkiem nowa fizyka...

Globalny grid

Wszystkie detektory LHC będą produkować w ciągu jednej sekundy tyle danych, ile informacji płynie w całej sieci www. Po ostrej preselekcji komputerowej wybierającej tylko ciekawe dla fizyków przypadki, strumień informacji spadnie do kilkuset milionów bajtów na sekundę, czyli niewiele. W skali roku powstanie 15 petabajtów (milionów gigabajtów) danych. Dane te będą szczegółowo analizowane i porównywane z symulacjami komputerowymi obliczeń teoretycznych. W miarę upływu czasu ich liczba będzie jeszcze rosła. Przewidziano, że LHC będzie pracować 15−20 lat i przez cały czas dane muszą być dostępne dla 5000 naukowców z około 500 instytutów badawczych i uniwersytetów na całym świecie, którzy zdalnie sterują eksperymentem i chcą uczestniczyć w spodziewanych odkryciach. Podobnie jak w latach 80., w odpowiedzi na konieczność szybkiej komunikacji pomiędzy fizykami powstała w CERN sieć www. Teraz zastosowano inny, optymalny sposób, a mianowicie: globalny Grid, czyli model rozproszonych mocy obliczeniowych. Zbudowano sprawny światowy system pod nazwą World LHC Computing Grid (WLCG) pozwalający przesyłać dane czy programy do rozmieszczonych na całym globie elementów komputerowych, na których będą wykonywane obliczenia i analizowane wyniki. Koncepcja światowego Gridu nie jest nowa, ale jest stosunkowo prosta. Natomiast jej realizacja do projektu LHC stanowiła ogromne wyzwanie, tak pod względem technicznym, jak i organizacyjnym.

Polski wkład

Polscy fizycy prowadzący badania teoretyczne wnieśli wkład w opracowanie różnych rozszerzeń Modelu Standardowego, a w szczególności supersymetrii. Ich prace pokazują drogi poszukiwania Higgsa, cząstek supersymetrycznych, czarnych dziur oraz dodatkowych wymiarów przestrzeni.

Inżynierowie i technicy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN z Krakowa przepracowali około 1000 osobomiesięcy w tunelu LHC. Grupa tworząca zespół o nazwie ELQA zajmowała się zabezpieczeniem jakości obwodów elektrycznych na łuku i we wszystkich sektorach wewnętrznych akceleratora LHC, wykonaniem i sprawdzeniem pomocniczych, wieloprzewodowych kabli elektrycznych, służących do zasilania magnesów korekcyjnych, ogniskujących i rozogniskujących, (ogółem potrzebowano 23 km kabla 42−żyłowego i 80 km kabla 48−żyłowego). Ponadto pomagali załodze CERN przy sprzętowym uruchomieniu podzespołów akceleratora LHC oraz przy projektowaniu i konstrukcji sprzętu i oprogramowania potrzebnych do działalności zespołu ELQA. Inny zespół (Inspection Team) z IFJ PAN wykonywał kontrolę połączeń rur próżniowych, połączeń rur do ciekłego helu i azotu, a także wszystkich pozostałych połączeń między segmentami magnesu LHC (segment to ok. 150 m). W pracach w tunelu uczestniczyli także inżynierowie z AGH i Politechniki Wrocławskiej przyczyniając się do ogólnego sukcesu.

Pracownicy IFJ PAN oraz Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH budowali detektor wewnętrzny ATLAS−a, opracowali do niego detektory krzemowe i słomkowe. Tworzyli elektronikę do ich zasilania, odczytu i sterowania, instalowali, uruchamiali i testowali poszczególne elementy aparatury.

Przy budowie CMS pracowali fizycy i inżynierowie z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW. Zaprojektowali szybką elektronikę zapewniającą podejmowanie decyzji co 25 ns. Zbudowali około 3000 jej elementów oraz zapewnili poprawne działanie całego systemu preselekcji mionów.

W budowie detektora LHCb uczestniczyli polscy fizycy i inżynierowie z IFJ PAN, IPJ oraz AGH, którzy znacznie się przyczynili do opracowania prototypu detektora słomkowego i jego finalnej wersji, opracowali elektronikę do synchronizacji detektora z akceleratorem. Wszystkie panele do konstrukcji modułów detektora o powierzchni 1000 m2 w ultralekkiej technologii powstały w IFJ. Zespół warszawski wykonał system precyzyjnego monitorowania położeń elementów detektora.

W projektowaniu, budowie i testowaniu Czasowej Komory Projekcyjnej (TPC), cylindrycznego detektora o średnicy i długości 5 m uczestniczyło kilku Polaków z IFJ PAN. Detektor ten posłuży do określenia torów pojedynczych cząstek. Fizycy z IPJ budowali detektor PHOS, złożony z 18 tys. kryształów wolframianu ołowiu, który będzie rejestrować pojedyncze fotony o dużej energii, emitowane z plazmy kwarkowo−gluonowej. Fizycy i studenci z Politechniki Warszawskiej współtworzyli elektronikę do detektora T0, służącego do preselekcji interesujących zderzeń, na podstawie których opracowuje się sposób poszukiwania plazmy.

Budowę polskiego odcinka światowej sieci obliczeniowej Grid do LHC (WLCG) realizowano poprzez projekt CrossGrid. Uczestniczyło w nim pięć ośrodków polskich: z Krakowa Akademickie Centrum Komputerowe Cyfronet AGH – jako koordynator – i IFJ PAN, z Warszawy IPJ oraz Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (ICM) UW, a z Poznania Poznańskie Centrum Superkomputerowo−Sieciowe (PCSS). Powstała infrastruktura gridowa na potrzeby polskich fizyków cząstek i pilotażowy projekt LHC Computing Grid (LCG). Przeprowadzone testy pokazały, że już jesteśmy w stanie sprostać wymaganiom partnerów współpracy światowej sieci WLCG.

Nowa fizyka?

Prace nad Wielkim Zderzaczem Hadronów rozpoczęły się około 30 lat temu, tj. tuż przed uruchomieniem akceleratora LEP. Tyle trwały przygotowania koncepcyjne, budowa i testy urządzeń prototypowych prowadzące do przygotowania ostatecznego projektu aparatury pomiarowej do eksperymentów, prace związane z rozwojem nowych technik przyspieszania wiązek, a także systemów sterowania i monitorowania pracy akceleratora, rozwój technologii informatycznych, w tym systemów zbierania danych, oprogramowania do ich analizy i symulacji eksperymentów, rozwój technologii i systemów elektronicznych do aparatury pomiarowej, systemu zbierania danych z eksperymentów. Ostateczną decyzję o budowie podjęto w 1994 roku, kiedy program naukowy badań na LHC był już sprecyzowany. I chociaż akcelerator będzie pracował blisko 20 lat, a pierwszych wyników możemy się spodziewać dopiero za 2 lata, to już, podobnie jak poprzednio, fizycy na całym świecie od niemal dekady myślą o następnych urządzeniach badawczych pozwalających przekroczyć kolejne bariery poznawcze. W przypadku tak zaawansowanych urządzeń cykl wypracowywania koncepcji, tworzenia nowych technologii i poszukiwania nowych materiałów i rozwiązań, mogących sprostać stawianym niebotycznym wymaganiom, trwa długie lata i angażuje ogromne zespoły badawcze na całym świecie.

Następnym realizowanym projektem będzie Międzynarodowy Zderzacz Liniowy ILC, urządzenie zderzające elektrony i pozytony.

Ale teraz z niecierpliwością czekamy na pierwsze zderzenia wiązek w LHC i na pierwsze sygnały pochodzące od nowych cząstek. Być może na całkiem nową fizykę...