Widok na CERN. Biała linia pokazuje przebieg tunelu o długości 27 km, gdzie znajdują się pod ziemią akceleratory.

CERN to największy ośrodek badawczy fizyki cząstek elementarnych na świecie Założone w 1954 roku Laboratorium było jednym z pierwszych europejskich wspólnych przedsięwzięć. Położone jest na granicy francusko - szwajcarskiej na zachód od Genewy. W CERN pracuje 6500 naukowców, a więc połowa fizyków cząstek elementarnych na świecie. Reprezentują oni 500 uczelni i ponad 80 narodowości.
Działalność CERN to czysta nauka, poszukiwanie odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania dotyczące przyrody: Co to jest materia? Skąd się bierze? W jaki sposób tworzy ona tak skomplikowane obiekty, jak gwiazdy, planety i istoty ludzkie?
Zadaniem CERN jest dostarczanie fizykom wiązek cząstek o wysokich energiach, by mogli wykorzystywać je do swoich eksperymentów. Pod tym względem Laboratorium jest bezkonkurencyjne, bowiem posiada największy na świecie kompleks połączonych ze sobą akceleratorów (przyspieszacz cząstek) i odpowiednie detektory (urządzenia rejestrujące i analizujące otrzymane cząstki). Zderzając cząstki ze sobą wewnątrz akceleratorów zwanych zderzaczami luk zderzając je z tarczami znajdującymi się poza akceleratorem, wytwarza się nowe cząstki. Naukowcy w CERN badają miliony niezwykłych zderzeń, by zrozumieć, w jaki sposób około 15 miliardów lat później Wszechświat stał się taki, jakim go teraz widzimy.

Akcelerator liniowy w CERN

Przyspieszając cząstki do bardzo dużych energii i rozbijając je o wyznaczone tarcze lub o siebie nawzajem, fizycy mogą pokazać oddziaływania, występujące pomiędzy tymi cząstkami.
Istnieją dwa typy akceleratorów: liniowe i kołowe. W CERN są obydwa typy. Akceleratory wykorzystują potężne pola elektryczne, by nadać energię wiązce cząstek. Pola magnetyczne służą do utrzymania zwartości wiązki, a w urządzeniach kołowych do kierowania jej po okręgu.
Akceleratory liniowe nadają energię wiązce cząstek na całej długości akceleratora. Im urządzenie jest dłuższe, tym większa jest energia końcowa. W akceleratorach kołowych cząstki krążą cały czas, za każdym okrążeniem zwiększając energię. Ale im szybciej cząstki się poruszają, tym bardziej próbują wylecieć poza okrąg, tak jak samochody na ostrym zakręcie. Największy pracujący do tej pory akcelerator CERN Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy (LEP) ma bardzo duży obwód (27 kilometrów), co powoduje, że zakręty są bardzo łagodne. Obecnie LEP został rozebrany i na jego miejscu w tym samym tunelu buduje się nowy akcelerator wielki zderzacz hadronów - LHC. W przyszłości być może ponownie nastąpi uruchomienie LEP nad akceleratorem LHC.

Pierwsza prototypowa sekcja LHC po pierwszej pomyślnej próbie.

Wielki zderzacz hadronów czyli LHC (ang. Large Hadron Collieder), to akcelerator cząstek, który będzie sondował materię głębiej niż kiedykolwiek dotychczas . Poi jego uruchomieniu, które planowane jest na rok 2007, będą się w nim zderzać wiązki protonów o niesamowicie dużej energii, oraz przyspieszane będą wiązki ołowiu.
LHC wykorzysta nadprzewodnictwo. Aby utrzymać wiązki na odpowiednich torach LHC musi mieć silniejsze pole magnetyczne niż stosowane dotychczas. Nadprzewodnictwo to zdolność niektórych materiałów do przewodzenia, zwykle w bardzo niskich temperaturach, energii elektrycznej bez oporu czyli bez strat. LHC będzie działać w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego (-273°C). Akcelerator ten, mając obwód 27 km, będzie największą instalacją nadprzewodzącą na świecie.

Podwójna struktura nadprzewodzących magnesów LHC

Ponieważ LHC będzie przyspieszał dwie wiązki poruszające się w przeciwnych kierunkach, będą to w rzeczywistości dwa akceleratory w jednym. Aby urządzenie było maksymalnie zwarte i możliwie najmniej kosztowne, magnesy wbudowane będą w jeden blok.
LHC jest budowany w tym samym tunelu co LEP. Przed wpuszczeniem wiązki protonów do LHC, wiązki protonów będą przygotowywane przez akceleratory już pracujące w CERN.


Detektory, które będą badać zderzenia w LHC będą większe i bardziej skomplikowane niż dotychczasowe. Będą również szybsze, zdolne wychwycić około 800 milionów zderzeń w każdej sekundzie.
Z budową LHC związane są cztery programy badawcze: dwa wielkie i uniwersalne - ATLAS i CMS, oraz dwa mniejsze, bardziej wyspecjalizowane - ALICE i LHCB. Nazwy układów detekcyjnych i zespołów naukowych, które je projektują, budują i będą wykorzystywać po uruchomieniu LHC w 2007 roku, pochodzą od skrótów nazw angielskich. Przykładowo, CMS to Compact Muon Solenoid, czyli Zwarty (Magnes) Solenoidalny (do detekcji) Mionów.
Układy detekcyjne muszą zawierać więc dużą liczbę poddetektorów, podzielonych na wiele dalszych komórek. Każda z nich zawiera elektroniczny tor sygnałowy, składający się z wzmacniaczy, układów formowania impulsu, przetworników sygnałów analogowych na cyfry, kabli i włókien optycznych, systemu pamięci buforowych itp. Okazuje się, że liczba kanałów elektroniki systemów detekcyjnych jest bardzo wysoka: dla CMS wynosi ona około 100 mln kanałów. Tyle mniej więcej jest aparatów telefonicznych w Europie.

Fragment połączeń w CERN

Jednym z najtrudniejszych problemów stojących przed fizykami jest zbudowanie systemu wyzwalania, tzn. selekcji i odrzucania większości "nieciekawych" oddziaływań proton-proton. System wyzwalania w eksperymentach wysokich energii jest zazwyczaj kilkustopniowy. Zadaniem pierwszego stopnia jest jak najszybsze (w około 3 ms) odrzucenie większości nieciekawych oddziaływań- takich, w których nie powstały obiekty o dużych pędach poprzecznych. Na tym poziomie niemożliwe jest wykonywanie złożonych testów lub jakichkolwiek obliczeń, gdyż trzeba działać z częstością 40 MHz. W czasie oczekiwania na decyzję nie powinniśmy jednak tracić potencjalnie interesujących przypadków. Szybkie rozstrzygnięcia muszą być podejmowane przez wyspecjalizowane układy procesorów pracujących równolegle, tworzących układ znacznie bardziej skomplikowany niż największe superkomputery. Przewiduje się, że po pierwszym etapie selekcji pozostanie około 30 tys. przypadków, które poddane zostaną szczegółowej analizie. Dopiero po odrzuceniu większości nieciekawych przypadków można wykonywać bardziej dokładne obliczenia, takie jak na przykład wyznaczenie pędów cząstek i sprawdzenie, czy w danym zderzeniu nie zaobserwowano rozpadów cząstek o czasach życia większych niż 1 ps (takie rozpady można obserwować w detektorach). Takie operacje mogą już wykonywać zestawy dostępnych komputerów, z których każdy zajmuje się jednym przypadkiem. Komputer taki musi otrzymać wszystkie informacje o danym przypadku, czyli wspomniane ponad 100 mln liczb. Musimy więc zaprojektować i zbudować swoistą centralę telefoniczną, która potrafi łączyć 100 mln abonentów-kanałów elektroniki z centralą-komputerem z częstości 40 MHz (nie chcemy bowiem zgubić żadnego przypadku). Takie systemy wyzwalania i zbierania danych będą budowane w eksperymentach LHC.

Takie ślady powinna pozostawić po sobie w detektorze cząstka Higgsa, postała po zderzeniu elektronów i pozytonów w nowym alceleratorze liniowym

W LHC mają zostać zrealizowane cztery podstawowe programy eksperymentalne.


Cząstka ta jest ostatnim elementem składowym Modelu Standardowego, który nie został jeszcze zaobserwowany. Z przeprowadzonych dotychczas eksperymentów wiadomo, że jej masa spoczynkowa musi być bardzo duża. Celem badań, które zostaną przeprowadzone w LHC, będzie dokładne spenetrowanie całego tego obszaru możliwych wartości mas. Nie jest to zadanie proste, bowiem cząstka Higgsa ma niezwykle krótki czas życia i w zależności od swojej masy może rozpadać się na wiele różnych sposobów. Na szczęście, możliwe kanały rozpadu zostały w ciągu ostatnich kilkunastu lat gruntownie przeanalizowane zarówno teoretycznie, jak i za pomocą symulacji komputerowych i wiadomo bardzo dokładnie, jakie oznaki istnienia tej cząstki możemy zaobserwować w detektorach LHC.

Symulacja powstania hipotetycznych cząstek neutralino

Sformułowanie hipotezy supersymetrii stanowi bez wątpienia jedno z najważniejszych osiągnięć współczesnej fizyki teoretycznej. Symetria ta jest uogólnieniem symetrii czasu i przestrzeni, odkrytych na początku XX wieku przez Lorentza i Einsteina. Cechuje się ona tak niezwykłym pięknem, że jeśliby natura nie zrealizowałaby tej symetrii w świecie cząstek elementarnych, to byłoby zaiste niezwykle trudne do zrozumienia. Z punktu widzenia fizyka cząstek elementarnych supersymetria jest szczególnie ważna, ponieważ umożliwia budowę tzw. modeli wielkiej unifikacji, będących naturalnym uogólnieniem Modelu Standardowego. Teorie wielkiej unifikacji przewidują istnienie nowej klasy cząstek elementarnych, których będzie się w tym programie poszukiwać.


W LHC przyspieszane być mogą, zamiast protonów, również ciężkie jony (na przykład jądra ołowiu). Kiedy rozpędzone do wielkich energii jądra takie zderzają się ze sobą, przez krótką chwilę kwarki i gluony poddane zostają ciśnieniom i temperaturom wielokrotnie przekraczającym ciśnienia i temperatury panujące we wnętrzach najbardziej masywnych gwiazd. W tych ekstremalnych warunkach powstaje nowy, egzotyczny stan skupienia materii zwany plazmą gluonowo-kwarkową. W zderzeniach cząstek elementarnych struktura wiązań kwarków ulega zaburzeniu. Jeśli jednak energia i gęstość materii nie jest wystarczająco duża, każdy kwark znajduje sobie natychmiast odpowiedniego partnera w swoim najbliższym otoczeniu i wiąże się z nim. Sytuacja zmienia się drastycznie, kiedy gęstość materii gluonowo-kwarkowej osiąga pewną wartość graniczną. Wtedy każdy kwark ma w swoim otoczeniu wielu potencjalnych partnerów, z którymi może się związać. Na dodatek nie musi on pozostawać na zawsze w jednym związku, może porzucić swojego partnera i znaleźć sobie szybko nowego. Własności materii w stanie tej dzikiej orgii w wykonaniu kwarków i gluonów są w zasadzie nieznane. Chromodynamika kwantowa, teoria opisująca zachowanie kwarków i gluonów, jest jednym z najbardziej skomplikowanych i wyrafinowanych modeli fizyki teoretycznej i bardzo skutecznie opiera się dotychczas wysiłkom badaczy, próbujących przewidzieć opisywane przez nią zachowanie materii w ekstremalnych warunkach. Nie ulega jednak wątpliwości, że zrozumienie fizyki plazmy gluonowo-kwarkowej będzie miało kolosalne znaczenie nie tylko dla astrofizyki i kosmologii, ale może mieć daleko idące konsekwencje praktyczne.


Ostatnim z wielkich projektów doświadczalnych, które mają być przeprowadzone przy użyciu LHC, jest badanie własności kwarka b. LHC jest w stanie wyprodukować bardzo duże ilości tych kwarków, ich zachowanie z kolei pozwala na dokładny pomiar pewnych, trudnych do określenia w inny sposób, parametrów Modelu Standardowego. Badania fizyki kwarka b nie będą dotyczyć "nowej fizyki", ale bardzo dokładnego zbadania własności modelu, który jest już znany; są one jednak niezwykle ważne, ponieważ w konstruowaniu nowych teorii niezwykle istotna jest dokładna znajomość własności ich poprzedników.

---

W sierpniu 2004 roku zdecydowano na międzynarodowej konferencji w Pekinie o budowie akceleratora czyli przyrządu do przyspieszania cząstek naładowanych. Wybór miejsca, gdzie zostanie zbudowana maszyna, jest w pewnym sensie sprawą polityczną. Najpoważniejszymi kandydatami są Niemcy (ośrodek DESY) gdzie już pracuje próbny odcinek, USA (może Fermilab pod Chicago) i Japonia (KEK w Tsukuba). Decyzja zapadnie za dwa-trzy lata. Ma on być finansowany przez największe ośrodki fizyki na świecie - z Europy, USA i Japonii. Całkowity koszt budowy wynosi 5 mld dolarów.
Będzie to w odróżnieniu od LHC akcelerator liniowy, tzn. rozpędzane cząstki poruszać się będą po linii prostej. Służyć on będzie do badania zderzeń lekkich cząstek elektronów i pozytonów i dla takich cząstek akcelerator kołowy byłby droższy. Nowy przyspieszacz powstanie w tunelu o długości ponad 30 km i średnicy pięciu metrów umieszczonym kilkadziesiąt metrów pod ziemią. Cząstki będą rozpędzane napięciem ponad 26 mln woltów przez nadprzewodzące instalacje. Całkowita moc akceleratora wynosi aż 155 MW (całkowita moc elektrowni Adamów koło Turku wynosi 600MW) czyli jedną czwartą średniej wielkości elektrowni.

Rezonatora wykonanego z niobu w którym poruszać się będą elektrony i pozytony

Nowy akcelerator pozwoli badać cząstki powstałe w wyniku zderzenia elektronów i pozytonów. Takie warunki panowały zaraz po Wielkim Wybuchu, będzie więc można testować różne hipotezy przebiegu powstawania Wszechświata. Być może zbadamy dokładniej właściwości neutrino. Fizycy szukać też będą cząstki Higgsa. Testowana będzie teoria strun, według której wszystkie cząstki można traktować jak maleńkie struny. Szukać się też będzie cząstek postulowanych przez teorię supersymetrii, które wyginęły tuż po Wielkim Wybuchu. Taką cząstką jest neutralino, cząstka symetryczna do neutrino.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej. Opis projektu można znaleźć na stronie http://www.interactions.org/linearcollider/

---