Budynek, w którym odbywa się większośc konferencji. Ściany holu zdobi zdjęcie detektora CMS naturalnej wielkości (17 metrów wysokosci).
(fot. Krzysztof Sadowski)
- Czytałem kiedyś książkę z dziedziny fantastyki o CERN-ie. Jacyś szaleni naukowcy wykradają stamtąd antymaterię, żeby unicestwić świat. Pan tam niedawno był.
- CERN to Europejska Organizacja Badań Jądrowych. Najnowocześniejszy na świecie ośrodek zajmujący się dociekaniem, z czego zbudowana jest materia i jakie siły ją utrzymują. Mieści się pod Genewą w Szwajcarii. Mówi się, że jest to największe skupisko fizyków na 1 km kwadratowy. Dla mnie była to przygoda życia!
- Jak pan tam trafił?
- Napisałem artykuł o tranzystorach i tak wygrałem ogólnopolski konkurs. Nagrodą było tygodniowe szkolenie w CERN wraz z 30 innymi fizykami.
- CERN słynny jest z Wielkiego Zderzacza Hadronów usytuowanego pod ziemią, że się pochwalę powierzchowną wiedzą...
- Byłem przy zderzaczu, ale nie w środku, gdyż akurat trwał eksperyment. Jego podstawą jest tunel umieszczony 100 m pod ziemią, gdzie - mówiąc w uproszczeniu - znajduje się "rura" o średnicy piłeczki pingpongowej, którą pędzą cząstki. Jest otoczona silnymi elektromagnesami nadprzewodzącymi umieszczonymi w ciekłym helu. Całość tworzy pierścień o długości 27 kilometrów. Biegnie pod terytorium Szwajcarii i Francji. W tunelu cząstki materii są rozpędzane do prędkości bliskiej prędkości światła: osiągają 99,999 999 991 jej wartości. W ciągu sekundy okrążają tunel aż 11.000 razy! W ramach eksperymentów kieruje się na przeciw sobie dwie wiązki cząstek, powiedzmy protonów lub jąder atomów ciężkich. I następuje zderzenie!
- Biegną naprzeciw siebie te małe cząstki, zderzają się czołowo, niczym samochody na "trójce" pod Sulechowem, i co dalej...
- Na trasie Wielkiego Zdarzacza Hadronów są ogromne urządzenia, detektory, które rejestrują powstałe w wyniku zderzenia cząstki, a wysokiej klasy komputery analizują te dane i zapisują. Fizycy zaś polują na nowe cząstki, które mogą się wtedy ujawnić. Tak poznajemy naturę materii.
- Ale po co to wszystko? - zapytam jako dyletant. Czy my, zwykli, ludzie coś z tego rozpędzania i zderzania mamy?
- Głównym celem badań jest poznanie materii, opis powstania wszechświata. A korzyści dla zwykłego człowieka? Jest taka anegdota o znanym fizyku Faraday'u. Po jednym z jego wykładów o indukcji elektromagnetycznej, minister skarbu zapytał go: - A cóż za praktyczne korzyści przyniesie to pańskie odkrycie? - Tego jeszcze nie wiem, ale mogę pana zapewnić, że wkrótce będzie pan ściągał z tego podatki - odparł fizyk.
Podobnie jest tutaj. Na pewno CERN ma wpływ na rozwój nowych technologii, fizyki medycznej, np. na leczenie raka poprzez naświetlania.
- Niedawno wszystkie media szumiały od zachwytów, że wykryto "boską cząstkę materii", tzw. bozon Higgsa. Niektórzy mówili, że to dowód na istnienie Boga. Naprawdę?
- Zapytaliśmy o to na wykładzie naukowców z CERN. I zaskoczenie, nie używają pojęcia boska cząstka. Mówią bozon Higgsa. To jedna z elementarnych cząstek materii, być może, jej "boskość" polega na tym, że zamyka teorię dotyczącą materii, zwaną Modelem Standardowym. Ale tylko tyle.
- Nosi pan koszulkę z angielskim zdaniem, że składamy się głównie z... pustki. Przywiózł ją pan z Genewy?
- Tak. Już wyjaśniam to hasło. Wiadomo, że nasze ciało składa się z atomów. Jednakże atom, to też wiemy, składa się z jądra tworzonego przez protony i neutrony, wokół niego krążą zaś elektrony. Proszę sobie wyobrazić - stosując nasze, ludzkie wielkości, że jeżeli atom miałby 100 km średnicy, to jego jądro zaledwie 10 m, proton już tylko 1 m, a kwarki i krążące na orbitach atomu elektrony 1 mm. W całości mamy zatem atom, ale w nim są ogromne puste przestrzenie. Z tego się składamy!
- Nie wiem, czy mam się cieszyć, czy nie... W każdym razie dziękuję za rozmowę.
Wypowiedź Krzysztofa Sadowskiego o wyjeździe do CERN
Wejście do LHC - Wielkiego Zderzacza Hadronów znajduje się 100 metrów pod ziemią i jest zabezpieczone m.in. skanerem siatkówki oka
W bieżącym roku w mediach kilkakrotnie ukazywały się rewelacyjne wiadomości płynące z CERN. Dotyczyły one odkrycia bozonu Higgsa, przekroczenia prędkości światła, czy też ostatnio o wyborze prof. Agnieszki Zalewskiej na urząd przewodniczącej Rady CERN.
CERN to Europejska Organizacja Badań Jądrowych. Nie każdy jednak wie, że przy CERN powstał zespół do spraw edukacji, którego zadaniem jest motywowanie uczniów do pogłębiania wiedzy z fizyki w szkole i zachęcanie ich do studiowania nauk przyrodniczych. W tym celu organizowane są wykłady i warsztaty dla nauczycieli, przez których chce się dotrzeć do jak najszerszej grupy uczniów w Polsce. Program kursu obejmuje tygodniowy pobyt w europejskim laboratorium pod Genewą. W tym czasie nauczyciele uczestniczą w wykładach, zwiedzają laboratoria, zapoznają się z działającymi w CERN urządzeniami badawczymi i wizytują sale kontrolne eksperymentów , które gromadzą dane ze zderzeń protonów w akceleratorze LHC, czyli Wielkim Zdarzaczu Hadronów . W takim kursie, organizowanym w listopadzie br., miałem okazję uczestniczyć .
Mój pobyt w CERN był nagrodą w ogólnopolskim konkursie na artykuł popularnonaukowy z fizyki. Wiedziałem, że pobyt w tym kultowym dla fizyka miejscu będzie czymś wyjątkowym. Rzeczywistość przerosła jednak oczekiwania, CERN oczarował atmosferą, ludźmi i stosowanymi technologiami.
Co się bada w CERN?
Głównym celem badań prowadzonym w CERN jest stworzenie teorii, która opisuje materię oraz siły w niej występujące. Z wiedzy wyniesionej ze szkoły wiemy, że materia zbudowana jest z atomów, które tworzy jądro (protony i neutrony) oraz poruszające się wokół niego elektrony. Jednak badania prowadzone z użyciem akceleratorów dostarczyły dowodów, że rzeczywistość jest bardziej złożona i udało się fizykom ją opisać za pomocą zbioru teorii zwanego Modelem Standardowym.
Model ten opisuje cząstki występujące w przyrodzie oraz wszystkie oddziaływania (z wyjątkiem grawitacyjnego) przy pomocy cząstek elementarnych (fundamentalnych). Trochę teorii.
W uproszczeniu zakłada on, że istnieje 12 cząstek fundamentalnych, z których zbudowana jest materia (zwanych fermionami) i 5 cząstek zwanych bozonami, które przenoszą oddziaływania (foton, gluon, bozonZ, bozonW, bozon Higgsa). Cząstką fundamentalną jest np. elektron, a proton, który przez wiele lat uważano za cząstkę elementarną zbudowany jest z 3 kwarków związanych silnym oddziaływaniem przenoszonym przez gluony.
Każda cząstka fundamentalna ma swoją antycząstkę i mówimy wtedy o antymaterii.
Podstawowy problem podczas konstruowania Modelu Standardowego wynikał z faktu, że cząstki elementarne powinny być pozbawione masy! Rozwiązanie tego problemu przedstawił w roku 1960 zespół fizyków pod kierownictwem Petera Higgsa. Według ich teorii cały wszechświat wypełnia pole (nazwane polem Higgsa), z którym oddziałują bozony Higgsa skupione wokół cząstek. Właśnie to oddziaływanie nadaje cząstkom masę. Teoria ta musiała czekać prawie 50 lat na potwierdzenie.
Problemy do rozwiązania
W lipcu 2012 r. w CERN zarejestrowano cząstkę, która może być bozonem Higgsa. Wszystko na to wskazuje jednak biorący udział w badaniach naukowcy nie wykluczają, że równie dobrze może to być nowa, do tej pory nieznana cząstka.
Wielkie wrażenie zrobiło na mnie samo laboratorium, efekt współpracy naukowców i inżynierów. Zanim protony trafią do Wielkiego Zderzacza Hadronów są przyspieszane przez kilka akceleratorów. W rezultacie uzyskują one prędkość bliską prędkości światła (99,999 999 991 jej wartości). Z taką prędkością są kierowane jako dwie przeciwbieżne wiązki do zdarzacza.
Żeby wiązka protonów nie była rozpraszana na cząsteczkach gazu w tunelu musi panować ultrawysoka próżnia. Sterowanie wiązką o tak dużej prędkości i energii wymaga rozwiązania wielu problemów. By wymusić ruch protonów po torze kolistym zakrzywia się ich tory za pomocą bardzo silnego pola magnetycznego wytwarzanego przez potężne elektromagnesy. Zbudowano je z nadprzewodników materiałów, które w bardzo niskich temperaturach nie stawiają oporu elektrycznego i są zasilane prądem o natężeniu kilkunastu tysięcy amperów. Nadprzewodzące uzwojenia elektromagnesów muszą być schłodzone za pomocą ciekłego helu do temperatury ok. 2 stopni powyżej zera bezwzględnego ( -271 C). Dodatkowe magnesy korygują wiązkę protonów zapobiegając jej rozbieganiu się i ogniskują ją w punktach zderzeń wewnątrz detektorów.
Detektory służą do rejestrowania i badania cząstek powstałych w wyniku zderzenia protonów. Największy z detektorów ATLAS jest urządzeniem niezwykle zaawansowanym technologicznie. Ma kształt walca o średnicy 25 m i długości 46 metrów i waży 7.000 ton. Urządzenie to śledzi trajektorie cząstek, mierzy ich energię, określa pędy i ładunki elektryczne. Dane te w postaci cyfrowej przesyłane są do systemu komputerowego.
Warto się uczyć fizyki
Kolejny problem, który stanął przed naukowcami i inżynierami to ogromna ilość danych. W ciągu sekundy następuje bowiem 1.000.000.000 zderzeń. Detektor może zarejestrować w tym czasie "zaledwie" 40.000.000 zderzeń. Takiej ilości danych nie jest jednak w stanie zapisać żaden system komputerowy. Dlatego zbudowano system wyzwalania (tzw. trygger), który wybiera 100 "zdarzeń interesujących", czyli takich, które mogą doprowadzić do nowych odkryć i te są zapisywane.
W ciągu roku gromadzi się 15 PB (petabajtów) danych. Ich analizą zajmuje się centrum komputerowe CERN, w którym zainstalowano 20.000 komputerów o wielkiej mocy obliczeniowej.
CERN zatrudnia prawie 3.000 osób różnych profesji, którzy projektują i budują urządzenia, zapewniają ich sprawne działanie, a także przygotowują i interpretują skomplikowane eksperymenty naukowe. W tej grupie znajduje się ponad 200 Polaków.
Jest tam także miejsce dla uczniów gimnazjów, liceów, techników czy studentów.
Pobyt w takim ośrodku badawczym jakim jest CERN uświadamia, że osoby mające wykształcenie techniczne mogą znaleźć bardzo ciekawą i dobrze płatną pracę. Dlatego pragnę przekazać młodym ludziom, że warto uczyć się przedmiotów ścisłych. Być może będzie im dane uczestniczyć w tworzeniu nowych, zaawansowanych technologii, które z kolei pozwolą "dotknąć" niewidzialnego świata. A może odkryć coś co zostanie uhonorowane Noblem, najbardziej pożądaną nagrodą przez naukowców na całym świecie.
Krzysztof Sadowski
Dołącz do nas na Facebooku!
Publikujemy najciekawsze artykuły, wydarzenia i konkursy. Jesteśmy tam gdzie nasi czytelnicy!
Kontakt z redakcją
Byłeś świadkiem ważnego zdarzenia? Widziałeś coś interesującego? Zrobiłeś ciekawe zdjęcie lub wideo?
