W śro­dę, 20 kwiet­nia br., w Ge­ne­wie prof. Krzysz­tof Ku­rek, dy­rek­tor NCBJ i dr Frédérick Bor­dry dy­rek­tor ds. Tech­no­lo­gii Ak­ce­le­ra­to­rów w Eu­ro­pej­skiej Or­ga­ni­za­cją Ba­dań Ją­dro­wych CERN pod­pi­sa­li umo­wę o dal­szej współpra­cy. W po­ro­zu­mie­niu szcze­gól­ny na­cisk po­ło­żo­no na dal­sze pra­ce ba­daw­czo-roz­wo­jo­we zwią­za­ne z podnie­sie­niem wy­daj­no­ści Wiel­kie­go Zder­za­cza Ha­dro­nów (LHC).

Pod­pi­sa­ne wczo­raj po­ro­zu­mie­nie two­rzy ra­my do dal­szej współpra­cy po­mię­dzy Na­ro­do­wym Cen­trum Ba­dań Ją­dro­wych (NCBJ) a Eu­ro­pej­ską Or­ga­ni­za­cją Ba­dań Ją­dro­wych (CERN). Na mo­cy po­ro­zu­mie­nia na­uko­wy i tech­ni­cy ze Świer­ku bę­dą jesz­cze bar­dziej za­an­ga­żo­wa­ni nie tyl­ko w przed­się­wzię­cia na­uko­we ale rów­nież w pra­ce ba­daw­czo-roz­wo­jo­we zwią­za­ne z utrzy­ma­niem i podnie­sie­niem parame­trów naj­bar­dziej skom­pli­ko­wa­ne­go urzą­dze­nia na­uko­we­go na świe­cie, ja­kim jest Wiel­ki Zder­zacz Ha­dro­nów (LHC).

„Pod­pi­sa­ne wczo­raj po­ro­zu­mie­nie o dal­szej współpra­cy jest wy­ni­kiem wy­so­kiej oce­ny ja­ko­ści prac wy­ko­na­nych przez pol­skich na­ukow­ców i tech­ni­ków za­rów­no przy bu­do­wie jak i w pierw­szym okre­sie eks­plo­ata­cji Wiel­kie­go Zder­za­cza Ha­dro­nów LHC” – pod­kre­ślił prof. Krzysz­tof Ku­rek, dy­rek­tor NCBJ – „Na­si part­ne­rzy do­ce­nia­ją rów­nież nasz wkład w mo­der­ni­za­cję urzą­dze­nia, m.in. wy­ko­na­nie ele­men­tów do pierw­sze­go stop­nia przy­spie­sza­nia czą­stek w kom­pleksie ak­ce­le­ra­to­rów za­si­la­ją­cych LHC”.

Pod­czas dwu­let­niej prze­rwy na­pra­wio­no i zmo­der­ni­zo­wa­no klu­czo­we ele­men­ty Wiel­kie­go Zder­za­cza Ha­dro­nów oraz zna­czą­co podwyż­szo­no pa­ra­me­try urzą­dzeń. Prze­te­sto­wa­no nad­prze­wo­dzą­ce ma­gne­sy kon­tro­lu­ją­ce tor lo­tu czą­stek i kil­ka z nich wy­mie­nio­no, opra­co­wa­no no­wy sys­tem krio­ge­nicz­ny utrzy­mu­ją­cy ma­gne­sy w sta­nie nad­prze­wo­dzą­cym, za­pro­jek­to­wa­no bez­piecz­niej­szy sys­tem próż­nio­wy, wpro­wa­dzo­no roz­wią­za­nia le­piej ogni­sku­jące wiąz­ki, podwyż­sza­ją­ce ener­gie jak rów­nież ukła­dy elek­tro­nicz­ne od­por­ne na pro­mie­nio­wa­nie. Pro­wa­dzo­ne pra­ce, ze wzglę­du na sto­pień skom­pli­ko­wa­nia, wy­ma­ga­ły du­żej do­kład­no­ści, za­an­ga­żo­wa­nia sze­re­gu spe­cja­li­stów z róż­nych dzie­dzin jak i cza­su. Wśród nich ak­tyw­nie uczest­ni­czy­ły rów­nież pol­skie gru­py.

Wiel­ki Zder­zacz Ha­dro­nów po grun­tow­nej prze­bu­do­wie uru­cho­mio­no po­now­nie w 2015 ro­ku. Naj­waż­niej­szy­mi efek­ta­mi prac mo­der­ni­za­cyj­nych jest podwyż­sze­nie ener­gii czą­stek do 6,5 TeV oraz zwięk­sze­nie czę­sto­tli­wo­ści zde­rzeń. W zmo­der­ni­zo­wa­nym LHC, pod­czas „Run 2” za­pla­no­wa­ne­go do ro­ku 2017, ba­da­cze ma­ją na­dzie­ję na uzy­ska­nie do­kład­niej­szych in­for­ma­cji do­ty­czą­cych: bo­zo­nu Hig­g­sa, ciem­nej ma­te­rii, su­per­sy­me­trii, an­ty­ma­te­rii, pla­zmy kwar­ko­wo-gluono­wej czy czą­stek eg­zo­tycz­nych.

Fi­zy­cy za­kła­da­ją, że Wiel­ki Zder­zacz Ha­dro­nów bę­dzie pra­co­wać jesz­cze przez ko­lej­nych 20 lat. Okres ten obej­mu­je kil­ka za­pla­no­wa­nych przerw tech­nicz­nych nie­zbęd­nych dla kon­ser­wa­cji i mo­der­ni­za­cji urzą­dze­nia. Dal­sze ba­da­nia za­le­żą od od­kryć na­uko­wych oraz moż­li­wo­ści or­ga­ni­za­cyj­nych, tech­no­lo­gicz­nych i eko­no­micz­nych.

Wiel­ki Zder­zacz Ha­dro­nów jest naj­bar­dziej skom­pli­ko­wa­nym urzą­dze­niem skon­stru­owa­nym przez czło­wieka. To ro­dzaj mi­kro­sko­pu po­zwa­la­ją­ce­go ba­dać świat w bar­dzo ma­łych ska­lach. Do­cho­dzi w nim do zde­rzeń dwóch po­ru­sza­ją­cych się w prze­ciw­ne stro­ny wią­zek czą­stek – pro­tonów lub ją­der oło­wiu. Aby LHC dzia­łał, po­trzeb­ny jest ca­ły kom­pleks ak­ce­le­ra­to­rów, stop­nio­wo roz­pę­dzających cząst­ki do co­raz więk­szych ener­gii. Je­śli chce­my zde­rzać pro­tony, wszyst­ko za­czy­na się od wo­do­ru, któ­rego ato­my skła­da­ją się z jed­ne­go pro­tonu i jed­ne­go elek­tro­nu. Ato­my te raz na kil­ka go­dzin są po­bie­ra­ne z nie­wiel­kiej bu­tli i jo­ni­zo­wa­ne, czy­li „ob­dzie­ra­ne” z elek­tro­nów. Tak otrzy­ma­ne pro­tony są kie­ro­wa­ne do ak­ce­le­ra­to­ra li­nio­we­go, gdzie roz­pę­dza się je mniej wię­cej do 30% pręd­ko­ści świa­tła. Na­stęp­nie tra­fia­ją do ak­ce­le­ra­to­ra PS Bo­oster i tu ich ener­gia ki­ne­tycz­na wzra­sta nie­mal 30-krot­nie. Z Bo­oste­ra pro­tony są prze­ka­zy­wa­ne do Syn­ch­ro­tro­nu Pro­tono­wego PS, a po­tem do Su­per­syn­ch­ro­tro­nu Pro­tono­wego SPS, na każ­dym eta­pie zwięk­sza­jąc ener­gię ok. 20 ra­zy. Na­stęp­nie tra­fia­ją wresz­cie do wnę­trza tu­ne­lu Wiel­kie­go Zder­za­cza Ha­dro­nów. Każ­de­go dnia w LHC roz­pę­dza się za­le­d­wie kil­ka na­no­gra­mów (10–9 g) wo­do­ru. Ozna­cza to, że gram te­go pier­wiast­ka wy­star­czył­by mniej wię­cej na mi­lion lat pra­cy ak­ce­le­ra­to­ra.

W LHC cząst­ki są for­mo­wa­ne w dwie prze­ciw­bież­ne wiąz­ki. Bie­gną one w dwóch rów­no­le­głych ru­rach o śred­ni­cy kil­ku centyme­trów. Ru­ry uło­żo­no ok. 100 me­trów pod zie­mią, w ko­li­stym tu­ne­lu o ob­wo­dzie 27 km. Aby cząst­ki nie roz­pra­sza­ły się za szyb­ko na ga­zach, we­wnątrz rur (na ca­łej dłu­go­ści tu­ne­lu) pa­nu­je ul­tra­wy­so­ka próż­nia. Do­ce­lo­wo pro­tony bę­dą roz­pę­dza­ne w LHC do pręd­ko­ści ok. 0,999999991 pręd­ko­ści świa­tła i w każ­dej se­kun­dzie okrą­żą tu­nel po­nad je­de­na­ście ty­się­cy ra­zy. Aby zmu­sić cząst­ki o tak du­żych ener­giach do ru­chu w ko­li­stym tu­ne­lu, trze­ba za­krzy­wiać ich to­ry za po­mo­cą po­la ma­gne­tycz­ne­go wy­twa­rza­ne­go przez po­nad 1200 po­tęż­nych elektroma­gne­sów. Prąd pły­ną­cy przez uzwo­je­nia ma­gne­sów ma na­tę­że­nie kil­ku­na­stu ty­się­cy am­pe­rów – jak w nie­wiel­kim wy­ła­do­wa­niu at­mos­fe­rycz­nym. Elek­tro­ma­gne­sy w tu­ne­lu LHC zbu­do­wa­no z nad­prze­wod­ni­ków, czy­li ma­te­ria­łów, któ­re w bar­dzo ni­skich tem­pe­ra­tu­rach nie sta­wia­ją opo­ru elek­trycz­ne­go. Wszyst­kie nad­prze­wod­ni­ki są schło­dzo­ne do tem­pe­ra­tu­ry za­le­d­wie 1,9 stop­nia po­wy­żej ze­ra bez­względ­ne­go (ozna­cza to, że we­wnątrz LHC jest chłod­niej niż w otwar­tej prze­strze­ni ko­smicz­nej). Oprócz ma­gne­sów di­po­lo­wych, pro­wa­dzą­cych cząst­ki wzdłuż rur próż­nio­wych, LHC wy­po­sa­żo­no w ze­spo­ły ma­gne­sów ogni­sku­jących i ko­rek­cyj­nych, któ­re za­po­bie­ga­ją roz­bie­ga­niu się wią­zek i ogni­sku­ją je w punk­tach zde­rzeń we­wnątrz de­tek­to­rów.

Pro­tony we wnę­trzu ak­ce­le­ra­to­ra krą­żą w pacz­kach po ok. 100 mi­liar­dów. Ener­gia wszyst­kich pa­czek krą­żą­cych w ak­ce­le­ra­to­rze mo­że od­po­wia­dać ener­gii eks­plo­zji na­wet 80 kg tro­ty­lu. W tu­ne­lu ak­ce­le­ra­to­ra, w sied­mio­me­tro­wych od­stę­pach, jed­no­cze­śnie mo­że krą­żyć po­nad 5600 ta­kich pa­czek. W osta­tecz­nej kon­fi­gu­ra­cji ak­ce­le­ra­to­ra obie pro­tono­we wiąz­ki bę­dą mia­ły ener­gię po­cią­gu o ma­sie 800 t, pę­dzą­ce­go z pręd­ko­ścią 150 km/h. Kon­tro­lo­wa­nie tak du­żej ener­gii przez tak zło­żo­ne urzą­dze­nie jest uni­ka­to­wym w ska­li świa­ta wy­zwa­niem na­uko­wym i tech­nicz­nym.

Po przy­spie­sze­niu wią­zek do wła­ści­wej ener­gii, cząst­ki mo­gą krą­żyć w tu­ne­lu przez wie­le go­dzin. In­ten­syw­ność wią­zek stop­nio­wo ma­le­je z po­wo­du kon­tro­lo­wa­nych zde­rzeń wią­zek w de­tek­to­rach oraz wsku­tek roz­pra­sza­nia czą­stek na reszt­kach ga­zu w ru­rach próż­nio­wych. Po pa­ru go­dzi­nach wiąz­ki są wy­pusz­cza­ne z tu­ne­lu i kie­ro­wa­ne na blo­ki gra­fi­to­we, gdzie wy­tra­ca­ją swo­ją ener­gię. Pod­czas zde­rza­nia wią­zek ener­gia ki­ne­tycz­na pier­wot­nych czą­stek (pro­tonów lub ją­der oło­wiu) prze­kształ­ca się w no­we, w więk­szo­ści nie­trwa­łe cząst­ki. Za­da­niem de­tek­to­rów jest iden­ty­fi­ka­cja czą­stek po­wsta­ją­cych w zde­rze­niach, po­miar ich po­ło­że­nia w prze­strze­ni, ła­dun­ku elek­trycz­ne­go, pręd­ko­ści, ma­sy i ener­gii. Na­praw­dę cięż­kie cząst­ki ma­ją cza­sy ży­cia krót­sze od jed­nej pi­ko­se­kun­dy i nie mo­gą być ob­ser­wo­wa­ne w żad­nym ukła­dzie de­tek­cyj­nym. Ich ba­da­nie jest moż­li­we tyl­ko dzię­ki ana­li­zie ener­gii i pę­dów za­re­je­stro­wa­nych pro­duk­tów ich roz­pa­du.

Cząst­ki z obu prze­ciw­bież­nych wią­zek zde­rza­ją się ze so­bą tyl­ko w wy­bra­nych miej­scach. W punk­tach prze­cię­cia wią­zek wy­bu­do­wa­no de­tek­to­ry czte­rech głów­nych eks­pe­ry­men­tów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. ATLAS jest naj­więk­szym de­tek­to­rem LHC. Za­wie­ra osiem nad­prze­wo­dzą­cych ce­wek ma­gne­tycz­nych, każ­da dłu­go­ści 25 m, uło­żo­nych w kształ­cie cy­lin­dra wo­kół ru­ry wiąz­ki znaj­du­ją­cej się w środ­ku de­tek­to­ra. Ca­ły ATLAS ma 46 m dłu­go­ści, 25 m wy­so­ko­ści i 25 m sze­ro­ko­ści, wa­ży 7000 t. Tro­chę mniej­szy CMS jest pra­wie dwu­krot­nie cięż­szy. Mak­sy­mal­na licz­ba zde­rzeń pro­ton-pro­ton w LHC mo­że się­gać mi­liar­dów na se­kun­dę – to mi­lio­ny ra­zy wię­cej przy­pad­ków niż czło­wiek umie za­pi­sać. Dla­te­go spe­cjal­ne ukła­dy elek­tro­nicz­ne do­ko­nu­ją na bie­żą­co se­lek­cji, od­dzie­la­jąc zde­rze­nia cie­ka­we (do za­pi­sa­nia) od nie­cie­ka­wych.