Obawiano się, że to urządzenie zniszczy świat. Kto stoi za Wielkim Zderzaczem Hadronów?

Spis treści:

1. Czym jest Wielki Zderzacz Hadronów?
2. Kim był twórca Wielkiego Zderzacza Hadronów?
3. Teorie spiskowe na temat Wielkiego Zderzacza Hadronów
4. LHC i jego eksperymenty
5. Z wizytą w Wielkim Zderzaczu Hadronów

10 września 2008 roku fizycy na całym świecie z niecierpliwością oczekiwali na uruchomienie największej maszyny na świecie – Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC, Large Hadron Collider).

Czym jest Wielki Zderzacz Hadronów?

LHC to kolisty zderzacz protonów o długości dwudziestu siedmiu kilometrów zbudowany w CERN-ie niedaleko Genewy, sto metrów pod ziemią na granicy między Francją a Szwajcarią. Urządzenie powstało w formie pomysłu w 1984 roku, jego budowa została zatwierdzona przez Radę CERN-u w 1994 roku. Po ćwierć wieku prac miała po raz pierwszy przyspieszać protony. Dla walijskiego fizyka Lyndona („Lyna”) Evansa, który nadzorował LHC jako dyrektor projektu od momentu jego powstania w 1994 roku, było to zwieńczenie całej kariery w budowaniu akceleratorów cząstek.

Kim był twórca Wielkiego Zderzacza Hadronów?

Evans sprawia wrażenie osoby skromnej, życzliwej i praktycznej. Ta skromność polega na rzadkim wspominaniu w wywiadach o własnej karierze, ale pseudonim trochę zdradza jego charakter. „Atomowy Evans” to niepowstrzymana siła stojąca za LHC.

Evans pracuje w CERN-ie od 1969 roku. Jednak w trakcie kariery był wszędzie tam, gdzie potrzebowano jego wiedzy, podążając za zderzaczami o coraz wyższych energiach: od supersynchrotronu protonowego 300 GeV w CERN-ie po Tevatron w Fermilabie i Nadprzewodzący Superzderzacz w Teksasie. Kiedy prace nad tym ostatnim zostały wstrzymane, LHC okazał się przyszłością fizyki cząstek, a urzeczywistnienie tego projektu stało się racją bytu Evansa. „Naukowiec nie może osiągnąć nic większego” – wyznał.

Evans ma świadomość ogromu swych dokonań i wciąż czuje się onieśmielony za każdym razem, gdy wchodzi do tunelu LHC. Jego funkcja przy budowie zderzacza polegała na nadzorowaniu około dwóch i pół tysiąca pracowników CERN-u oraz kolejnych trzystu naukowców i inżynierów z Rosji, Chin, Stanów Zjednoczonych i innych krajów, które zbudowały podzespoły do tego akceleratora. Evans wspomina, że kiedy spotkał się z prezydentem Chin, pomyślał sobie: „Nieźle jak na faceta z Aberdare!”.

Teorie spiskowe na temat Wielkiego Zderzacza Hadronów

Niestety, nie wszyscy byli tak podekscytowani uruchomieniem LHC jak Evans i jego współpracownicy. W trakcie przygotowań do tej historycznej chwili niektóre serwisy informacyjne pełne były nagłówków w rodzaju: Fachowcy zapewniają, że „nie zniszczą Ziemi” i skupiły się na propagowaniu pomysłu, że LHC może stworzyć czarną dziurę i zniszczyć nas wszystkich.

Koncepcja ta opierała się na pewnej sprawie sądowej pomijającej ugruntowaną wiedzę i mającej na celu niedopuszczenie do uruchomienia maszyny. Ten rodzaj teorii spiskowej dochodzi do głosu za każdym razem, gdy rozpoczyna działanie nowy duży akcelerator. Urządzenie badające Wielki Wybuch może zniszczyć Ziemię – głosił nagłówek w 1999 roku, kiedy w Stanach Zjednoczonych uruchamiano akcelerator o nazwie Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów. Oczywiście nadal działa bez przeszkód.

Promieniowanie kosmiczne przez cały czas bombarduje Ziemię z kosmosu cząstkami o znacznie wyższych energiach – tysiące razy większych niż wiązki Wielkiego Zderzacza Hadronów – i dzieje się tak przez całe pięć miliardów lat istnienia Ziemi. Różnica polega na tym, że LHC tworzy te wysokoenergetyczne zderzenia celowo, na żądanie i znacznie częściej niż promienie kosmiczne.

Cała społeczność fizyków cząstek elementarnych wiązała swoje nadzieje na nowe odkrycia z tymi zderzeniami. Szukali nie tylko bozonu Higgsa – brakującego elementu Modelu Standardowego – ale wszystkiego, co mogła zawierać natura, a co leżało poza naszym obecnym rozumieniem fizyki.

LHC i jego eksperymenty

Na obwodzie LHC znajdują się cztery główne eksperymenty zwane:

ATLAS (A Toroid LHC ApparatuS),

CMS (Compact Muon Solenoid),

ALICE (A Large Ion Collider Experiment),

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment).

Ich cele badawcze obejmują niemal wszystkie ważne pytania w fizyce cząstek elementarnych, od istnienia ciemnej materii po powód tego, że widzimy wokół siebie więcej materii niż antymaterii. Budowa LHC i jego eksperymentów przebiegała w zupełnie odmienny sposób.

Podczas gdy LHC był w 80% dostarczony przez CERN, przy około dwudziestoprocentowym udziale partnerów, to eksperymenty – składające się z ogromnych detektorów cząstek – zorganizowano odwrotnie. Zostały zbudowane przez niezależne grupy naukowców z całego świata, którzy połączyli siły, tworząc duże międzynarodowe współpracujące ze sobą zespoły, przy czym CERN zapewniał około dwudziestu procent wkładu prac, w tym podziemne pieczary i infrastrukturę.

ATLAS jest eksperymentem położonym najbliżej głównej siedziby CERN-u w Meyrin, który zwiedzający czasami mogą zobaczyć, jeśli mają wystarczająco dużo szczęścia, aby załapać się na wycieczkę po ośrodku. Wchodzi się do niego przez niepozorne drzwi do magazynu; goście pokonują korytarz wielkości katedry w kierunku ogromnej okrągłej dziury w podłodze. Przez barierkę widać tylko ciemność. Powyżej znajduje się ciężki metalowy dźwig ze wzmocnionej stali służący do przenoszenia całych ciężarówek w głąb Ziemi. Każdy element eksperymentu ATLAS został spuszczony przez takie szyby i poskładany jak ogromny, chłodzony ciekłym helem statek w butelce.

Z wizytą w Wielkim Zderzaczu Hadronów

Turyści przechodzą przez niebieską metalową klatkę o industrialnym wyglądzie, by dotrzeć do srebrnych drzwi windy. Tutaj każdy musi założyć niebieski kask z napisem „CERN”.

Potem przychodzi czas na zjazd w dół: sto metrów w głąb Ziemi. Emocje narastają, gdy wychodzi się z windy na brzęczący pod stopami metalowy chodnik. Za rogiem znajduje się ściana rozciągająca się na wiele kondygnacji w górę i w dół. Tylko że tak naprawdę to nie jest ściana. Pokrywają ją kable i elektronika i wkrótce zdajemy sobie sprawę, że mamy do czynienia z szeregiem koncentrycznych warstw technologii detektorowej.

Oto detektor ATLAS. Przy czterdziestu sześciu metrach długości i dwudziestu pięciu metrach średnicy jest często porównywany do rozmiarów katedry, ale te liczby nie są w stanie przygotować nas na to, jak ogromny jest w rzeczywistości. Zwiedzający próbują zrozumieć jego wiele warstw, od detektorów pikselowych dających precyzyjne ślady cząstek w środku, po komory mionowe na brzegach wychwytujące cząstki, które mogły przejść niezauważone przez pierwsze warstwy.

To jest przedruk z książki autorstwa Suzie Sheehy pt. „Kwintesencja wszystkiego. Dwanaście eksperymentów, które zmieniły nasz świat”, która ukazała się nakładem Wydawnictwa Zysk i S-ka. Tytuł, skróty i śródtytuły pochodzą od redakcji.

Tytuł oryginału: The Matter of Everything.Twelve Experiments that Changed our World, Copyright © Suzie Sheehy, 2022
All rights reserved, Copyright © for the Polish translation by Tomasz Lanczewski, 2024, Copyright © for the Polish edition by Zysk i S-ka Wydawnictwo s.j., Poznań 2024.