Wielki Zderzacz Hadronów znów będzie zderzać

Jak w dobrym serialu, po sukcesie odcinków z sezonu pierwszego (odkrycie bozonu Higgsa podczas tzw. „Run 1”) oczekuje się jeszcze ciekawszych wydarzeń w kolejnych odsłonach sezonu drugiego. „Run 2” czas zacząć!
Wielki Zderzacz Hadronów, najpotężniejszy akcelerator świata, jest gotowy do ponownego uruchomienia. Podczas dwuletniej przerwy naprawiono i zmodernizowano jego kluczowe elementy oraz znacząco podwyższono parametry urządzeń. Pozwoli to badaczom, wśród których jest również około 100 ekspertów z Polski, na eksplorowanie nowych horyzontów fizyki oraz lepsze zrozumienie budowy materii na poziomie fundamentalnym.
– Najważniejszymi efektami prac modernizacyjnych jest podwyższenie energii cząstek do 6,5 TeV. Po raz pierwszy w historii uzyskamy energię zderzeń na poziomie 13 TeV. Pozwoli to nam na poszukiwanie nowych, szczególnie ciężkich, cząstek oraz zweryfikowanie teorii, które do tej pory były niemożliwe do sprawdzenia – tłumaczy dr Maciej Górski, Kierownik Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ, uczestnik eksperymentu CMS w LHC.
– Co więcej, zderzenia cząstek będą zachodzić co 25 nanosekund, dzięki czemu uzyskamy ponad dwukrotnie większą ich liczbę, a więc więcej danych do szczegółowych analiz niż w latach 2011-2012.
W zmodernizowanym LHC, podczas „Run 2” zaplanowanego do roku 2017, badacze mają nadzieję na uzyskanie dokładniejszych informacji dotyczących:
1. Bozonu Higgsa - manifestacji przewidzianego przez Brouta-Englerta-Higgsa mechanizmu odpowiedzialnego za obdarzanie cząstek elementarnych masami. Była to ostatnia, wcześniej nie potwierdzona eksperymentalnie, cząstka przewidziana przez Model Standardowy (teorię opisującą cząstki fundamentalne i działające między nimi siły). Większa energia akceleratora LHC to większe prawdopodobieństwo wytworzenia bozonów Higgsa w zderzeniach, a zatem więcej okazji aby dokładniej zmierzyć ich właściwości i zbadać rzadsze kanały rozpadu.
2. Ciemnej materii – obserwacje grawitacyjne dowodzą, że Wszechświat musi składać się w przeważającej części z niewidocznej ciemnej materii. Czym ona jest? Jeden z poglądów głosi, że składa się z cząstek „supersymetrycznych”. Dane eksperymentalne zebrane w LHC przy wyższych energiach mogłyby rzucić więcej światła na te kwestie.
3. Supersymetrii – teorii wymyślonej aby wypełnić niektóre z istniejących luk teorii Modelu Standardowego. Przewiduje, że każda znana cząstka ma partnera. Jeżeli takie założenie jest prawdziwe to supersymetryczne cząstki powinny pojawić się w wysokoenergetycznych zderzeniach obserwowanych w LHC.
4. Dodatkowych wymiarów – teoria postulująca, że każda standardowa cząstka ma w dodatkowych wymiarach swe cięższe wersje (podobnie jak każdy atom ma oprócz swego niskoenergetycznego stanu podstawowego także stany wzbudzone o wyższych energiach). Takie ciężkie cząstki mogłyby zostać odkryte przy wysokich energiach zderzeń zapewnionych przez zmodernizowany akcelerator LHC.
5. Antymaterii – czyli antycząstek, którą ma każda cząstka materii, o identycznych własnościach, tyle, że z odwrotnym ładunkiem (przykładowo antyelektron, zwany pozytronem jest identyczny pod każdym względem z elektronem, tylko ma jeden dodatni a nie ujemny elementarny ładunek elektryczny). Stykająca się antymateria i materia anihiluje, czyli suma ich mas zmienia się w błysk energii.
Na poziomie oddziaływań elementarnych symetria pomiędzy antymaterią i materią jest prawie zachowana a procesy ją łamiące przewidziane w Modelu Standardowym są dość rzadkie. Precyzyjne zbadanie tych procesów za pomocą analizy rozpadów cząstek powabnych lub pięknych oraz ich częstości może pozwolić na zrozumienie obserwowanej w rzeczywistości asymetrii i znalezienie zjawisk wykraczających poza Model Standardowy.
6. Plazmy kwarkowo-gluonowej – wyższe energie zderzeń przy akceleratorze LHC powinny lepiej scharakteryzować tą plazmę a tym samym dookreślić co wydarzyło się przez kilka milionowych części sekundy bezpośrednio po Wielkim Wybuchu.
7. Cząstek egzotycznych – przewidzianych w teoriach, które dopuszczają istnienie całego świata cząstek jeszcze nieodkrytych ze względu na to, że nie ulegają one oddziaływaniom elektromagnetycznym. Jeśli jednak byłyby obdarzone masą, to muszą oddziaływać z polem stowarzyszonym z bozonem Higgsa. Tak więc bozon Higgsa jest „punktem styku” między Modelem Standardowym a ewentualnym światem cząstek egzotycznych.
Fizycy podkreślają, że na odpowiedzi na powyższe pytania będziemy musieli poczekać. Restart LHC będzie odbywał się etapami, począwszy od kalibracji urządzeń, przetestowania poszczególnych systemów, uruchomienia urządzenia przy nominalnej energii, stopniowe zwiększenie liczby paczek zderzanych cząstek, modyfikację ich ogniskowania aż do uzyskania docelowych parametrów.
Szacuje się, że może nastąpić to nawet na przełomie 2015/2016 roku. Na tą chwilę czekają nie tylko grupy doświadczalne ale również fizycy-teoretycy zajmujący się zagadnieniami nowej fizyki, ciemnej materii czy bozonem Higgsa.
– Szczególnie interesująca wersją nowej fizyki jest supersymetria, która przewiduje istnienie dodatkowych bozonów Higgsa oraz ciemnej materii i w której te zagadnienia są ze sobą powiązane” c dodaje prof. Leszek Roszkowski, prowadzący zespół BayesFITS w NCBJ, jedną z wiodących w tej dziedzinie grup fizyków-teoretyków na świecie. – Nasze przewidywania będą wkrótce weryfikowane przez międzynarodowe zespoły doświadczalne na bazie nowych danych z LHC.
Aby uzyskać założone parametry Wielkiego Zderzacza Hadronów przez blisko dwa lata modernizacji wprowadzono w nim wiele ulepszeń oraz nowych rozwiązań technicznych.
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 napięcia 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. Wartość całości prac szacuje się na 150 milionów franków szwajcarskich.
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.