W świecie zderzaczy hadronów   

Gdy poznałem świat cząstek elementarnych, momentalnie się w nim zakochałem. Kojarzę już także wielu ludzi, którzy poświęcili życie, by badać te mikrocząsteczki i rozwijać wiedzę w tym obszarze. Mam tu na myśli przede wszystkim pracowników ośrodka naukowo-badawczego CERN, leżącego na przedmieściach Genewy, a dokładnie mówiąc fizyków, którzy pracują tam przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (ang. Large Hadron Collider; LHC). To zdecydowanie największa na świecie i niesamowicie kosztowna w utrzymywaniu maszyna badawcza (budowa także nie była tania), jaką do tej pory stworzyli ludzie z myślą o kolejnych odkryciach. A co, jeśli wam powiem, że tamtejsi fizycy twierdzą, że ta maszyna już im nie wystarcza i chcą zbudować nowy zderzacz cząsteczek, który według ich planów ma być czterokrotnie większy i kilkukrotnie droższy od poprzedniego?

Rzeczonym następcą obecnego LHC, ma się stać do 2040 roku (tak twierdzą przedstawiciele CERN) zderzacz Future Circular Collider (w skrócie FCC). Ten, podobnie jak jego poprzednik, ma również zostać zainstalowany pod ziemią w pobliżu Genewy. Oba te zderzacze będą podobne, ale różnić się będą parametrami, co stanowić ma o wartości tego przedsięwzięcia. Zderzacz FCC ma być według planów fizyków o ponad 70km dłuższy w obwodzie od LHC, czyli - jak łatwo policzyć - główny tunel tego zderzacza będzie liczył około 100km. To pozwoli mu oczywiście przejąć pierwszeństwo w zderzaniu hadronów. Nie będzie to już więc te marne 13 TeV (tetraelektronowoltów), co oferuje LHC, a blisko 100 TeV! Różnicę widać gołym okiem.

Nasuwa się jednak jedno, ale chyba zasadnicze pytanie. Po co naukowcy chcą w ogóle budować tak ogromny zderzacz? Oczywiście ma to niejedno uzasadnienie, ale zanim je podam, to wypadałoby najpierw zrozumieć, jak działa ten Wielki Zderzacz Hadronów. Ustalmy więc najpierw, czym jest hadron i po co je zderzamy. Hadronem nazywamy silnie związane ze sobą „paczki” kwarków lub gluonów – najmniejszych poznanych dotąd cząstek elementarnych (do hadronów należą protony i neutrony). Najprościej rzecz ujmując, połączenia różnorakich kwarków lub gluonów tworzą różne hadrony. Po co je więc badać? Cóż, głównie po to, by odkryć nowe hadrony. Zapytacie być może, dlaczego więc nie powstał Wielki Łącznik Kwarków, który badałby te połączenia? Odpowiedź jest dość prosta, kwarki... nie do końca da się badać. Nie bez powodu napisałem wcześniej, że hadrony to „silnie związane” kwarki lub gluony. Przyciąganie, jakie występuje w sformowanych hadronach, zwyczajnie nie pozwala na rozkład hadronu i powyciąganie sobie z niego pojedynczych kwarków, by następnie przemodelować je w inny hadron. Samych kwarków czy gluonów nie da się również w żaden sposób magazynować, bo gdy już uda się taki hadron rozdzielić, to pojedyncze kwarki tworzą natychmiast nowy hadron. Wymyślono więc obejście tego problemu. Z pomocą przyszedł właśnie wspomniany zderzacz. Jak on działa? Mówiąc najprościej: całe wiązki protonów, pozyskiwanych ze zjonizowanego wodoru, rozpędzane są w akceleratorach, skąd trafiają do głównego, próżniowego tunelu zderzacza, w którym - dzięki bardzo silnym elektromagnesom - rozpędzane są w grupach po kilkanaście milionów do prędkości niewiele mniejszej od prędkości światła, tylko po to, aby mogły się zderzać. W wyniku kolizji rozpędzonych cząstek, powstaje wielka energia, która jest w stanie przezwyciężyć przyciąganie wewnątrz hadronu, pozwalając na jego rozbicie i uformowanie nowej cząstki. Kiedy już dojdzie do zderzenia, cztery detektory, które znajdują się w LHC, błyskawicznie badają parametry sformowanych hadronów, by określić, czy czasem ta nowa cząstka, jest nam już znana czy też nie. Tak właśnie odkryto poszukiwany przez lata bozon Higgsa, cząstkę opatrzoną symbolem H0, która nie występuje w przyrodzie (a to ze względu na jej bardzo krótki czas życia). Dzięki dotychczasowym badaniom przeprowadzonym w Wielkim Zderzaczu Hadronów dokonano gargantuicznego poszerzenia wiedzy naukowej w zakresie cząstek elementarnych i fizyki jądrowej, co wspomogło rozwój technologii i wiele powiedziało nam o prawach rządzących wszechświatem.

Z mojego opisu działania zderzacza hadronów można wywnioskować, że im większa energia przy zderzeniu, tym lepiej dla tworzenia się nowych cząstek. To prawda, ale to właśnie stanowi też clou problemu. Aby badać coraz dokładniej i precyzyjniej tworzenie się nieznanych wcześniej cząstek, potrzeba o wiele bardziej dokładnych i precyzyjnych narzędzi. I to jest bez wątpienia najważniejszy argument zwolenników budowy FCC. Dłuższy tunel zderzacza pozwoli bowiem bardziej rozpędzać cząstki i również uzyskiwać większą energię przy zderzeniach. Zatem większy akcelerator, to też większa możliwość poszukiwania odpowiedź na tak istotne pytania jak to, o fizykę wykraczającą poza Model Standardowy, czy też możliwość obserwacji ciemnej materii, czyli kwestie zasadnicze dla pełniejszego rozumienia funkcjonowania Wszechświata. Nie brakuje naturalnie też ludzi, którzy krytykują pomysł budowy tak potężnego zderzacza hadronów, a rozsądnych argumentów odmówić im zdecydowanie nie można. Warto też zauważyć, że wielu ekspertów wyraża wątpliwości, czy tak gigantyczny akcelerator pozwoli dokonać kolejnych znaczących odkryć, twierdząc, że obecny LHC spełnia wystarczająco wymogi badania cząsteczek. Ogromna cena przedsięwzięcia (koszt budowy szacuje się na około 20 miliardów euro) i niezwykle skomplikowana budowa, stoi też ewidentnie w sprzeczności ze współczesnym trendem dbania o środowisko naturalne. Wielu ludzi utrzymuje nie bez racji, że tak gigantyczne pieniądze można, a nawet trzeba wydać sensowniej, choćby na walkę ze zmianami klimatycznymi.

W tym miejscu chciałbym wspomnieć, że podobny projekt prowadzą też Chiny. Państwo Środka również chce zbudować u siebie wielki zderzacz. O ile jednak w FCC chcą wykorzystać magnesy ze stopu Nb3Tn, to Chińczycy pracują nad bardziej zaawansowanymi, ale mniej sprawdzonymi, nadprzewodnikami bazującymi na żelazie. Ich zaletą jest jednak fakt, że mogą one pracować w wyższych temperaturach, co dawałoby spore oszczędności. Rodzi się tylko jedno pytanie, czy na świecie faktycznie potrzebujemy aż dwa takie ogromne zderzacze do badań mikrocząsteczek?

Jaka będzie przyszłość Wielkiego Zderzacza Hadronów - czas pokaże. Choć budowa i użytkowanie FCC wiąże się z ogromnymi kosztami, to chyba jednak nie pieniądze są tu najważniejsze, bo warto pamiętać, że wielkie odkrycia niezwykle rzadko były dziełem przypadku. Z reguły poprzedzała je bardzo długa, wyboista droga i wielkie ludzkie poświęcenie. Nauka jest wymagająca i jeśli chcemy ją rozwijać, by coraz lepiej poznawać świat, w którym przyszło nam żyć, to musimy stawiać czoła wszelkim wyzwaniom.

Grafika:

• dzienniknaukowy.pl/...
• home.cern/...
• www.rmf24.pl/...
• naukawpolsce.pap.pl/...