(Narodowe Centrum Badań Jądrowych)
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.
