Czy poznamy największą tajemnicę wszechświata?

W CERN w Genewie uruchomiono oficjalnie akcelerator LHC. LHC (Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów) to kołowy akcelerator cząstek elementarnych, znajdujący się w ośrodku badawczym Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) pod Genewą. LHC znajduje się w specjalnym kolistym tunelu, 100 metrów pod ziemią. Tunel ma średnicę ok. 9 km i ok. 27 km obwodu.

Zdaniem prof. Teresy Rzący-Urban, eksperymenty z LHC powinny przynieść nam odpowiedź na pytanie: czym jest ciemna materia stanowiąca 95% wszechświata. Tego jeszcze wciąż nie wiemy - pokreśliła dziekan Wydziału Fizyki UW podczas konferencji prasowej poświęconej uruchomieniu w laboratorium CERN Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).

Rozwiązania zagadki ciemnej materii oczekuje również przedstawiciel Polski w radzie CERN prof. Jan Nassalski. Jak powiedział, wpuszczenie pierwszych wiązek do akceleratora to początek przełomowych eksperymentów, które pozwolą rozszerzyć dotychczasową wiedzę o cząstkach elementarnych.

Z kolei Grzegorz Wrochna, dyrektor Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku, zwrócił uwagę, że badania te mogą przynieść materialne, wymierne korzyści. Historia fizyki pokazuje, że każde przełomowe odkrycie w tej dziedzinie przynosiło także wielki przełom technologiczny i cywilizacyjny - poczynając od zabaw Faradaya drucikami i magnesikami, bez których nie mielibyśmy ani elektroniki, ani urządzeń elektrycznych. Nawet teorie, tak pozornie abstrakcyjne jak mechanika kwantowa, znalazły powszechne zastosowanie w budowie układów elektronicznych i komputerów. Jednak takie odległe korzyści pojawiają się po 50-100 latach od danego odkrycia i są zupełnie nieprzewidywalne - wyjaśniał Wrochna.

Akcelerator LHC będzie badał zjawiska zachodzące na bardzo małej przestrzeni przy bardzo dużych energiach. W ten sposób mają zostać zasymulowane warunki istniejące we wszechświecie w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu. Żeby obserwować te zjawiska, zbudowane zostały zestawy detektorów - przy LHC zainstalowano cztery takie zestawy, każdy z nich ukierunkowany jest na badanie nieco innych zjawisk. Największy z nich ma rozmiary sześciopiętrowej kamienicy, chociaż będzie rejestrował tor lotu i właściwości cząstek milion razy mniejszych od atomu.

Jak wyjaśnił kierownik grupy warszawskich naukowców, uczestniczących w budowie i wykorzystaniu jednego z detektorów, prof. Jan Królikowski z Uniwersytetu Warszawskiego, detektory są w istocie największymi mikroskopami, jakie kiedykolwiek zbudowali ludzie. Z tym, że mikroskop używa światła po to, żeby ono przeszło przez próbkę i trafiło do jakiegoś urządzenia, które jest czułe na światło, np. do kliszy fotograficznej. W naszym przypadku próbką są zderzające się cząstki elementarne. Są one jak gdyby jednocześnie światłem i próbką. W takim zderzeniu powstaje zazwyczaj bardzo wiele innych cząstek, które rozlatują się do różnych elementów detektora i właśnie ślady ich przejścia przez detektor są naszą fotografią. Fotografia ta jest na dodatek robiona niesłychanie szybko. Np. w LHC zderzenia cząstek następują 40 milionów razy na sekundę - tłumaczył Królikowski.

Wyzwaniem będzie też analiza danych zbieranych przez detektory. Samo magazynowanie będzie wymagało specjalnych środków, bo, jak podaje CERN, rocznie w wyniku eksperymentów przy użyciu LHC zbieranych będzie tyle danych, że zapełniłyby one ok. 100 tys. dwuwarstwowych płyt DVD. A działanie akceleratora przewidziano na kilkanaście lat.

Aby poradzić sobie z ogromem danych uczeni współpracujący z CERN stworzyli sieć komputerową typu "grid". Jej zadaniem będzie bezpieczne przechowywanie i udostępnianie fizykom danych do analizy. Znacząca część tej sieci znajduje się w Polsce. To dla nas szansa - oceniła wiceminister nauki i szkolnictwa wyższego Maria Orłowska.

Nie można zgubić ani jednego fragmentu danych. Dane muszą być przechowywane w sposób stały, pewny i dostępny. Cały problem polega na tym, że dziesiątki tysięcy ludzi chce prawie jednocześnie do tych danych się dostać. A ilość danych przekracza nasze wyobrażenie. Eksperymenty będą dostarczać 3 tys. GB dziennie, co przekłada się na dziesiątki PB (petabajtów, czyli milionów gigabajtów) rocznie - mówiła Orłowska.

"Dzień pierwszej wiązki"

Kiedy urządzenie przejdzie pomyślnie wszystkie testy, będą w nim przyspieszane dwie przeciwbieżne wiązki cząstek, najczęściej protonów. W odpowiednim momencie wiązki zostaną nakierowane na siebie i zacznie dochodzić do zderzeń cząstek. Właśnie te zderzenia będą przedmiotem badań fizyków. Ich obserwacja umożliwi lepsze poznanie początków wszechświata i budowy materii.

Pierwsza wiązka cząstek przeszła przez cały obwód akceleratora LHC. Wiązka protonów została przeprowadzona zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Druga wiązka cząstek przeszła również przez cały obwód akceleratora LHC; została przeprowadzona w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

"Dzień pierwszej wiązki" był ostateczną próbą sprawności instalacji. Przygotowania do eksperymentów nie są jednak jeszcze zakończone. Teraz fizycy muszą wyregulować urządzenie, zanim będą mogli przyspieszyć wiązki do większych energii i zacząć doprowadzać do zderzeń.

Środowa próba nie przebiegła całkowicie bez zakłóceń. Wprowadzenie wiązki w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara opóźniło się, ze względu na potrzebę dodatkowego schłodzenia elektromagnesów, utrzymujących wiązkę na torze.

Jak tłumaczył przedstawiciel Centrum Kontroli CERN (CCC) Steve Myers, problemów należało się spodziewać. Mamy tutaj prawie dwa tysiące magnesów i wszystkie muszą pracować idealnie. To normalne, że pierwsze próby użycia tych unikatowych urządzeń przysparzają nam pewnych trudności - powiedział Myers po udanym przeprowadzeniu drugiej wiązki.

Jak poinformował przedstawiciel CCC, w rzeczywistości pierwsza wiązka obiegła akcelerator trzykrotnie, a druga dwukrotnie. W ciągu najbliższych kilku dni naukowcy chcą poćwiczyć obieg wiązki i utrzymywanie jej optymalnego toru, a także być może doprowadzić do kilku próbnych zderzeń przy relatywnie niskich energiach, żeby zespoły pracujące przy poszczególnych detektorach mogły wyregulować swoją aparaturę.