Wielki Zderzacz Hadronów i pytania o wszechświat

CERN

Środa 10 września 2008 roku przejdzie do historii nauki jako dzień, w którym oficjalnie uruchomiono Wielki Zderzacz Hadronów (LHC - Large Hadron Collider), potężny instrument naukowy, który będzie badał najmniejsze cegiełki wszechświata. W znajdujących się średnio 100 metrów pod Ziemią tunelach o długości 27 kilometrów dwie wiązki hadronów, silnie oddziałujących cząstek zbudowanych w kwarków (w praktyce będą to protony i jony ołowiu), będą podróżowały w przeciwnych kierunkach, zwiększając swoją energię z każdym okrążeniem. W końcu cząstki zostaną skierowane na kurs kolizyjny i zderzą się ze sobą, a naukowcy będą obserwowali to, co się wówczas będzie działo. W LHC odtworzone zostaną warunki, jakie panowały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Akcelerator pozwoli bezpośrednio obserwować zjawiska, o których dzisiaj uczeni spekulują z pośrednich obserwacji.

Wielki Zderzacz Hadronów powinien pomóc nam znaleźć odpowiedź na wiele pytań dotyczących natury materii. Jego głównym zadaniem jest uzupełnienie Modelu Standardowego, jednej z najważniejszych teorii współczesnej fizyki. Akademicy z całego świata mają nadzieję, że LHC pozwoli znaleźć tzw. boską cząsteczkę czyli bozon Higgsa. Jej istnienie przewiduje Model Standardowy, ale nigdy nie udało się tego potwierdzić doświadczalnie. Zgodnie ze współczesnymi teoriami bozony Higgsa istniały bardzo krótko po Wielkim Wybuchu, ale to właśnie one dały początek materii. Ich znalezienie i przebadanie powiększy naszą wiedzę o świecie. Jeśli jednak okaże się, że bozony Higgsa nie istniały, będzie to równie ważne wydarzenie. Konieczna będzie wówczas zmiana wielu poglądów obecnie obowiązujących w fizyce.

CERN CERN

Wielki Zderzacz Hadronów ma też pozwolić na badanie ciemnej materii i ciemnej energii. Obecnie wiemy, że materia, którą możemy obserwować, stanowi 4% masy wszechświata. Reszta, czyli 96% jest tworzona przez ciemną materię i energię. Ich wykrycie i badanie jest bardzo trudne. Można to zrobić pośrednio, badając wpływ ich grawitacji na widoczną materię. To jedno z najważniejszych zadań współczesnej fizyki i kosmologii.

Kolejne pytanie, które naukowcy zadadzą LHC brzmi: dlaczego powstało więcej materii niż antymaterii? Wydaje się, że podczas Wielkiego Wybuchu materia i antymateria powinny powstać w równych proporcjach. Jednak, jak możemy się przekonać, materii musiało być nieco więcej, gdyż w zetknięciu z antymaterią obie ulegają anihilacji i powstaje energia. A jednak materialny świat istnieje, natomiast antymaterii niemal już nie ma. Skąd zatem ta nierównowaga?

Zderzacz być może pokaże też, jak wyglądała materia kilka milisekund po Wielkim Wybuchu. Naukowcy spekulują, że panujące wówczas warunki nie pozwalały na istnienie obecnie znanego modelu atomowego, a materia istniała w formie plazmy kwarkowo-gluonowej.
Niewykluczone też, że uczeni będą mogli zbadać prawdziwość wielu teorii, takich jak np. teoria strun, mówiących o istnieniu więcej niż trzech wymiarów. Naukowcy postarają się znaleźć te dodatkowe wymiary.

Aby dokonać tak wyjątkowych badań potrzebne jest wyjątkowe urządzenie.

Autostrada cząstek

Długość rur akceleratora LHC wynosi dokładnie 26 659 metrów. Rury to miejsce, w którym mamy do czynienia z próżnią niespotykaną nawet w kosmosie. Ciśnienie w nich wynosi 10-13 atmosfery, czyli jest dziesięciokrotnie mniejsze niż ciśnienie na Księżycu. Wszystko po to, by hadrony, które są w nich przyspieszane, nie zderzały się z innymi cząstkami.

Supermagnesy

Akcelerator nie jest idealnym okręgiem, ale składa się z ośmiu łuków. W każdym z nich znajdziemy 154 nadprzewodzące magnesy dipolowe. W sumie jest ich więc 1232 i są one w stanie wytworzyć pole magnetyczne o natężeniu 8,3 tesli. To około 200 000 razy więcej niż natężenie pola magnetycznego Ziemi. Zadaniem tych magnesów o długości 15 metrów każdy jest zakrzywianie wiązek tak, by krążyły po łukach i nie wypadły z rury. Pracę magnesów dipolowych wspomagają magnesy kwadrupolowe (długość 5-7 metrów), oraz sekstu-, oktupolowe itp., dzięki którym wiązka staje się coraz węższa, bardziej ściśnięta i biegnie po coraz bardziej precyzyjnie ustalonym torze. Dzięki temu zwiększa się prawdopodobieństwo, że pędzący proton zderzy się z innym, poruszającym się z przeciwka protonem.

W sumie LHC korzysta z 9593 elektromagnesów i imponującego systemu chłodzącego. Nadprzewodzące magnesy dipolowe najpierw, dzięki użyciu 10 080 ton ciekłego azotu, są schładzane do temperatury -193,2 stopnia Celsjusza, a następnie, po dodaniu niemal 120 ton nadciekłego helu (z czego na chłodzenie magnesów przeznaczonych jest 90 ton) ich temperatura spada do -271,3 stopnia Celsjusza. Tak zimno nie jest nawet w przestrzeni kosmicznej. Procedura chłodzenia magnesów trwała kilka tygodni.

Dzięki tak niskim temperaturom niobowo-tytanowe uzwojenie dipoli staje się nadprzewodnikiem, co znaczy, że przewodzi prąd elektryczny niemal bez strat. Do uzyskania stanu nadprzewodnictwa wystarczyłaby temperatura -263,2 stopnia Celsjusza, jednak im jest ona niższa tym silniejsze pole magnetyczne można uzyskać. A różnice są naprawdę ogromne. Wspomniane już 8 tesli jest uzyskiwanych dzięki prądowi o natężeniu 11 700 amperów. Jeśli magnesy pracowałyby w temperaturze nie -271,3 stopnia, a -268,7 stopnia wartość natężenia pola magnetycznego wyniosłaby 6,8 tesli.

1 2 3

Wielki Zderzacz Hadronów LHC akcelerator cząstek CERN ALICE CMS ATLAS LHCb LHCf TOTEM bozon Higgsa boska cząsteczka