10 września w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych w pobliżu Genewy w Szwajcarii po raz pierwszy wystartował Wielki Zderzacz Hadronów. Na oczach tysięcy fizyków, dziennikarzy i pasjonatów fizyki rozpoczął się największy eksperyment w historii nauki, który może wywrócić do góry nogami wszystko, co wiemy o wszechświecie.

Wielki Zderzacz Hadronów (z ang. Large Hadron Collider, w skrócie LHC) to tzw. akcelerator cząstek elementarnych - czyli urządzenie przyspieszające do wielkich prędkości mniejsze drobinki, z których składa się materia. Działanie takie ma na celu odtworzenie warunków, które panowały we wszechświecie ułamki sekund po Wielkim Wybuchu. Naukowcy są przekonani, że wszechświat składał się wówczas z trylionów rozpędzonych cząsteczek, które zderzały się ze sobą. Z tych zderzeń wyłonił się znany nam dziś wszechświat - galaktyki, gwiazdy, planety.

O ile jednak wiemy już sporo o prawach fizyki panujących na naszej planecie, o tyle w kosmosie wciąż napotykamy na wiele zagadek. Naukowcy liczą, że dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów znajdziemy odpowiedzi na wiele pytań, np na pytania o czarną energię czy czarną materię, oraz o to, skąd wzięła się masa oraz czy znane nam trzy wymiary są jedynymi, jakie istnieją.

"Znaleźliśmy się na progu zupełnie nowej epoki. Można tę sytuację porównać z narodzinami nowej fizyki, do jakich doszło w wyniku odkryć Marii Curie-Skłodowskiej i jej badań nad promieniotwórczością. Wtedy w nauce rozpoczął się zupełnie nowy rozdział, który teraz, po około stu latach, właśnie się kończy" - powiedział w wywiadzie dla "Dziennika" prof. dr hab. Jan Paweł Nassalski z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku, stojący na czele polskich naukowców zaangażowanych w projekty LHC.



Model Standardowy

Wielki Zderzacz Hadronów ma również pomóc w rozwiązaniu problemów, z którymi nie radzi sobie tzw. Model Standardowy. Model Standardowy jest to model sformułowany przez fizyków na początku XX wieku. Określa się w ten sposób fizyczną teorię budowy materii i sił, jakie na nią działają. Według Modelu Standardowego cały świat, a także gazy, zbudowane są z cząstek mniejszych niż atomy - kwarków i leptonów. Cząstki te podlegają z kolei czterem oddziaływaniom - grawitacji, elektromagnetyzmowi, oddziaływaniom słabym i silnym. Pierwsze dwa rozumiemy dość dobrze, za to dwa ostatnie wciąż zawierają w sobie wiele zagadek. Przyjmuje się, że oddziaływania słabe związane są z przebiegiem reakcji jądrowych w gwiazdach, zaś oddziaływania silne wiążą jądra atomów w całość. Szczególnie oddziaływania silne stanowią dla naukowców prawdziwe wyzwanie.

Model Standardowy opisuje prawie wszystkie cząstki i działania. No właśnie, prawie...

Kompletnie do niego nie pasują słynne równania grawitacyjne Einsteina. Po połączeniu jednego z drugim naukowcy otrzymują nieskończoność. Model Standardowy nie potrafi także wyjaśnić, dlaczego materia ma masę, ani nawet co to jest masa i skąd się ona wzięła. A przecież wszyscy doskonale wiemy, że masa istnieje - zakłada się zatem, że istnieje specjalna cząsteczka zwana bozonem Higgsa, i że to ona nadaje materii masę.

Model Standardowy nie radzi sobie również z teorią cząstek supersymetrycznych. Fizycy przypuszczają, że to właśnie z cząstek supersymetrycznych składa się tzw. czarna materia. Niestety, podobnie jak w przypadku bozonu Higgsa, cząstek supersymetrycznych nikt jeszcze nie zaobserwował.

Z powodu tych, a także wielu innych mankamentów, Model Standardowy jest uznawany za część wielkiej, nieodkrytej dotąd tzw Wielkiej Teorii Wszystkiego.

Wielki Zderzacz Hadronów ma również pomóc w badaniu symetrii między materią i antymaterią. Wszechświat powstały w wyniku Wielkiego Wybuchu musiał zawierać tyle samo materii, co antymaterii, obecnie jednak mamy świat zbudowany tylko z materii. Z tego wniosek, że bardzo wcześnie musiała powstać nadwyżka materii nad antymaterią. Cała antymateria zanihilowała z tą samą ilością materii, a zachowała się tylko nadwyżka materii, z której jesteśmy zbudowani. LHC powinien nas przybliżyć do odpowiedzi na pytanie, dlaczego do tego doszło.

Schemat działania Wielkiego Zderzacza Hadronów



Wielki Zderzacz Hadronów jest największą maszyną na świecie. Jego zasadnicze elementy są umieszczone w okrągłym tunelu w kształcie torusa o długości około 27 km, położonym na głębokości od 50 do 175 metrów pod Ziemią. Urządzenie w 2009 roku będzie zderzać protony o energii 14 TeV. Wyniki zderzeń będą rejestrowane przez opisane poniżej detektory:

Cztery detektory dla dużych eksperymentów:

ATLAS - (toroidalny detektor LHC) jeden z dwóch detektorów ogólnego przeznaczenia. Badania będą dotyczyły poszukiwań cząstki Higgsa, dodatkowych wymiarów, cząstek tworzących czarną materię itd.

CMS - (zwarty solenoidalny detektor mionów) jeden z dwóch detektorów ogólnego przeznaczenia. Podobnie jak w przypadku ATLAS, badania będą dotyczyły poszukiwań cząstki Higgsa, dodatkowych wymiarów, cząstek tworzących czarną materię itd. Ten detektor, w przeciwieństwie do innych wielkich detektorów, został zbudowany na powierzchni i następnie w 15 częściach opuszczony do podziemnej hali i tam ponownie złożony.

LHCb - eksperyment poświęcony badaniu mezonów B zawierających kwarki piękne (kwarki b). Pozwoli on zrozumieć, dlaczego wszechświat jest zbudowany prawie całkowicie z materii, a nie antymaterii. W tym eksperymencie używa się wielu subdetektorów, głównie wykrywających cząstki produkowane pod małymi kątami w stosunku do wiązek.



ALICE - (eksperyment przy wielkim zderzaczu jonów) eksperyment badający plazmę kwarkowo-gluonową w zderzeniach jonów ołowiu. Pozwoli to odtworzyć warunki tuż po Wielkim Wybuchu, zanim powstały takie cząstki, jak proton i neutron

Zbudowano także dwa małe detektory:

TOTEM - bada całkowite przekroje czynne, rozpraszanie elastyczne i dysocjację dyfrakcyjną

LHCf - symuluje promienie kosmiczne w laboratorium



Wielki Zderzacz Hadronów będzie dostarczać rocznie 15 mln GB danych (100 000 płyt DVD). W celu umożliwienia naukowcom z całego świata dostęp do danych i ich analizę, CERN zbudował WLCG - rozproszony układ komputerowy umożliwiający przechowywanie danych i ich obliczenia. Kopie danych z eksperymentów LHC będą przekazywane do centrów komputerowych pracujących w systemie gridowym na całym świecie, następnie centra te umożliwią dostęp do tych danych centrom obliczeniowym, klastrom uniwersyteckim, a nawet komputerom osobistym naukowców.

Liczby

Teraz czas przytoczyć kilka liczb, które doskonale uświadamiają skalę przedsięwzięcia, na które porywają się naukowcy:

- w LHC używane są protony wodoru. Dość powiedzieć, że jeden atom wodoru ma średnicę 0,0000000001 metra. Gdyby powiększyć go do średnicy 10 km, proton wodoru miałby wielkość ułamka milimetra

- w LHC będzie śmigać 2800 strumieni protonów, każdy z tych strumieni o grubości kilka razy mniejszej od ludzkiego włosa będzie zawierał 100 miliardów protonów

- wiązki, poruszające się po kole w przeciwnych kierunkach, będą się ze sobą zderzać 30 milionów razy na sekundę. W efekcie protony będą się rozpadać na jeszcze mniejsze cząstki

Według naukowców, taka cząstkowa zupa będzie przypominać wszechświat ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu.

Mimo, że w CERN (ośrodek w Szwajcarii, w którym znajduje się Wielki Zderzacz Hadronów) pracują specjalne komputery i mimo że na potrzeby eksperymentu powstał Internet nowej generacji (tysiące razy szybszy od tego, w którym czytasz właśnie ten artykuł), to jednak nie istnieje takie urządzenie, które byłoby w stanie zarejestrować wszystkie kolizje zachodzące w LHC. Dlatego naukowcy zaprojektowali detektory cząstek w taki sposób, aby wykrywały tylko kolizje najciekawsze z punktu widzenia fizyki. Przy pełnej pracy LHC istnieje szansa, że za rok pojawią się w nim cząstki supersymetryczne, a za dwa lata - bozon Higgsa. A gdyby w 2012 roku niektóre z powstałych w LHC cząstek zniknęły nie wiadomo gdzie, mogłoby to wówczas stanowić pierwszy dowód na to, że inne wymiary naprawdę istnieją.

By jednak to wszystko się udało, protony muszą pędzić po 27-kilometrowym kole z zawrotną prędkością, bliską prędkości światła. Aby rozpędzić cząstki do takiej prędkości, potrzebne są trzy akceleratory. Pierwszy, najmniejszy, znajduje się jeszcze na powierzchni Ziemi. Drugi, o obwodzie 7 km - kilkanaście metrów pod nią. Trzecim akceleratorem, znajdującym się 100 metrów pod powierzchnią Ziemi, jest właśnie Wielki Zderzacz Hadronów.

O zawroty głowy potrafi również przyprawić koszt całego przedsięwzięcia - budowa LHC kosztowała ponad 5 miliardów euro. Pieniądze pochodziły od państw biorących udział w tym eksperymencie, w tym również z Polski. W konstrukcji LHC oraz precyzyjnych urządzeń pomiarowych brali również udział polscy fizycy, inżynierowie i technicy. Polska, będąc jednym z dwudziestu krajów członkowskich CERN, jest także współwłaścicielem tego największego na świecie laboratorium.



Zagrożenia

Podczas budowy Wielkiego Zderzacza Hadronów pojawiły się pewne obawy co do zagrożeń, jakie mogą powstać podczas pracy tego urządzenia. Dlatego została zbadana ewentualność wytworzenia małych czarnych dziur, "dziwadełek", baniek próżniowych i monobiegunów magnetycznych. Wyniki tych badań uspokajają, jednak podczas badań nie wzięto pod uwagę zagadnień bezpieczeństwa wynikających z możliwości wystąpienia innych niespodziewanych zjawisk.

Badania w CERN oceniają możliwość wystąpienia niebezpiecznych zjawisk w kontekście istniejących aktualnie teorii, teorie te nie są jednak kompletne i podczas eksperymentu z Wielkim Zderzaczem Hadronów mogą wystąpić niespodziewane zjawiska.

Nie istnieje na przykład kompletna teoria fizyki (tzw "Teoria Wszystkiego"), a liczne czynniki (jak np czarna energia, czarna materia) nie zostały do końca zrozumiane.

Czynniki zagrożeń

W określonych warunkach, w wyniku zderzania ze sobą z dostateczną prędkością protonów, z kwarków mogą powstać tzw "dziwadełka" (z ang. strangelets). Nie są one groźne dla naszej planety, jeśli poruszają się przez materię z dużą szybkością. Jeśli jedno "dziwadełko" przyjmie prędkość równą 0, wówczas może stanowić zagrożenie.

Na czym polega zagrożenie, jakie mogą stanowić "dziwadełka"? "Dziwadełka" zamieniają w kolejne "dziwadełka" wszystko, czego dotkną. Stąd obawy o to, że jeśli w Zderzaczu powstanie choćby jedno "dziwadełko" o zerowej prędkości, nastąpi reakcja łańcuchowa. Twórcy Wielkiego Zderzacza Hadronów uspokajają jednak, że Ziemia od miliardów lat jest bombardowana cząsteczkami z kosmosu i jak dotąd jeszcze żadne "dziwadełko" nie powstało.

Innym czynnikiem zagrożenia są magnetyczne monobieguny. Jedna z teorii sugeruje, iż wysokoenergetyczne zderzenia cząsteczek mogą dać początek masywnym cząsteczkom posiadającym tylko jeden biegun – tylko południowy, albo tylko północny. Podobne cząsteczki mogą powstawać w Wielkim Zderzaczu Hadronów i po wydostaniu się stamtąd mogą zacząć zamieniać wszystkie inne cząsteczki w sobie podobne.

Bez kompletnej teorii fizyki nie możemy również wykluczyć możliwości, że wysoka siła w Zderzaczu może spowodować powstanie niespodziewanie ciężkich cząstek. Ponieważ obecne teorie są niekompletne i nie znamy wielu cząstek, to gdyby nastąpiło któreś z opisanych powyżej zdarzeń, zagrożenie dla Ziemi byłoby trudne do ocenienia.

Klasyfikacja potencjalnie niebezpiecznych cząstek

Sklasyfikowania potencjalnie niebezpiecznych cząstek, które mogą powstać w LHC, podjął się Walter Wagner, specjalista d.s. bezpieczeństwa atomowego.

1. Ciężkie cząstki, nie reagujące ze zwykłą materią - one nie przedstawiają żadnego zagrożenia.

2. Ciężkie cząstki o małej reaktywności - poziomy niebezpieczeństwa będą zależały od szybkości rozpadu i stopnia reaktywności cząstek.

W przypadku długiego okresu rozpadu, jeśli takie cząstki zostaną wytworzone przez promienie kosmiczne, wówczas zachowają dużą prędkość, przejdą przez Ziemię i odlecą w kosmos, nie wyrządzając naszej planecie żadnej szkody.

Gdyby cząstki zostały wytworzone w wyniku szybkiej kolizji, np w Wielkim Zderzaczu Hadronów, wówczas niektóre z tych cząstek mogłyby przedstawiać poważne zagrożenie, ponieważ ich mała prędkość mogłaby oznaczać uchwycenie przez ziemską grawitację.

3. Ciężkie cząstki reaktywne tylko przy małych prędkościach - tutaj również poziomy niebezpieczeństwa będą zależały od czasu rozpadu i stopnia reaktywności. One również mogłyby przedstawiać zagrożenie z powodu swojej małej prędkości.

4. Ciężkie cząstki reaktywne ze zwykłą materią - cząstki takie teoretycznie nie przedstawiają jakiegokolwiek niebezpieczeństwa, ponieważ w tym przypadku działa kosmiczny model promieniowania. One zawsze będą przechwytywane przez ziemską grawitację.

Według Wagnera, zagrożenie mogą stanowić również pewne małe niespodziewane zjawiska, które mogą zajść w LHC.

Ostatnio w Zderzaczu Ciężkich Relatywistycznych Jonów (Relativistic Heavy Ion Collider, w skrócie RHIC) udało się uzyskać plazmę kwarkowo-gluonową (jest to ostatni krok przed stworzeniem czarnej dziury o sile wyższej niż małych czarnych dziur). Owa plazma była dużo gęstsza, niż się spodziewali naukowcy - zachowywała się bardziej jak płyn, niż jak gaz, a więc inaczej, niż przewidywała teoria. Plazma kwarkowo-gluonowa zmniejsza swoją prędkość i zachowuje cząstki powstałe w wyniku kolizji, wytwarzając przy tym inne typy kwarków, zmniejszając przy tym ich prędkość. Mogłoby dość do powstania niebezpiecznego "dziwadełka".

Co prawda w LHC zagrożenie ze strony "dziwadełek" będzie mniejsze, niż w RHIC, należy jednak zauważyć, że LHC będzie wytwarzał większą ilość takich zmniejszających prędkość plazm.

Oczywiście, na tym przykładzie nie możemy potwierdzić bądź zaprzeczyć tego, że zmniejszanie prędkości plazmy spowoduje zagrożenie, chcemy jednak wskazać, że małe niespodziewane zjawiska mogą stać się źródłem dużego zagrożenia.

Budowane wcześniej mniej potężne akceleratory nigdy nie wywołały jakiegoś katastrofalnego w skutkach wydarzenia, łatwo więc sobie wyobrazić, że zawsze tak będzie z każdym nowym akceleratorem - ale lepiej dmuchać na zimne i rozważyć każde ryzyko, jakie może powstać.

Jeśli przyjmiemy, że promieniowanie kosmiczne nie może być rozważane jako dowód wysokiego bezpieczeństwa użycia dużych zderzających się ze sobą energii, wówczas musimy uznać, że:

- im potężniejszy jest akcelerator, tym bardziej staje się on nieprzewidywalny i mogą wystąpić niebezpieczne wydarzenia

- sensowne minimalne oszacowanie możliwości wystąpienia niespodziewanych zjawisk lub cząstek mogłoby wynosić, na przykład, od 1% do 10%, zaś oszacowanie możliwości sprowadzenia przez nie niebezpieczeństwa - od 0,1% do 1%

Sugeruje się, że ryzyko, jakie mogłoby zostać przyjęte, jest równoważne wyjątkowemu i bardzo małemu ryzyku uderzenia w Ziemię ciężkiego meteoru lub wybuchu supernowej niszczącej Ziemię.

Właśnie z powodu ryzyka niektórzy naukowcy opowiadali się przeciwko uruchamianiu Wielkiego Zderzacza Hadronów i proponowali otrzymywanie danych z bezpieczniejszych źródeł, na przykład z satelitów lub detektorów neutrina.

Nie takie dziury straszne

Naukowcy wykazali bezpodstawność obaw o to, że małe czarne dziury, które mogą powstać w Wielkim Zderzaczu Hadronów, mogłyby stanowić zagrożenie dla Ziemi. Małe czarne dziury posiadają tak słabą grawitację, że nie są w stanie "połknąć" nawet cząstek elementarnych. Ich energię naukowcy porównują do energii komara. Co więcej, małe czarne dziury wyparowują tak szybko, że nie są w stanie stworzyć najmniejszego zagrożenia.

Kolejnym dowodem potwierdzającym bezpodstawność obaw związanych z małymi czarnymi dziurami jest też to, że od kilku lat działa już Zderzacz Ciężkich Jąder Atomowych w Brookheaven. W trakcie budowy zderzacza powołano komisję naukową, która zbadała dokładnie wszystkie aspekty ryzyka i na koniec stwierdziła, że nie ma żadnych zagrożeń związanych z małymi czarnymi dziurami. "Podobnie zrobiono teraz w CERN - tu także powstał zespół najwyższej klasy specjalistów, który ocenił niebezpieczeństwo związane z działaniem LHC. Konkluzje są takie same", powiedział prof. dr hab. Jan Paweł Nassalski w wywiadzie dla "Dziennika".

"Niezależnie od rozważań naukowych podstawowy argument jest taki, że Ziemia i wszystkie ciała niebieskie są nieustannie bombardowane przez promieniowanie kosmiczne, którego energia jest kilka tysięcy razy większa od energii zderzeń, do jakich będzie dochodzić w LHC. No i skoro w ciągu miliardów lat nic się Ziemi nie stało, to LHC również nie stanowi zagrożenia" - dodał prof. Nassalski.

Opracował: Ivellios
Na podstawie:
Dziennik.pl
pl.wikipedia.org
www.risk-evaluation-forum.org/anon1.htm
oraz źródła własne