W poszukiwaniu Boskiej cząstki.

Transkrypt

1 W poszukiwaniu Boskiej cząstki. W dniach 21 stycznia 28 stycznia 2012 roku odbyły się Warsztaty CERN III w Genewie. Grupa 45 uczestników programu: Odkrywad nieznane-tworzyd nowe, program rozwijania zainteresowao fizyką, wyłoniona w dwóch konkursach: Warsztaty Zobacz-Zrozum-Zbadaj, Warsztaty CERN oraz ocenie aktywności pracy w grupach, miała okazję zwiedzad największe na świecie laboratorium fizyczne - CERN. Nyskie szkoły reprezentowała grupa 4 uczniów w tym dwóch z Gimnazjum nr 2 w Nysie: Kamil Madej oraz Jakub Kryś. Wyjazd zorganizował koordynator projektu mgr Lech Głazunow, mając do pomocy dwóch nauczycieli Gimnazjum nr 2 w Nysie: mgr Teresę Gułę oraz mgr Marzenę Głazunow. Fizyka cząstek elementarnych może zaliczyd 2011 rok do udanych, a w każdym razie - interesujących - w grudniu 2011 naukowcy z CERN - z dwóch najważniejszych detektorów (ATLAS, CMS) Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) ogłosili, że wprawdzie nie mogą niczego jeszcze potwierdzid, ale najprawdopodobniej są już na tropie bozonu Higgsa - brakującego elementu w skomplikowanej układance, jaką jest współczesna fizyka. We wrześniu 2011 roku laboratorium CERN było bohaterem innego odkrycia naukowego, które wciąż czeka na potwierdzenie. Włoscy naukowcy ogłosili, że wystrzelona spod Genewy wiązka neutrin dotarła do i detektorów w Gran Sasso z prędkością przekraczającą stałą c (prędkośd światła w próżni). Taki wynik podważa teorię względności, więc odkrywcy poprosili kolegów z całego świata o pomoc w weryfikacji swoich badao. O ile namierzenie cząstki Higgsa to już kwestia czasu, co do sensacyjnego odkrycia Włochów, naukowcy są niemal pewni, że to jednak błąd. Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem zbudowanym przez człowieka. Za pomocą pola elektrycznego przyspiesza się tu i zderza dwie przeciwbieżne wiązki cząstek naładowanych: protonów lub jąder ołowiu. Energia zderzeo w LHC 14 TeV, odpowiada mniej więcej energii, którą wyzwalamy przy każdym zderzeniu dłoni podczas klaskania. Wyjątkowośd LHC polega na tym, że energia ta jest skoncentrowana w niezwykle małej objętości, odpowiadającej rozmiarami cząstce elementarnej. Każdego roku LHC dostarczy 15 petabajtów danych. Dla porównania: aby zapisad wszystkie słowa wypowiadane w ciągu roku przez wszystkich ludzi na Ziemi wystarczą 2-3 petabajty. O znaczeniu LHC Analizując zderzenia protonów i jąder ołowiu w LHC, naukowcy mają nadzieję potwierdzid lub zanegowad istnienie bozonu Higgsa (hipotetycznej cząstki mającej nadawad masę) i supersymetrii 1

2 (teorii przewidującej, że każda znana cząstka ma swojego bardziej masywnego superpartnera). Byd może dzięki LHC uda się rozwiązad zagadkę ciemnej materii, której efekty istnienia astronomowie dostrzegają w ruchach, ewolucji i zderzeniach galaktyk. Cząstki elementarne zawsze powstają w parach cząstka-antycząstka. Badania w LHC pozwolą ustalid, dlaczego w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu zniknęła cała antymateria. LHC pozwoli odtworzyd warunki panujące w czasie wcześniejszym niż jedna milionowa sekundy po Wielkim Wybuchu i zbadad własności materii, która była wówczas tak gęsta, że kwarki i gluony (dziś uwięzione wewnątrz protonów i neutronów) nie mogły łączyd się w kompleksy tworzyły chaotyczną zupę. Jest prawdopodobne, że w LHC zobaczymy zjawiska świadczące o istnieniu fizyki nieopisanej dotychczasowymi teoriami. Takie odkrycie byłoby zwiastunem kolejnego przełomu naukowego, który z czasem wpłynąłby na jakośd życia każdego człowieka. O polskim udziale w LHC Polskie zespoły naukowe zaangażowały się w prace nad akceleratorem LHC już od momentu oficjalnego początku projektu, tuż po decyzji o jego budowie, która zapadła na zebraniu Rady CERN 16 grudnia 1994 roku. Nasi naukowcy brali udział w przygotowaniu programu badao fizycznych dla LHC, stworzyli wiele narzędzi obliczeniowych, zajmowali się projektowaniem, testowaniem i budową elementów aparatury detekcyjnej czterech największych eksperymentów (ATLAS, CMS, LHCb i ALICE) oraz instalacją i testowaniem podukładów samego akceleratora. W pracach przy LHC uczestniczyli: Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (IFJ PAN), Instytut Problemów Jądrowych w Świerku (IPJ), Uniwersytet Warszawski (UW), Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie (AGH), Uniwersytet Jagiellooski (UJ), Politechnika Warszawska (PW) i Politechnika Krakowska (PK). CERN odgrywa także ważną rolę w zaawansowanej edukacji technicznej. Obszerny wachlarz praktyk i staży naukowych przyciąga do Laboratorium wielu młodych utalentowanych naukowców i inżynierów. Wielu robi następnie kariery w przemyśle, gdzie ich doświadczenie, zdobyte w pracy w wielonarodowym środowisku z wykorzystaniem najnowszej techniki, jest bardzo wysoko cenione. Dzięki programowi edukacyjnemu CERN, mieliśmy możliwośd zwiedzania najważniejszych obiektów ośrodka. Bardzo ciekawy i wykraczający poza ramowe zwiedzanie plan pobytu w CERN przygotował Dr Andrzej Siemko, polski pracownik naukowy w CERN. Wsparty innymi polskimi pracownikami, którzy wcielili się w rolę przewodników, ukazał CERN z punktu widzenia pracy polskich uczonych. Wprowadzający wykład warsztatów CERN III Witamy w CERN poprowadził Edward Nowak 2

3 Zwiedzanie SM18, hala testowania magnesów nadprzewodzących. Przewodnicy: Adam Drozd, Agnieszka Priebe Omówienie nadprzewodnictwa w magnesach LHC Temperatura elektromagnesów wynosi 1,9 Kelwina (- 271 o C), zerowy opór elektryczny, uzwojenie elektromagnesu staje się idealnym przewodnikiem prądu elektrycznego, wartośd indukcji pola magnetycznego 8,3 Tesli (pole ziemskie mikrotesli). Do podtrzymania nadprzewodnictwa potrzeba 120 MW energii, głównie na utrzymania niskiej temperatury elektromagnesów. Koszt energii elektrycznej w 2009 roku wyniósł 19 mln EURO. Protony poruszają się w próżni o wartości, której nie ma nawet w kosmosie. Wszystko montowane z dokładnością do mikrometrów. 3

4 Zwied zanie CCC (CERN Control Centre). Przewodnicy: Paweł Dubert, Arkadiusz Gorzawski Zwiedzanie wystawy eksperymentu ATLAS (Przewodnicy: Paweł Dubert, Dr Julia Hoffman) Zwiedzanie Centrum Sterowania detektora ATLAS. Prezentacja filmu trójwymiarowego o budowie ALTAS-u. Największy detektor, ATLAS, ma długośd 46 m i średnicę 25 m. W przeprowadzanych za jego pomocą doświadczeniach uczestniczy 2100 fizyków z ponad 167 uniwersytetów i instytutów rozlokowanych w 37 krajach. LHC kosztował ok. 10 mld euro (kwota wydaje się duża, odpowiada jednak zaledwie pięcioletnim kosztom samej eksploatacji tylko jednego współczesnego lotniskowca). Około cztery procent kosztów budowy i uruchomienia LHC pokryli polscy podatnicy, którzy są współwłaścicielami urządzenia. 4

5 Aktywne zwiedzanie wystawy Microkosmos i Globe Zwiedzanie multimedialnej wystawy edukacyjnej Mikrokosmos i Glob. Prezentacje: budowa materii, rodzaje oddziaływao, rodzaje cząstek, rodzaje i budowa detektorów cząstek, historia komputerów. Uczestnicy zostali podzieleni na grupy i zwiedzali prezentowane multimedialne wystawy. Jak zobaczyd cząstki elementarne, wykład: Dr Julia Hoffman Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem zbudowanym przez człowieka. Za pomocą pola elektrycznego przyspiesza się tu dwie przeciwbieżne wiązki cząstek naładowanych, protonów lub jąder ołowiu. W ostatecznej fazie projektu protony mają osiągad energie 7 TeV. Wiązki rozpędzonych cząstek będą przecinały się w czterech miejscach, gdzie zbudowano wielkie detektory zdolne obserwowad skutki zderzeo. Maksymalna energia zderzeo protonów ma wynosid 14 TeV. Jest to energia wystarczająca do powstania 14 tysięcy nowych protonów, ale przede wszystkim wystarczająca do wytworzenia nowych, nieznanych dotąd, znacznie cięższych cząstek, których istnienia spodziewają się fizycy. Segmenty LHC ułożone są 100 metrów pod ziemią w kolistym tunelu o obwodzie 27 km. Cząstki biegną w dwóch równoległych rurach o średnicy kilku centymetrów. Aby cząstki nie rozpraszały się na gazach, na całej dwudziestosiedmiokilometrowej długości rur panuje ultrawysoka kosmiczna próżnia. Protony zostaną docelowo rozpędzone do prędkości równej 0, prędkości światła, co oznacza, że w każdej sekundzie okrążą tunel aż razy. Aby zmusid cząstki o tak dużych energiach do ruchu po okręgu, trzeba zakrzywiad ich tory za pomocą pola magnetycznego wytwarzanego przez 1232 potężne elektromagnesy rozmieszczone wzdłuż całego 5

6 toru. Prąd płynący przez uzwojenia magnesów musi mied natężenie kilkunastu tysięcy amperów, a więc takie jak w niewielkim wyładowaniu atmosferycznym. Elektromagnesy zostały zbudowane z nadprzewodników, czyli materiałów, które w bardzo niskich temperaturach nie stawiają oporu elektrycznego. W LHC użyto kompozytu niobowo-tytanowego chłodzonego do temperatury zaledwie 1,9 stopnia powyżej zera bezwzględnego oznacza to, że wewnątrz LHC jest chłodniej niż w 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 zderzeo wewnątrz detektorów. Cząstki we wnętrzu akceleratora krążą w paczkach zawierających ok protonów. Docelowa energia zmagazynowana w jednej paczce jest równoważna energii eksplozji 80 kg trotylu. W tunelu akceleratora, w siedmiometrowych odstępach, ma jednocześnie krążyd 2808 takich paczek. Łącznie obie protonowe wiązki mają energię odpowiadającą energii 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. Aby LHC mógł działad, potrzebny jest kompleks akceleratorów stopniowo rozpędzających cząstki do coraz wyższych energii. Maksymalna liczba zderzeo proton-proton w LHC będzie wynosiła miliard na sekundę. Liczba ta jest dziesięd milionów większa niż liczba przypadków, które umiemy zapisad. Dlatego specjalna elektronika dokonuje na bieżąco selekcji, oddzielając zderzenia ciekawe (do zapisania) od nieciekawych. Zadaniem detektorów w LHC jest identyfikacja cząstek powstających w zderzeniach, pomiar ich położenia w przestrzeni, ładunku, prędkości, masy i energii. Detektory składają się z wielu warstw lub poddetektorów, z których każdy spełnia swoją szczególną rolę w rekonstrukcji zderzenia. Ważnym elementem każdego detektora jest układ magnesów, służących do rozdzielania cząstek o różnym ładunku i umożliwiających pomiar ich pędu wielkości związanej z masą i prędkością cząstki. Zwiedzanie akceleratora LEIR, Liniac 2, Centrum Komputerowego. Przewodnicy: Arkadiusz Gorzawski, Mariusz Piotrowski, Wojciech Łatka, Wszystko zaczyna się od wodoru, którego atomy składają się z jednego protonu i jednego elektronu. Atomy te raz na ok. 9 godzin są pobierane ze specjalnej butli i jonizowane, czyli odzierane z elektronów. 6

7 Tak otrzymane protony zostają uformowane w paczki i skierowane do akceleratora liniowego Liniac 2, który za pomocą pól elektrycznych rozpędza je do energii 50 MeV. Następnie trafiają do akceleratora Booster (ich energia zwiększa się tu do 1,4 GeV), skąd są przekazywane do Synchrotronu Protonowego PS (energia 25 GeV), a potem do Supersynchrotronu Protonowego SPS. Dopiero gdy energia protonów wzrośnie do 450 GeV co następuje niecałe pięd minut od momentu opuszczeniu butli cząstki są wreszcie wpuszczane do wnętrza LHC (w dwóch przeciwbieżnych kierunkach), gdzie przez kolejne 20 minut zwiększają swą energię do 7 TeV. Każdego dnia w ten sposób rozpędza się... dwa nanogramy (10-9 g) wodoru. Oznacza to, że gram tego pierwiastka wystarczyłby na milion lat pracy akceleratora LHC. Jony ołowiu są otrzymywane z próbki ołowiu o wysokiej czystości, podgrzanej do temperatury 550 stopni Celsjusza. Z uwagi na dużą masę jąder, ich wstępne rozpędzanie wygląda nieco inaczej niż w przypadku protonów, jednak ostatnie etapy drogi także wiodą przez akceleratory PS i SPS. Po przyspieszeniu wiązek do właściwej energii, cząstki mogą krążyd w pierścieniu zderzacza przez wiele godzin. Intensywnośd wiązek stopniowo maleje z powodu kontrolowanych zderzeo wiązek w detektorach oraz wskutek rozpraszania się cząstek na resztkach gazu w rurach próżniowych akceleratora. Po 9 godzinach wiązki wypuszczane są z akceleratora i kierowane specjalnymi tunelami w bloki grafitowe, gdzie wytracają swą potężną energię. Cząstki z obu wiązek zderzają się ze sobą tylko w precyzyjnie wybranych miejscach: tam, gdzie wybudowano detektory czterech głównych eksperymentów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. Oprócz nich są jeszcze dwa detektory: TOTEM (przy CMS) i LHCf (przy ATLAS-ie). Zwiedzanie Centrum Komputerowego, polegało na omówieniu historii WWW, zasady działania GRID (sieci komputerowych centrów obliczeniowych-znajdują się także w Polsce). Tutaj znajduje się Europejskie Centrum Połączeo Sieci Internet. Największym problemem Centrum Komputerowego to odprowadzanie ciepła powstałego podczas pracy komputerów, na chłodzenie komputerów zużywa się więcej energii niż na zasilanie komputerów. 7

8 Wykłady w miejscu zakwaterowania: Annecy (Francja) W sali Hotelu Balladins Annecy odbyły się trzy wykłady połączone z prezentacją multimedialną. Wykłady prowadził Prof. Jarosław Zawadzki. Tematy zajęd: 1. Magnetyzm 2. Jaskinia Platona złudzenia optyczne 3. Programy edukacyjne ESA i Bilko 8

9 9

10 Warsztaty miały także częśd turystyczno-poznawczą, ale fizyka zgodnie ze swoją definicją może się zajmowad wszystkim co nas otacza. Poznawaliśmy uroki Annecy 10

11 Zwiedzaliśmy Chamonix Genewa zachwyciła wszystkich zabytkami i przepychem. 11

12 W trakcie przejazdu autokarem spacerowaliśmy po Bernie i Bazylei. Opracował: LG 12