Warsztaty CERN II Genewa

Warsztaty CERN II Genewa W dniach 12 lutego 19 lutego 2011 roku odbyły się Warsztaty CERN w Genewie. Grupa 43 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. Europejski Ośrodek Badan Jądrowych CERN znajduje się w pobliżu Genewy w Szwajcarii. Naukowcy w CERN badają miliony niezwykłych zdarzeo, by zrozumied, w jaki sposób około 15 mld lat później Wszechświat stał się taki, jakim go widzimy dzisiaj. Poszukują odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania dotyczące przyrody. Co to jest materia? Skąd się bierze? W jaki sposób tworzy tak skomplikowane obiekty jak gwiazdy, planety i istoty ludzkie? CERN odgrywa także istotną rolę w rozwoju technologii przyszłości. Najbardziej znanym obiektem w CERN jest akcelerator LHC, a właściwie największy na świecie kompleks połączonych za sobą akceleratorów. 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, czyli 14 000 000 000 000 ev 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 (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. 1

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. Piotr Golonka wprowadził wszystkich w temat CERN-u 2

3

4

Zwiedzanie SM18, hala testowania magnesów nadprzewodzących (Arkadiusz Gorzawski, Edward Nowak) 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 30-60 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. 5

Zwiedzanie wystawy eksperymentu ATLAS (Michał Kwiatek, Michał Ropka) Zwiedzanie Centrum Sterowania detektora ATLAS oraz wizyta w hali, w której znajduje się szyb do detektora, poprzez który montowano w tunelu LHC części detektora. Zabezpieczenia windy przed wjazdem do tunelu osób niepowołanych-scan siatkówki oka. 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. 6

7

Aktywne zwiedzanie wystawy Microkosmos i Glob (Michał Ropka) Zwiedzanie multimedialnej wystawy edukacyjnej Mikrokosmos i Glob, budowa materii, rodzaje oddziaływao, rodzaje cząstek, rodzaje i budowa detektorów cząstek, budowa Układu Słonecznego. Uczestnicy zostali podzieleni na grupy i na podstawie informacji wyszukanych na wystawie wypełniali kartę zadao. 8

Wykład Detektory i nie tylko (Piotr Traczyk) 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 0,999999991 prędkości światła, co oznacza, że w każdej sekundzie okrążą tunel aż 11245 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 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 po ok. 100 miliardów 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, 9

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 (Arkadiusz Gorzawski, Mariusz Sapioski) 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. Tak otrzymane protony zostają uformowane w wiązki 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. 10

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 CERN (Mariusz Piotrowski, Michał Kwiatek) Zwiedzanie Centrum Komputerowego, omówienie zasady działania GRID (sieci komputerowych centrów obliczeniowych). Europejskie centrum połączeo sieci Internet. Największym problemem Centrum Komputerowego to odprowadzanie ciepła powstałego podczas pracy komputerów. 11

Wykłady w miejscu zakwaterowania: Annecy (Francja) W sali Hotelu Balladins Annecy odbyły się cztery wykłady połączone z prezentacją multimedialną. Wykłady prowadził Prof. Jarosław Zawadzki oraz mgr Mariusz Szpitalny, mgr Tomasz Hilenbrand. Tematy zajęd: 1. Współczesne magnesy. 2. Dlaczego Alpy? 3. Obserwacje satelitarne-1 4. Obserwacje satelitarne-2 12

Warsztaty miały także częśd turystyczno-poznawczą, ale fizyka zgodnie ze swoją definicją może się zajmowad wszystkim co nas otacza. Poznawaliśmy uroki Annecy 13

14

Zwiedzaliśmy Chamonix Genewa zachwyciła wszystkich zabytkami i Muzeum Natury 15

16 W trakcie przejazdu autokarem spacerowaliśmy po Zurichu i Lozanie

Wrażenia uczestników warsztatów (z racji objętości częśd osób) Jestem pewien, że będę bardzo miło wspominał ten wyjazd do kooca życia. Po przyjeździe do domu będę tęsknił za moimi kolegami, koleżankami, opiekunami, za wspólnymi rozmowami, posiłkami, wyjazdami, wspólnym zwiedzaniem i podziwianiem naprawdę pięknych miast i zabytków, a także bardzo dobrymi i starannie przygotowanymi wykładami na różne tematy. Chciałbym podziękowad wszystkim za miło spędzony tydzieo, no i oczywiście za to, że mogłem w tym wyjeździe wziąd udział. 17 Krzysztof Necel Jestem bardzo zadowolona z tego, że miałam możliwośd wzięcia udziału w warsztatach w CERN. Zajęcia i wyjazdy w ramach warsztatów były kształcące i ciekawe, nie tylko ze strony fizycznej, ale także kulturalnej. Miałam okazje zgłębid tajniki fizyki cząstek, poznad wspaniałych ludzi oraz zwiedzid piękne miejsca. Karina Starczynowska Uważam, że opisane warsztaty są znakomitym pomysłem, dzięki któremu zdolna i inteligentna grupa młodzieży może zobaczyd laboratorium z prawdziwego zdarzenia i spotkad ludzi próbujących

rozwikład odwieczne zagadki wszechświata. Projekt jest wspaniałą inspiracją i motywacją, aby w przyszłości zostad jednym z naukowców pracujących w CERN lub w podobnej instytucji. Tomasz Stopyra Uważam, że wycieczka była zorganizowana bardzo dobrze, a na szczególne uznanie zasłużyły posiłki, ponieważ z całą pewnością nikt nie może narzekad na ilośd i jakośd jedzenia. Osobiście jestem bardzo zadowolony z wycieczki, udziału w niej i przebiegu, myślę że wiele osób będzie podzielad moje zdanie. Sebastian Wirkus Wycieczka ta nie byłaby jednak taka udana, gdyby nie wspaniali ludzie, którzy oprócz inteligencji posiadają również niezwykłe i oryginalne charaktery. Na 6 spisała się również wykwalifikowana kadra pedagogiczna, w której oprócz opiekunów można było znaleźd wspaniałych towarzyszy do rozmowy. Niezastąpieniu okazali się także Panowie kierowcy i Pan przewodnik, który dzieląc się z nami swoją wiedzą, pomógł nam się przenieśd w magiczny świat tych niezwykłych miejsc. Uważam, że projekty takie jak ten, są fantastycznym pomysłem umożliwiającym młodym ludziom rozwijanie swoich zainteresowao. Dominika Perkowska Najbardziej zapamiętam widoki w Annecy i Chamonix, ciekawe wykłady w CERN-ie i muzeum biologiczne w Genewie, Lecz najlepiej zapadły mi już w pamięd nowi ludzie-uczestnicy, nauczyciele, Pan przewodnik i kierowcy. Mam nadzieję, iż tego typu projekty będą częściej i wiele osób będzie mogło przystąpid do tego typu imprez. Przemysław Niemyjski Wycieczka jest ogólnie bardzo dobrym pomysłem, ponieważ mimo że fizyka mnie interesowała, teraz całe laboratorium mnie zainspirowała i palę się do robienia fascynujących doświadczeo fizycznych. Mateusz Mielec Podsumowując całośd, dla mnie te warsztaty CERN stoją na bardzo wysokim poziomie i w znacznym stopniu przyczyniły się do wzrostu zainteresowania fizyka jego uczestników. Wyrażam serdeczną nadzieję, iż takich projektów powstanie w naszym kraju coraz więcej. Krzysztof Janas Organizatorzy stanęli na wysokości zadania i zagwarantowali nam naprawdę wspaniały wyjazd. Teraz widzę, jak bardzo opłaca się uczyd fizyki i języków obcych. Wyjazd uświadomił mi, że w fizyce jest nasza przyszłośd. Michał Szymura Podsumowując, wyjazd był naprawdę udany. Uważam, że imprezy takie są potrzebne nie tylko po to by rozwijad zainteresowania fizyką, ale także po to by poznawad nowych kolegów, którzy często 18

mają takie same pasje jak my. W przyszłości chcę przyjechad do CERN, ale już nie jako turysta, ale jako fizyk lub inżynier. Marcin Roszak Chociaż wycieczka się jeszcze nie skooczyła, to wiem, że jej ostatnie dni będą również ciekawe jak poprzednie. Największą wadą tego wyjazdu było to, że trwał tak krótko. Michał Kuźniewicz Podsumowując wycieczka była ciekawa i pouczająca. Moim zdaniem więcej osób powinno móc przeżyd to co ja. Mam nadzieję, iż coraz więcej ludzi będzie angażowad się w ten zaawansowany projekt i wspomóc fizyków z całego świata. Aleksander Chorobioski Ogólnie rzecz biorąc, oceniam wyjazd na 10+, w dziesięciostopniowej skali i chciałbym, aby ten projekt był nadal kontynuowany, tak żeby inni mieli możliwośd udziału w takim projekcie i szansę wygrania takiej wycieczki. Jakub Krężel Od samego początku wyjazd do Genewy był dla mnie tylko marzeniem. Ale jak to bywa, marzenia czasami się spełniają Jakub Foltyn Ta wycieczka zapewniła mi wiele niezapomnianych wrażeo i bardzo żałowałam, że nie mogła trwad dłużej. Patrycja Zimny Na zakooczenie chciałbym podkreślid, że jest super. Wspaniali ludzie. Doskonała atmosfera. Uważam, że powinno organizowad się więcej takich projektów. Mają one na celu doskonalenie naszych umiejętności. Rozwijamy nasze zainteresowania i zawiązujemy przyjaźnie. Dawid Hajnrych Opracował na podstawie materiałów z warsztatów: Lech Głazunow 19