CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cz
ą
stek Elementarnych
CERN to największy ośrodek badawczy fizyki
cząstek elementarnych na świecie ZałoŜone
w 1954 roku Laboratorium było jednym z
pierwszych
europejskich
wspólnych
przedsięwzięć. PołoŜone jest na granicy
francusko - szwajcarskiej na zachód od
Genewy. W CERN pracuje 6500 naukowców,
a
więc
połowa
fizyków
cząstek
elementarnych na świecie. Reprezentują oni
500 uczelni i ponad 80 narodowości.
Działalność
CERN
to
czysta
nauka,
poszukiwanie odpowiedzi na najbardziej
podstawowe pytania dotyczące przyrody: Co
to jest materia? Skąd się bierze? W jaki
sposób tworzy ona tak skomplikowane
obiekty, jak gwiazdy, planety i istoty
ludzkie?
Zadaniem CERN jest dostarczanie fizykom wiązek cząstek o wysokich energiach, by mogli
wykorzystywać je do swoich eksperymentów. Pod tym względem Laboratorium jest
bezkonkurencyjne, bowiem posiada największy na świecie kompleks połączonych ze sobą
akceleratorów (przyspieszacz cząstek) i odpowiednie detektory (urządzenia rejestrujące i
analizujące otrzymane cząstki). Zderzając cząstki ze sobą wewnątrz akceleratorów zwanych
zderzaczami luk zderzając je z tarczami znajdującymi się poza akceleratorem, wytwarza się nowe
cząstki. Naukowcy w CERN badają miliony niezwykłych zderzeń, by zrozumieć, w jaki sposób
około 15 miliardów lat później Wszechświat stał się taki, jakim go teraz widzimy.
Przyspieszając cząstki do bardzo duŜych energii i rozbijając je o
wyznaczone tarcze lub o siebie nawzajem, fizycy mogą pokazać
oddziaływania, występujące pomiędzy tymi cząstkami.
Istnieją dwa typy akceleratorów: liniowe i kołowe. W CERN są
obydwa
typy.
Akceleratory
wykorzystują
potęŜne
pola
elektryczne, by nadać energię wiązce cząstek. Pola magnetyczne
słuŜą do utrzymania zwartości wiązki, a w urządzeniach
kołowych do kierowania jej po okręgu.
Akceleratory liniowe nadają energię wiązce cząstek na całej
długości akceleratora. Im urządzenie jest dłuŜsze, tym większa
jest energia końcowa. W akceleratorach kołowych cząstki krąŜą
cały czas, za kaŜdym okrąŜeniem zwiększając energię. Ale im
szybciej cząstki się poruszają, tym bardziej próbują wylecieć
poza okrąg, tak jak samochody na ostrym zakręcie. Największy
pracujący do tej pory akcelerator CERN Wielki Zderzacz
Elektronowo-Pozytonowy (LEP) ma bardzo duŜy obwód (27 kilometrów), co powoduje, Ŝe zakręty
są bardzo łagodne. Obecnie LEP został rozebrany i na jego miejscu w tym samym tunelu buduje
się nowy akcelerator wielki zderzacz hadronów - LHC. W przyszłości być moŜe ponownie nastąpi
uruchomienie LEP nad akceleratorem LHC.
Wielki zderzacz hadronów - LHC
Wielki zderzacz hadronów czyli LHC (ang. Large Hadron Collieder), to
akcelerator cząstek, który będzie sondował materię głębiej niŜ
kiedykolwiek dotychczas . Poi jego uruchomieniu, które planowane jest
na rok 2007, będą się w nim zderzać wiązki protonów o niesamowicie
duŜej energii, oraz przyspieszane będą wiązki ołowiu.
LHC
wykorzysta
nadprzewodnictwo.
Aby
utrzymać
wiązki
na
odpowiednich torach LHC musi mieć silniejsze pole magnetyczne niŜ
stosowane dotychczas. Nadprzewodnictwo to zdolność niektórych
materiałów do przewodzenia, zwykle w bardzo niskich temperaturach,
energii elektrycznej bez oporu czyli bez strat. LHC będzie działać w
temperaturze bliskiej zera bezwzględnego (-273°C). Akcelerator ten,
Widok na CERN. Biała linia pokazuje przebieg tunelu o długości 27
km, gdzie znajdują się pod ziemią akceleratory.
Akcelerator liniowy w CERN
Page 1 of 4
CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych
2008-03-29
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html
mając obwód 27 km, będzie największą instalacją nadprzewodzącą na
świecie.
PoniewaŜ LHC będzie przyspieszał
dwie
wiązki
poruszające
się
w
przeciwnych kierunkach, będą to w
rzeczywistości dwa akceleratory w
jednym.
Aby
urządzenie
było
maksymalnie
zwarte
i
moŜliwie
najmniej
kosztowne,
magnesy
wbudowane będą w jeden blok.
LHC jest budowany w tym samym
tunelu co LEP. Przed wpuszczeniem
wiązki protonów do LHC, wiązki
protonów
będą
przygotowywane
przez akceleratory juŜ pracujące w CERN.
Uniwersalne układy detekcyjne
Detektory, które będą badać zderzenia w LHC będą większe i bardziej skomplikowane niŜ
dotychczasowe. Będą równieŜ szybsze, zdolne wychwycić około 800 milionów zderzeń w kaŜdej
sekundzie.
Z budową LHC związane są cztery programy badawcze: dwa
wielkie i uniwersalne - ATLAS i CMS, oraz dwa mniejsze, bardziej
wyspecjalizowane - ALICE i LHCB. Nazwy układów detekcyjnych i
zespołów naukowych, które je projektują, budują i będą
wykorzystywać po uruchomieniu LHC w 2007 roku, pochodzą od
skrótów nazw angielskich. Przykładowo, CMS to Compact Muon
Solenoid, czyli Zwarty (Magnes) Solenoidalny (do detekcji)
Mionów.
Układy
detekcyjne
muszą
zawierać
więc
duŜą
liczbę
poddetektorów, podzielonych na wiele dalszych komórek. KaŜda
z nich zawiera elektroniczny tor sygnałowy, składający się z wzmacniaczy, układów formowania
impulsu, przetworników sygnałów analogowych na cyfry, kabli i włókien optycznych, systemu
pamięci buforowych itp. Okazuje się, Ŝe liczba kanałów elektroniki systemów detekcyjnych jest
bardzo wysoka: dla CMS wynosi ona około 100 mln kanałów. Tyle mniej więcej jest aparatów
telefonicznych w Europie.
System wyzwalania i zbierania danych
Jednym z najtrudniejszych problemów stojących przed fizykami
jest zbudowanie systemu wyzwalania, tzn. selekcji i odrzucania
większości "nieciekawych" oddziaływań proton-proton. System
wyzwalania w eksperymentach wysokich energii jest zazwyczaj
kilkustopniowy.
Zadaniem
pierwszego
stopnia
jest
jak
najszybsze (w około 3 ms) odrzucenie większości nieciekawych
oddziaływań- takich, w których nie powstały obiekty o duŜych
pędach poprzecznych. Na tym poziomie niemoŜliwe jest
wykonywanie złoŜonych testów lub jakichkolwiek obliczeń, gdyŜ
trzeba działać z częstością 40 MHz. W czasie oczekiwania na
decyzję
nie
powinniśmy
jednak
tracić
potencjalnie
interesujących
przypadków.
Szybkie
rozstrzygnięcia
muszą
być
podejmowane
przez
wyspecjalizowane układy procesorów pracujących równolegle, tworzących układ znacznie bardziej
skomplikowany niŜ największe superkomputery. Przewiduje się, Ŝe po pierwszym etapie selekcji
pozostanie około 30 tys. przypadków, które poddane zostaną szczegółowej analizie. Dopiero po
odrzuceniu większości nieciekawych przypadków moŜna wykonywać bardziej dokładne obliczenia,
takie jak na przykład wyznaczenie pędów cząstek i sprawdzenie, czy w danym zderzeniu nie
zaobserwowano rozpadów cząstek o czasach Ŝycia większych niŜ 1 ps (takie rozpady moŜna
obserwować w detektorach). Takie operacje mogą juŜ wykonywać zestawy dostępnych
komputerów, z których kaŜdy zajmuje się jednym przypadkiem. Komputer taki musi otrzymać
wszystkie informacje o danym przypadku, czyli wspomniane ponad 100 mln liczb. Musimy więc
zaprojektować i zbudować swoistą centralę telefoniczną, która potrafi łączyć 100 mln abonentów-
Pierwsza prototypowa sekcja
LHC po pierwszej pomyślnej
próbie.
Podwójna struktura nadprzewodzących
magnesów LHC
Fragment połączeń w CERN
Page 2 of 4
CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych
2008-03-29
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html
kanałów elektroniki z centralą-komputerem z częstości 40 MHz (nie chcemy bowiem zgubić
Ŝadnego przypadku). Takie systemy wyzwalania i zbierania danych będą budowane w
eksperymentach LHC.
Program badawczy LHC
W LHC mają zostać zrealizowane cztery podstawowe
programy eksperymentalne.
Poszukiwanie cz
ą
stki Higgsa
Cząstka ta jest ostatnim elementem składowym Modelu
Standardowego,
który
nie
został
jeszcze
zaobserwowany.
Z
przeprowadzonych
dotychczas
eksperymentów wiadomo, Ŝe jej masa spoczynkowa
musi być bardzo duŜa. Celem badań, które zostaną
przeprowadzone w LHC, będzie dokładne spenetrowanie
całego tego obszaru moŜliwych wartości mas. Nie jest to
zadanie proste, bowiem cząstka Higgsa ma niezwykle
krótki czas Ŝycia i w zaleŜności od swojej masy moŜe
rozpadać się na wiele róŜnych sposobów. Na szczęście,
moŜliwe kanały rozpadu zostały w ciągu ostatnich
kilkunastu lat gruntownie przeanalizowane zarówno
teoretycznie, jak i za pomocą symulacji komputerowych i
wiadomo bardzo dokładnie, jakie oznaki istnienia tej
cząstki moŜemy zaobserwować w detektorach LHC.
W poszukiwaniu cz
ą
stek supersymetrii
Sformułowanie hipotezy supersymetrii stanowi bez
wątpienia
jedno
z
najwaŜniejszych
osiągnięć
współczesnej fizyki teoretycznej. Symetria ta jest
uogólnieniem symetrii czasu i przestrzeni, odkrytych na
początku XX wieku przez Lorentza i Einsteina. Cechuje
się ona tak niezwykłym pięknem, Ŝe jeśliby natura nie
zrealizowałaby
tej
symetrii
w
świecie
cząstek
elementarnych, to byłoby zaiste niezwykle trudne do
zrozumienia.
Z
punktu
widzenia
fizyka
cząstek
elementarnych supersymetria jest szczególnie waŜna,
poniewaŜ umoŜliwia budowę tzw. modeli wielkiej
unifikacji, będących naturalnym uogólnieniem Modelu
Standardowego. Teorie wielkiej unifikacji przewidują
istnienie nowej klasy cząstek elementarnych, których
będzie się w tym programie poszukiwać.
Plazma kwarkowo - gluonowa
W LHC przyspieszane być mogą, zamiast protonów, równieŜ cięŜkie jony (na przykład jądra
ołowiu). Kiedy rozpędzone do wielkich energii jądra takie zderzają się ze sobą, przez krótką
chwilę kwarki i gluony poddane zostają ciśnieniom i temperaturom wielokrotnie przekraczającym
ciśnienia i temperatury panujące we wnętrzach najbardziej masywnych gwiazd. W tych
ekstremalnych warunkach powstaje nowy, egzotyczny stan skupienia materii zwany plazmą
gluonowo-kwarkową. W zderzeniach cząstek elementarnych struktura wiązań kwarków ulega
zaburzeniu. Jeśli jednak energia i gęstość materii nie jest wystarczająco duŜa, kaŜdy kwark
znajduje sobie natychmiast odpowiedniego partnera w swoim najbliŜszym otoczeniu i wiąŜe się z
nim. Sytuacja zmienia się drastycznie, kiedy gęstość materii gluonowo-kwarkowej osiąga pewną
wartość graniczną. Wtedy kaŜdy kwark ma w swoim otoczeniu wielu potencjalnych partnerów, z
którymi moŜe się związać. Na dodatek nie musi on pozostawać na zawsze w jednym związku,
moŜe porzucić swojego partnera i znaleźć sobie szybko nowego. Własności materii w stanie tej
dzikiej orgii w wykonaniu kwarków i gluonów są w zasadzie nieznane. Chromodynamika
kwantowa, teoria opisująca zachowanie kwarków i gluonów, jest jednym z najbardziej
Takie ślady powinna pozostawić po sobie w
detektorze cząstka Higgsa, postała po zderzeniu
elektronów i pozytonów w nowym alceleratorze
liniowym
Symulacja powstania hipotetycznych cząstek
neutralino
Page 3 of 4
CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych
2008-03-29
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html
skomplikowanych i wyrafinowanych modeli fizyki teoretycznej i bardzo skutecznie opiera się
dotychczas wysiłkom badaczy, próbujących przewidzieć opisywane przez nią zachowanie materii
w ekstremalnych warunkach. Nie ulega jednak wątpliwości, Ŝe zrozumienie fizyki plazmy
gluonowo-kwarkowej będzie miało kolosalne znaczenie nie tylko dla astrofizyki i kosmologii, ale
moŜe mieć daleko idące konsekwencje praktyczne.
Fizyka kwarka b
Ostatnim z wielkich projektów doświadczalnych, które mają być przeprowadzone przy uŜyciu LHC,
jest badanie własności kwarka b. LHC jest w stanie wyprodukować bardzo duŜe ilości tych
kwarków, ich zachowanie z kolei pozwala na dokładny pomiar pewnych, trudnych do określenia w
inny sposób, parametrów Modelu Standardowego. Badania fizyki kwarka b nie będą dotyczyć
"nowej fizyki", ale bardzo dokładnego zbadania własności modelu, który jest juŜ znany; są one
jednak niezwykle waŜne, poniewaŜ w konstruowaniu nowych teorii niezwykle istotna jest
dokładna znajomość własności ich poprzedników.
Nowy akcelerator liniowy
W sierpniu 2004 roku zdecydowano na międzynarodowej
konferencji w Pekinie o budowie akceleratora czyli przyrządu
do przyspieszania cząstek naładowanych. Wybór miejsca,
gdzie zostanie zbudowana maszyna, jest w pewnym sensie
sprawą polityczną. NajpowaŜniejszymi kandydatami są
Niemcy (ośrodek DESY) gdzie juŜ pracuje próbny odcinek,
USA (moŜe Fermilab pod Chicago) i Japonia (KEK w
Tsukuba). Decyzja zapadnie za dwa-trzy lata. Ma on być
finansowany przez największe ośrodki fizyki na świecie - z
Europy, USA i Japonii. Całkowity koszt budowy wynosi 5 mld
dolarów.
Będzie to w odróŜnieniu od LHC akcelerator liniowy, tzn.
rozpędzane cząstki poruszać się będą po linii prostej. SłuŜyć
on będzie do badania zderzeń lekkich cząstek elektronów i
pozytonów i dla takich cząstek akcelerator kołowy byłby
droŜszy. Nowy przyspieszacz powstanie w tunelu o długości
ponad 30 km i średnicy pięciu metrów umieszczonym
kilkadziesiąt metrów pod ziemią. Cząstki będą rozpędzane
napięciem ponad 26 mln woltów przez nadprzewodzące
instalacje. Całkowita moc akceleratora wynosi aŜ 155 MW
(całkowita moc elektrowni Adamów koło Turku wynosi 600MW) czyli jedną czwartą średniej
wielkości elektrowni.
Nowy akcelerator pozwoli badać cząstki powstałe w
wyniku zderzenia elektronów i pozytonów. Takie warunki
panowały zaraz po
Wielkim Wybuchu
, będzie więc moŜna
testować
róŜne
hipotezy
przebiegu
powstawania
Wszechświata. Być moŜe zbadamy dokładniej właściwości
neutrino. Fizycy szukać teŜ będą
cz
ą
stki Higgsa
.
Testowana będzie
teoria strun
, według której wszystkie
cząstki moŜna traktować jak maleńkie struny. Szukać się
teŜ
będzie
cząstek
postulowanych
przez
teori
ę
supersymetrii
, które wyginęły tuŜ po Wielkim Wybuchu.
Taką cząstką jest neutralino, cząstka symetryczna do
neutrino.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych
w
serwisie naukowym Gazety Wyborczej
. Opis projektu
moŜna
znaleźć
na
stronie
http://www.interactions.org/linearcollider/
Rezonatora wykonanego z niobu w którym poruszać
się będą elektrony i pozytony
Page 4 of 4
CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych
2008-03-29
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_b.html