Widok na CERN. Biała linia pokazuje przebieg tunelu o długości 27 km, gdzie znajdują się pod ziemią akceleratory.

CERN to ośrodek naukowo-badawczy położony na północno-zachodnich przedmieściach Genewy na granicy Szwajcarii i Francji, pomiędzy Jeziorem Genewskim a górskim pasmem Jury. Skrót CERN pochodzi od pierwotnej nazwy organizacji: Europejska Rada Badań Jądrowych (z francuskiego Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Ze względu na obecny stan działalności ośrodka stosowana jest również nazwa Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek (z francuskiego Laboratoire Européen pour la Physique des Particules), lecz nie ma ona charakteru oficjalnego. Obecnie do organizacji należy dwadzieścia państw. Wysokość składek jest proporcjonalna do ich dochodu narodowego. W 2008 roku Polska pokrywa 2,3% budżetu, co sytuuje nas na jedenastym miejscu. CERN zatrudnia 2600 stałych pracowników oraz około 8000 naukowców i inżynierów. W ośrodku pracuje około 350 Polaków.
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.

Wielki Zderzacz Hadronów LHC w CERN

Przyspieszając cząstki do bardzo dużych 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 potężne pola elektryczne, by nadać energię wiązce cząstek. Pola magnetyczne służą 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 dłuższe, tym większa jest energia końcowa. W akceleratorach kołowych cząstki krążą cały czas, za każdym okrążeniem zwiększając energię.
W 1957 skonstruowano pierwszy akcelerator cząstek - Synchrocyklotron Protonowy (PS) , który przyspieszał protony i pozwolił pierwszy raz zaobserwować rozpad pionu na elektron i neutrino.
W 1976 ruszył akcelerator SPS (Super Proton Synchrotron) pozwalający przyspieszać protony do jeszcze większych energii. Równocześnie opracowano technikę stochastycznego chłodzenia, która pozwoliła na przyspieszenie intensywnej wiązki antyprotonów. Akcelerator SPS przekształcono w zderzacz proton-antyproton i w 1983 odkryto przewidziane teoretycznie bozony pośredniczące w oddziaływaniach słabych W i Z.
Oba akceleratory PS i SPS pracują do dziś i stanowią pierwszy stopień przyspieszania. Po opuszczeniu tych przyspieszaczy protony mają prędkość stanowiącą 99,99975 % prędkości światła są kierowane do dalszego przyspieszania.
W 1989 roku ruszył Wielki Zderzacz Elektronowo - Pozytonowy (z angielskiego Large Electron-Positron Collider czyli LEP) . Dokładniej zbadano na nim bozony W⁺, W^- i Z^o; dowiedziono, że istnieją jedynie trzy rodziny cząstek elementarnych. LEP pracował do 2000 roku. Znajdował się on w tunelu o obwodzie 27 kilometrów. Posiadał cztery główne detektory: ALEPH (An Apparatus for LEP pHysics), DELPHI (Detector with Electron, Photonand Hadron Identication), L3 (Letter of intent. nr 3) oraz OPAL (Omni PurposeApparatus for LEP)

Widok fragmentu tunelu, w którym znajduje się LHC.

W 2000 roku LEP został rozebrany, aby zwolnić tunel, w którym się znajdował i zaczęto budowę Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC (z angielskiego Large Hadron Collieder). Przyspiesza on przeciwbieżne wiązki proton-proton i proton-jądro ołowiu. Po całym cyklu przyspieszania protony będą miały prędkość stanowiącą 99,9999991% prędkości światła. Cząstki są w stanie okrążać odziedziczony po LEP-ie tunel o długości dwudziestu siedmiu kilometrów 11 000 razy na sekundę. Tory cząstek zakrzywiają schłodzone helem do 1,9 K (-271,05°C) elektromagnesy nadprzewodzące, przez które płynie prąd elektryczny o natężeniu do 11850 A. Ponieważ LHC przyspiesza dwie wiązki poruszające się w przeciwnych kierunkach, są to w rzeczywistości dwa akceleratory w jednym. Aby urządzenie było maksymalnie zwarte i możliwie najmniej kosztowne, magnesy wbudowane są w jeden blok. Przed wpuszczeniem wiązki protonów do LHC, wiązki protonów są przygotowywane przez akceleratory PS i SPS już pracujące w CERN. Wielki Zderzacz Hadronów ma bardzo dużą liczbę cząstek w wiązce, dzięki czemu wzrasta prawdopodobieństwo obserwacji interesujących zderzeń.
10 września 2008 został on próbnie uruchomiony ale nastąpiła awaria. Ponownie uruchomiono go w listopadzie 2009 roku i pracował do marca 2013. W 2012 roku ogłoszono odkrycie cząstki Higgsa. Obecnie trwają prace modernizacyjne i badania będą kontynuowane od marca 2015 roku. Uzyskiwane energie cząstek będą dwa razy większe niż dotychczas i naukowcy liczą na nowe odkrycia.

Detektor ATLAS

Detektory, które badają zderzenia w LHC są bardzo skomplikowane. Są również szybsze, zdolne wychwycić około 800 milionów zderzeń w każdej sekundzie. LHC posiada cztery ogromne detektory: dwa wielkie i uniwersalne - ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS) i CMS (Compact Muon Solenoid) oraz dwa mniejsze, bardziej wyspecjalizowane - ALICE (A Large Ion Collider Experiment), LHCb.
Układy detekcyjne zawierają dużą liczbę poddetektorów, podzielonych na wiele dalszych komórek. Każda 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, że liczba kanałów elektroniki systemów detekcyjnych jest bardzo wysoka: dla CMS wynosi ona około 100 mln kanałów. Tyle mniej więcej jest aparatów telefonicznych w Europie.

Detektor CMS

ATLAS jest detektorem ogólnego zastosowania, podczas zderzania wiązek protonów jest bardziej skupiony na wyłapaniu największego spektrum produktów kolizji niż detekcji konkretnych rodzajów cząstek. Jest on największym objętościowo detektorem cząstek, jaki dotąd zbudowano, ma wymiary sześciopiętrowego budynku. W tym eksperymencie, podobnie jak w CMS, badania dotyczą poszukiwań cząstki Higgsa, dodatkowych wymiarów i cząstek tworzących (np. cząstek supersymetrycznych). To właśnie w tym detektorze oraz w detektorze CMS wykryto w 2012 roku ślady cząstki Higgsa.
CMS (zwarty solenoidalny detektor mionów) to jeden z dwóch detektorów ogólnego przeznaczenia. Głównym jego zadaniem jest jak sama nazwa wskazuje będzie detekcja mionów, które łatwo przenikają przez materię, dadzą się więc zidentyfikować w zewnętrznych warstwach detektora, gzie nie dolecą inne cząstki. Pojawienie się mionów może być dla fizyków sygnałem obecności nowych cząstek, których nie opisuje Model Standardowy. W tym eksperymencie, podobnie jak w eksperymencie ATLAS, badania więc dotyczą poszukiwań cząstki Higgsa, dodatkowych wymiarów, cząstek tworzących ciemną materię (np. cząstek supersymetrycznych). CMS, w przeciwieństwie do innych dużych detektorów w LHC, został zbudowany na powierzchni i następnie w 15 częściach opuszczony do podziemnej hali i ponownie złożony.

Detektor ALICE

ALICE (eksperyment przy wielkim zderzaczu jonów) jest eksperymentem badającym plazmę kwarkowo-gluonową (QGP) w zderzeniach jonów ołowiu, co pozwola odtworzyć w laboratorium warunki tuż po Wielkim Wybuchu, zanim powstały takie cząstki jak proton i neutron. Służy również do badań zderzeń proton-proton, uzyskując z nich dane porównawcze do zderzeń jonów ołowiu.
LHCb (detektor cząstek elementarnych przy LHC) posłuży do obserwacji kwarków) b i ich antykwarków) (jest to kwark piękny lub inaczej denny). Wyniki tego eksperymentu pozwolą odpowiedzieć na pytanie, czy łamanie symetrii CP zachodzi dla kwarków pięknych b. Wcześniejsze doświadczenia dowiodły, że zjawisko łamania CP ma miejsce przy rozpadach kwarków dziwnych (s) na kwarki u i d. Pozwoli to na wyjaśnienia dlaczego dziś świat zdominowany jest przez materię, a nie antymaterię).

Detektor LHCb

LHC rocznie dostarcza 15 mln GB danych, co odpowiada 100 000 płyt DVD. Aby umożliwić naukowcom z całego świata dostęp do tych danych i ich analizę, został zbudowany WLCG - rozproszony układ komputerowy umożliwiający przechowywanie danych i obliczenia. Kopie danych z eksperymentów LHC będą przekazywane do wielu dużych centrów komputerowych pracujących w 33 krajach.
Jednym z najtrudniejszych problemów stojących przed fizykami jest zbudowanie systemu wyzwalania, to znaczy 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 dużych pędach poprzecznych. Na tym poziomie niemożliwe jest wykonywanie złożonych testów lub jakichkolwiek obliczeń, gdyż 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 niż największe superkomputery. Przewiduje się, że po pierwszym etapie selekcji pozostanie około 30 tysięcy przypadków, które poddane zostaną szczegółowej analizie.

Takie ślady powinna pozostawić po sobie w detektorze cząstka Higgsa, postała po zderzeniu elektronów i pozytonów w nowym akceleratorze liniowym

Dopiero po odrzuceniu większości nieciekawych przypadków można wykonywać bardziej dokładne obliczenia, takie jak na przykład wyznaczenie pędów cząstek i sprawdzenie, czy w danym zderzeniu nie zaobserwowano rozpadów cząstek o czasach życia większych niż 1 ps (takie rozpady można obserwować w detektorach). Takie operacje mogą już wykonywać zestawy dostępnych komputerów, z których każdy zajmuje się jednym przypadkiem. Komputer taki musi otrzymać wszystkie informacje o danym przypadku. Obliczenia będą przeprowadzane na komputerach wielu użytkowników w wielu krajach. Trzeba było zaprojektować i zbudować swoistą centralę telefoniczną, która potrafi łączyć 100 mln abonentów-kanałów elektroniki z centralą-komputerem z częstości 40 MHz.


W LHC zrealizowane są cztery podstawowe programy eksperymentalne. Ale oprócz tego obowiązuje naczelna zasada fizyków - "Najważniejsze to badać", a efekty mogą być zaskakujące. Zderzacz być może umożliwi zbadanie nowych obszarów w poszukiwaniu śladów ukrytych dodatkowych wymiarów czasoprzestrzeni, nowych oddziaływań i nieznanych zjawisk.


Cząstka ta jest ostatnim elementem składowym Modelu Standardowego. Na podstawie poprzednich eksperymentów wiadomo było, że jej masa spoczynkowa musi być bardzo duża. Celem badań było więc dokładne spenetrowanie całego tego obszaru możliwych wartości mas. Nie było to zadanie proste, bowiem cząstka Higgsa ma niezwykle krótki czas życia i w zależności od swojej masy może rozpadać się na wiele różnych sposobów. Na szczęście, możliwe 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 możemy zaobserwować w detektorach LHC.
2 lipca 2012 roku ogłoszono wyniki obserwacji w eksperymentach CMS i ATLAS akceleratora LHC, które z bardzo dużym prawdopodobieństwem świadczą o przypadkach zarejestrowania produktów rozpadu cząstki o masie około 134 razy większej od masy protonu. Interpretowane jest to jako pojawienie się poszukiwanej cząstki Higgsa. Podobne wyniki zaobserwowano również wcześniej w zamkniętym akceleratorze Tevatron w USA, gdzie pojawiła się cząstka o podobnej masie. Mimo długiego czasu trwania eksperymentów i przeprowadzenia wielu bilionów zderzeń, nadal zarejestrowano niewiele przypadków, w których obserwowane cząstki, można uważać za produkty rozpadu cząstki Higgsa. Jednak zgodność obu eksperymentów daje mocny dowód na znalezienie cząstki Higgsa. Dalszym etapem będzie żmudne poszukiwanie innych rozpadów i sprawdzenie przewidywań Modelu Standardowego.

Jeden ze scenariuszy, w którym pojawia się cząstka Higssa (bozonu Higssa)

Symulacja powstania hipotetycznych cząstek neutralino

Teorie wielkiej unifikacji, w tym Teoria Supersymetri, przewidują istnienie nowej klasy cząstek elementarnych. W zderzeniach wysokiej energii takie cząstki być może powstaną. Uczeni liczą, że zostanie wtedy rozwiązana zagadka dotycząca ciemnej materii. Niestety w pierwszym okresie pracy LHC w latach 2009 - 2013 nowych cząstek, poza cząstką Higgsa, nie wykryto. Być może po ponownym uruchomieniu w 2015 roku, gdy energia zderzających się elektronów będzie dwukrotnie większa pojawią się przewidywane przez teoretyków nowe egzotyczne cząstki.


W LHC przyspieszane być mogą, zamiast protonów, również ciężkie 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 duża, każdy kwark znajduje sobie natychmiast odpowiedniego partnera w swoim najbliższym otoczeniu i wiąże się z nim. Sytuacja zmienia się drastycznie, kiedy gęstość materii gluonowo-kwarkowej osiąga pewną wartość graniczną. Wtedy każdy kwark ma w swoim otoczeniu wielu potencjalnych partnerów, z którymi może się związać. Na dodatek nie musi on pozostawać na zawsze w jednym związku, może porzucić swojego partnera i znaleźć sobie szybko nowego.
Własności materii takiej mieszaniny kwarków i gluonów są w zasadzie nieznane. Chromodynamika kwantowa, teoria opisująca zachowanie kwarków i gluonów, jest jednym z najbardziej 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, że zrozumienie fizyki plazmy gluonowo-kwarkowej będzie miało kolosalne znaczenie nie tylko dla astrofizyki i kosmologii, ale może mieć daleko idące konsekwencje praktyczne.
W prasie pojawiła się sensacyjna informacja o możliwości wytworzenia mikroskopijnej czarnej dziury w wyniku połączenia się dwóch protonów. Nie jest to wykluczone, ale w artykułach naukowych o tym się nie wspomina i nie jest to celem głównym.


Ostatnim z wielkich projektów doświadczalnych, który jest realizowany przy użyciu LHC, to badanie własności kwarka pięknego b. LHC jest w stanie wyprodukować bardzo duże ilości tych kwarków i ich antykwarków. Pozwoli być może stwierdzić co łamie symetrię w oddziaływaniach elektrosłabych i dlaczego istnieje Wszechświat bez materii.

Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i serii artykułów zamieszczonych w numerze 4/2008 Świata Nauki.

---

W sierpniu 2004 roku, choć do uruchomienia akceleratora LHC było jeszcze daleko, zdecydowano na międzynarodowej konferencji w Pekinie o budowie akceleratora liniowego przyśpieszającego elektrony i pozytony, który będzie następnym krokiem w badaniu natury materii. Nazwano go Międzynarodowym Zderzaczem Liniowym (ILC - International Linear Collider). Nie ustalono jeszcze miejsca budowy. Najpoważniejszymi kandydatami są Niemcy (ośrodek DESY) gdzie już pracuje próbny odcinek, Europejski Ośrodek Fizyki Cząstek (CERN), USA (może Fermilab pod Chicago) i Japonia (KEK w Tsukuba). Ma on być finansowany przez największe ośrodki fizyki na świecie z Europy, USA i Japonii. Całkowity koszt budowy wynosi 7 mld dolarów. Planowany termin uruchomienia oscyluje około 2020 roku.
Będzie to w odróżnieniu od LHC akcelerator liniowy, to znaczy rozpędzane cząstki poruszać się będą po linii prostej. Służyć on będzie do badania zderzeń lekkich cząstek elektronów i pozytonów i dla takich cząstek akcelerator kołowy byłby droższy. Nowy przyspieszacz powstanie w tunelu o długości ponad 30 km i średnicy

Symulacja komputerowa pola elektrycznego przyspieszającego elektrony wewnątrz akceleratora

pięciu metrów umieszczonym kilkadziesiąt metrów pod ziemią. Cząstki będą rozpędzane napięciem ponad 26 mln woltów przez nadprzewodzące instalacje. Całkowita moc akceleratora wynosi aż 155 MW (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 można testować różne hipotezy przebiegu powstawania Wszechświata. Być może zbadamy dokładniej właściwości neutrino. Fizycy szukać też będą potwierdzenia odkryciacząstki Higgsa. Testowana będzie teoria strun, według której wszystkie cząstki można traktować jak maleńkie struny. Szukać się też będzie cząstek postulowanych przez teorię supersymetrii, które wyginęły tuż po Wielkim Wybuchu. Taką cząstką jest neutralino, cząstka symetryczna do neutrino.
Prace nad ILC ruszą pełną parą, gdy tylko odkrycia dokonane przez LHC wskażą najwłaściwsze kierunki dalszych badań. Równolegle z projektowaniem technicznym opracowuje się modele zarządzania projektem tak, by wszystkie biorące w nim zespoły fizyków były odpowiednio reprezentowane.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej. Opis projektu można znaleźć na stronie http://www.interactions.org/linearcollider/

---