Na pograniczu szwajcarsko-francuskim, sto metrw pod powierzchni ziemi, dobiega koca budowa akceleratora LHC. Nigdy wczeniej ludzko nie stworzya urzdzenia tak ogromnego i o tak gigantycznym stopniu zoonoci.

JAN KRLIKOWSKI JAROSAW CHROSTOWSKI

FIZYKA oddziaywa elementarnych przypomina nieco mikroskopi: bada wiat w maych skalach. Podobnie jak w optyce, zdolno rozdzielcza jest tu odwrotnie proporcjonalna do dugoci fali promieniowania owietlajcego obiekt. W akceleratorach, w ktrych czstki zderzaj si ze sob, rol tego promieniowania odgrywaj wirtualne kwanty pola, wymieniane midzy czstkami. Okazuje si, e dugo fal tych kwantw - a wic ich zdolno rozdzielcza - jest odwrotnie proporcjonalna nie do energii zderzajcych si czstek, ale do jej pierwiastka. Aby tysickrotnie poprawi zdolno rozdzielcz, energi czstek trzeba zwikszy a milion razy.

Projekt z przeszociWykorzystanie wysokoenergetycznych czstek jako prbnikw maych odlegoci byo podstaw synnego dowiadczenia Geigera, Marsdena i Rutherforda z 1911 roku - rozpraszania czstek alfa na cienkiej folii ze zota. Odkryto wtedy, e adunek dodatni w atomie zota jest skupiony w jdrze atomowym, sto tysicy

razy mniejszym od samego atomu. Uyte wwczas czstki alfa byy jednymi z bardziej energetycznych czstek naturalnie wystpujcych w rozpadach promieniotwrczych. Energie czstek w dzisiejszych akceleratorach s okoo miliona razy wiksze od energii dostpnych dla Rutherforda, dziki czemu badamy odlegoci rzdu 10 m - mniejsze ni promil promienia protonu! W koowym zderzaczu elektronw z pozytonami LEP w Europejskim Laboratorium Fizyki Czstek CERN koo Genewy, pracujcym w latach 1989-2001, osignito energie ok. 210 GeV W zderzaczu proton-antyproton Tevatron w Narodowym Laboratorium Fermiego FNAL koo Chicago mamy 1,9 TeV, a wanie uruchamiany zderzacz pro- ton-proton w CERN-ie osignie energi 14 TeV.

Historia prac nad Wielkim Zderza- czem Hadronw (Large Hadron Collider - LHC) liczy niemal 30 lat. Pod koniec lat 70. XX wieku, tu przed uruchomieniem w CERN-ie najwikszego wczesnego akceleratora LEP, rozpoczto studia nad zderzaczem o wikszej energii. W 1984 roku odbyy si pierwsze warsztaty naukowe, zorganizowane przez Europejski Komitet Przyszych Akceleratorw (ECFA) w Lozannie. W czasie obrad ustalono, e nowe urzdzenie powinno umoliwi zbadanie przede

wszystkim zjawiska spontanicznego amania symetrii (o ktrym piszemy w artykule o supersymetrii - przyp. red.) oraz zwizanego z nim mechanizmu powstawania mas czstek. W najprostszym przypadku oznaczao to prb odkrycia bozonu Higgsa oraz zmierzenie jej masy i sposobw rozpadu.

Z kolei przekonanie teoretykw, e Model Standardowy nie jest ostateczn teori oddziaywa elementarnych, sprawio, e drugim podstawowym zadaniem stao si poszukiwanie sygnaw dowiadczalnych niezgodnych z t teori. Uznano, e obu zagadnieniom naley powici dwa eksperymenty oglnego przeznaczenia, kady z wasnym detektorem - ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) i CMS (Compact Muon Selenoid). Bardziej wyspecjalizowane zadania - jak badanie zderze ultrare- latywistycznych jder cikich jonw czy analiza rozpadw kwarkw piknych - zaowocoway propozycj budowy kolejnych detektorw: ALICE, LHCb, LHCf i TOTEM. Program naukowy LHC zosta sprecyzowany w serii warsztatw i konferencji, zorganizowanych przez ECFA w latach 1985- -1994, na ktrych brano pod uwag m.in. wyniki dowiadcze z akceleratora LEP. Ostateczn decyzj o budowie LHC podjto na posiedzeniu Rady CERN-u 16 grudnia 1994 roku.

Na dno szybu w akceleratorze LHC trafia jeden z zespow czujnikw.Za jego pomoc w detektorze CMS bd rejestrowane czstki wtrne poruszajce si w pobliu osi zderzajcych si wizek.

LHC W TELEGRAFICZNYM SKRCIE

1 eV (elektronowolt) to energia, jak zyskuje elektron, przyspieszajc w polu elektrycznym o rnicy potencjaw rwnej 1 V. Cho wydaje si, e to niewiele, wzrost energii elektronw w materii o 1 eV odpowiadaby przyrostowi jej temperatury a o 11 605 K!

Energia zderze w LHC (14 TeV, czyli 14000000000000 eV) odpowiada mniej wicej energii wyzwalanej przy delikatnym klaniciu. W LHC ta energia bdzie si wyzwala w zderzeniu dwch maych protonw.

Protony zostan rozpdzone do prdkoci 99,9999991% prdkoci wiata. Dugi na 27 km tunel w kadej sekundzie okr 11425 razy.

Protony bd podroway grupami po 1,151011 czstek, tworzc pociski dugoci kilku centymetrw i rednicy jednego milimetra. Tu przed zderzeniem paczki protonw zostan cinite - rednica pocisku zmniejszy si do 1/3 gruboci ludzkiego wosa.

Energia zmagazynowana w pojedynczej paczce protonw odpowiada energii detonacji 80 kg trotylu. W tunelu akceleratora znajdzie si jednoczenie 2808 takich pociskw, leccych niemal z prdkoci wiata w zaledwie siedmiometrowych odstpach.

Najwikszy detektor, ATLAS, ma dugo 46 m i rednic 25 m. W realizowanych za jego pomoc dowiadczeniach uczestniczy 2100 fizykw z ponad 167 uniwersytetw i instytutw z 37 krajw wiata.

detektory mionwkalorymetryelektromagnetyczne

Opis detektora ATLASSzeroko: 44 m rednica: 22 m Waga: 7000 t

solenoid kalorymetrytoroid czoowy

toroid centralny detektor wewntrzny kalorymetry hadronowe osony

Kompleks akceleratorwZderzacz - czyli akcelerator wizek przeciwbienych - wykorzystuje dwie wizki czstek, zderzajce si czoowo, co pozwala uwolni wicej energii ni w przypadku uderzania czstek w nieruchom tarcz. Wikszo zderzaczy to zderzacze koowe: czstki poruszaj si po orbitach zamknitych. Po przyspieszeniu wizek do waciwej energii, kr one w piercieniu zderzacza przez wiele godzin. Ich intensywno stopniowo maleje wskutek kontrolowanych zderze wizek ze sob w punktach ich przecicia (tam ustawiamy aparatur pomiarow) oraz z powodu rozpraszania czstek na resztkach gazu w rurze prniowej akceleratora.

NIESFORNE MAGNESY

Gwnym elementem LHC jest 27-kilometrowy piercie z ok. 1300 nadprzewodzcych magnesw dipolowych. Na kady metr biecy uzwoje tych magnesw dziaaj sity ok. 6000 N. Siy te w niekontrolowany sposb przesuwaj uzwojenie z nadprzewodnika (tytanku niobu), co wywouje zmian pola magnetycznego i moe prowadzi do zwar. Zwarcie oznacza wydzielanie si ciepa i podgrzanie nadprzewodnika, ktry moe przej do stanu normalnego przewodnictwa, z czym wie si dalsze wydzielanie si ciepa - zachodzi reakcja lawinowa, tzw. quench. Jej skutkiem jest utrata wizek i ubytek helu (cieky hel przechodzi w gazowy, cinienie w ukadzie kriogenicznym wzrasta i otwieraj si zawory bezpieczestwa). W nowych magnesach quench zachodzi ju przy niskim nateniu prdu, ale na szczcie mona je wytrenowa: jeli natenie prdu podnosi si stopniowo, magnes przechodzi przez wiele quenchw i staje si na nie odporny. Magnesy w LHC testowano wielokrotnie, poddano take wczeniom i wyczeniom prdu w liczbie odpowiadajcej 10 latom pracy; nie pojawia si adna niekontrolowana awaria, a w trakcie awarii wymuszanych automatyczne systemy pomiarowe i kontrolne nie pozwoliy na zniszczenie magnesw.

i kilkukrotnie obniyo koszty budowy. Co wicej, poniewa LHC powsta w podziemnym tunelu, uniknito koniecznoci wykupywania gruntw, dopasowywania lokalnej infrastruktury (komunikacyjnej, wodnej itp.) oraz zachowano pikno krajobrazu.

Anatomia olbrzymaLHC jest zbudowany z piciu podstawowych rodzajw elementw. Magnesy dipolowe utrzymuj paczki czstek na zamknitych orbitach koowych. Charakteryzuj si silnym, staym i jednorodnym polem magnetycznym, skierowanym prostopadle do paszczyzny piercienia zderzacza. Ze wzgldu na konieczno wytwarzania silnych pl, magnesy te musz by nadprzewodzce (wykonano je z tytanku niobu NbTi). Z kolei magnesy ogniskujce i korekcyjne dziaaj jak soczewki: ogniskuj wizki czstek dookoa wybranych orbit koowych. Cz tych magnesw jest nadprzewodzca i musi by chodzona ciekym helem, cz to konwencjonalne magnesy z miedzianymi uzwojeniami, gdzie chodziwem jest woda. Oprcz magnesw mamy jeszcze ukady przyspieszajce -wnki rezonansowe (suce przyspieszaniu wizek oraz wyrwnujce straty ich energii), ukady zapewniajce wysok prni w rurze akceleratora oraz ukady kriogeniczne, dostarczajce ciekego helu.

Materiay nadprzewodzce magnesw trac nadprzewodnictwo w silnych polach magnetycznych. Dla tytanku niobu warto krytycznej indukcji magnetycznej wynosi ok. 9,5 T przy temperaturze nadciekego helu 1,8 K, co odpowiada energii protonw w tunelu rwnej 8-9 TeV. Poniewa magnes nadprzewodzcy pracujcy blisko pola krytycznego nie jest stabilny, zdecydowano si na 8-8,5 T, co odpowiada energii protonu 7 TeV, w twardych zderzeniach dochodzcej do 14 TeV

Midzy mas a energiDue energie umoliwiaj wytworzenie cikich czstek nietrwaych. Energia kinetyczna czstek z akceleratora zamienia si (czciowo) w mas czstek nietrwaych, a nastpnie na energie produktw ich rozpadw. Naprawd cikie czstki nietrwae w LHC bd miay czasy ycia znacznie krtsze od jednej pikosekundy (10 s)

ATL

AS

Zderzacz wysokich energii nie moe dziaa bez akceleratorw niszych energii, wstpnie przyspieszajcych wizki. Jest to skutek faktu, e konstrukcja akceleratora jest przystosowana przede wszystkim do zakresu energii, w ktrych dany akcelerator bdzie pracowa. Opacalne jest wic wielostopniowe przyspieszanie wizek w kompleksie akceleratorw. Tak przygotowane wizki s ostatecznie przyspieszane w gwnym piercieniu zderzacza. Umieszczenie LHC w CERN-ie, ktry dysponuje kompleksem akceleratorw nadajcych si do wstpnego przyspieszania protonw oraz 27-kilometrowym podziemnym tunelem LEP, pozwalajcym na zbudowanie gwnego piercienia zderzacza, byo decyzj rozsdn ekonomicznie

i nie mog by obserwowane w adnym ukadzie detekcyjnym. Ich badanie bdzie moliwe tylko dziki analizie energii i pdw produktw ich rozpadu.

Przy energiach dostpnych w LHC nieznane dzi czstki bd wytwarzay si w niewielkich ilociach. Trzeba zatem zapewni du liczb zderze, aby wrd nich znale interesujce, lecz rzadkie procesy. Protony w wizkach s zgrupowane w paczki po ok. 1011 protonw, a ich zderzenia zachodz co 25 ns, a wic z czstoci 40 MHz. W kadym akcie zderzenia paczek zajdzie ok. 20-25 zderze pro- ton-proton, zatem maksymalna liczba zderze dojdzie do miliarda na sekund. Detektory s wyposaone w efektywne systemy selekcji (wyzwalania) rzadkich przypadkw, wychwytujce ok. 100 ciekawych zderze na sekund - czyli jedno na kade 10 mln (pozostae przypadki s odrzucane). Zaprojektowanie systemu wyzwalania przy LHC byo jednym z najciekawszych i najtrudniejszych zagadnie.

Podgldanie mikrowiataPodczas zderze zoonych ukadw kwarkowych - a takimi s protony - cz kwarkw nie uczestniczy w zderzeniu. Kwarki te, tzw. spektatorzy (widzowie), kontynuuj lot w rurze akceleratora i nie podlegaj detekcji, a ich energia ucieka. Z tego powodu nie moemy zbudowa detektora przy zderzaczu hadronowym, w ktrym mierzylibymy wszystkie czstki i moglibymy skorzysta z prawa zachowania energii. Na szczcie cz zderze jest twarda i produkty ich rozpadu rozbiegaj si na boki - maj due pdy poprzeczne, czyli skadowe pdu prostopade do osi zderzajcych si wizek. Mona wwczas skorzysta z przyblionego prawa zachowania pdu (poprzecznego do osi wizek), gdy spektatorzy nie wnosz znaczcego udziau do pdu poprzecznego. Dlatego suma wektorw pdw poprzecznych produktw twardego zderzenia powinna by rwna zeru.

Zarejestrowanie i identyfikacja powstajcych czstek wymaga rnych technik detekcyjnych, dlatego detektory przypominaj cebul: punkt zderzania si wizek otaczaj warstwy czujnikw. Kolejno warstw jest tak dobierana, aby wewntrzne jak najmniej wpyway na pomiar w zewntrznych.

Osiemgigantycznych magnesw toroidalnych tu po zainstalowaniu w detektorze ATLAS. 0 skali urzdzenia wiadczy ledwo widoczna sylwetka czowieka.

Obiekty silnie absorbowane przez detektory (fotony, elektrony) s mierzone w warstwach wewntrznych, obiekty sabiej absorbowane (np. dety) sigaj warstw dalej, a przenikliwe miony i neutrina wymagaj danych ze wszystkich warstw.

Jak bdziemy bada czstki w LHC? W przypadku kwantw gamma (fotonw) bdziemy mierzy ich energie i kierunek lotu, czyli kierunek wektora pdu. Poniewa fotony s nie- naadowane, nie mona bada zakrzywienia ich toru w polu magnetycznym. Do pomiaru energii fotonw su kalorymetry elektromagnetyczne - detektory, ktre cakowicie je absorbuj. Z kolei w przypadku elektronw wektor pdu poprzecznego zmierzymy, obserwujc zagicia torw czstek w polu magnetycznym detektora. Fotony i elektrony od innych czstek odrnimy po tym, e tylko one bd cakowicie absorbowane w kalorymetrze elektromagnetycznym.

Dety, miony i neutrina przelatuj do zewntrznych warstw detektora. Dety skadaj si z leccych w niewielkim stoku, naadowanych i neutralnych hadronw (pod t nazw kryj si czstki zbudowane z kwarkw). Energia i kierunek detw s mierzone w kalorymetrze hadronowym, w ktrym dety s cakowicie pochaniane. Z kolei miony s czstkami sabo absorbowanymi przez materi, nie trac wic wiele ze swej energii podczas podry przez kalorymetry. Poniewa maj adunek elektryczny, wszystkie tory czstek naadowanych wychodzce

poza kalorymetry uwaamy za tory mionw. Problemem s neutrina i inne hipotetyczne czstki neutralne, sabo oddziaujce z materi. Informacj o nich otrzymujemy porednio, sprawdzajc zachowanie pdu w paszczynie prostopadej do osi wizek. Znaczcy brak pdu poprzecznego lub energii dowodzi, e cz czstek nie zostaa zaobserwowana. Jeli detektor jest hermetyczny (nie ma obszarw, w ktrych nie s rejestrowane fotony, elektrony, dety i miony), mona przyj, e niezaobserwowane czstki to wanie neutrina.

Uruchomienie LHC opnio si o cztery lata, gwnie z powodu problemw z magnesami piercienia. W rezultacie najwaniejsze ukady detektorowe bd gotowe dopiero w czerwcu tego roku. Sam piercie magnesw w LHC jest ju zamknity, wkrtce zostan do niego wpuszczone wizki protonw. Oczekujemy, e wczesn jesieni zaobserwujemy ich pierwsze zderzenia, a zbieranie danych naukowych zacznie si na przeomie listopada i grudnia. Najbardziej wyrafinowane przedsiwzicie naukowe i techniczne XXI wieku wkrtce pozwoli zweryfikowa nasz wiedz o prawach rzdzcych natur.

PROF. JAN KRLIKOWSKI jest pracownikiem Instytutu

Fizyki Dowiadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.

O udziale polskich naukowcw w budowie LHC oraz o problemach zwizanych ze zbieraniemi analiz danych napywajcych z akceleratora napiszemy w jednym z kolejnych numerw.