Akceleratory cząstek elementarnych stanowią obecnie jedno z podstawowych narządzi badania struktury materii oraz sił ją wiążących. Ich zadaniem jest rozpędzenie cząstek elementarnych (głównie protonów) do prędkości bliskich prędkości światła, co przekłada się na znaczną gęstość energii wiązki cząstek. Gdy osiągną one założoną energię, dochodzi do kolizji, których efektem są nowe cząstki elementarne. Badanie ich właściwości (masa, prędkość, energia, itd.) pozwala fizykom weryfikować istniejące teorie opisujące nasz obecny stan wiedzy.
Największym akceleratorem cząstek elementarnych jest obecnie Wielki Zderzacz Hadronów (LHC, ang. Large Hadron Collider). Powstał on z myślą o prowadzeniu jeszcze bardziej zaawansowanych badań w porównaniu do swoich poprzedników, a przede wszystkim odkryciu bozonu Higgsa, tzw. “boskiej” cząstki. Cząstka ta stanowi brakujący element tzw. Modelu Standardowego, który opisuje nasz stan wiedzy na temat fizyki cząstek, tj. ich właściwości oraz sił je wiążących. Bozon Higgsa odpowiada za nadawanie masy cząstkom elementarnym. Cel ten udało się już osiągnąć, co zostało docenione przyznaniem Nagrody Nobla dla Petera Higgsa oraz Francoisa Englerta w 2013 roku.
Jeszcze więcej świetlności
Od stycznia br. LHC jest w trakcie tzw. długiego postoju. W trakcie dwuletniej przerwy realizowane będą prace nad wdrażaniem projektu zwiększenia świetlności akceleratora. Projekt jest określany mianem High-Luminosity LHC (HL-LHC). Świetlność jest miarą liczby zderzeń w akceleratorze cząstek elementarnych, co przekłada się na liczbę realizowanych obserwacji. Z fizycznego punktu widzenia, im większa świetlność, tym dokładniejsze są analizy statystyczne obserwowanych zjawisk, gdyż dostępne jest więcej danych wejściowych, które mogą potwierdzić lub wykluczyć hipotezy naukowców. HL-LHC ma zwiększyć świetlność 10-krotnie.
Z inżynierskiego punktu widzenia modernizacja obejmie ponad 1.2 km długości akceleratora (obwód LHC to 27 kilometrów), przy czym dotyczy wszystkich głównych systemów (układy chłodzenia, utrzymania próżni, kontroli trajektorii cząstek, nadprzewodzących elektromagnesów). W obszarze nadprzewodzących elektromagnesów, po raz pierwszy zastosowany zostanie nowy rodzaj nadprzewodnika (związek złożony z niobu oraz cyny – Nb3Sn), co ze względu na jego właściwości wiąże się z wytężonymi pracami badawczo-rozwojowymi. Dodatkowo, modernizacja obejmuje detektory rejestrujące zderzenia cząstek elementarnych oraz wcześniejsze akceleratory stanowiące pośrednie kroki przyspieszania cząstek przed dotarciem do LHC.
Część prac zrealizowanych zostanie podczas trwającego obecnie postoju, zaś ich drugi etap przypadnie na lata 2024-26. HL-LHC rozpocznie swoje działanie w 2026 r. i będzie realizować eksperymenty do 2038 r. Równolegle powinny zostać realizowane prace nad budową kolejnego akceleratora. Do tego czasu musi być zbudowany kolejny akcelerator w celu zachowania ciągłości prowadzonych badań.
Precyzja badań vs nowe odkrycia
W istocie, w świecie fizyki cząstek trwają obecnie szeroko zakrojone konsultacje dotyczące budowy kolejnego akceleratora. W 2020 roku ma zapaść decyzja odnośnie kierunku badań naukowych w tym obszarze. Rozpatrywane są dwa główne warianty, tj. budowa kolejnego akceleratora kołowego lub liniowego.
Future Circular Collider (FCC) to projekt budowy akceleratora o obwodzie rzędu 100 km, który będzie realizować kolizje przy energiach wynoszących 100 TeV (dla przypomnienia dla LHC jest to 14 TeV). FCC stawia jednak szereg wyzwań w wielu obszarach inżynierskich: budowa tunelu, wytworzenie głównych komponentów (m.in. nadprzewodzące elektromagnesy, detektory), zapewnienie dostatecznego zasilania, itp. Realizacja tak ogromnego przedsięwzięcia wiąże się z niebotycznymi kosztami (rzędu dziesiątków miliardów euro). Stąd pomysł zbudowania najpierw akceleratora wykorzystującego do zderzeń elektrony i pozytony. W tym przypadku główny koszt to budowa tunelu, zaś konieczne oprzyrządowanie jest mniej kosztowne. Następnie, można wykorzystać istniejący tunel i umieścić w nim nadprzewodzące elektromagnesy wraz z instalacjami zasilania i chłodzenia, co pozwoli kontynuować badania przy jeszcze wyższych energiach zderzeń. Warto wspomnieć, iż takie podejście wykorzystano już w przypadku LHC, który korzysta z tunelu swojego poprzednika – LEP (Large Electron-Positron Collider).
W 2012 roku złożono raport dot. koncepcji budowy akceleratora liniowego o nazwie CLIC (Compact Linear Collider). CLIC docelowo ma mieć długość wynoszącą 54 km i zakłada zderzanie elektronów i pozytonów przy energiach rzędu kilku TeV (zatem zbliżone do LHC). Projekt ten również wiąże się ze znacznym kosztem, który może zostać rozłożony w czasie dzięki stopniowemu wydłużaniu jego długości. Akcelerator liniowy pozwala na precyzyjne badanie właściwości już odkrytych cząstek elementarnych, z kolei akcelerator kołowy pozwala na odkrywanie nowych cząstek ze względu na większe energie zderzeń.
A więc dokąd zmierzasz?
Na tę chwilę trudno wskazać jednoznacznie, który wariant powinien zostać wdrożony, gdyż każde z rozwiązań wiąże się z szeregiem wyzwań inżynierskich. Dodatkowo, z fizycznego punktu widzenia, brakuje obecnie klarownych przesłanek wskazujących, iż zakładany poziom energii zderzeń pozwoli dokonać nowych odkryć. Bez względu na wybrany wariant, rozwój tego obszaru badań podstawowych ma potencjał wywarcia sporego wpływu na nasze społeczeństwo. Technologie stosowane w CERN znajdują zastosowanie przy innowacyjnych terapiach nowotworowych, czy też obrazowaniu medycznym. Istotna jest również współpraca z przemysłem, który dostarcza innowacyjnych rozwiązań w celu zaspokojenia wymagań fizyków. W CERN szkolone są również kolejne generacje inżynierów oraz naukowców, a realizowane badania mają charakter ogólnoświatowy. Gorąco zachęcam do śledzenia doniesień prasowych w tym obszarze, gdyż najbliższe lata określą strategię fizyki cząstek na kolejne kilka dekad.
