LHC - Wielki Zderzacz Hadronów.pdf - Świat Nauki - parys90

LHC Ð Wielki Zderzacz

48 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 2000

Ten pot«ýny i niezwykle skomplikowany

akcelerator czstek elementarnych jest

owocem mi«dzynarodowej wsp¸pracy

o æwiatowym zasi«gu. Czy uda si«

dzi«ki niemu odkry nowe, egzotyczne

oblicze otaczajcej nas rzeczywistoæci?

Hadronw

Chris Llewellyn Smith

z pr«dkoæci rwn 99.999999% pr«dkoæci æwiat¸a, to

w nast«pstwie tej subatomowej eksplozji przyroda do-

staje do zabawy energi« rwn 14 bln eV (14 TeV). Ta energia,

rwnowaýna sumie mas 14 tys. protonw, dzieli si« mi«dzy

mniejsze czstki, z ktrych zbudowany jest proton: kwarki

i wiýce je gluony. W wi«kszoæci zderzeÄ jest ona marnowa-

na, gdyý kwarki i gluony podlegaj jedynie s¸abemu muæni«ciu,

wystrzeliwujc strumieÄ znanych czstek, ktre fizycy dawno

juý skatalogowali i zanalizowali. Jednak od czasu do czasu dwa

kwarki zderzaj si« czo¸owo z energi rz«du 2 TeV lub wyý-

sz. Fizycy s przekonani, ýe przyroda chowa w zanadrzu wie-

le niespodzianek, ktre ujawni si« w takich w¸aænie zderze-

niach Ð moýe b«d to czstki nazwane bozonem Higgsa, a moýe

dowd na wyst«powanie niezwyk¸ego zjawiska zwanego super-

symetri czy teý coæ tak zupe¸nie zaskakujcego, ýe wywrci

do gry nogami ca¸ dotychczasow fizyk« teoretyczn.

Ostatni raz tak gwa¸towne zderzenia duýych iloæci kwarkw

zdarzy¸y si« miliardy lat temu, podczas pierwszej pikosekun-

dy (10 Ð12 s) Wielkiego Wybuchu. Ponownie zaczn si« one po-

jawia oko¸o roku 2005 w tunelu w kszta¸cie okr«gu, biegn-

cym pod ziemi na granicy francusko-szwajcarskiej, niedaleko

Genewy. W¸aænie w tym roku tysice naukowcw i inýynie-

rw z kilkudziesi«ciu krajw planuj zakoÄczy budow« ogrom-

nych detektorw do Wielkiego Zderzacza Hadronw (LHC Ð

Large Hadron Collider) i rozpocz eksperymenty. Ten ogrom-

ny i stanowicy technologiczne wyzwanie program naukowy

jest juý mocno zaawansowany. Koordynuje go CERN Ð Euro-

pejskie Laboratorium Fizyki Czstek, ktre takýe odpowiada

za budow« samego akceleratora.

Zderzacz LHC b«dzie mia¸ mniej wi«cej siedmiokrotnie wi«k-

sz energi« niý znajdujcy si« w Fermi National Accelerator

Laboratory w Batavii, w stanie Illinois, Tevatron, ktry w eks-

perymentach prowadzonych w latach 1992Ð1995 pos¸uýy¸ do

odkrycia od dawna poszukiwanego kwarka top (po angielsku

rwnieý nazywanego ãtrueÓ, a po polsku odpowiednio szczy-

towego lub prawdziwego Ð przyp. red.) [patrz: Tony M. Liss

i Paul L. Tipton, ãOdkrycie kwarka topÓ; åwiat Nauki , listopad

1997]. LHC osignie swoj bezprecedensow energi« mimo

istotnego ograniczenia, ktre wynik¸o z koniecznoæci zmiesz-

czenia go w istniejcym juý 27-kilometrowym tunelu. Obec-

nie znajduje si« w nim Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozyto-

nowy (LEP Ð Large Electron-Positron Collider) uýywany do

przeprowadzania precyzyjnych testw teorii czstek przy ener-

gii stanowicej mniej wi«cej 1% planowanej energii LHC. Wy-

USYTUOWANIE TUNELU d¸ugoæci 27 km, biegncego 100 m pod

ziemi na granicy francusko-szwajcarskiej, niedaleko Genewy, gdzie

znajdzie si« Wielki Zderzacz Hadronw (LHC), zaznaczono na ý¸-

to. Mniejsze okr«gi wskazuj po¸oýenie podziemnych hal, w ktrych

zostan zainstalowane detektory oraz urzdzenia pomocnicze.

å WIAT N AUKI WrzesieÄ 2000 49

G dy zderzaj si« ze sob dwa protony poruszajce si«

b« rzadkich zderzeÄ mi«dzy kwarkami

i gluonami nioscymi niezwykle duýe

u¸amki ca¸kowitej energii protonw,

w LHC b«d zderzane wizki protonw

o niespotykanym wczeæniej nat«ýeniu.

Nat«ýenie LHC, czy teý jego ãæwietl-

noæÓ, b«dzie sto razy wi«ksze niý w

dotychczasowych zderzaczach, jak na

przyk¸ad w Tevatronie, i dziesi« razy

wi«ksze niý w Nadprzewodzcym Su-

perzderzaczu (SSC Ð Superconducting

Super Collider), ktrego budowy zaprze-

stano w 1993 roku. SSC by¸by konkuren-

cj dla LHC: mia¸ zderza wizki proto-

nw kaýda o energii 20 TeV w tunelu

o obwodzie 87 km biegncym wok¸

Waxahachie w stanie Teksas. Wi«ksza

æwietlnoæ LHC w porwnaniu z SSC

w znacznej mierze kompensowa¸aby je-

go niýsz energi« wizek. Zarazem

jednak jest utrudnieniem w prowadze-

niu eksperymentw. Poza tym tak in-

tensywne wizki mog by rd¸em in-

nych problemw w rodzaju chaotycz-

nego zachowania si« orbit. Aby uzyska

wizki stabilne i dobrze zogniskowane,

trzeba pokona te przeszkody.

W czterech miejscach wzd¸uý obwo-

du LHC w kaýdej sekundzie nastpi mi-

liard zderzeÄ i w kaýdym z nich po-

wstanie oko¸o 100 czstek wtrnych.

Ogromne detektory Ð najwi«ksze wy-

sokoæci mniej wi«cej szeæciopi«trowego

budynku Ð wyposaýone w tysice skom-

plikowanych urzdzeÄ b«d æledzi¸y ca-

¸y ten rozgardiasz. Za pomoc skompli-

kowanych algorytmw komputerowych

trzeba b«dzie przesia t« lawin« danych,

ýeby juý w trakcie ich zbierania mc za-

decydowa, ktre zdarzenia (prawdo-

podobnie 10 do 100 na sekund«) s war-

te zarejestrowania i pe¸nej analizy.

Pytania bez odpowiedzi

TESTOWA LINIA MAGNESîW NADPRZEWODZCYCH ustawiona w hali montaýowej;

1232 takie magnesy b«d zakrzywia tor dwu wizek protonowych tak, by dostosowa go

do kszta¸tu tunelu akceleratora.

Kiedy badamy przyrod« za pomoc

prbnikw o coraz wyýszej energii, za-

g¸«biamy si« w struktur« materii przy

coraz mniejszych skalach odleg¸oæci. Eks-

perymenty prowadzone z wykorzysta-

niem istniejcych akceleratorw pozwo-

li¸y zejæ do odleg¸oæci rz«du jednej

miliardowej jednej miliardowej metra

(10 Ð18 m). Pociski z LHC przenikn jesz-

cze g¸«biej, bo do 10 Ð19 m. Juý samo to

wystarczy¸oby, ýeby zaostrzy naukowe

apetyty, ale najbardziej ekscytujce jest

to, ýe w tym nowym obszarze, ktry ãna-

æwietlÓ dane z LHC, musz znajdowa

si« odpowiedzi na zasadnicze pytania.

W cigu ostatnich 30 lat fizycy cz-

stek zbudowali doæ spjny obraz, na-

zwany Modelem Standardowym, ktry

ca¸kiem dobrze opisuje struktur« mate-

rii w d¸ do skali 10 Ð18 m. Model Stan-

dardowy [ ramka na stronie 53 ] zwi«le

korzystanie tego tunelu dla zderzacza

LHC pozwoli unikn problemw

i ogromnych wydatkw, ktre by¸yby

zwizane z lokalizacj i budow no-

wego, wi«kszego tunelu oraz z kon-

strukcj czterech mniejszych akcelera-

torw do wst«pnego przyæpieszenia

czstek, a takýe innych urzdzeÄ wspo-

magajcych. Jednak zakrzywianie tra-

jektorii wizek protonowych o energii

7 TeV wewntrz starego tunelu b«dzie

wymaga¸o pl magnetycznych silniej-

szych od stosowanych w jakimkolwiek

dotychczasowym akceleratorze. Te po-

la zostan wytworzone przez 1232 ma-

gnesy, kaýdy d¸ugoæci 15 m, rozstawio-

ne na 85% jego obwodu. Magnesy z ko-

lei b«d zasilane przez nadprzewodz-

ce kable, przez ktre pop¸ynie prd

12 000 A i ktre za pomoc nadciek¸e-

go helu zostan och¸odzone do tempe-

ratury Ð271¡C, czyli tylko dwa stopnie

powyýej zera bezwzgl«dnego.

Do prowadzenia owocnych ekspery-

mentw z fizyki potrzeba jednak czegoæ

wi«cej niý tylko wysokoenergetycz-

nych protonw. Tym, co si« naprawd«

liczy, jest energia zderzeÄ pomi«dzy

tworzcymi protony kwarkami i gluona-

mi, a te dziel mi«dzy siebie energi« pro-

tonu w proporcjach, ktrych wielkoæ

ulega fluktuacjom. Aby zwi«kszy licz-

50 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 2000

charakteryzuje wszystkie znane sk¸ad-

niki materii i trzy spoærd czterech od-

dzia¸ywaÄ, ktre rzdz ich zachowa-

niem. Podstawowe sk¸adniki materii to

szeæ czstek, ktre nazywamy leptona-

mi, i szeæ innych, zwanych kwarkami.

Jedno z oddzia¸ywaÄ, tzw. silne oddzia-

¸ywanie, dzia¸a na kwarki, wiýc je ze

sob w setki czstek okreælanych mia-

nem hadronw. Proton i neutron s ha-

dronami, a resztkowe silne oddzia¸ywa-

nia wiý je mi«dzy sob, tworzc jdra

atomowe. Dwa inne oddzia¸ywania to

elektromagnetyzm i oddzia¸ywanie s¸a-

be. To ostatnie dzia¸a tylko na bardzo

krtkich dystansach, ale jest odpowie-

dzialne za radioaktywne rozpady beta

i odgrywa zasadnicz rol« w cyklu pali-

wowym S¸oÄca. Model Standardowy

elegancko ¸czy te dwa rodzaje oddzia-

¸ywaÄ w ãzunifikowaneÓ oddzia¸ywa-

nie elektros¸abe, ktre wiýe ich Ð zda-

wa¸oby si« Ð bardzo rýne w¸asnoæci.

Ponad 20 fizykw dosta¸o Nagrody

Nobla za prace, ktre przyczyni¸y si«

do budowy Modelu Standardowego: od

elektrodynamiki kwantowej (nagroda

w roku 1965) do odkrycia neutrina

i czstki tau (1995) oraz teoretycznej pra-

cy Gerardusa Ôt Hoofta i Martinusa J. G.

Veltmana wwczas pracujcych na Uni-

wersytecie w Utrechcie (1999).

Lecz mimo iý Model Standar-

dowy jest wielkim osigni«ciem

naukowym potwierdzonym w

licznych niezwykle precyzyj-

nych eksperymentach, ma on

wiele powaýnych wad.

Po pierwsze, brak w nim

spjnego uwzgl«dnienia teorii

Alberta Einsteina opisujcej cza-

soprzestrzeÄ i jej oddzia¸ywa-

nie z materi. Oglna teoria

wzgl«dnoæci, o ktrej mowa,

daje przepi«kny i bardzo do-

brze potwierdzony doæwiad-

czalnie opis czwartej si¸y, czyli

grawitacji. Trudnoæ polega na

tym, ýe Model Standardowy

jest teori w pe¸ni kwantow,

podczas gdy oglna teoria

wzgl«dnoæci nie jest kwantowa

i z tego powodu jej przewidy-

wania musz zawieæ przy bar-

dzo ma¸ych odleg¸oæciach (bardzo da-

leko od obszaru, w ktrym zosta¸a

sprawdzona). Brak kwantowego opisu

grawitacji czyni Model Standardowy lo-

gicznie niepe¸nym.

Po drugie, chociaý podstawowe rw-

nania Modelu Standardowego pozwa-

laj udanie opisa ogromn mas« da-

nych, zawiera on wiele elementw, ktre

wydaj si« dowolne. Jest zbyt baroko-

wy, zbyt bizantyÄski, ýeby wszystko

koÄczy¸o si« na nim. Na przyk¸ad nie

wyjaænia, dlaczego jest szeæ kwarkw

i szeæ leptonw, a nie, powiedzmy, dwa

czy cztery. Nie t¸umaczy rwnieý, dla-

czego jest tyle samo kwarkw co lepto-

nw Ð czyýby to by¸ zwyk¸y przypadek?

Na papierze potrafimy konstruowa teo-

rie, ktre daj lepsze odpowiedzi i wy-

jaænienia, uwzgl«dniajce g¸«bokie

zwizki mi«dzy kwarkmi i leptonami,

ale nie wiemy, ktra Ð i czy w ogle kt-

rakolwiek z tych teorii Ð jest poprawna.

Po trzecie, Model Standardowy za-

wiera niedokoÄczony i nie sprawdzony

element. Nie chodzi tu o jakiæ drobiazg,

ale o zasadniczy sk¸adnik, ktrym jest

mechanizm wytwarzania obserwowa-

nych mas czstek. Otý s one niezwy-

kle waýne Ð na przyk¸ad inna masa elek-

tronu zmieni¸aby ca¸ chemi«, a masy

neutrin wp¸ywaj na szybkoæ rozsze-

rzania si« Wszechæwiata. (Masy neutrin

s co najwyýej rwne kilku milionowym

masy elektronu, ale obecne eksperymen-

ty wskazuj, ýe prawdopodobnie nie s

zerowe [patrz: Edward Kearns, Takaaki

Kajita i Yoji Totsuka, ãNa tropie mas

neutrinÓ; åwiat Nauki , padziernik 1999])

Mechanizm Higgsa

Fizycy wierz, ýe masy czstek po-

wstaj poprzez ich oddzia¸ywania z po-

lem, ktre przenika ca¸y Wszechæwiat:

im mocniej czstka oddzia¸uje z tym po-

lem, tym jest ci«ýsza [ ilustracja na stro-

nie 55 ]. Natura tego pola pozostaje jed-

nak nieznana. Mog¸oby to by nowe

pole elementarne, nazwane polem Higg-

sa od nazwiska brytyjskiego fizyka Pe-

tera Higgsa, albo wed¸ug innego pogl-

du Ð obiekt z¸oýony z nowych czstek

(ãtechnikwarkwÓ) silnie zwizanych

ze sob przez nowe oddzia¸ywanie

(ãtechnikolorÓ). Nawet jeæli jest to pole

elementarne, to istnieje wiele wariacji

na temat Higgsa, dotyczcych liczby pl

Higgsa i ich szczeg¸owych w¸asnoæci.

Jednakowoý wiemy z pewnoæci pra-

wie matematyczn, ýe jakikolwiek jest

ten mechanizm, musi da nowe zjawi-

RURA

WYMIENNIKA

CIEPüA

20 CENTIMETERS

POJEMNIK

PRîûNIOWY

ZWORY

NADPRZEWODZCE

CEWKI

NADPRZEWODZCE

OSüONA

TERMICZNA

(55Ð75 K)

RURA

WIZKI

JARZMO

MAGNESU

(ZIMNA MASA

1.9 K)

OSüONA

WIZKI

MAGNES AKCELERATORA w

przekroju. Prd w cewce nadprze-

wodzcej ma nat«ýenie 12 000 A.

Cewka musi by sch¸adzana do

temperatury poniýej 2 K. W kaý-

dej z rur dla wizki leci jedna

z dwu przeciwbieýnych wizek

protonw. Inne magnesy ognisku-

j wizki i zaginaj je tak, by si«

przeci«¸y w punktach zderzeÄ we-

wntrz detektorw.

CYLINDER

ZACISKAJCY

NIEMAGNETYCZNE

KOüNIERZE

IZOLACJA

ZABEZPIECZAJCA

PRZED

WYPROMIENIOWANIEM

HEL

(50 K)

RURA

CHüODZENIA

å WIAT N AUKI WrzesieÄ 2000 51

20 cm

W DETEKTORZE ATLAS (na dole) wyko-

rzystano nowatorski uk¸ad magnesw toro-

idalnych. Protony zderzaj si« w ærodku de-

tektora, produkujc fontann« czstek.

Koncentryczne warstwy ATLAS-a wykry-

waj rýne rodzaje czstek, jedne dok¸adnie

okreælaj tory czstek, inne (ãkalorymetryÓ)

mierz ich energie. Uproszczony rysunek

(poniýej z lewej) pokazuje, jak dzia¸aj po-

szczeglne warstwy. Toroidalne magnesy

zakrzywiaj tory czstek na¸adowanych, co

pozwala zmierzy ich p«dy. Zdj«cie (poni-

ýej z prawej) przedstawia symulacj« danych

dla zderzenia, w ktrym czstka Higgsa roz-

pada si« na cztery miony (ý¸te tory) .

ska w obszarze energii LHC. Mog

to by obserwowalne czstki Higgsa

(ktre by¸yby efektem falowania pola

Higgsa) albo technikwarki. Podstawo-

wym celem przy projektowaniu LHC

by¸o wi«c dýenie do odkrycia tych zja-

wisk i zrozumienia natury mechanizmu

generujcego masy.

Eksperymenty prowadzone przy LHC

b«d teý czu¸e na inne nowe zjawiska,

ktre mog¸yby potwierdzi t« czy inn

spekulatywn teori«, stanowi rozsze-

rzenie lub uzupe¸nienie Modelu Standar-

dowego. Wemy szczeglnie interesuj-

cy przyk¸ad. Rozpowszechnione jest

przekonanie, ýe pe¸na teoria powinna za-

wiera ãsuperÓ symetri«. Supersymetria

znacznie zwi«kszy¸aby sie relacji mi«-

dzy czstkami elementarnymi i oddzia-

¸ywaniami. Co wi«cej, tzw. lokalna su-

persymetria automatycznie zawiera

grawitacj«, i odwrotnie Ð jedyna znana

teoria (teoria strun), ktra by moýe ¸czy

z powodzeniem ogln teori« wzgl«d-

noæci i teori« kwantow, wymaga super-

symetrii. Jeýeli supersymetria jest po-

prawna, to fizycy maj dobre powody,

by wierzy, ýe LHC pozwoli znale no-

we czstki, ktre ta teoria przewiduje.

Te nowe zjawiska mog jednak zo-

sta odkryte, zanim ruszy LHC. Ener-

gi« w LEP-ie dalej podnosi si« powyýej

NAJBARDZIEJ

WEWN¢TRZNA

WARTSWA

NAJBARDZIEJ

ZEWN¢TRZNA

WARSTWA

FOTONY

ELEKTRONY

MIONY

PROTONY

NEUTRONY

KOMORA

åLADOWA

KALORYMETR

ELEKTROMAGNETYCZNY

KALORYMETR

HADRONOWY

KOMORA

MIONOWA

DETEKTORY

MIONîW

CEWKA SOLENOIDALNA

KALORYMETRY

ELEKTROMAGNETYCZNE

KALORYMETRY

HADRONOWE

PRZEDNIE MAGNESY TOROIDALNE

WIZKA

MAGNESY TOROIDALNE

DETEKTOR WEWN¢TRZNY

OSüONA

PRZEDNIE KALORYMETRY

52 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 2000

LHC - Wielki Zderzacz Hadronów.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: