Wielki Zderzacz Hadronów to największy na świecie akcelerator cząstek, który od ponad 10 lat pozwala naukowcom na badanie natury rzeczywistości. Dzięki niemu dokonano ciekawych odkryć, m.in. nowej cząstki, tetrakwark X(6900). Jak powstał Wielki Zderzacz Hadronów i jak wpłynął na pracę naukowców?
Mechanika kwantowa i zmiana dotychczasowego rozumienia fizyki
Pod koniec XIX wieku mówiono, że fizyka jest najbardziej kompletną nauką ścisłą ze wszystkich. Wynikało to głównie z tego, że tylko kilka problemów było słabo zbadanych. Wierzono też, że ich rozwiązanie nie potrwa długo. Jednak mało kto spodziewał się, że dokonanie nowych odkryć zmieni dotychczasowy sposób rozumienia fizyki i okaże się, jak wiele jeszcze nie wiemy. W tej kwestii istotne znaczenie miała mechanika kwantowa. Jednym z jej odkrywców był Max Planck, który w 1900 roku zaczął przypuszczać, że promieniowanie jest skwantowane (kwant to najmniejsza ilość, jaką może mieć konkretna wartość fizyczna). Niewielu uczonych poważnie podchodziło do hipotezy mężczyzny, do tego grona należał m.in. Albert Einstein, który badał falowo-korpuskularną naturę fotonów i zaproponował kwant światła. Wraz z upływem lat naukowcy rozwijali mechanikę kwantową, tworząc nowe koncepcje i teorie, a także dokonując kolejnych odkryć. To pokazało, że fizyczny wszechświat składa się z czystej energii. Nie można jej zniszczyć, możemy tylko zamienić ją na inną formę materii lub energii.
Wszyscy żyjemy we wszechświecie, a energia, z której się składa, jest przez cały czas wokół nas. Mechanika kwantowa pozwala na wyjaśnianie zjawisk, które zachodzą w naszym otoczeniu na poziomie atomowych oraz subatomowych cząstek. Im więcej odkryć dokonują badacze, tym więcej pojawia się zagadek i tajemnic do rozwikłania. Co więcej, dziedzina ta ma istotny wpływ na to, jak postrzegamy rzeczywistość i na naszą sferę duchową. Powstało już wiele teorii dotyczących tego obszaru w mniejszym lub większym stopniu, np. słynna teoria wszystkiego opisująca w spójny sposób wszystkie zjawiska fizyczne czy dowód na istnienie duszy przytoczony przez Freda Alana Wolfa w jednej ze swoich książek.
Do dokonania nowych odkryć naukowych w dziedzinie mechaniki kwantowej przyczynił się Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, w skrócie LHC). Głównym celem powstania urządzenia było lepsze poznanie cząstek elementarnych. Naukowcom zależało przede wszystkim na tym, aby potwierdzić lub obalić istnienie cząstki bozonu Higgsa, aksjonu, cząstki ciemnej materii, a także monopolu magnetycznego.
Wielki Zderzacz Hadronów – co to jest?
Wielki Zderzacz Hadronów pozwolił na odkrycia, które zmieniły dotychczasowy sposób postrzegania rzeczywistości. Obecnie jest to największa na świecie maszyna, a jej najważniejsze elementy budowy znajdują się w tunelu o długości ok. 27 km. Ma on kształt torusa (dwuwymiarowej powierzchni obrotowej zanurzalnej w przestrzeni trójwymiarowej) i umieszczono go pod ziemią, na głębokości 50 – 175 m. Wielki Zderzacz Hadronów zlokalizowany jest w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN (Genewa, Szwajcaria). Zatwierdzenie rozpoczęcia projektu, jakim był Wielki Zderzacz Hadronów, miało miejsce już pod koniec 1994 roku. W 2000 roku zamknięto akcelerator LEP, to w jego tunelu miał znaleźć się akcelerator cząstek LHC. Prace nad realizacją projektu trwały wiele lat. Urządzenie uruchomiono w 2008 roku, a otrzymanie bozonu Higgsa potwierdzono 13 kwietnia 2013 roku.
Znajdujący się w ośrodku CERN Wielki Zderzacz Hadronów to największy akcelerator cząstek. W 2018 roku rozpoczęto prace nad modernizacją urządzenia, do roku 2026 ma zmienić się w High Luminosity LHC. Ulepszona maszyna pozwoli na wzrost liczby kolizji między cząstkami w jednostce czasu, w efekcie czego naukowcy otrzymają więcej danych na temat prowadzonych badań. Całkowity koszt akceleratora LHC to 4,6 miliarda franków szwajcarskich, a całkowity udział ośrodka CERN w tym eksperymencie to koszt 1,1 miliarda franków szwajcarskich. Co ciekawe, do wytworzenia części potrzebnych do ulepszania Wielkiego Zderzacza Hadronów używana jest m.in. drukarka 3D. Pozwala ona na wydrukowanie takich elementów, jak rury chłodzące. Zajmuje się tym firma wykorzystująca technologię druku 3D DMP z metalowym złożem proszkowym.
Wielki Zderzacz Hadronów – najważniejsze odkrycia
Jednym z najbardziej ekscytujących osiągnięć, które stało się możliwe za sprawą Wielkiego Zderzacza Hadronów, było odkrycie bozonu Higgsa, co miało miejsce 4 lipca 2012 roku (jego istnienie potwierdzono 27 dni później). Wywołało to wiele emocji, zwłaszcza wśród naukowców, gdyż była to cząstka, którą uznano za ostatnie, brakujące ogniwo Modelu Standardowego (opisuje on sposób budowy naszego wszechświata na podstawowym poziomie). Bozony to inaczej cząstki z całkowitym spinem, momentem pędu cząstki wynikającym z jej kwantowej natury. Bozon Higgsa (higson) to oprócz mezonów jedyna cząstka elementarna Modelu Standardowego pozbawiona spinu. Stephen Hawking, wybitny kosmolog, astrofizyk i fizyk teoretyk pochodzący z Wielkiej Brytanii, miał obawy, co do bozonu Higgsa. Ostrzegał on, że wysoki poziom skupienia energii w tej cząstce może przyczynić się do rozchwiania jego stabilności. W ten sposób powstanie bańka próżniowa, która z prędkością światła pochłonie czas i przestrzeń, co doprowadzi do zniszczenia świata. Uczeni, którzy przewidzieli istnienie bozonu Higgsa i potwierdzili to, otrzymali w 2013 roku Nagrodę Nobla. Byli to Francois Englert i Peter Higgs (to od jego nazwiska pochodzi nazwa cząstki).
Bozon Higgsa nie jest jedynym ciekawym odkryciem. Częścią Wielkiego Zderzacza Hadronów jest eksperyment LHCb, który pozwolił na zaobserwowanie nowych cząstek należących do rodziny barionów, Ξb’- i Ξb*-. Miało to miejsce pod koniec 2014 roku. Cząstki te są zbudowane z trzech kwarków (niskiego, dziwnego i dolnego), jednak ich konfiguracja się różni. Ich szczegółowe zbadanie może ułatwić wyjaśnienie asymetryczności między materią i antymaterią, które występują we wszechświecie.
Maszyna LHC pozwoliła również na odkrycie tetrakwarków, czyli hadronów egzotycznych oraz uzyskanie materii nazywanej plazmą kwarkowo-gluonową. Jej dokładne zbadanie daje możliwość zweryfikowania Modelu Standardowego. Część fizyków sugeruje, że Wielki Zderzacz Hadronów pozwoliłby na sprawdzenie hipotezy mówiącej o istnieniu równoległych wszechświatów. Podejmowano już próby wytworzenia w maszynie czarnej dziury, ale kończyły się one niepowodzeniem ze względu na uzyskanie zbyt małej energii. Jednak dokonano nowych obliczeń w tej kwestii i możliwe, że już niedługo zostaną zweryfikowane. W 2020 roku naukowcy poinformowali, że w ramach eksperymentu LHCb zarejestrowali tetrakwark składający się z 4 kwarków, który być może jest pierwszą z nieznanych do tej pory klas cząstek. Nadano mu nazwę X(2900) i uczeni mają nadzieję, że prowadzone badania pozwolą na zrozumienie sposobu powstawania tetrakwarków.
Wielki Zderzacz Hadronów – co dalej?
Mimo że zbudowanie i dokonanie odkryć za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów już zmieniło fizykę i mechanikę kwantową, naukowcy wciąż prowadzą dalsze prace badawcze. Następcą tej maszyny ma być Future Circular Collider (FCC). To robocza nazwa urządzenia, które ma być 10 razy potężniejsze od HLC, a także 4 razy dłuższe. Mimo że pomysł budowy tego typu maszyny ma wielu przeciwników, to są osoby, które widzą w niej bardzo duży potencjał. Uważa się, że Future Circular Collider nie tylko pozwoli na dalszy rozwój fizyki, ale i będzie wsparciem dla wielu technologii. Prace nad urządzeniem rozpoczęły się już w 2014 roku, jego uruchomienie przewiduje się na rok 2040.
Jak już zostało wspomniane, obecnie trwa rozbudowa Wielkiego Zderzacza Hadronów. Jej całkowity koszt to ok. 720 milionów funtów, a ulepszenia polegają m.in. na zainstalowaniu ponad 100 nowych magnesów, czego efektem ma być bardziej skondensowana wiązka protonów. Naukowcy już od dłuższego czasu zgłaszali potrzebę rozbudowy Wielkiego Zderzacza Hadronów, gdyż to ich zdaniem pozwoli na pogłębienie historii wszechświata i bardziej szczegółowe zbadanie fizyki cząstek elementarnych. Mimo że odkrycie bozonu Higgsa było istotnym wydarzeniem, to według badaczy dostarczyło to znacznie więcej nurtujących pytań niż odpowiedzi.
Ciekawostki na temat Wielkiego Zderzacza Hadronów
Wielki Zderzacz Hadronów jest urządzeniem budzącym duże zainteresowanie, nie tylko w środowisku naukowym. Maszyna bardzo często pojawia się w kulturze masowej, m.in. w popularnym serialu komediowym ‘Teoria Wielkiego Podrywu’. Opowiada on o życiu grupy naukowców, którzy odnoszą duże sukcesy w pracy, ale nie radzą sobie najlepiej w sferze uczuciowej.
O Wielkim Zderzaczu Hadronów wspomina też Dan Brown w swojej książce ‘Anioły i demony’. Tam maszyna wytwarzała antymaterię wykorzystywaną do walki z Watykanem. W odpowiedzi na powstałe tej kwestii kontrowersje Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN opublikowała listę nieścisłości pojawiających się w powieści i zarzuciła autorowi ignorancję wobec prawdziwych zasad fizyki. Wielki Zderzacz Hadronów stał się również inspiracją do napisania piosenki ‘Hadron Collider’, której autorem jest kanadyjski muzyk Nim Vind. Co więcej, aby w prosty i przede wszystkim zrozumiały sposób wyjaśnić zasadę działania maszyny, jeden z pracowników CERN postanowił stworzyć rapowany utwór wraz z teledyskiem (‘Large Hadron Rap’).
Zaskakujące dla wielu osób jest to, jak wysoką temperaturę może osiągnąć Wielki Zderzacz Hadronów. Okazuje się, że jej wartość może być zbliżona do tej, jaka panowała we wszechświecie po Wielkim Wybuchu. Należy też wspomnieć, że nie tylko Stephen Hawking miał wątpliwości, co do budowy i wykorzystywania Wielkiego Zderzacza Hadronów do badań. Kiedy po raz pierwszy uruchamiano maszynę, niemiecki profesor Otto Rossler złożył pozew przeciwko CERN do Europejskiego Trybunału Praw Człowieka. Uważał on, że w siedzibie organizacji może dojść do powstania mini czarnej dziury, która po wymknięciu się spod kontroli doprowadzi do zniszczenia naszej planety. Co prawda zarzuty profesora zostały odrzucone, ale jego działania i tak wywołały burzliwą dyskusję na temat zagrożeń związanych z prowadzeniem badań za pomocą LHC. Warto dodać, że przed siedzibą CERN stoi posąg hinduskiej bogini zagłady. Według niektórych osób jest to nieco zabawne, jednak pojawiają się też głosy, że jednocześnie wzbudza to niepokój.