Trzeba stanąć blisko rury
Rozmowa z dr. Grzegorzem Broną, fizykiem, laureatem 12 edycji Nagród Naukowych POLITYKI
Grzegorz Brona
Tadeusz Późniak/Polityka

Grzegorz Brona

Przemek Berg: – Kiedy zaczął się pan interesować fizyką cząstek?

Grzegorz Brona: – Już w liceum. Dzięki mojemu nauczycielowi fizyki prof. Stanisławowi Lipińskiemu postanowiłem, że zostanę fizykiem, a po przeczytaniu słynnej książki Leona Ledermana „Boska cząstka”, o poszukiwaniu bozonu Higgsa, postanowiłem dodatkowo, że zostanę fizykiem zajmującym się cząstkami elementarnymi. Na pierwszym roku studiów na Uniwersytecie Warszawskim miałem okazję rozpocząć współpracę z prof. Barbarą Badełek z Zakładu Fizyki Cząstek Elementarnych i to ona, przez następne lata, starała się rozbudzić moje zainteresowania, nie tylko bozonem Higgsa, ale w ogóle – całą fizyką cząstek elementarnych. Po trzecim roku studiów udało mi się wyjechać na staż do CERN. W czasie stażu rozpocząłem pracę przy eksperymencie Compass, wówczas największym realizowanym w ośrodku CERN. Po obronie doktoratu rozpoczęło się dla mnie kolejne wyzwanie – praca przy uruchomionym właśnie Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).

Przez ponad dwa lata pracował pan bezpośrednio przy eksperymencie CMS w CERN. Wyjaśnijmy: CMS (Compact Muon Selenoid) to nazwa detektora cząstek i jednocześnie eksperymentu realizowanego przy zderzaczu LHC. Co pan tam robił?

Byłem na stażu naukowym opłacanym przez laboratorium CERN i zajmowałem stanowisko tzw. senior fellow. Kierowałem utworzoną przeze mnie grupą około 30 naukowców, których zadaniem jest badanie pewnych aspektów chromodynamiki kwantowej, czyli tzw. oddziaływań silnych. W przyrodzie znamy cztery typy oddziaływań: grawitacyjne, elektromagnetyczne, jądrowe słabe i jądrowe silne. Chromodynamika zajmuje się badaniem tych ostatnich.

Dlaczego pan wrócił?

Po zakończeniu stażu podjąłem ponownie pracę na Uniwersytecie Warszawskim. Stały pobyt w CERN, jak i częste podróże do Szwajcarii, są stosunkowo drogie. W przypadku naukowców z Francji czy Niemiec sprawa jest prostsza – Genewa, pod którą znajduje się CERN, jest dla nich znacznie bliżej, poza tym zarobki są porównywalne ze szwajcarskimi, więc wysłanie tam naukowca na dłużej nie jest problemem. U nas jest trochę inaczej. Choć wróciłem, to jednak z CMS nie zerwałem. W tej chwili uczestniczę w jego pracach, tyle że zdalnie. Buduję też tu, na miejscu, na Wydziale Fizyki UW, zespół, który przyłączył się do prac zapoczątkowanych przeze mnie w 2009 r. Wkrótce pewnie znów zacznę bywać w CERN częściej, ponieważ dostałem na ten cel grant Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej.

Jak wygląda praca przy tak wielkim przedsięwzięciu naukowym, jakim jest eksperyment CMS?

CMS to nie tylko ogromna i skomplikowana instalacja, ale też wielka Grupa uczonych, w tej chwili około 3 tys. osób z kilkudziesięciu krajów. To prawdziwy tygiel różnych narodowości, różnych języków i zwyczajów. Na początku trudno się w nim odnaleźć. Łatwo też pobłądzić naukowo i na przykład zająć się czymś, co okaże się po pewnym czasie mało istotne albo co jest już drążone przez wielu innych. Dlatego postanowiłem znaleźć dla siebie pewną niszę i nie przystąpiłem, na przykład, do największej, kilkusetosobowej grupy badaczy, która w CMS poszukiwała cząstki Higgsa. Pomocny okazał się szef fizyków CMS – wskazał mi interesujący obszar, którym jednak się nie zajmowano, i w ten sposób znalazłem swoją ścieżkę zgodną z moimi wcześniejszymi zainteresowaniami.

Ale przy LHC funkcjonuje jeszcze równie duży co CMS detektor i eksperyment ATLAS...

ATLAS i CMS powstały po to, by ze sobą konkurować i nawzajem się sprawdzać, żeby nie było tak, że istnieje na świecie tylko jedna grupa ludzi będąca w stanie poświadczyć wyniki eksperymentu. Czyli ATLAS sprawdza bardzo dokładnie wyniki uzyskane przez CMS i odwrotnie – CMS sprawdza wyniki uzyskane w eksperymencie ATLAS. Na co dzień tej konkurencji się nie odczuwa – pracownicy obu eksperymentów pracują w tych samych budynkach, razem chodzą na lunch czy na kawę, ich kontakty są częste i różnorodne. Współzawodnictwo widać dopiero, gdy dochodzi do prezentacji wyników.

Co dokładnie pan bada w eksperymencie CMS? W prostych słowach – to, co badamy w CMS, to albo cząstki, albo oddziaływania między nimi. Z wymienionych wcześniej typów oddziaływań, badanych przez współczesną fizykę, najlepiej poznane są oddziaływania elektromagnetyczne i słabe; oba typy zostały zresztą scalone w jedną spójną całość zwaną teorią oddziaływań elektrosłabych, której ukoronowaniem było odnalezienie, latem tego roku, cząstki, która najprawdopodobniej jest bozonem Higgsa. Oddziaływania silne wydają się natomiast znacznie mniej poznane i zrozumiałe, zarówno przez f izyków eksperymentatorów, jak i teoretyków. Oddziaływania te, zwane także chromodynamiką kwantową, pozwalają najbardziej fundamentalnym cząstkom materii – kwarkom, tworzyć większe obiekty, takie jak proton czy neutron. Problem polega na tym, że oddziaływania silne bardzo trudno opisywać. Obiekty, które pośredniczą w przenoszeniu oddziaływań silnych pomiędzy kwarkami, to gluony, w przypadku oddziaływań elektromagnetycznych są to fotony. Podstawowa różnica pomiędzy gluonami a fotonami polega na tym, że gluony ze sobą nawzajem oddziałują, a fotony nie. I właśnie ta różnica wprowadza istotne komplikacje do teorii oraz prowadzonych zgodnie z nią obliczeń. W opisie chromodynamiki kwantowej wciąż jesteśmy zmuszeni do posługiwania się pewnymi przybliżeniami, dlatego znaczna część naszej wiedzy o oddziaływaniach silnych musi pochodzić z eksperymentów. To, co robię, to właśnie próba dostarczenia teoretykom eksperymentalnych danych dotyczących oddziaływań silnych.

Co już udało się panu zaobserwować?

W momencie zderzenia protonów w akceleratorze część produktów tego zderzenia – cząstek – podąża w bok pod różnymi kątami, część zaś kontynuuje ruch pierwotnych protonów. W eksperymentach przy zderzaczach wykonywanych wcześniej nie potrafiliśmy w ten obszar zajrzeć. Dopiero eksperymenty przy LHC są w stanie wytrzymać bardzo wysoki poziom radiacji i dostarczyć danych dotyczących obszarów, jak my to nazywamy: bardzo do przodu i bardzo do tyłu. Inaczej mówiąc, są to obszary bliskie rury akceleratora. Okazuje się, że bardzo dużą część informacji o zderzeniu można zrekonstruować, badając właśnie te obszary. W szczególności są to ważne informacje dotyczące oddziaływań silnych. Wiele aspektów oddziaływań silnych można badać wyłącznie zbliżając się z pomiarem do rury akceleratora. Szczególnie interesujące są tzw. dżety, czyli strumienie cząstek powstałych w zderzeniu, w oddziaływaniu kwarków lub gluonów ze sobą. Moja praca polega na rekonstruowaniu tych dżetów i zdobywaniu informacji o ich rozkładach.

Co mają nam dać badania oddziaływań silnych? Czy dzięki ich lepszemu poznaniu zrozumiemy, jak zbudowana jest materia u samych podstaw? Jak się tworzyła, gdy powstawał świat?

Badania te mają odsłonić w miarę kompletny obraz materii. Bardzo go potrzebujemy, ponieważ na przykład aż 99 proc. zjawisk badanych w LHC zostało zapoczątkowanych przez oddziaływania silne. Oddziaływania elektrosłabe odpowiadają za budowę atomu (wiązania pomiędzy jądrem i elektronami) czy rozpady jądrowe, tymczasem silne decydują o budowie jąder atomowych, protonów i neutronów. A to w jądrach atomowych, protonach i neutronach, zgromadzone jest ponad 99 proc. masy atomu. Dotychczasowe zderzacze cząstek, np. te wykorzystywane w amerykańskim Tevatronie, nie miały detektorów tak bliskich wiązce, jak to ma miejsce w LHC, dlatego teraz mamy niepowtarzalną okazję, by zaobserwować efekty związane z niezbadanym poprzednio obszarem oddziaływań silnych.

Co się dzieje z wynikami pańskich analiz?

Najpierw są sprawdzane przez niezależne ekipy zaangażowane w eksperyment CMS. Wszystkie zespoły muszą dojść do tych samych konkluzji. Potem wyniki są analizowane przez niezależne grono fizyków znających się na przedmiocie badań, ale niebiorących w nich bezpośredniego udziału. Grono szuka luk i niedociągnięć oraz, jeśli jest taka potrzeba, zmusza prowadzących analizę do lepszego udokumentowania wyników. Następny etap to przesłanie artykułu omawiającego analizę do czasopisma naukowego. Tam też powoływana jest ekipa fizyków, którzy recenzują artykuł i zadają dodatkowe pytania. Procedura związana z recenzją i udzieleniem  odpowiedzi na pytania trwa nieraz wiele miesięcy. Po publikacji wyniki są sprawdzane przez specjalistów z eksperymentu ATLAS, którzy starają się powtórzyć pomiary i dojść do podobnych konkluzji. Na samym szczycie tej drabiny są fizycy teoretycy, którzy interpretują wyniki i budują na ich podstawie modele.

Czy stawia pan sobie jakieś czasowe ramy w tej pracy? Innymi słowy, czy rysuje się w niej jakiś kres?

To dość ciekawe. Otóż CMS dąży do tego, by zwiększać intensywność wiązek, by oddziaływań podczas każdego przecięcia wiązek było jak najwięcej. W badaniach takich, jak poszukiwanie bozonu Higgsa, jest to uzasadnione, natomiast w badaniach oddziaływań silnych – już nie. Wraz ze wzrostem intensywności wiązek powiększa się bowiem tło i w rezultacie mamy nieraz kłopoty z ustaleniem, z którego oddziaływania pochodzi dany dżet. Paradoksalnie – czym LHC działa lepiej i wydajniej – tym dla nas gorzej. Teraz pracujemy przede wszystkim na danych zgromadzonych w 2010 r. Im później, tym użytecznych dla nas danych będzie mniej. Myślę, że wystarczy nam materiału badawczego jeszcze na kilka lat. A potem, no cóż, trudno dzisiaj ocenić, co odkryjemy i jak potoczą się nasze badania.

Jak pan osobiście przyjął doniesienie o odkryciu cząstki Higgsa? To przecież od jej poszukiwania zaczęło się pańskie zainteresowanie fizyką?

Odkrycie było przewidywane. Nie było zaskoczeniem. Zaskoczeniem byłoby, gdybyśmy c ząstki Higgsa n ie odkryli. Oczywiście zareagowałem entuzjastycznie, chociaż badania cząstki wciąż trwają i może się nawet w rezultacie okazać, że to nie jest bozon Higgsa. Na razie wiadomo, jaką nowo odkryta cząstka ma masę i w przybliżeniu – jak często następuje jej produkcja. Inne właściwości są dopiero badane. Wiele jednak wskazuje na to, że to raczej jest higgs. Rzecz jasna, to był sukces i jednocześnie ukoronowanie pracy wielu pokoleń fizyków. Poczynając od samego Petera Higgsa, przez budowniczych wcześniejszego cernowskiego akceleratora LEP i kończąc na budowniczych LHC oraz fizykach pracujących przy eksperymentach CMS i ATLAS.

 

Dr Grzegorz Brona (ur. w 1980 r.) – adiunkt w Zakładzie Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych Uniwersytetu Warszawskiego. Uczestniczy w eksperymencie CMS – jednym z najważniejszych prowadzonych w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą. Tworzył i przewodził tam już dwóm podgrupom – definiował i koordynował pomiary, a następnie opracował spójną interpretację wyników. Teraz buduje zaplecze badawcze na Uniwersytecie Warszawskim.

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj