Uruchomiony niedawno z pewnymi kłopotami wielki akcelerator LHC ma osiągnąć pełną moc w 2014 r. Będzie wtedy przyspieszał protony do energii 7 TeV (teraelektronowoltów), przy której poruszać się one będą z prędkością tylko o parę metrów na sekundę mniejszą od światła. Rozpędzone w nim wiązki cząstek zderzają się „czołowo”, przy czym część ich energii zamienia się w masę powstających wtedy cząstek wtórnych. Z początkowej pary cząstek można w ten sposób wyprodukować tysiące innych o mniejszych energiach. Badając produkty zderzeń uzyskujemy wgląd w naturę fundamentalnych oddziaływań, na których opiera się cały gmach fizyki. Im większe energie osiąga akcelerator, tym głębiej pozwala naukowcom zajrzeć w mikroświat.
Zapewne nieprędko powstanie akcelerator potężniejszy od LHC. Nawet gdyby znalazły się nań pieniądze, nie pozwolą na to ograniczenia techniczne. Na szczęście mamy do dyspozycji naturalne źródło superszybkich cząstek, którym niemal dokładnie 100 lat temu okazał się kosmos. Owe czasy były prawdziwym złotym wiekiem fizyki. Odkryto elektron, promienie rentgenowskie i radioaktywność, powstały zręby mechaniki kwantowej i szczególna teoria względności. Jedno z kolejnych odkryć sugerowało, że na atmosferę naszej planety działa przenikliwe promieniowanie, które jonizuje atomy składających się na nią gazów (czyli „odziera je” z elektronów). Podejrzewano, że źródłem tego promieniowania są radioaktywne pierwiastki zawarte w skorupie ziemskiej, m.in. niedawno odkryte polon i rad.
Hipotezę tę postanowił zweryfikować austriacki fizyk Victor Hess, asystent w Instytucie Radowym (Institut für Radium Forschung) Cesarskiej Akademii Nauk i wykładowca fizyki medycznej w Wiedeńskiej Akademii Weterynaryjnej. Rozpoczął więc serię eksperymentów, które ćwierć wieku później przyniosły mu Nagrodę Nobla. Jeżeli źródła tajemniczego promieniowania rzeczywiście znajdują się w skorupie ziemskiej – rozumował – to wysoko nad powierzchnią naszej planety jego intensywność powinna maleć. Aby to sprawdzić, wystarczyło umieścić przyrządy pomiarowe w gondoli balonu i obserwować ich wskazania podczas wznoszenia się.
W sierpniu 2012 r. 30-metrowy, wypełniony wodorem balon Hessa o nazwie Böhmen (Czechy) wzniósł się na 5,35 km. 3,5 km nad ziemią intensywność promieniowania jonizującego zaczęła wyraźnie rosnąć, a na maksymalnej wysokości osiągnęła poziom dwuipółkrotnie wyższy niż w miejscu startu. W raporcie opublikowanym w tym samym roku w „Physikalisches Zeitschrift” pojawiło się historyczne zdanie: „Promienie o wielkiej sile przenikania dostają się do atmosfery od góry”.
Wtórne pęki
W latach 30. okazało się, że promienie Hessa to rozpędzone do wielkich prędkości jądra atomowe (głównie wodoru, czyli protony). Nazywane dziś promieniami kosmicznymi lub promieniowaniem kosmicznym, okazały się dla nauki bardzo cenne – i to z dwóch powodów. Po pierwsze, stwarzają jedyną możliwość bezpośredniego badania materii pochodzącej z dalekich rejonów Wszechświata. Po drugie, mają olbrzymie energie, o czym pierwszy przekonał się w 1938 r. francuski fizyk Pierre Auger. Jego ustawione wysoko w Alpach i znacznie od siebie oddalone detektory często rejestrowały jednoczesne przybycie cząstek, co dawało się wytłumaczyć w jeden tylko sposób: do powierzchni Ziemi docierały nie pierwotne promienie kosmiczne, lecz całe pęki cząstek wtórnych, powstających – tak jak w akceleratorze – wskutek zderzeń.
Wpadająca do atmosfery cząstka o wielkiej energii już na wysokości od kilkunastu do kilkudziesięciu kilometrów zderza się z jądrem atomu jednego z gazów atmosferycznych. Część jej energii zostaje zużyta na rozbicie jądra, a część zamienia się w masę i energię powstałych w wyniku zderzenia cząstek wtórnych. Cząstki wtórne mają energię mniejszą niż cząstka pierwotna i biegną po torach nieco odchylonych od jej toru. W zderzeniach z jądrami kolejnych atomów rozmieniają się na cząstki wtórne drugiego pokolenia, które z kolei wytwarzają trzecie pokolenie – i tak dalej, dopóki energia kolejnego pokolenia wystarcza do rozbijania jąder. Rekordowe pęki składają się z miliardów cząstek i zajmują w przekroju ponad 20 km kw.
Promienie kosmiczne, które dały początek pękom zaobserwowanym przez Augera, miały energię około 1000 TeV, a więc ponad 140 razy większą niż protony rozpędzane w LHC. Daleko im jednak do aktualnego rekordu 300 mln TeV – cząstki, która wtargnęła do naszej atmosfery i została zarejestrowana 15 listopada 1991 r. Taką energię ma piłka tenisowa lecąca z prędkością ponad 100 km/godz.! Wyrównanie tego rekordu za pomocą akceleratorów, a nawet zbliżenie się do niego, jest technicznie niemożliwe. Promienie kosmiczne są więc dla nauki – dosłownie i w przenośni – darem niebios, a ich badaniem zajmuje się dziś odrębna gałąź astrofizyki, na której rozwój wiele państw i instytucji przeznacza poważne środki finansowe.
Poszukiwanie rekordzistów
Najcenniejsze dla fizyków cząstki o ultrawysokich energiach mają zasadniczą wadę: jest ich bardzo mało. Wyobraźmy sobie umieszczony w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej detektor o powierzchni 1 m kw. (wyniesienie go poza atmosferę pozwoli wyeliminować ze statystyki nieinteresujące nas teraz cząstki wtórne). Cząstka o energii osiąganej w LHC wpadałaby do niego raz na sekundę. Taka o energii zmierzonej przez Augera lub większej – już tylko raz na miesiąc, a cząstki podobne do obecnej rekordzistki trafiałyby się średnio raz na kilka milionów lat. Obserwacja aż tak rzadkich wydarzeń wydaje się zadaniem całkowicie beznadziejnym. Można jednak zbudować detektor na tyle duży, by nawet najrzadziej spotykane cząstki o największych energiach wpadały do niego co najmniej raz na rok. Jest to możliwe dzięki ubocznym efektom towarzyszącym przemieszczaniu się pęku.
W każdym przezroczystym ośrodku materialnym fale świetlne rozchodzą się wolniej niż w próżni. Dogonienie światła w próżni jest, jak wiadomo, niemożliwe, ale nic nie zabrania zwykłym cząstkom prześcignąć światło w powietrzu lub w wodzie. Takie „nadświetlne” cząstki emitują wąski snop tzw. promieniowania Czerenkowa, obserwowanego jako światło ultrafioletowe lub zwykłe światło o barwie niebieskiej. Niestety, jest ono bardzo słabe, a w dodatku nigdy nie wiadomo, kiedy i gdzie się pojawi. Obserwacje trzeba więc prowadzić za pomocą specjalnie skonstruowanych teleskopów o wielkich zwierciadłach i dużym polu widzenia. Największym obecnie zestawem takich przyrządów, pracującym w zakresie do 100 TeV i umożliwiającym oglądanie pęków w trzech wymiarach, dysponuje zbudowane w Namibii obserwatorium HESS (jego nazwa upamiętnia odkrywcę promieni kosmicznych, a jednocześnie jest akronimem od High Energy Stereoscopic System – stereoskopowy system wielkich energii). Zawiaduje nim konsorcjum kilkudziesięciu instytucji naukowych z kilkunastu krajów (w tym cztery polskie). Nasi astronomowie i fizycy są też reprezentowani w konsorcjum zawiązanym niedawno dla zbudowania podobnego do HESS, lecz znacznie odeń większego obserwatorium CTA (Cerenkov Telescope Array – sieć teleskopów Czerenkowa). HESS obserwuje promienie kosmiczne niejako przy okazji – jego głównym zadaniem jest wykrywanie wysokoenergetycznych fotonów gamma, które wytwarzają w atmosferze pęki nieco różniące się od tych związanych z promieniami kosmicznymi. W ten sam sposób ma działać CTA.
Inny rodzaj śladów zostawianych przez pęki zawdzięczamy elektronom, które obijają się o cząsteczki atmosferycznego azotu i pobudzają je do fluorescencji (emisji światła widzialnego oraz promieniowania ultrafioletowego). W odróżnieniu od promieniowania Czerenkowa, które rozchodzi się w określonym kierunku, fluoryzujący pęk świeci we wszystkie strony z jednakową mocą. Błyska dzięki temu niczym minimeteor poruszający się w tym samym kierunku co pierwotna cząstka promieniowania kosmicznego. Także i w tym przypadku do zarejestrowania błysku potrzebny jest teleskop z wielkim zwierciadłem i dużym polem widzenia.
Największy z działających obecnie detektorów promieni kosmicznych, który dla upamiętnienia odkrywcy pęków nosi nazwę Pierre Auger Observatory, może jednocześnie rejestrować fluorescencję i promieniowanie Czerenkowa. Urządzenie to zajmuje 3000 km kw. równiny u stóp Andów, w argentyńskiej prowincji Mendoza (to mniej więcej jedna trzecia województwa opolskiego). Składa się nań kilka teleskopów fluorescencyjnych oraz 1600 wodnych detektorów Czerenkowa (każdy taki detektor to plastikowy walec o średnicy 3,6 m, mieszczący w całkowicie ciemnym wnętrzu 12 tys. litrów ultraczystej wody i czułe fotopowielacze, reagujące na nawet bardzo słabe sygnały świetlne). Synchronizację całości zapewnia system GPS, a informacje o zarejestrowanych błyskach wędrują do centralnego ośrodka obliczeniowego drogą radiową. Zalety detektorów wodnych są oczywiste: przyrządy te pracują przez 24 godziny na dobę, podczas gdy teleskopy HESS tylko w bezchmurne i bezksiężycowe noce.
Milion teraelektronowoltów
Obserwatorium Augera jest przeznaczone do wykrywania cząstek o energiach powyżej miliona TeV. W ciągu siedmioletniej pracy zarejestrowało ich kilkadziesiąt tysięcy, w tym kilkadziesiąt o energii przekraczającej 50 mln TeV. Aktualny rekord Augera to 170 mln TeV, lecz nie o rekordy tu chodzi. Ten unikatowy przyrząd zbudowano, by dowiedzieć się, skąd przybywają kosmiczne „piłki tenisowe” i w jaki sposób uzyskują tak olbrzymie energie. Na jednoznaczne odpowiedzi jest jeszcze za wcześnie, ale już teraz wiadomo, że wydajnymi źródłami cząstek o energiach z zakresu obserwowanego przez HESS bywają należące do naszej galaktyki pozostałości po wybuchach supernowych, czyli rozbiegające się szczątki gwiazd rozerwanych przez gigantyczne eksplozje, od których silniejszy był tylko Wielki Wybuch. Cząstki o najwyższych energiach pochodzą prawdopodobnie z okolic supermasywnych czarnych dziur, rezydujących w centrach innych galaktyk. Oznaczałoby to, że niektóre z nich przybywają z obiektów odległych nawet o 200 mln lat świetlnych.
Ale wróćmy na Ziemię. Uruchamianiu LHC towarzyszyły protesty, a nawet groźby pod adresem budującej go europejskiej organizacji naukowej CERN. Protestujący bali się, że eksperymenty z cząstkami o energiach osiąganych przez to urządzenie doprowadzą do powstania różnych niebezpiecznych obiektów (np. czarnych dziur zdolnych wchłonąć Ziemię). Histerii ulegali politycy; ba, nawet profesorowie. A przecież wystarczyło popatrzyć na nieustannie bombardowany promieniami kosmicznymi Księżyc, na którym przez 4,5 mld lat nie spowodowały one żadnej katastrofy.