Żeby materia wydała jęk
Dlaczego małe cząstki trzeba badać za pomocą wielkich urządzeń? Rozmowa z prof. Janem Nassalskim z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku i dr. hab. Leszkiem Zawiejskim z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN w Krakowie.

Klocki lego mają dzieci, a fizycy – Model Standardowy, największe osiągnięcie nauk przyrodniczych XX w. Ta powszechnie akceptowana teoria opisuje świat za pomocą dwóch rodzajów fundamentalnych cząstek elementarnych: leptonów i kwarków (z których zbudowane są bardziej złożone obiekty materii). Cząstki te podlegają czterem oddziaływaniom, z których dwa (elektromagnetyzm i grawitację) poznaliśmy dość dobrze, a pozostałe dwa gorzej (wiążące jądra atomów w całość oddziaływanie silne oraz oddziaływanie słabe – warunkujące przebieg reakcji jądrowych w gwiazdach).

Niestety, jak każde dzieło człowieka, Model Standardowy jest ułomny. Zawiera wiele parametrów o zagadkowych wartościach. Nie wyjaśnia własności ciemnej materii i ciemnej energii, które stanowią aż 96 proc. Wszechświata. Nie opisuje pierwszego ułamka sekundy, w którym, w niewyobrażalnym wybuchu, z czegoś, czego nawet nie można nazwać niczym (bo żeby było nic, musi być coś), powstały przestrzeń i czas. Nie odpowiada też na ważkie pytania o masę. Bo czym właściwie jest masa? I skąd się wzięła? Model Standardowy sugeruje tylko, że jedna odpowiedź na te pytania jest bardziej prawdopodobna niż inne, a jest nią bozon Higgsa, higgs.

Istnienie pewnej fundamentalnej cząstki elementarnej, która nadaje masę (niektórym) innym cząstkom, zasugerował Peter Higgs (ur. 1929). Ten brytyjski fizyk wysunął hipotezę, że Wszechświat wypełnia pewne pole. Niektóre cząstki są niejako odporne na jego działanie. Inne zaś grzęzną w polu Higgsa jak muchy w smole, przez co nabierają masy (która jest miarą siły ich oddziaływania z tymże polem). Tylko dlaczego higgs jest taki ważny? Czyż żyć bez masy nie byłoby lżej? Ano, gdyby nie cząstka Higgsa, nie powstałyby żadne złożone struktury. Nie byłoby cieczy i ciał stałych. Płynów i rzeczy. Nie byłoby nas. Powtórzmy jednak – higgs to tylko hipoteza.

Heather Rock Woods pisała (w miesięczniku „Symmetry”), że kłopot z nim przypomina koan Zen: „Cząstka Higgsa obdarza masą inne cząstki, ale jej masa pozostaje nieznana. Przenika Wszechświat, ale nikt jej nie widział”. Rośnie jednak nadzieja, że już wkrótce zobaczymy i zważymy (choć nie bezpośrednio, bo to niemożliwe) cząstkę Higgsa, a to dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów (Large Hadron Collider, LHC patrz ramka Hadrony, pociski LHC) oraz Międzynarodowemu Zderzaczowi Liniowemu (International Linear Collider, ILC), które stworzą warunki zbliżone do tych panujących tuż po narodzinach Wszechświata. Oba, LHC i ILC, to monumentalne projekty badawcze o wielomiliardowych budżetach, angażujące tysiące specjalistów z setek jednostek badawczych na sześciu kontynentach. (Patrz ramka LHC, Wielki Zderzacz Hadronów). Pierwszy zderzacz hadronów, zbudowany w CERN, czyli w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych, już za kilka miesięcy zacznie dostarczać danych głodnym wiedzy fizykom. Drugi, zderzacz liniowy, to idea gorąco wspierana przez liczną grupę naukowców na całym świecie. Oba mogą doprowadzić do przewrotu w fizyce.

Trudno więc o lepsze wieści. Ale kiedy jest tak wspaniale, aż chce się, jak pisał w powieści „Hańba” John Maxwell Coetzee, „kopnąć jakiegoś pieska”, czyli zadać parę kłopotliwych pytań. Bo dlaczego właściwie fizykę małych cząstek trzeba badać za pomocą wielkich i kosmicznie drogich urządzeń? I co będzie, jeśli w 27-kilometrowym tunelu LHC, wydrążonym pod przedmieściami Genewy, nie dojrzymy nawet ogona tego króliczka, co ma higgs na imię?

Zapytaliśmy o to dwóch polskich naukowców, należących do grupy fizyków obmyślających ILC. Wywiad przeprowadzono w podzespołach, a następnie zmontowano zgodnie z duchem kooperacji ucieleśnianym przez wielkie zderzacze.

Karol Jałochowski: – Alvin Weinberg, niegdyś szef zasłużonego dla fizyki jądrowej Oak Ridge National Laboratory, zwykł okropnie narzekać na eksperymenty wymagające budowy skomplikowanych i drogich urządzeń, m.in. akceleratorów. Twierdził on, że fizycy powinni obmyślać tańsze, ale bardziej wyrafinowane eksperymenty. A tymczasem panowie budujecie największe układy doświadczalne, jakie widział świat. (Patrz ramka Wielkie Projekty).

Prof. Jan Nassalski: – Weinberg był znany z niekonwencjonalnych sformułowań, natomiast sam w latach 40. XX w. zajmował się reaktorami jądrowymi, które, jak wiadomo, do małych nie należą. Trzeba więc patrzeć na jego komentarz z przymrużeniem oka. Warto też pamiętać, że kierunki, w których rozwija się fizyka, nie są przypadkowe. To przyroda dyktuje nam warunki wykonywania eksperymentów. I tak się jakoś złożyło, że tego, co zamierzamy teraz zrobić, na biurku zrobić się nie da. Im wyższa energia badanego układu, tym prostsze stają się prawa fizyki, które go opisują.
 

Dr Leszek Zawiejski: – Można pomyśleć o małych eksperymentach, w których dałoby się teoretycznie stwierdzić odchylenia od przewidywań i powiedzieć, że powstały one na skutek czegoś, czego nie znamy z Modelu Standardowego. Można też na przykład badać, czy na małych odległościach występują odstępstwa od prawa ciążenia Newtona. Ale w ten sposób studiuje się bardzo mały wycinek rzeczywistości. Kiedy chcemy dotknąć spraw globalnych, pytań o naturę energii, materii, przestrzeni czy początku czasu, to musimy jakoś dotrzeć do tej materii, poznęcać się trochę nad nią. Żeby wydała jęk.

J.N.: Kto wie, może istnieje świat rządzony prawami, które można by wydedukować z mniejszych eksperymentów? Ale nasz urządzony jest inaczej. Cząstki, które w prosty sposób wyjaśniają świat, są bardzo ciężkie i do ich utworzenia potrzebujemy akceleratorów o olbrzymich energiach.

To powszechna opinia wśród fizyków? Nie ma opozycji?

J.N.: Naukowcy są zgodni, że LHC jest właściwym urządzeniem do badania nowego terytorium. Opinia ta wynika z sukcesów Modelu Standardowego. Dzięki coraz lepszym narzędziom eksperymentalnym zyskiwaliśmy potwierdzenia jego słuszności. Tego, że oddziaływania się unifikują – najpierw, jeszcze przed powstaniem tego modelu, zunifikowano magnetyzm i elektryczność, później elektromagnetyzm z oddziaływaniami słabymi. Ta teoria ma olbrzymią moc. Przewiduje własności cząstek, prawdopodobieństwa rozmaitych procesów z niezwykłą dokładnością i cały wysiłek fizyki ostatnich lat był poświęcony temu, by – mówiąc pół żartem, pół serio – ten model obalić. Nie udało się. Trzeba go więc potwierdzić.

Podawany nieraz jako przykład samotnego odkrywcy Ernest Rutherford potwierdził istnienie jądra atomowego, używając kawałka metalowej folii. Epoka podobnych eksperymentów minęła bezpowrotnie?

J.N.: Tak naprawdę to Rutherford zinterpretował eksperyment wykonany przez swojego stażystę Hansa Geigera i studenta Ernesta Marsdena, którzy „prześwietlali” atomy złota przy użyciu cząstek alfa, emitowanych przez naturalne materiały promieniotwórcze. Ale dalszy postęp w badaniach materii wymagał bombardowania materii cząstkami o energiach, którymi Ziemia w naturalny sposób nie dysponuje. Kwarki zobaczono prawie 60 lat później. Potrzebne były akceleratory, w których przyspieszano elektrony do energii tysiąc razy większej, niż mają cząstki alfa. W LHC zostanie przekroczona kolejna bariera energetyczna [patrz ramka Dziwadełka z (czarną) dziurką]. Czas samotnych myśliwych w fizyce cząstek elementarnych raczej się skończył.
 

L.Z.: No, chyba że ktoś wpadnie na genialny pomysł, jak można uzyskiwać duże energie cząstek na bardzo małej odległości, np. przyspieszając je jakimś specjalnym laserem. Takie odkrycia są często niespodziewane. Zawsze jest jakaś nadzieja.

CERN okrzyknięto forpocztą nowego porządku – może nie całego świata, ale z pewnością świata nauki. (Patrz ramka CERN utopia wcielona). Tysiące uczestników zmierzają do wspólnego celu mimo mnogości języków, kultur i religii, które reprezentują. Jednak czy nie żal trochę czasów, gdy publikacje naukowe podpisywało najwyżej kilku autorów, a nie dziesiątki?

J.N.: Trochę żal. Ale istnieje wielka liczba zagadnień fizycznych w ramach wielkich eksperymentów, które można badać w mniejszych zespołach. Na przykład w należącym do LHC projekcie ATLAS, nad którym pracuje dwa tysiące osób, jest wiele grup tematycznych. W ramach tych grup można odegrać znaczącą rolę. Mieć dobry pomysł. I zaspokoić własne ambicje.

L.Z.: Dawniej mądry facet siadał przy aparaturze, mierzył, i to wystarczyło. Dzisiaj przygotowanie eksperymentu wymaga udziału wielu inżynierów, techników, fizyków, materiałoznawców, znawców optyki, programistów i wielu innych. Nikt nie ma szans, by ogarnąć całość projektu. Również odczytywanie informacji, które mogą się przyczynić do dokonania odkrycia, a dane płyną milionami kanałów, wymaga udziału wielu osób. Tak to już jest. Liczy się końcowy efekt.

A może zamiast budować akceleratory, należałoby najpierw zaproponować teorię opisującą spójnie wszystkie oddziaływania fizyczne?

J.N.: Na razie karmimy się nadzieją na zunifikowanie oddziaływań elektrosłabych i silnych. Perspektywa dołączenia oddziaływań grawitacyjnych jest niebywale odległa. Nie potrafimy wykonać takiego skoku. Model Standardowy wspaniale opisuje przyrodę. To prawda, ma pewne problemy strukturalne, ale nie jest fałszywy. Istnieje po prostu jakaś większa teoria, której jest on składową. Ale żeby wyjść poza ten model, musimy zbudować LHC. A może podczas poszukiwań odkryjemy jakieś inne nowe oddziaływania? 

 

L.Z.: Teoria niezweryfikowana doświadczalnie nie jest właściwie teorią. Na przykład, dopóki nie odkryjemy bozonu Higgsa – albo innego mechanizmu odpowiedzialnego za to, że cząstki mają masę – dopóty jest on bardzo piękną, owszem, ale tylko hipotezą. Akceleratory próbują nas zbliżyć do warunków, jakie panowały tuż po Wielkim Wybuchu, kiedy oddziaływania były zunifikowane. Zazwyczaj teorie, tak jak i Model Standardowy, tłumaczą wiele, ale w pewnych nowych obszarach badań przestają wystarczać. Są ograniczone i wymagają rozwinięć.

Dotychczas zgromadzona wiedza, która nadaje taki, a nie inny kształt eksperymentom, determinuje rodzaj odkryć, których można podczas nich dokonać. Czy nie jest przypadkiem tak, że jesteśmy w stanie poznać tylko to, o czym już trochę wiemy; że nie ma miejsca na dramatyczne zaskoczenia?

J.N.: W pewnym sensie jesteśmy ofiarami własnych sukcesów. Ale pewnie trudno na nich się nie oprzeć. Jeśli dysponujemy teorią, która świetnie opisuje świat, i ona sama podpowiada, jak ją dalej uprościć, to jesteśmy przez samą naturę zmuszeni do tego, by iść we wcześniej obranym kierunku. Dzięki tej metodzie fizyka postrzegana z oddali wydaje się czymś bardzo prostym. Na przykład fakt, że prawie całą materię we Wszechświecie jesteśmy w stanie opisać przez dwa rodzaje kwarków i elektrony, jest niesłychanym sukcesem.

L.Z.: Poszerzanie wiedzy to wdrapywanie się na pagórki niewiedzy. Zdobywamy je i stwierdzamy, że przed nami rozpościera się nowy krajobraz złożony z nieznanych elementów. I wtedy zastanawiamy się, czy rzeczywiście są one nieznane. Oczywiście, w LHC i ILC jesteśmy nastawieni na obserwacje zjawisk, o których mamy pewną wiedzę z wcześniejszych eksperymentów i z obserwacji kosmologicznych lub astrofizycznych. Pewnym drogowskazem są tu również przewidywania nowych cząstek i oddziaływań, wynikające z proponowanych opisów teoretycznych otaczającej nas rzeczywistości. Oczekujemy na przykład, że dla wyjaśnienia ciemnej materii pomocne będzie istnienie nowych, tzw. supersymetrycznych cząstek (będących swego rodzaju partnerami dla znanych obecnie cząstek materii). Ale na tym nasza wiedza się kończy. Być może żyjemy w więcej niż trzech wymiarach? Być może są pewne cząstki ukryte w tych dodatkowych wymiarach? Chcemy je odkryć i zbadać, czy to naprawdę są te przewidywane przez teorię, podobnie jak to się stanie przy znalezieniu higgsów.

J.N.: Spora grupa fizyków sądzi, że trzeba będzie skonstruować następny zderzacz, tym razem leptonów: elektronów i pozytonów. To będzie narzędzie precyzyjne jak skalpel, przy którym LHC jest toporny jak młot, bo kwarków wewnątrz protonów jest dużo. No, ale łatwiej jest zrobić zderzacz protonowy. Wszyscy zgadzają się, że takie urządzenie będzie potrzebne do precyzyjnego pomiaru nowych odkrytych cząstek. Ale niektórzy mówią również: nawet jeżeli nic nowego nie zobaczymy dzięki LHC, to zbudujmy sobie zderzacz elektronowy, precyzyjnie pomierzmy te cząstki, które znamy, a szczególnie najcięższe, i może to nam powie coś o tym, co dzieje się przy wyższych energiach.

Jak przekonujecie panowie niedowiarków, dlaczego warto inwestować w ILC, kolejny po LHC gigantyczny projekt badawczy?

L.Z.: Przypuszczamy, że jedno tylko urządzenie, akcelerator hadronów, nie wystarczy, by dokonać skoku w poznaniu przyrody. W LHC będzie powstawać gąszcz zdarzeń (tak fizycy nazywają, najogólniej mówiąc, zderzenia rozpędzonych cząstek – red.), a my chcemy z tego tła oddziaływań niechcianych wydobyć sygnaturę procesu, który coś nam rzeczywiście powie. Każde dokonane tam odkrycie będzie się prosiło o potwierdzenie, czy znaleźliśmy właśnie to, czego oczekiwaliśmy. Musimy mieć drugą maszynę, bardzo precyzyjną, taką jak akcelerator leptonów, gdzie znamy dokładne energie zderzenia przyśpieszanych cząstek. Tylko dzięki budowie obu zderzaczy mamy szansę rozpocząć nową erę fizyki. Nie możemy jej stracić.

A jeśli pod Genewą nie odkryjecie panowie żadnej cząstki Higgsa – ani tej przewidywanej przez Model Standardowy, ani żadnej do niej podobnej? Podobno to najlepszy z możliwych scenariuszy, bo prowokuje do zrewidowania całej fizyki.

J.N.: Po pierwsze, nie jest tak, że naciśniemy guzik, LHC ruszy i zaraz okaże się, czy widać cząstkę Higgsa. Przed nami mozolna droga. Trzeba te olbrzymie detektory skalibrować, zestroić ich elementy, a następnie zbierać dane przez dłuższy czas. Będziemy musieli poważnie przemyśleć sprawę dopiero wtedy, gdy po paru latach niczego nie dojrzymy. Wtedy doszłoby zapewne do jakiejś koncepcyjnej rewolucji w fizyce. Natomiast na pewno trudno by było znaleźć finanse na budowę kolejnego akceleratora o jeszcze większej energii. (Patrz ramka Skórka i wyprawka).

Pod znakiem zapytania stanęłaby też przyszłość ILC?

L.Z.: Oczywiście może się zdarzyć, że LHC niczego nie odkryje. Ale przy energiach, którymi dysponuje, raczej coś musi się wydarzyć. Chyba że to będzie jakaś niezrozumiała pustynia. I coś nam się ukaże dopiero w następnym kroku, przy jeszcze wyższych energiach. Nie wiadomo, które lobby przeważy. Może to, które stwierdzi, że nie warto wydawać pieniędzy na budowę ILC? Powie fizykom, że chociaż niczego nie odkryli, to przynajmniej mają akcelerator i coś tam sobie mogą pomierzyć albo niech zajmą się astrofizyką. Albo jednak ktoś uzna, że warto zbudować maszynę, która precyzyjnie przebada te pustkowia.

Załóżmy najczarniejszy scenariusz: LHC niczego nie odkrył, w efekcie obcięto fundusze na ILC. Co wtedy panowie robicie?

L.Z.: Pocieszające może być to, że dalej mówi się o projekcie, w którym przyspieszać się będzie inne cząstki niż elektrony – miony. To, można powiedzieć, ciężsi bracia elektronu. Kiedy próbuje się zakrzywiać lekką cząstkę tak, by biegła po torze kołowym, emituje dużo promieniowania, czyli traci swoją energię. Im cięższa cząstka, tym mniejsza strata. Być może dla mionów nie trzeba będzie budować akceleratorów liniowych, ale kołowe o niewielkim promieniu, mniej kosztowne. Niestety, miony są bardzo nietrwałe. Doprowadzenie do ich zderzenia jest ogromnym wyzwaniem technologicznym. Ale taka możliwość istnieje.

J.N.: Prawdopodobny scenariusz rozwoju sytuacji jest taki, że zainteresowanie fizyków przesunie się ku astrofizyce i badaniom neutrin. Fascynujące, że obecnie odkrywamy głębokie związki między fizyką cząstek a kosmologią. W pewnym sensie wielkie akceleratory, a w szczególności LHC, symulują warunki bardzo wczesnego Wszechświata. Fakt, że nie jesteśmy w stanie wytłumaczyć większości energii w kosmosie, jest czymś naprawdę żenującym, ale i niesłychanie interesującym!

Sceptycy twierdzą, że Wielki Zderzacz Hadronów to tyleż symbol wielkości fizyki co impasu, w którym się znalazła, nie potrafiąc wyjść poza niedoskonałości Modelu Standardowego.

J.N.: Mimo wszystko większość fizyków postrzega LHC raczej w kategoriach spodziewanych wielkich odkryć, epokowego przewrotu w fizyce wysokich energii. Jako sukces, który jest tuż za rogiem.
 



Hadrony, pociski LHC
 
Zderzane w LHC protony należą do grupy hadronów, które w istocie nie są cząstkami elementarnymi, bo posiadają wewnętrzną strukturę. Ale zwykło się je tak nazywać ze względów historycznych. Złożone są z kwarków - fundamentalnych, czyli niepodzielnych (jak się wydaje), klocków rzeczywistości. Obok protonów w jądrach atomów znajdziemy również złożone z kwarków neutrony.
 

LHC, Wielki Zderzacz Hadronów
 

∞ Cztery detektory LHC buduje 5 tys. naukowców i inżynierów z ponad 300 jednostek badawczych w 50 krajach na 6 kontynentach.
∞ Nadprzewodzące włókna elektromagnesów użytych w LHC są dziesięciokrotnie cieńsze od ludzkiego włosa. Ćwierć utworzonej z nich linki wystarczyłoby do przytroczenia Ziemi do Słońca.
∞ Protony przyspieszane w CERN otrzymuje się „obierając ze skórki" atomy wodoru. 1 gram tego pierwiastka wystarczy na milion lat pracy zderzacza.
∞ Centralną częścią LHC jest gigantyczna zamrażarka. Wewnątrz będzie zimniej niż w kosmosie - 1,9 K (-271,3°C).
∞ Ciśnienie w rurach, którymi biegną wiązki protonów, będzie niższe niż na Księżycu.
∞ Protony będą się poruszać z 0,999999991 prędkości światła. W ciągu sekundy obiegną akcelerator 11 tys. razy. A kiedy już przeciwbieżne wiązki spotkają się ze sobą, w tym samym czasie nastąpi 800 mln zderzeń. Ale tylko jedno na miliard będzie tym, które interesuje badaczy.
∞ Każda z wiązek protonów w LHC osiągnie energię większą niż energia startującego odrzutowca pasażerskiego. Kiedy się zderzą, na bardzo małej przestrzeni wygenerują temperaturę 100 tys. razy większą od temperatury panującej w jądrze Słońca.
∞ Stal użyta do skonstruowania CMS, jednego tylko eksperymentu LHC, wystarczyłaby do postawienia nowej wieży Eiffla.
∞ Magnesy LHC wytworzą pole magnetyczne 100 tys. razy silniejsze niż ziemskie.
 

Wielkie projekty
 

Jednostka kosztów realizacji: 10 mld dol., czyli miesiąc wojny w Iraku (wg szacunków Josepha Stiglitza)
Gotycka katedra w Chartres - 0,2
Projekt Manhattan (stworzenie bomby atomowej) - 2
Kosmiczny teleskop Hubble'a - 0,6
ILC - 0,5; LHC - 0,5-1
 
(Liczby mają charakter szacunkowy)


Dziwadełka z (czarną) dziurką
 

Niektóre media głoszą, że Armagedon jest bliski. Jego źródłem miałyby być produkowane w LHC, na skutek zderzeń wysokoenergetycznych cząstek, małe czarne dziury, dodatkowe wymiary czy hipotetyczne żarłoczne kwantowe twory zwane dziwadełkami. Bez obaw. Po pierwsze, Ziemia jest nieustannie bombardowana cząstkami o nieporównanie większej energii niż te, które wytworzy wielki zderzacz pod Genewą. Gdyby miały unicestwić Ziemię, już dawno by to zrobiły. Po drugie, nie ma nawet pewności, czy czarne dziury, dziwadełka bądź dodatkowe wymiary pojawią się w zderzaczu.
 

CERN, utopia wcielona
 
CERN - Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, czyli Europejski Ośrodek Badań Jądrowych. Położony na przedmieściach Genewy. Jedno z największych na świecie centrów naukowych. Największe w dziedzinie badań materii (blisko 3 tys. stale zatrudnionych specjalistów, ponad 7 tys. współpracujących - to połowa światowej społeczności związanej z fizyką cząstek elementarnych). Budżet rzędu miliarda dolarów rocznie.

CERN to symbol zjednoczonej Europy, modelowy przykład współpracy ponad granicami (i pod - tunel akceleratora LHC przebiega bowiem pod Szwajcarią i Francją). To twór utopijny, ale istniejący, m.in. dzięki inicjatywie amerykańskiego laureata Nagrody Nobla Isydora Rabiego (1898-1988). To on w 1950 r., podczas 5 Konferencji Generalnej UNESCO we Florencji przedłożył rezolucję, która dwa lata później doprowadziła do ustanowienia CERN.

Polska należy do grona 20 państw członkowskich CERN. Sukces LHC stanie się więc również udziałem Polaków. Przy jego projektowaniu i budowie uczestniczyło prawie 350 uczonych, studentów, inżynierów i techników z dziewięciu jednostek badawczych. Efekty ich wieloletniej pracy wpływają na poprawne działanie niemal wszystkich elementów struktury akceleratora. Fachowcy z Polski biorą udział we wszystkich eksperymentach prowadzonych w ramach LHC (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb). Niektóre fragmenty akceleratora powstawały w rodzimych przedsiębiorstwach. Polacy są także wśród nauczycieli doskonalących swe umiejętności podczas kursów organizowanych w CERN już od przeszło 20 lat.
 

Poszukiwani w LHC: ciemna energia, ciemna materia, dodatkowe wymiary i cząstki supersymetryczne
 
∞ To od ciemnej energii zależy los Wszechświata. Stanowi 2/3 jego całkowitej energii. Sprawia, że rozszerza się z rosnącą prędkością i jeśli nie pospieszymy się z badaniami, to historia Wszechświata bezpowrotnie się zatrze, ponieważ wszelkie widoczne na niebie gwiazdy i galaktyki znikną z pola widzenia, a niebo stanie się niemal doskonale czarne. Oczywiście na badania mamy jeszcze parę miliardów lat. Na razie jednak ciemna energia pozostaje niemal całkowitą tajemnicą. Wiemy tyle: to najbardziej powszechna forma czegoś we Wszechświecie, jest bardzo rozproszona (jej metr sześcienny to równowartość energii jednego atomu wodoru), elastyczna, a przede wszystkim - wywoływane przez nią pole grawitacyjne nie przyciąga, ale odpycha.

∞ Ciemna materia jest bardzo dziwna. W jej skład nie wchodzą żadne ze znanych obecnie cząstek. Wszechświat zawiera pięciokrotnie więcej ciemnej niż zwykłej, znanej z codziennego doświadczenia, materii. Ciemna jest niewidoczna, przenika z łatwością inne obiekty, ale nie wchodzi w interakcje z nimi. Skąd zatem wiemy, że istnieje? Gdyby nie ona, galaktyki nigdy nie uformowałyby się w znane nam kształty. Nie powstałby Układ Słoneczny. Życie nie pojawiłoby się na Ziemi. Nie zadawalibyśmy tego typu pytań.

∞ Dodatkowe wymiary to temat eksploatowany chętnie przez fantastykę naukową (stamtąd właśnie zwykle atakują krwiożercze pomidory znane z kina klasy C), ale także przez fizykę. Teorie zakładające obecność zwiniętych w mikroświecie wymiarów mogłyby tłumaczyć zaskakująco szybkie tempo rozszerzania się Wszechświata i fakt, że oddziaływanie grawitacyjne jest nieporównanie słabsze niż trzy pozostałe oddziaływania opisywane przez Model Standardowy. Gdyby takie wymiary istniały, jak zdołałyby się ukryć przez naszymi zmysłami? By to wytłumaczyć, Sean Carroll z University of Chicago proponuje analogię śmiałka, który po rozpiętej nad przepaścią linie może poruszać się tylko w przód i w tył (czyli w jednym wymiarze), a mrówki również dookoła liny (czyli w dwóch). Być może dla podstawowych elementów struktury Wszechświata bytowanie w 11 wymiarach to chleb powszedni.

∞ Niektórzy fizycy przypuszczają, że dostrzegamy tylko lekką stronę rzeczywistości, nie potrafiąc odkryć supersymetrycznych partnerów znanych nam cząstek, znacznie od nich cięższych (stąd przedrostek super, cząstki supersymetryczne). Niewykluczone, że supersymetryczni kuzyni ujawnią się w LHC. Warto ich szukać, bo mogą np. wchodzić w skład zagadkowej ciemnej materii. Ich obecność potwierdzałaby elegancję natury, której inne prawa, z nielicznymi wyjątkami, także noszą znamiona symetrii.
 

Skórka i wyprawka
 

Nawet gdyby badania naukowe prowadzone w wielkich zderzaczach nie odpowiedziały na najbardziej palące pytania fizyków (choć brak odpowiedzi też byłby cenną informacją), to i tak trudno przecenić praktyczne korzyści z budowy tych urządzeń. CERN jest jak wielki lewar cywilizacyjny. Oto wybrane zastosowania technologii opracowane na jego potrzeby:
∞ w elektronice, w złożonych systemach komunikacyjnych (tam powstała sieć) i obliczeniowych,
∞ w zaawansowanych technikach obrazowania w medycynie,
∞ śledzenie na żywo reakcji chemicznych (dzięki synchrotronowym źródłom promieniowania rentgenowskiego),
∞ neutralizacja odpadów nuklearnych (za pomocą źródeł wysokoenergetycznych protonów).
 
Osoby skupione wokół akceleratorów mogą zasilać szeregi m.in. specjalistów ds. bezpieczeństwa, techniki medycznej, badań kosmicznych, informatyki, telekomunikacji. Prestiżowe i korzystne kontrakty z CERN stymulują przemysł zaawansowanych technologii. Udział w budowie zderzaczy to certyfikat jakości.

Rozmowa pochodzi 15. numeru "Niezbędnika Inteligenta" z 21.06.2008   

 
WIĘCEJ:

  • Dziwadełka z (czarną) dziurką - CERN określa ryzyko związane z uruchomieniem akceleratora na, w najgorszym razie, znikome. Jak jest naprawdę? 
  • Nadchodzą dziwadełka - Wszelkie znaki na medialnym nieboskłonie wskazują, że Armagedon bliski, że czas stawić czoła Apokalipsie, czyli o LHC z przymrużeniem oka.
  • Jaśniej o ciemnej materii - Otaczający nas kosmos zaledwie w kilku procentach składa się z materii, którą znamy z codziennego doświadczenia i tablicy Mendelejewa. Resztę spowijają wieczne ciemności. Żeby przez nie przebrnąć, być może trzeba będzie zmienić prawa fizyki.  
  • 50 lat CERN - pół wieku temu na pastwiskach koło Genewy założono CERN – europejskie laboratorium fizyki cząstek, wśród laików rozsławione książką Dana Browna „Anioły i demony”. Tysiące fizyków poszukuje tam odpowiedzi na pytanie, z czego i jak zbudowana jest materia we Wszechświecie. Oto opowieść jednego z nich.  

  
 

Aktualności, komentarze

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj