Nauka dla Społeczeństwa

28.03.2024
PL EN
22.04.2016 aktualizacja 22.04.2016

CERN i NCBJ będą nadal współpracować

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Europejska Organizacja Badań Jądrowych (CERN) i Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) podpisały umowę o dalszej współpracy, m.in. w zakresie dalszych prac badawczo-rozwojowych związanych z podniesieniem wydajności Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).

Umowę podpisali w środę w Genewie dyrektor NCBJ prof. Krzysztof Kurek i dyrektor ds. Technologii Akceleratorów w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN dr Frédérick Bordry - poinformował w czwartek rzecznik NCBJ Marek Sieczkowski.

Porozumienie tworzy ramy do dalszej współpracy pomiędzy NCBJ a Europejską Organizacją Badań Jądrowych (CERN). W efekcie naukowcy i technicy ze Świerku będą jeszcze bardziej zaangażowani nie tylko w przedsięwzięcia naukowe, ale również w prace badawczo-rozwojowe związane z utrzymaniem i podniesieniem parametrów najbardziej skomplikowanego urządzenia naukowego na świecie, jakim jest Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) - zaznaczył rzecznik centrum.

"Porozumienie o dalszej współpracy jest wynikiem wysokiej oceny jakości prac wykonanych przez polskich naukowców i techników zarówno przy budowie, jak i w pierwszym okresie eksploatacji Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC – podkreślił dyrektor NCBJ, prof. Krzysztof Kurek. – Nasi partnerzy doceniają również nasz wkład w modernizację urządzenia, m.in. wykonanie elementów do pierwszego stopnia przyspieszania cząstek w kompleksie akceleratorów zasilających LHC".

W trakcie dwuletniej przerwy w działaniu Wielkiego Zderzacza Hadronów naprawiono i zmodernizowano jego kluczowe elementy, znacząco podwyższono też parametry urządzeń. Przetestowano nadprzewodzące magnesy kontrolujące tor lotu cząstek i kilka z nich wymieniono. Opracowano nowy system kriogeniczny utrzymujący magnesy w stanie nadprzewodzącym, zaprojektowano bezpieczniejszy system próżniowy, wprowadzono rozwiązania lepiej ogniskujące wiązki, podwyższające energie jak również układy elektroniczne odporne na promieniowanie. Prowadzone prace, ze względu na stopień skomplikowania, wymagały dużej dokładności, zaangażowania szeregu specjalistów z różnych dziedzin, jak i czasu. Wśród specjalistów znaleźli się również Polacy - przypomniał Sieczkowski.

Wielki Zderzacz Hadronów po gruntownej przebudowie uruchomiono ponownie w 2015 r. Najważniejszymi efektami prac modernizacyjnych było podwyższenie energii cząstek do 6,5 TeV oraz zwiększenie częstotliwości zderzeń. W zmodernizowanym LHC, podczas etapu "Run 2" zaplanowanego do 2017 r., badacze chcą uzyskać dokładniejsze informacje dotyczące bozonu Higgsa, ciemnej materii, supersymetrii, antymaterii, plazmy kwarkowo-gluonowej czy cząstek egzotycznych.

Fizycy zakładają, że Wielki Zderzacz Hadronów będzie pracować jeszcze przez kolejnych 20 lat. Okres ten obejmuje kilka zaplanowanych przerw technicznych niezbędnych dla konserwacji i modernizacji urządzenia. Dalsze badania zależą od odkryć naukowych oraz możliwości organizacyjnych, technologicznych i ekonomicznych.

Wielki Zderzacz Hadronów jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem skonstruowanym przez człowieka. To rodzaj mikroskopu pozwalającego badać świat w bardzo małych skalach. Dochodzi w nim do zderzeń dwóch poruszających się w przeciwne strony wiązek cząstek – protonów lub jąder ołowiu.

Aby działał, potrzebny jest cały kompleks akceleratorów, stopniowo rozpędzających cząstki do coraz większych energii.

Każdego dnia w LHC rozpędza się zaledwie kilka nanogramów (10-9 g) wodoru. Oznacza to, że gram tego pierwiastka wystarczyłby mniej więcej na milion lat pracy akceleratora.

W LHC cząstki są formowane w dwie przeciwbieżne wiązki. Biegną one w dwóch równoległych rurach o średnicy kilku centymetrów. Rury ułożono ok. 100 metrów pod ziemią, w kolistym tunelu o obwodzie 27 km. Aby cząstki nie rozpraszały się za szybko na gazach, wewnątrz rur (na całej długości tunelu) panuje ultrawysoka próżnia.

Docelowo protony będą rozpędzane w LHC do prędkości ok. 0,999999991 prędkości światła i w każdej sekundzie okrążą tunel ponad jedenaście tysięcy razy. Aby zmusić cząstki o tak dużych energiach do ruchu w kolistym tunelu, trzeba zakrzywiać ich tory za pomocą pola magnetycznego wytwarzanego przez ponad 1200 potężnych elektromagnesów.

Prąd płynący przez uzwojenia magnesów ma natężenie kilkunastu tysięcy amperów – jak w niewielkim wyładowaniu atmosferycznym. Elektromagnesy w tunelu LHC zbudowano z nadprzewodników, czyli materiałów, które w bardzo niskich temperaturach nie stawiają oporu elektrycznego. Wszystkie nadprzewodniki są schłodzone do temperatury zaledwie 1,9 stopnia powyżej zera bezwzględnego (oznacza to, że wewnątrz LHC jest chłodniej niż w otwartej przestrzeni kosmicznej). Oprócz magnesów dipolowych, prowadzących cząstki wzdłuż rur próżniowych, LHC wyposażono w zespoły magnesów ogniskujących i korekcyjnych, które zapobiegają rozbieganiu się wiązek i ogniskują je w punktach zderzeń wewnątrz detektorów.

Protony we wnętrzu akceleratora krążą w paczkach po ok. 100 miliardów. Energia wszystkich paczek krążących w akceleratorze może odpowiadać energii eksplozji nawet 80 kg trotylu. W tunelu akceleratora, w siedmiometrowych odstępach, jednocześnie może krążyć ponad 5600 takich paczek. W ostatecznej konfiguracji akceleratora obie protonowe wiązki będą miały energię pociągu o masie 800 t, pędzącego z prędkością 150 km/h. Kontrolowanie tak dużej energii przez tak złożone urządzenie jest unikatowym w skali świata wyzwaniem naukowym i technicznym.

Po przyspieszeniu wiązek do właściwej energii cząstki mogą krążyć w tunelu przez wiele godzin. Intensywność wiązek maleje stopniowo z powodu kontrolowanych zderzeń wiązek w detektorach oraz wskutek rozpraszania cząstek na resztkach gazu w rurach próżniowych. Po paru godzinach wiązki są wypuszczane z tunelu i kierowane na bloki grafitowe, gdzie wytracają swoją energię. Podczas zderzania wiązek energia kinetyczna pierwotnych cząstek (protonów lub jąder ołowiu) przekształca się w nowe, w większości nietrwałe cząstki. Zadaniem detektorów jest identyfikacja cząstek powstających w zderzeniach, pomiar ich położenia w przestrzeni, ładunku elektrycznego, prędkości, masy i energii. Naprawdę ciężkie cząstki mają czasy życia krótsze od jednej pikosekundy i nie mogą być obserwowane w żadnym układzie detekcyjnym. Ich badanie jest możliwe tylko dzięki analizie energii i pędów zarejestrowanych produktów ich rozpadu.

Cząstki z obu przeciwbieżnych wiązek zderzają się ze sobą tylko w wybranych miejscach. W punktach przecięcia wiązek wybudowano detektory czterech głównych eksperymentów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. ATLAS jest największym detektorem LHC. Zawiera osiem nadprzewodzących cewek magnetycznych, każda długości 25 m, ułożonych w kształcie cylindra wokół rury wiązki znajdującej się w środku detektora. Cały ATLAS ma 46 m długości, 25 m wysokości i 25 m szerokości, waży 7000 t. Trochę mniejszy CMS jest prawie dwukrotnie cięższy. Maksymalna liczba zderzeń proton-proton w LHC może sięgać miliardów na sekundę – to miliony razy więcej przypadków, niż człowiek umie zapisać. Dlatego specjalne układy elektroniczne dokonują na bieżąco selekcji, oddzielając zderzenia ciekawe (do zapisania) od nieciekawych.

PAP - Nauka w Polsce

zan/ mrt/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024