Prof. Zalewska: Nie wyobrażam sobie, że niczego nowego nie odkryjemy

W rozmowie z Grzegorzem Jasińskim, prof. Agnieszka Zalewska mówi nie tylko o nadziejach związanych z uruchomieniem Wielkiego Zderzacza Hadronów przy pełnej planowanej mocy, ale też o swojej pracy na stanowisku przewodniczącej Rady CERN i wkładzie polskich naukowców i inżynierów w pracę najpotężniejszego instrumentu naukowego na Ziemi.

Grzegorz Jasiński: Pani profesor, mamy za sobą kolejny ważny moment w historii Wielkiego Zderzacza Hadronów, a więc i w historii CERN. Też nie obyło się bez kłopotów, ale tym razem były to znacznie mniejsze kłopoty...

Prof. Agnieszka Zalewska: Tym razem były to drobne kłopoty i dokładnie w Niedzielę Wielkanocną udało się uzyskać w obu rurach próżniowych wiązki, czyli protony krążące w jedną stronę i protony krążące w drugą stronę. Nie udało mi się jeszcze ustalić ile pęczków było w każdej wiązce...

Wyjaśnijmy, pęczki to są takie jakby grupy protonów, ponieważ one nie krążą w tej rurze w postaci ciągłego strumienia...

Tak, wiązka w akceleratorze nie jest wiązką ciągłą tylko wstrzykuje się pewną porcję protonów. W takim pojedynczym pęczku są miliardy protonów. One krążą potem w pewnych odległościach od siebie. Poprzednio, pod koniec pierwszego etapu pracy Zderzacza, pod koniec 2012 roku, było tych pęczków około 2400. To był etap końcowy. Natomiast na samym początku zaczyna się powoli. Pamiętam, jak był ten pierwszy start, zaczynaliśmy od dwóch pęczków na wiązkę, potem zagęszczaliśmy do 1300 ma pojedynczą wiązkę. To się uzyskuje stopniowo. Nie wiem jeszcze ile ich teraz krążyło, czy od razu starano się stworzyć te warunki, w których akcelerator ma pracować, czy to też idzie powolutku. Trzeba pamiętać, że nie da się efektywnie przyspieszyć protonów od samego początku do końca tak, by mieć cały czas dużą ich liczbę. Służy do tego cały zestaw akceleratorów. W przypadku tych protonów w LHC na samym początku jest akcelerator liniowy, a później są trzy synchrotrony, takie mniejsze kółeczka, to jest Booster, Proton Synchrotron i ten SPS, czyli Super Proton Synchrotron. Czyli jeszcze przed LHC mamy aż cztery akceleratory i dopiero od tego momentu, kiedy protony mają energię 450 Gev są przyspieszane w LHC. Pierwsze testy były prowadzone przy tej właśnie energii, jeszcze bez przyspieszania, dzięki temu można było sprawdzić wszystkie systemy kontrolne. W CERN ogromnie dba się o procedury, wobec tego wszystko trzeba robić systematycznie, krok po kroku, sprawdzając wszystkie etapy, każdą rzecz, żeby nie było niespodzianek.

Taka niespodzianka pojawiła się w 2008 roku i jak widać tym razem na błędach się nauczono...

Tak, niewątpliwie rok 2008 i ten falstart LHC, gdzie potem trzeba było przez cały rok likwidować skutki awarii, bardzo wiele nas nauczył. Z prac, prowadzonych w ciągu ostatnich dwóch lat, które dotyczyły ulepszeń akceleratora płynie tez wniosek, że dobrą decyzją było ograniczenie się przez te lata do pracy na maksymalnej energii wiązki do 4 TeV. Tu mała dygresja, elektronowolt to taka ukochana jednostka fizyków cząstek elementarnych, to energia, którą uzyskuje cząstka o ładunku takim, jak ładunek elektronu, jeżeli przejdzie różnicę potencjałów 1 volta. Potem mamy jednostki pochodne, czyli keV, MeV, GeV i właśnie TeV, czyli teraelektronowolty. I te 4 Tev na wiązkę, czyli największa energia, przy której pracował dotychczas LHC to byłą w ogóle najwyższa energia jaka byłą uzyskiwana w akceleratorach na świecie. Celem drugiego etapu jest praca przy 6,5 TeV na wiązkę, czyli 13 TeV w układzie środka masy zderzenia dwóch protonów. Kolejne dwa miesiące będą służyły dochodzeniu przy tej energii do ostatecznej świetlności wiązki, czyli planowanej, docelowej liczby pęczków. Jak wszystko dobrze pójdzie w czerwcu zacznie się zbieranie danych w eksperymentach.

Fizycy już zacierają ręce na tę chwile, kiedy będzie można znów zbierać dane, ale jak rozumiem ten czas modernizacji, który był pod względem eksperymentów martwy został wykorzystany do dokładniejszego opracowania danych dostępnych po pierwszym etapie pracy LHC, w tym danych które pomogły w 2012 roku odkryć cząstkę Higgsa. czy po tych dwóch latach analizy, przyglądania się cząstce Higgsa, którą zaobserwowano, fizycy są już z nią oswojeni, w takiej postaci, jaką odkryli, czy pogodzili się, że ona taka jest i że nie pojawiły się niespodzianki, których niektórzy oczekiwali...

Niespodzianki rzeczywiście się nie pojawiły. Te dwa lata faktycznie były potrzebne żeby naprawdę dobrze te zebrane dane opracować. W szczególności takim ukoronowaniem była w marcu ogłoszona wspólna publikacja dwóch eksperymentów: CMS i Atlas. Oba zespoły "zsypały" swoje dane, a ponieważ miały podobną liczbę dobrych przypadków, błąd statystyczny zmniejszył się o pierwiastek z dwóch. Takie "zsypanie" wyników które maja różne błędy systematyczne także pomaga w lepszym ich zrozumieniu. Dzięki temu masa cząstki Higgsa jest w tej chwili znana z dokładnością do ułamka Gev. To jest bardzo piękny wynik. Wszystko wskazuje też na to, że tak jak oczekiwaliśmy, ta cząstka jest skalarem. Cząstka Higgsa jest jedyną cząstką skalarną...

Co to oznacza?

To oznacza, że nie można wyróżnić jakiegoś określonego kierunku jej własnego krętu, czyli momentu pędu. Jest zachowana symetria przestrzenna w odróżnieniu od cząstek materii, które zgodnie z Modelem Standardowym mają kręt własny 1/2. Są także cząstki odpowiadające za przenoszenie oddziaływań między cząstkami materii, to są bozony o kręcie własnym równym 1. Cząstka Higgsa jest osobliwa, bo ma kręt równy 0. To, że ona jest cząstką skalarną jest w oparciu o te dane, które istnieją, prawie przesądzone. Tyle, że fizycy jeśli chcą coś nazwać odkryciem, mają bardzo wysokie wymagania. Wobec tego, te nowe dane, które zbierze się teraz przy wyższej energii, kiedy będzie się produkować znacznie więcej cząstek Higgsa, pozwolą tę sprawę dokładniej zmierzyć, znacznie dokładniej wyznaczyć ten kręt własny. Wszystko po to, by powiedzieć: tak, nie mamy wątpliwości, to jest cząstka skalarna, to jest dokładnie tak, jak tego oczekujemy. Teraz możemy powiedzieć, że jesteśmy tego prawie pewni, ale nie jest to statystycznie taka wartość byśmy mogli być absolutnie pewni. W oparciu o te dane, które są nie spodziewamy się by było inaczej, jednak trzeba tych danych więcej. To jest na pewno jedna z tych rzeczy, które zmierzy się w przyszłości. Dlaczego to jest takie ważne? Pole Higgsa wypełnia cały Wszechświat, można zadać sobie pytanie, czy fakt, że cząstka Higgsa jest skalarem nie ma jakichś innych konsekwencji. Może to nie jest jedyna cząstka skalarna, może są jakieś inne fundamentalne cząstki skalarne, których nie znamy? Może ten Higgs to jest jakaś droga do zrozumienia budowy Wszechświata? My w tej chwili, gdy Model Standardowy został skompletowany rozumiemy 5 procent masy i energii Wszechświata. Pozostałe 95 procent to jest coś, czego nie rozumiemy. Dwadzieścia kilka procent zachowuje się, jak materia, ponad 70 procent zachowuje się, jak energia. Z pomiarów astronomicznych, kosmologicznych mamy dowody na istnienie tej materii zwanej ciemną, o której nie potrafimy powiedzieć, co to jest. Natomiast, jaka jest natura tej materii, nie wiemy. Bardzo by to było naturalne, gdyby temu odpowiadały jakieś cząstki. Jest w tej sprawie wiele hipotez. Wszyscy oczekiwali, że w LHC się te cząstki znajdzie...

Ale jeszcze ich nie znaleziono...

Na razie ich nie znaleziono. Przejście do wyższych energii pozwoli teraz poszerzyć obszar kinematyczny poszukiwań tych nowych cząstek. Będziemy się tym zajmować. Fakt, że ich dotąd nie znaleziono jest oczywiście trochę smutny. To byłoby wielkie odkrycie i istotny krok w kierunku zrozumienia tej ciemnej materii. Te poszukiwania przy wyższej energii, to  kolejne zadanie stojące przed fizykami pracującymi przy LHC.

Pierwsze przypomnijmy to "doprecyzowanie" cząstki Higgsa jaką poznaliśmy w pierwszym etapie pracy LHC, drugie to poszukiwanie jakiegoś wyjaśnienia dla tej, tak zwanej ciemnej materii, a potem pozostaje jeszcze ta ciemna energia...

Ciemna energia to jest znacznie bardziej skomplikowana sprawa. Informacji dostarczają tu pomiary kosmologiczne. Jest szereg takich eksperymentów. Ale niektórzy fizycy teoretycy myślą, że być może to pole Higgsa to jest jakaś drogą w kierunku zrozumienia tej ciemnej energii. To jedna z hipotez, nie ma co się do niej szczególnie przywiązywać, ale być może faktycznie cząstka Higgsa nas jeszcze czegoś innego nauczy. W fizyce cząstek są dwa kierunki działania. Po pierwsze podnoszenie energii i w ten sposób zwiększanie masy cząstek, które możemy wytworzyć w oparciu o zderzenia w akceleratorze. one żyją niezmiernie krótko i to jest właściwie jedyny sposób ich badania. Drugi sposób, to prowadzenie bardzo precyzyjnych pomiarów. Teraz zaczniemy badać ten obszar podniesionej energii, ale jeżeli tam się niczego nie znajdzie, to nie znaczy, że nic się znaleźć nie da. Pozostanie droga zbierania znacznie większej liczby przypadków oddziaływań i móc znacznie precyzyjniej pomierzyć charakterystyki różnych znanych cząstek, w tym tego Higgsa. Być może działając w ten sposób znajdziemy jakieś odstępstwa od modelu standardowego, być może te bardzo precyzyjne pomiary pokażą nam, że coś się nie zgadza, że model nie opisuje rzeczywistości aż tak dokładnie. W obecnych planach zakłada się, że do roku 2035 w LHC powinno się zebrać 100 razy więcej danych, niż obecnie. I to pozwoli ne te bardzo precyzyjne pomiary.  

Dla laika, fizyka to taka dziedzina, w której stawia się hipotezę, a potem doświadczalnie się ją potwierdza, lub obala. Twórcy hipotezy raczej oczekują jej potwierdzenia. W rozmowach z badaczami zaangażowanymi w prace Wielkiego Zderzacza Hadronów powtarza się ciągle nadzieja, że model standardowy, teoria opisująca nasz wszechświat na razie najlepiej jak można sobie to wyobrazić, jednak się nie potwierdzi, przynajmniej nie do końca. Jak rozumiem temu kolejnemu etapowi działania LHC też towarzyszy oczekiwanie niespodzianki. Ale trzeba przygotować sobie jakiś wariant na wypadek, gdy tej niespodzianki nie będzie. czy pani profesor wyobraża sobie sytuację, w której odkrycie Higgsa w 2012 roku będzie jedynym odkryciem zderzacza podczas całej jego działalności?

Staram się sobie tego nie wyobrazić. Sama nie pracuję w eksperymencie związanym z LHC, więc to są moje dobre życzenia dla kolegów. Ja działam w fizyce neutrin, gdzie mamy przeświadczenie, że już mamy jakiś fakt spoza modelu standardowego. Ale jak mówię, staram się sobie tego nie wyobrazić i myślę, że jeśli nie drogą bezpośredniego odkrycia to przez te bardzo precyzyjne pomiary znajdzie się odstępstwa. Poprzednio pracowałam w eksperymencie przy poprzednim zderzaczu LEP, gdzie przewidzieliśmy masę kwarku t, najcięższego kwarku. A nie byliśmy w stanie go wyprodukować, bo tam była za niska energia. Potem został on odkryty w eksperymencie w laboratorium Fermilab w USA i faktycznie miał taką masę. Bardzo dokładnie ją przewidzieliśmy. Potem, znając masę kwarku t można było przewidzieć masę cząstki Higgsa. I ona była niska, przewidywano nawet niższą masę, niż ta znaleziona. LHC było tak zaprojektowane, by można było sięgnąć po Higgsa o masie nawet kilkuset GeV, a tymczasem okazało się, że to jest około 125-126 GeV. My wiemy, że prowadząc bardzo precyzyjne pomiary, możemy sięgnąć po nową fizykę nawet bezpośrednio tych cząstek nie znajdując. Wobec tego jest tu taka nadzieja, że dużo danych dostarczy nam na tyle precyzyjnych pomiarów, że po to sięgniemy. Natomiast rzeczywiście sytuacja jest trudna, bo ta niska masa Higgsa ma swoje konsekwencje. Może się okazać, że w obszarze, w którym działa LHC nie ma dodatkowych cząstek, że model standardowy działa dobrze do całkiem wysokich energii. Ale to są spekulacje, dopóki nie zmierzymy, trudno tak wyrokować. Możemy jeszcze jakichś faktów nie rozumieć. Natomiast taka współpraca teorii z doświadczeniem jest bardzo sympatyczna. Można sobie zadać pytanie, dlaczego fizycy są przekonani, że model standardowy nie opisuje wszystkiego. I właściwie już na to odpowiedziałam. Bo opisuje zaledwie 5 procent masy, energii Wszechświata. A poza tym on się charakteryzuje tym, że ma bardzo dużo parametrów, które nie wynikają z teorii...

To jest takie mało eleganckie rozwiązanie, a fizyka tego nie lubi...

Na przykład z pomiarów wiemy, że są trzy rodziny kwarkowo-leptonowe i pojawia się pytanie dlaczego trzy, a nie dwie, albo cztery. Normalną materię, która nas otacza opisujemy przy pomocy pierwszej rodziny, nie potrzebujemy dwóch pozostałych. Te pojawiają się w akceleratorach i niezmiernie rzadko w oddziaływaniach promieniowania kosmicznego, żyją krótko, rozpadają się.