Detektory Wielkiego Zderzacza Hadronów od dziś znów będą zbierać dane

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) jest gotowy do rozpoczęcia trzeciego seansu pracy, podczas którego będzie zderzał protony przy rekordowej energii 13.6 TeV - informuje Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN. Dzień po 10. rocznicy największego do tej pory sukcesu LHC, odkrycia cząstki Higgsa, po ponad trzyletniej przerwie modernizacyjnej, rozpoczyna się dla eksperymentów Zderzacza nowy, blisko czteroletni okres zbierania danych (Run 3). Jeden z nowych eksperymentów, który może pomóc w poszukiwaniach tzw. ciemnej materii zaprojektowali Polacy.

Wiązki protonów krążyły w kompleksie akceleratorowym CERN już od kwietnia, przygotowując LHC oraz system doprowadzania wiązki do pracy przy zwiększonej energii i intensywności wiązek. Obecnie LHC jest gotowe ogłoszenia tzw. "stabilnych wiązek", czyli warunków pracy pozwalających detektorom na włączenie wszystkich swoich systemów detekcji i rozpoczęcie regularnego zbierania danych na potrzeby analiz fizycznych.

Jak mówi RMF FM dr hab. Paweł Brückman z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, nie tylko zmodernizowano sam akcelerator, ale cztery wielkie, pracujące na nim eksperymenty na wiele sposobów udoskonaliły swoje systemy odczytu i selekcji danych, zarówno w warstwie aparatury jak i infrastruktury obliczeniowej. Te zmiany pozwolą na rejestracja znacząco większej ilości danych niż dotychczas. Instytut Fizyki Jądrowej PAN współtworzy eksperymenty ALICE, ATLAS i LHCb od samych początków ich istnienia, a jego wyspecjalizowane ekipy inżynieryjno-techniczne odpowiedzialne były za kluczowe prace tak podczas konsolidacji, jak i kolejnych modernizacji kompleksu akceleratorowego LHC.

Detektory ATLAS i CMS planują zarejestrować podczas rozpoczynającego się seansu zbierania danych więcej zderzeń niż podczas poprzednich dwóch razem wziętych. Eksperyment LHCb przeszedł gruntowną modernizację i spodziewa się dziesięciokrotnie zwiększyć ilość zarejestrowanych danych, podczas gdy ALICE nawet pięćdziesięciokrotnie! Dzięki zwiększonej ilości zebranych danych i podniesionej energii zderzeń, Run 3 poszerzy już bardzo bogaty program fizyczny LHC. Własności bozonu Higgsa będą badane z jeszcze większą dokładnością i w poszerzonej gamie procesów.

Do odkrycia cząstki Higgsa w 2012 roku posłużyło 12 odwrotnych femtobarnów danych, podczas gdy Run 3 dostarczy 280 odwrotnych femtobarnów. To istotny wzrost dający szanse na nowe odkrycia - mówi Mike Lamont, dyrektor ds. akceleratorów i technologii CERN. (Odwrotny femtobarn to jednostka zarówno liczby zderzeń, jak i ilości danych, 1 odwrotny femtobarn odpowiada 100 bilionom zderzeń proton-proton). Zdołamy zmierzyć siłę oddziaływania bozonu Higgsa z cząstkami materii i cząstkami odziaływań z nieosiągalną dotąd dokładnością. Będziemy kontynuować poszukiwanie rozpadów Higgsa na cząstki ciemnej materii oraz poszukiwania dodatkowych bozonów Higgsa - dodaje Andreas Hoecker, lider eksperymentu ATLAS. Jak przekonuje, "wcale nie jest pewne, że natura wybrała minimalną wersję mechanizmu Higgsa, w której istnieje tylko jedna taka cząstka".

Run 3 umożliwi też naukowcom dalsze poszukiwanie odpowiedzi na podstawowe zagadki przyrody, jak choćby obserwowaną we wszechświecie asymetrię pomiędzy materią i antymaterią oraz między innymi pozwoli na weryfikację intrygujących obserwacji wskazujących na łamanie tzw. uniwersalności leptonowej, stanowiącej jeden z fundamentów Modelu Standardowego cząstek elementarnych. Zderzenia jąder ciężkich pierwiastków, pozwolą na lepsze poznanie właściwości materii w ekstremalnie wysokich temperaturach i gęstości - warunkach jakie panowały w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu.

Rozpoczęcie trzeciego seansu pracy LHC (Run 3) można będzie śledzić dzięki transmisji na żywo wprost z centrum kontroli w CERN. Eksperci wyjaśnią cały cykl pracy zderzacza, od napełnienia wiązką aż po wysokoenergetyczne zderzenia wewnątrz eksperymentów.

Grzegorz Jasiński: Wielki Zderzacz Hadronów po przerwie, planowanej choć nieco dłuższej niż to do końca planowano, wraca do życia.

Dr hab. Paweł Brückman: To, co się wydarzyło w kwietniu, to rzeczywiście faktyczne uruchomienie akceleratora, całego kompleksu akceleratorowego, dlatego że modernizacji uległ nie tylko sam sam LHC, czyli ten największy ring, który zderza z tą najwyższą energią, ale również te etapy poprzednie, system wstępnego przyspieszania wiązek, który go poprzedza. W szczególności zupełnie wymieniony został pierwszy akcelerator w tym kompleksie tzw. Linac, który krótko mówiąc może dostarczać wiązki o większej intensywności. Początkowo wiązka krążyła z energią, z jaką została wstrzyknięta do LHC.

Czyli nie była jeszcze ostatecznie przyspieszana w LHC...

Tak. Ona była po prostu wstrzyknięta i utrzymywana przez jakiś czas w akceleratorze, na ringu, co służyło temu, żeby sprawdzić, że cała modernizacja i ponowne uruchomienie, schłodzenie - bo to jak pewno wielu z naszych słuchaczy jest wiadome - ten akcelerator pracuje w temperaturze niemalże absolutnego zera i w niesłychanie wysokiej próżni. Więc odpompowanie nawet tych resztek gazu, tudzież schłodzenie całego kompleksu, bo to jest akcelerator oparty na magnesach nadprzewodzących, schłodzonych do kilku... właściwie 1,5 Kelvina, czyli dosłownie minimalnie ponad temperaturę zera absolutnego. To jest temperatura niższa niż ta, która panuje w przestrzeni kosmicznej. Wymaga to oczywiście bardzo skomplikowanej procedury i ta się udała. Wiązki krążyły bez przeszkód, na razie nie były przyspieszane. Od tego momentu do wczesnego lata, eksperci będą doprowadzać do przyspieszenia tych wiązek do nominalnej energii. Ta nominalna energia tym razem będzie odrobinę wyższa, niż to miało miejsce przed zamknięciem akceleratora, czyli do roku 2018, zamiast zderzeń przy energii 13 TeV będzie to energia 13, 6 TeV. To nie jest duża różnica.

Ale rekord jest.

Ale rekord jest. I tu oczywiście dla ekspertów to jest bardzo duży krok do przodu. Cały kompleks akceleratora oparty jest o magnesy nadprzewodzące, bardzo silne magnesy nadprzewodzące, które utrzymują protony na tej 27-kilometrowej orbicie. Czyli to nie jest bardzo ciasny łuk, ale mimo wszystko, by utrzymać na nim protony pędzące z tą energią, trzeba mieć bardzo silne pole magnetyczne. I to jest pole, które jest graniczne jak chodzi o obecne technologie. Stąd podniesienie energii nawet o powiedzmy 5 proc. wymaga naprawdę przesunięcia tej granicy technologicznej o znaczący margines.

Co oprócz tego się zmieniło?

W akceleratorze samym pozornie niewiele. Poza tym, że wszystkie systemy połączeń, zasilania magnesów przewodzących, które wymagają ogromnych prądów, zostały właściwie wymienione, a w każdym razie bardzo dokładnie, skrupulatnie sprawdzone. Druga rzecz, która również była prowadzona, to - fachowo tak to się nazywa - trenowanie tych magnesów przewodzących do utrzymania jeszcze wyższego pola magnetycznego, do wytrzymania jeszcze wyższych prądów. To główna rzecz, która została zrobiona. Poza tym przypuszczalnie - nie wiem dokładnie, ale wydaje mi się - niektóre elementy, czyli niektóre magnesy, były również wymienione, w stosunku do tych, które oryginalnie tam się znajdowały. Natomiast chyba największe modernizacje były na wcześniejszych etapach, to znaczy na tych etapach, które pozwalają na dostarczenie do LHC intensywniejszej wiązki i uformowania jej w wiązkę o wyższej intensywności. Bo to umożliwia po prostu otrzymanie zdarzeń o wyższej częstości, my to nazywamy świetlnością maszyny. Ta świetlność będzie w tej chwili rekordowo wysoka, wyższa niż to co osiągnęliśmy dotąd. Czyli podsumowując, odrobinę wyższa energia, ale nieznacznie wyższa energia, chociaż technologicznie to jest spory krok, natomiast wyraźnie wyższa intensywność wiązek.

To oczywiście przekłada się - tak jak pan wspomniał - na częstość zderzeń, a to bezpośrednio ma wpływ na szanse na jakieś odkrycie.

Tak, bo wszystkie zjawiska, wszystkie procesy, które możemy obserwować, rządzą się prawami statystyki, czyli prawdopodobieństwa. Częstość występowania takich procesów jest wprost proporcjonalna do ich wewnętrznej natury - tak bym to upraszczając określił - i intensywności wiązek. Wprost proporcjonalnie do tej intensywności, czyli im intensywniejsza wiązka, tym większa szansa zaobserwowania czegoś. Stąd mówimy również o tak zwanej całkowitej świetlności zebranych danych. I tak dla zobrazowania, przez ostatnie 10 lat działania akceleratora, no może nie nieprzerwanego, ale dwóch okresów zbierania danych, zebraliśmy mniej danych, niż planujemy zebrać w ciągu tego najbliższego okresu. To świadczy o tym, że właśnie ta intensywność zderzeń, częstość zderzeń - najkrócej mówiąc - będzie wyższa.

Ta świetlność będzie jeszcze zwiększana w kolejnym planowanym etapie.

O tak, ale to będzie ogromny skok do przodu. LHC czyli Wielki Zderzacz Hadronów Wysokiej Świetlności - jak go nazywamy - zacznie pracować prawdopodobnie około roku 2028. To będzie po kolejnym trzyletnim okresie modernizacji, który zamieni tę maszynę w maszynę o znacznie większej intensywności wiązek. Energia znowu nie podniesie się znacząco, ponieważ nominalnie ma ona wynieść nie 13,6 TeV jak tym razem tylko 14 TeV. To jest energia, do której ten akcelerator był projektowany. Tak pomału, krok po kroku, próbujemy do niej dojść. To wynika z tego, o czym mówiłem wcześniej, że jeśli chodzi o intensywność pól magnetycznych, które umiemy wytwarzać w tak wielkim urządzeniu to jest rzeczywiście w tej chwili technologiczna granica. Oczywiście lokalnie, na przykład w urządzeniach magnetycznego rezonansu jądrowego są oczywiście większe pola, ale to w małych objętościach.

Wspomnieliśmy o tym, że ten remont planowany nieco się przedłużył, ale oczywiście przyczyna tego była bardzo prosta - pandemia. A CERN to jest miejsce, w którym współpracują międzynarodowe ekipy nie tylko naukowców, także inżynierów. To było wielkie wyzwanie, żeby w czasie pandemii dać radę.

No tak i nasze ekipy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie też to odczuwały. Myśmy tam na stałe mieli około 20 osób, cały czas przez ten okres trzech lat, mimo pandemii, bo te prace przy akceleratorze, właśnie związane z generalnym przeglądem wszystkich połączeń elektrycznych, tych wysokoprądowych, były absolutnie priorytetowe. Mimo że CERN jako laboratorium był niemalże zamknięty w okresach szczytu pandemii, kilku fal, które niestety nas dotknęły, to rzeczywiście nasi inżynierowie i technicy pracowali tam praktycznie bez przerwy. Ale faktem jest, że mimo absolutnie maksymalnego wysiłku jednak wiele prac, ze względu na pandemię, ze względu na brak możliwości pracy na miejscu, zostało opóźnionych. I to szczerze powiedziawszy nie tylko jak chodzi o sam akcelerator, bo oczywiście ten miał pewien harmonogram prac, które się nieco opóźniały, ale to samo dotyczyło czterech wielkich eksperymentów które pracują, zbierają dane na LHC. Chodzi o eksperymenty ATLAS, CMS, LHCb i ALICE. Wszystkie te cztery eksperymenty wykorzystały ten czas po to, żeby same się zmodernizować. I znowu, taka wielka modernizacja nastąpi za tych kilka lat, w kolejnej przerwie, to będzie dostosowanie tych eksperymentów do warunków tych wiązek bardzo wysokiej intensywności. Niemniej już w tej chwili te detektory częściowo w tym kierunku zostały zmodernizowane, wymieniły po prostu pewne swoje podzespoły. My to nazywamy poddetektory, czyli elementy, całe systemy detekcji, które odpowiadają za konkretne obserwacje cząstek. To oczywiście dotyczyło, w zależności od eksperymentu, różnych fragmentów spektroskopów. To były zarówno same detektory, jak i również system akwizycji czyli zbierania danych, czy też tzw. system wyzwalania, który jest niesłychanie ważny, dlatego że on w czasie rzeczywistym decyduje o tym, czy dane zderzenie jest interesujące i należy go zapisać, czy nie.

Bo wszystkiego nie da się zapisać.

Absolutnie. Da się zapisać tylko niewielką, bardzo niewielką część. I weźmy przykład eksperymentu LHCb, który jest dość specyficznym eksperymentem, specjalizuje się w badaniu fizyki ogólnie rzecz biorąc tak zwanych ciężkich zapachów, czyli fizyki hadronów zawierających głównie ciężkie kwarki b, tak zwanych długożyciowych hadronów, ale dość egzotycznych. Oni zbiorą w tym kolejnym seansie LHC znacząco więcej danych, nie ze względu na to, że sam eksperyment, sam akcelerator dostarczy więcej danych, tylko oni będą w stanie zebrać i zapisać ich więcej. Bo zmodernizowali cały system zbierania danych i tą część logiki, wyzwalania, tudzież całą ścieżkę zapisu danych.

Pojawiły się też nowe eksperymenty.

Tak. Jest kilka. Od razu powiem, to nie są wielkie eksperymenty, bo wielkie eksperymenty są cztery, które wymieniłem. Są tzw. cztery miejsca przecięcia wiązek, czyli tam gdzie rzeczywiście następują zderzenia. No i oczywiście nie ma na LHC miejsca na więcej niż te cztery. Niemniej zderzenia, które tam następują, można również wykorzystać w nieco bardziej oryginalny i nietypowy sposób. Ja podam może jeden przykład, to jest eksperyment FASER, który zresztą został zaprojektowany i uruchomiony już w tej chwili. On zacznie zbierać dane lada chwila, jak tylko LHC będzie dostarczało zderzeń. Ten eksperyment został zbudowany ze sporym udziałem grup warszawskich, polskich grup eksperymentalnych. I to jest eksperyment bardzo sprytny, można powiedzieć, ponieważ on będąc stosunkowo prostym jak chodzi o technologię, został umieszczony paręset metrów od punktu zderzenia jak gdyby w kierunku dokładnie wzdłuż wiązki. Jak sobie można wyobrazić, ponieważ to jest okrągły akcelerator, to jeżeli się dokładnie wzdłuż wiązki popatrzy od punktu zderzenia, czyli od miejsca gdzie jest jeden z dużych eksperymentów - w wypadku FASERA to jest eksperyment ATLAS - i jak się popatrzy dokładnie wzdłuż wiązki to rura akceleratora, czy tunel akceleratora zakręca. Natomiast dokładnie w kierunku na wprost znajdują się pomocnicze tunele. W jednym właśnie można było zainstalować ten eksperyment. Czemu on służy? Jego głównym zadaniem jest poszukiwanie cząstek, które bardzo słabo oddziałują z materią. Czyli to są cząstki egzotyczne, trochę tak jak - znane chyba wszystkim - neutrina. Przy czym o neutrinach doskonale wiemy. Natomiast wiemy również, że z dużym prawdopodobieństwem natura również zna inne cząstki, równie słabo oddziałujące, być może trochę cięższe od neutrin - ale to też nie jest całkiem jasne - które tworzą w przestrzeni kosmicznej tzw. ciemną materię. Jeśli chodzi o ogólną masę, to jest ich bardzo, bardzo dużo. Mimo że ich się zaobserwować nie da, to one stanowią mniej więcej jedną czwartą masy całego wszechświata, podczas gdy ta znana nam materia tylko 5 proc. Cała reszta to jest tak zwana ciemna energia, ale to jest jeszcze bardziej enigmatyczna sprawa. Natomiast modele, które podają wytłumaczenie pochodzenia ciemnej materii, przewidują że tego typu cząstki mogą również zostać wyprodukowane w zderzeniach wysokoenergetycznych takich jak na LHC. Problem w tym, że ze względu na ich naturę nie da się ich zarejestrować w tych detektorach, które otaczają punkty oddziaływania, czyli w tych tzw. wielkich eksperymentach na LHC. One jeszcze mają tę cechę, że z dużo większym prawdopodobieństwem będą produkowane w kierunku biegu wiązki.

Nie na boki.

Nie na boki. Bo my głównie patrzymy na to, co wylatuje na boki. Tak kolokwialnie to można powiedzieć. Natomiast niestety te wielkie eksperymenty trochę z natury rzeczy nie widzą dokładnie w kierunku wiązki, bo tam nie ma detektora. Natomiast eksperyment FASER jest tak ustawiony, że on właśnie z dużej odległości patrzy dokładnie w tym kierunku. I jeżeli tego typu cząstki, które słabo oddziałują, zostaną wyprodukowane, to one zanim dolecą do eksperymentu FASER to przelecą przez sporą ilość materiału, skały, betonu itd. I rzeczywiście to wszystko odsiewa całe tło od cząstek, które dobrze znamy i pozostawia albo te egzotyczne cząstki, albo ewentualnie neutrina. Ale neutrina produkowane w zderzeniach w akceleratorach to jest też coś, czego bezpośrednio jak dotąd nigdy nie obserwowaliśmy. I to samo w sobie jest już ciekawe.

Czyli cokolwiek wpadnie w tę sieć będzie interesujące.

Albo będzie to rejestracja rzeczywiście neutrin akceleratorowych, takich ze zderzeń wysokoenergetycznych, czego nie robimy ponieważ eksperymenty po prostu ich nie widzą, one uciekają. My je pośrednio rejestrujemy - można powiedzieć w cudzysłowie - przez to, że brakuje nam energii w danym zderzeniu, ale tak naprawdę ich bezpośrednio nie widzimy. Natomiast ten eksperyment będzie miał tę szansę. To raz. A drugie - to co najważniejsze - to to, że będzie szukał tych potencjalnych kandydatów na ciemną materię kosmiczną. To jest temat oczywiście fenomenalnie ciekawy i ważny.

Czy można powiedzieć w takim razie skoro to jest eksperyment zaprojektowany przez polskich naukowców, że to polscy naukowcy mają pomysł jak tę ciemną materię znaleźć?

W pewnym sensie tak. Oczywiście jest to współpraca międzynarodowa natomiast polscy naukowcy mają w nią spory wkład i to właśnie od samego pomysłu począwszy. Tak, że rzeczywiście można powiedzieć, że jest to w dużej mierze polski eksperyment.

Na podstawie materiałów prasowych CERN.