Zbliżamy się do rozwiązania zagadek współczesnej fizyki

Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronowy) ma przynieść odpowiedzi na pytania, które od lat spędzają sen z powiek fizykom cząstek elementarnych. Cząstka Higgsa, antymateria i ciemna materia to nie pojęcia z powieści science-fiction. To właśnie te tematy najbardziej interesują dziesiątki badaczy, którzy przygotowują się do eksperymentów w CERN. "Eksperymenty LHC przesuną granice naszego poznania w głąb struktury materii i wstecz do epoki, w której wiek Wszechświata liczony był w mikrosekundach" - ocenia rzecznik prasowy Instytutu Problemów Jądrowych dr Marek Pawłowski.

"Zapewne czeka nas pisanie na nowo całych rozdziałów podręczników fizyki" - dodaje. Przedmiotem badań naukowców w CERN są cząstki elementarne. Poznaliśmy je dzięki podróżom w głąb struktury atomu, a później jądra atomowego. Do dalszych badań ma służyć najbardziej zaawansowane technologicznie i największe na świecie urządzenie badawcze. Zbudowano je w tunelu umieszczonym 100 metrów pod ziemią. LHC jest kołowym akceleratorem cząstek. Jego obwód wynosi 27 kilometrów. Będą w nim przyspieszane i zderzane dwie wiązki protonów a czasami i innych cząstek. W dwóch oddzielnych rurach akceleratora będą krążyć w przeciwnych kierunkach dwie wiązki protonów, coraz bardziej się rozpędzając. Kiedy nabiorą wystarczającej prędkości, zostaną w ściśle określonym miejscu naprowadzone na siebie i cząstki zaczną zderzać się ze sobą z ogromną prędkością.

Do obserwacji tych zderzeń naukowcy i inżynierowie przygotowali inne, ogromne urządzenia. Zestawy detektorów zamontowane w tunelu LHC osiągają rozmiary pięciopiętrowego budynku. Wszystko po to, aby zarejestrować powstające w wyniku zderzeń maleńkie cząstki. Analizując dane zebrane przez detektory, naukowcy chcą dowiedzieć się więcej o tym z czego zbudowany jest nasz świat. Ich głównym celem jest potwierdzenie teorii zakładającej istnienie tzw. cząstki Higgsa. "Istnieją różnego rodzaju koncepcje i przypuszczenia w jaki sposób najmniejsze znane cząstki uzyskują masę. Jedna z nich mówi, że zyskują ją przez oddziaływania z czymś innym.

I chodzi o odkrycie tego czegoś innego. Takie sloganowe określenie to jest "Higgs". Bo właśnie Peter Ware Higgs pierwszy zaproponował mechanizm, że cząstka może uzyskiwać masę przez oddziaływanie z uniwersalnym polem, które się nazywa polem Higgsa. Jednym z zadań LHC jest sprawdzenie czy takie pole istnieje" - mówi PAP fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Warszawskiego prof. Marek Demiański. Jak wyjaśnia, teoretycy zakładają, że pole Higgsa jest tzw. polem kwantowym, to znaczy składa się z cząstek - kwantów. Wyliczenia i rozważania teoretyczne pozwalają przewidzieć jakie własności powinny takie cząstki mieć. Eksperymentatorzy, przygotowujący doświadczenia w CERN, są przekonani, że jeśli taka cząstka istnieje, to dzięki LHC możliwe będzie jej zaobserwowanie.

Oprócz pytania o naturę masy cząstek, LHC ma wyjaśnić także inne zagadki. O ile cząstka Higgsa jest ściśle związana ze znaną nam, spotykaną na co dzień materią, o tyle pozostałe tematy, którymi naukowcy pracujący w CERN chcą się zająć, brzmią bardziej egzotycznie - jednym z nich jest antymateria. Wiadomo, że każda cząstka elementarna ma swój odpowiednik, który zasadniczo różni się od niej tym, że ma ładunek elektryczny o przeciwnym znaku. Czyli antyproton jest cząstką o masie protonu, ale o ujemnym ładunku, zaś antyelektron (inaczej pozytron) ma masę elektronu, ale ładunek dodatni. Inną znaną własnością antymaterii jest to, że gdy cząstka antymaterii zetknie się z cząstką materii to obie ulegają anihilacji, czyli znikają zamieniając się w fotony - czystą energię.

Z tego powodu badania nad antymaterią są bardzo trudne. Niemniej fizycy starają się badać antycząstki i nawet tworzą z nich antyatomy, próbując poznać ich strukturę i własności, podobnie jak to robią ze zwykłą materią. W przypadku antymaterii pytanie nie brzmi jednak "skąd się wzięła?", ale "gdzie się podziała?". We wszechświecie nie ma obecnie antymaterii, a jeżeli się pojawi, w wyniku rozpadu promieniotwórczego lub wytworzona sztucznie w laboratorium, anihiluje w zetknięciu ze swoim zwykłym odpowiednikiem. Natomiast w procesie kreacji, czyli zamianie energii w materię, regułą jest tworzenie się takiej samej ilości cząstek i antycząstek. We wszechświecie powinno zatem być tyle samo materii co antymaterii.

Obecnie tak nie jest, ale naukowcy są przekonani, że kiedyś - w najwcześniejszych początkach wszechświata - tak właśnie było. W tym gwałtownym okresie cząstki i antycząstki, stykając się ze sobą, bezustannie na przemian anihilowały i powstawały itd. Aż w pewnym momencie materia zaczęła przeważać nad antymaterią, co doprowadziło do sytuacji, którą znamy obecnie, czyli we wszechświecie dominuje materia, a antymateria pojawia się tylko w szczególnych sytuacjach i na bardzo krótko. Próbując dociec na czym tak naprawdę polega ta dysproporcja, naukowcy ustalili, że w procesie kreacji nie powstaje jednak dokładnie taka sama ilość materii, co antymaterii. "Różnica jest subtelna, ale jest" - tłumaczy prof. Demiański.

"Być może w LHC, gdzie w trakcie zderzeń będzie w dużych ilościach powstawała antymateria będziemy w stanie zaobserwować ten proces i odkryjemy na czym polega różnica w tworzeniu się cząstek i antycząstek" - dodaje. Również ciemna materia fascynuje fizyków od dawna. Zagadka pojawiła się, kiedy odkryto, że w obserwowanych przez astronomów rejonach kosmosu znajdują się obszary, w których nie ma "zwykłej", świecącej materii, jaką obserwuje się przez teleskopy, ale jest coś, co wytwarza pole grawitacyjne, czyli ma masę. To niezwykłe "coś" nazwano ciemną materią. Z obserwacji kosmosu wynika, że ciemnej materii jest we wszechświecie kilkakrotnie więcej niż "zwykłej", świecącej materii. Natury ciemnej materii na razie nikomu nie udało się zbadać doświadczalnie.

Niemniej istnieją teoretyczne przypuszczenia, że składa się ona - podobnie jak zwykła materia - z cząstek. Cząstki te nazwano "supersymetrycznymi", a teoretyczny model zakłada, że jest ich tyle samo co zwykłych cząstek. W ten sposób każda znana cząstka elementarna miałaby swój supersymetryczny odpowiednik o specyficznych właściwościach. "Ponieważ cząstki te, według naszych przewidywań, musiałyby bardzo słabo oddziaływać ze zwykłą materią, ich zaobserwowanie było dotąd niemożliwe" - mówi prof. Demiański. Teraz jednak jest nadzieja, że fizycy dokonają tej sztuki. Mają to umożliwić specjalnie zaprojektowane zestawy detektorów, które będą "obserwowały" zderzenia cząstek w akceleratorze. LHC to oczywiście narzędzie do badań podstawowych, których praktyczne zastosowanie na razie trudno znaleźć. Jednak, jak tłumaczy, rzecznik IPJ dr Marek Pawłowski, przy okazji budowy tego akceleratora wymyślono i zastosowano zupełnie nowe rozwiązania technologiczne, które mogą się przydać także w innych dziedzinach życia.

W budowie brali udział także Polacy, nasi naukowcy będą też uczestniczyli w eksperymentach przeprowadzanych po uruchomieniu LHC. "Wiele jego elementów powstawało w laboratoriach i warsztatach m.in. w Warszawie, Krakowie, Świerku i Wrocławiu. Poza tym Polska, jako członek CERN-u, jest jego współwłaścicielem" - podkreśla. (PAP)