Nie wiem, czy jest tutaj ktoś, kto nie słyszał jeszcze o Wielkim Zderzaczu Hadronów (ang. skrót: LHC), szczególnie teraz, kiedy  jego działanie ma zostać wznowione, po ok. dwóch latach przerwy. Jeżeli jednak są tutaj takie osoby, to spieszę z wyjaśnieniem. Wielki Zderzacz Hadronów jest wspólnym projektem setek naukowców i inżynierów z całego świata, którzy połączyli siły w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), znajdującym się w okolicach Genewy. Budowa urządzenia kosztowała 10 miliardów dolarów, a jego głównym zadaniem jest zderzanie hadronów (hadrony to grupa cząstek złożonych z kwarków). Efekt ów zderzeń ma pomóc nam lepiej poznać działanie praw fizyki i pokazać jak powstał wszechświat.

Wielki Zderzacz Hadronów jest największą maszyną świata. Jego elementy umieszczone są w tunelu o długości 27km, ma on kształt torusa. Całość znajduje się na głębokości od 50 do 175 m pod powierzchnią ziemi.

Przyjrzyjmy się najciekawszym odkryciom, do których przyczyniła się ta ogromna, niezwykła machina.

Dwie nowe cząsteczki

hadron

Eksperyment LHCb, który jest częścią LHC, przyczynił się do odkrycia dwóch nowych cząstek z rodziny barionów. Nazwano je mianem Ξb’- i Ξb*-. Model standardowy przewidywał ich istnienie, ale jak do tej pory nie udało się ich zaobserwować. Odkrycia dokonano pod koniec 2014 roku.

Natura okazała się być dla nas tyle uprzejma, że dała nam dwie cząsteczki za cenę jednej – tłumaczy Matthew Charles z laboratorium LPHNE na Uniwersytecie Piotra i Marii Curie w Paryżu.

Obie cząstki zbudowane są z trzech kwarków: niskiego, dziwnego oraz dolnego, ale ich konfiguracje różnią się nieco do siebie. W Ξb’- oba kwarki lżejsze – dolny oraz dziwny – mają przeciwnie skierowane spiny, podczas gdy w Ξb*- są one zgodne. Efektem tego jest fakt, że Ξb*- ma nieco większą masę. Obecność kwarka niskiego, należącego do trzeciej, najcięższej generacji kwarków sprawia, że masa odkrytych cząstek przekracza sześciokrotnie masę protonu.

Szczegółowe zbadanie ich właściwości może doprowadzić do wyjaśnienia asymetryczności pomiędzy materią i antymaterią, obie występują we wszechświecie.

Bozon Higgsa

what-does-the-discovery-of-higgs-boson-mean-video--1ffb4d375a

Bozon Higgsa został odkryty w 4 lipca 2012 roku, a jego istnienie potwierdzono 27 dni później. Wszyscy fizycy byli niesamowicie podekscytowani. Dumą napawała ich myśl, że jest to cząstka, która była prawdopodobnie poszukiwana od 50 lat. Uznano ją za ostatnie brakujące ogniwo Modelu Standardowego, który opisuje budowę naszego Wszechświata na poziomie podstawowym.

Odkrycie to odbiło się ogromnym echem na całym świece i wszyscy czekali z wypiekami na twarzy, aż naukowcy zbadają tę kwestię dogłębniej. Niestety od czasu odkrycia bozonu Higgsa minęły już prawie 3 lata, a my nadal nie jesteśmy w stanie dokładnie poznać natury tej cząstki. Z punktu widzenia fizyki, spontaniczne złamanie symetrii nadające masy nieposiadającym masy cząstkom Modelu Standardowego, jest efektem tego, że pola kwantowe sprzęgają się z polem Higgsa. A po polsku oznacza to, że występujące w przyrodzie cząstki (kwarki, leptony) są obdarzone masą dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa. Wypełnia ono całą przestrzeń, ale nie da się go bezpośrednio zaobserwować. Dowodem na jego istnienie są tak zwane „boskie cząstki”, czyli bozony bez spinu, koloru i ładunku elektrycznego. Teoria Modelu Standardowego jest często przyrównywana do teorii ewolucji. Oznacza to, że jest fundamentalna, ale brakuje kluczowego elementu.

Jeżeli już mowa o Modelu Standardowym, to warto wspomnieć, iż opisuje on 12 cząstek elementarnych, którymi rządzą cztery podstawowe siły. Istnienie bozonu Higgsa daje naukowcom nadzieję na sformułowanie „teorii wszystkiego”. Jednej uniwersalnej teorii zdolnej do objęcia takich zagadnień jak ciemna materia, grawitacja oraz ciemna energia. Niestety Model Standardowy nie bierze pod uwagę tego typu zagadnień. Marzeniem wizjonerów jest stworzenie teorii, które opiszą alternatywną rzeczywistość i równoległe wszechświaty.

Inne wymiary i obawy Stephena Hawkinga

Prof-Peter-Higgs-and-Prof-S

Na łamach Physics Letters B fizycy sugerują, że Wielki Zderzacz Hadronów może być wykorzystany do sprawdzenia hipotezy o istnieniu równoległych wszechświatów. Już wcześniej naukowcy chcieli wytworzyć w LHC czarną dziurę. Próby zakończyły się jednakże niepowodzeniem. Zakładając, że wszechświat składa się z czterech wymiarów, to do uzyskania czarnej dziury potrzebna byłaby energia rzędu 1019 GeV (gigaelektronowolt), energia LHC to zaledwie 14 TeV ( teraelektronowolt). Nie wszystko jednak stracone, nowe obliczenia dają cień szansy na powodzenie. Wynika z nich, że czarne dziury powstają przy energiach 9,5 TeV dla sześciu wymiarów i 11,9 TeV dla 10 wymiarów. Takie liczby są w zasięgu mocy LHC, więc teorie te mogą zostać sprawdzone w najbliższych miesiącach.

Wracając jednak do niezwykłego bozonu Higgsa. Stephen Hawking ma pewne obawy co do jego stabilności i ostrzega, że może on zniszczyć cały świat. Jego zdaniem, bardzo wysoki poziom skupienia energii w Higgsie może rozchwiać jego stabilność, co w efekcie stworzy bańkę próżniową pochłaniającą czas i przestrzeń z prędkością światła. Jeżeli do tego dojdzie, to nie zdążymy tego nawet zauważyć. Zwyczajnie będzie już po nas. Swój komentarz w tym temacie umieścił w książce „Starmus: 50 Years of Man in space”.

Odkrycie hadronów egzotycznych – czyli tetrakwarków

binding

Czym one są? Jest to grupa hadronów, które nie są mezonami złożonymi z pary kwark-antykwark, ani barionami złożonymi z trzech kwarków. Na początku XXI wieku prowadzono badania, które wykazały istnienie sygnałów pasujących do hadronów egzotycznych. Pierwszym z nich jest Z(4430) – hadron egzotyczny, złożony z czterech kwarków. Ze względu na ich ilość, tego typu cząsteczki często nazywane są tetrakwarkami. Istnienie cząstki subatomowej Z(4430) zostało ostatecznie potwierdzone przez analizy dziesiątków tysięcy rozpadów mezonów w eksperymencie LHCb w laboratorium CERN. Eksperyment ten został przeprowadzony przez zespół prof. Tomasza Skwarnickiego.

Inne cząstki, które mogą należeć do tej klasy zauważono w 2009 i 2013 roku. Są nimi Zc(3900) oraz Y(4140).

Plazma kwarkowo-gluonowa

QGM

Zaraz po Wielkim Wybuchu, Wszechświat był jedną wielka papką kwarkowo-gluonową. Cząstki te zamknięte są teraz bezpiecznie w protonach i neutronach. Jak można się już domyślić, zbadanie plazmy kwarkowo-gluonowej może dać nam kilka bardzo ciekawych informacji na temat tego, jakie warunki panowały podczas Wielkiego Wybuchu. Zespół fizyków pracujących przy detektorze ATLAS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) zrobił wielki krok ku poszerzeniu naszej wiedzy w tym obszarze.

W LHC doszło do zderzenia się jąder ołowiu pędzących na siebie z prędkością bliską prędkości światła. Podczas tego eksperymentu, materia staje się wspomnianą wyżej plazmą kwarkowo-gluonową. Można ją uzyskać dopiero w temperaturach liczonych w bilionach stopni. Fizycy potrafią wytwarzać takie temperatury właśnie podczas zderzania ciężkich jąder atomowych ołowiu. Aby tego dokonać, niezbędna jest pomoc Wielkiego Zderzacza Hadronów. Dokładne zbadanie plazmy pozwoli na zweryfikowanie Modelu Standardowego.

Zderzacz rusza na nowo

large-hadron-collider

Wielki Zderzacz Hadronów został wyłączony w 2013 roku, aby inżynierowie mogli naprawić wszelkie uszkodzenia i usprawnić jego działanie. Zainstalowano też dodatkowe wyposażenie, które jest w stanie rejestrować cząstki w energiach jeszcze wyższych niż do tej pory. Wprowadzono układ elektryczny odporny na oddziaływanie promieniowania, nowy system chłodzenia, wymieniono magnesy nadprzewodzące i ich połączenia. Najważniejszą zmianą jest jednak bezpieczniejszy system próżniowy w tunelu, gdzie zderzają się ze sobą hadrony. LHC będzie się rozpędzać stopniowo, a regularną pracę wykonywać zacznie dopiero począwszy od sierpnia.

Ponowny start LHC może rozwikłać zagadkę ciemnej materii i energii. Naukowcy skupią się też na poszukiwaniu dowodów supersymetrii, czyli nieznanych odpowiedników cząstek, które już znamy. Nie obejdzie się również bez przetestowania teorii wielu wymiarów, o której wspomniałem już wcześniej. Jak widzicie, Wielki Zderzacz Hadronów zapoczątkował wiele fundamentalnych odkryć, które mogą spowodować całkowite przemodelowanie lub potwierdzenie i udoskonalenie Modelu Standardowego. Osobiście uważam, że najbardziej interesująca teorią, jest teoria wielu wymiarów. Na samą myśl o tym, że każda moja decyzja może skutkować tym, że powstaje nowy wymiar, w którym podjąłem zupełnie inny wybór sprawia, że włos jeży się na głowie, a szare komórki skwierczą niczym ciężkie jądra atomowe ołowiu w trakcie zderzenia.