Nauka

W LHC znaleziono ślady nieznanej fizyki

03.03.2016 11:11
Świat nowej fizyki wydaje się być coraz bliżej - to wnioski, które mogą wynikać z najnowszych badań nad rzadkimi rozpadami mezonów pięknych. Badania przeprowadzili fizycy pracujący przy akceleratorze LHC, w tym Polacy.
Wielki Zderzacz Hadronów
Wielki Zderzacz HadronówFoto: Maximilien Brice/CERN

To jeszcze nie jest odkrycie. Coraz więcej wskazuje jednak, że fizycy pracujący przy akceleratorze LHC w ośrodku Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą natrafili na pierwszy ślad fizyki wykraczającej poza dotychczasową teorię budowy materii. 

- W żargonie kinowym moglibyśmy powiedzieć, że wcześniej docierały do nas jedynie pewne przecieki z planu filmowego, natomiast teraz LHC wypuścił pierwszy naprawdę porządny zwiastun swojego nadchodzącego przeboju - mówi prof. dr hab. Mariusz Witek (IFJ PAN).

Do opisu budowy materii w skali cząstek elementarnych używa się obecnie Modelu Standardowego, zestawu narzędzi teoretycznych skonstruowanego w latach 70. ubiegłego wieku. - Przewidywania formułowane w ramach Modelu Standardowego znakomicie zgadzają się z rzeczywistością. Mimo to jesteśmy pewni, że Model nie jest teorią ostateczną. Nie wyjaśnia, dlaczego cząstki mają takie a nie inne masy, ani dlaczego fermiony tworzą wyraźne rodziny. Skąd się wzięła dominacja materii nad antymaterią we współczesnym Wszechświecie? Czym jest ciemna materia? To kolejne pytania bez odpowiedzi. Co więcej, w Modelu w ogóle nie ma grawitacji! - mówi prof. Witek.

Naukowcy pracujący przy LHC koncentrowali się dotychczas na poszukiwaniu bozonu Higgsa, ale cele odnowionej niedawno maszyny badawczej są szersze. 

Jeszcze w 2011 roku, tuż po zebraniu pierwszych danych w eksperymencie LHCb, zauważono ciekawą anomalię związaną z mezonami pięknymi B. Naukowcy - w tym Polacy - próbują ją wyjaśnić.

"Run 2" do 2017 roku

LHC rozpoczął ostatnio nowy cykl pracy i zderza protony z coraz większymi energiami.

Podczas przebudowy w latach 2013-2015 podwojono energię Zderzacza. W kolistym tunelu o długości 27 km na granicy Francji i Szwajcarii teraz będą zderzane cząstki rozpędzone niemal do prędkości światła. Potężniejszy akcelerator ruszył ponownie w zeszłym roku.

W zmodernizowanym LHC, podczas „Run 2”, czyli programu badań a zaplanowanego do roku 2017, badacze mają nadzieję na uzyskanie dokładniejszych informacji dotyczących między innymi ciemnej materii, supersymetrii, dodatkowych wymiarów, antymaterii czy cząstek egzotycznych.

Pod koniec bieżącego, 2016 roku do rąk fizyków powinna trafić kolejna porcja danych dotyczących rozpadów mezonów B, a dwa - trzy lata później pojawią się ostateczne analizy. Nie jest wykluczone, że wtedy nowa fizyka stanie się faktem. - To jak w dobrym kinie: nikt nie wie, jaki będzie finał, ale wszyscy nie mogą się go doczekać - podsumowuje prof. Witek.

(ew/PAP/IFJ PAN)

Zobacz więcej na temat: CERN fizyka nauka
Ten artykuł nie ma jeszcze komentarzy, możesz być pierwszy!
aby dodać komentarz
brak

Czytaj także

Elektromagnesy potężne jak pioruny. Jak działa LHC?

07.04.2015 22:22
Wielki Zderzacz Hadronów jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem skonstruowanym przez człowieka. Jak dokładnie działa? Co dzieje się w tunelach CERN?
LHC
LHCFoto: CERN/ materiały prasowe.

 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.

Gram wodoru starczyłby na milion lat

Aby LHC działał, potrzebny jest cały kompleks akceleratorów, stopniowo rozpędzających cząstki jądrowe do coraz większych energii. Wszystko zaczyna się od wodoru, którego atomy składają się z jednego protonu i jednego elektronu.

Atomy te raz na kilka godzin są pobierane z niewielkiej butli i jonizowane, czyli „odzierane” z elektronów. Tak otrzymane protony są kierowane do akceleratora liniowego, gdzie rozpędza się je mniej więcej do 30% prędkości światła. Następnie trafiają do akceleratora PS Booster i tu ich energia kinetyczna wzrasta niemal 30-krotnie. Z Boostera protony są przekazywane do Synchrotronu Protonowego PS, a potem do Supersynchrotronu Protonowego SPS, na każdym etapie zwiększając energię ok. 20 razy. Następnie trafiają wreszcie do wnętrza tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów.

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.

Elektromagnesy potężne jak pioruny

W LHC cząstki są formowane w dwie przeciwbieżne wiązki. Biegną one w dwóch równoległych rurach 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.

CERN - mistrz kontroli nad energią

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 stopniowo maleje 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.

Ściśle kontrolowane zderzenia

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.

(ew/NCBJ)

Zobacz więcej na temat: CERN fizyka nauka

Czytaj także

Nowe zderzenia w Zderzaczu Hadronów

03.06.2015 19:00
Koniec testów - wreszcie praca na serio. Pierwsze zderzenia i pierwsze dane. Dziś, po długiej przerwie, oficjalnie uruchomiono Wielki Zderzacz Hadronów, czyli europejski akcelerator cząstek.
Pole Higgsa - wizja artysty
Pole Higgsa - wizja artystyFoto: CERN/materiały prasowe
Posłuchaj
00'45 Nowe zderzenia w Zderzaczu Hadronów - Rafał Motriuk / IAR
więcej

Prowadzone w nim kolizje protonów mogą dostarczyć odpowiedzi na najbardziej palące pytania fizyki. 

Rano były drobne problemy, potem wszystko już poszło dobrze. W podziemnym, kolistym tunelu o długości 27 kilometrów na granicy francusko - szwajcarskiej zaczęto zderzać protony z rekordową energią 13 TeV. Poprzedni rekord wynosił 8 TeV.

Naukowcy z ośrodka CERN, gdzie pracuje zderzacz, oraz szef ośrodka, Rolf Heuer, byli zadowoleni. - Jestem wzruszony, to wielkie osiągnięcie. Fantastyczna robota - powiedział.

Te nowe kolizje mogą doprowadzić do odkrycia cząstek bliźniaczo podobnych, ale cięższych, od tych jakie znamy dziś. Tak zwana supersymetria może z kolei wyjaśnić, czym jest ciemna materia, której we wszechświecie jest prawdopodobnie pięć razy więcej niż zwykłej materii.

(IAR)

Zobacz więcej na temat: CERN fizyka nauka

Czytaj także

Chiny zbudują największy akcelerator świata

02.11.2015 01:00
Powstanie do około 2020 roku i będzie potężniejszy niż europejski LHC. Maszyna ma pomóc w pełniejszym zrozumieniu, czym jest bozon Higgsa.
LHC
LHCFoto: CERN/ materiały prasowe.

Obecnie najpotężniejszym zderzaczem cząstek jest Wielki Zderzacz Cząstek, czyli LHC (skrót od Large Hadron Collider), zbudowany w CERN pod Genewą. Ma on 27 kilometrów obwodu i jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem badawczym, jakie kiedykolwiek stworzono.

To dzięki LHC w 2012 roku potwierdzono teorię dotyczącą istnienia bozonu Higgsa. W latach 2013-2015 urządzenie przeszło remont i stało się dwa razy potężniejsze niż poprzednio.

Plany Chin są imponujące. Zderzacz ma być dwa razy większy niż LHC i siedem (!) razy bardziej potężny (chodzi o energię, z jaką zderzane są cząstki). Jak podał Wang Jiganf z Chińskiej Akademii Nauk, projekt powstanie do końca 2016 roku.

- LHC co chwila musi mierzyć się z własnymi ograniczeniami - powiedział Wang. - Znaczące zwiększenie energii zderzeń w tym urządzeniu nie wydaje się możliwe. Nasza maszyna zostanie zbudowana dla całego świata, nie tylko dla Chin - dodaje chiński fizyk. Jak wyjaśnia, projekt był konsultowany ze specjalistami z całego globu.

CERN tymczasem planuje kolejne rozbudowy swojego sztandarowego zderzacza. Kolejna przebudowa planowana jest na 2025 rok. LHC zyska wtedy m.in. nowe wysokoenergetyczne urządzenie rozpędzające protony, które umożliwi fizykom wykonywanie 10-krotnie większej ilości zderzeń niż teraz.

Chińczycy nie podali dokładnej daty ukończenia budowy swojego akceleratora. Wiadomo, że powstanie on 270 km na wschód od Pekinu
w mieście Qinhuangdao.

(ew/IFLScience)

Zobacz więcej na temat: CERN fizyka nauka