Ponad 100 inżynierów z Polski pomagało uruchomić Wielki Zderzacz Hadronów. Specjaliści z Politechniki Krakowskiej mają w tym znaczący udział
Reprezentuję CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) — Europejską Organizację Badań Jądrowych. Mieści się ona niedaleko Genewy i jest największym na świecie laboratorium fizyki cząstek. W CERN zajmujemy się badaniem cząstek fundamentalnych, z których stworzony jest Wszechświat, i tym jakie są jego prawa. To bardzo ambitne wyzwanie.
Nasza działalność oparta jest na czterech filarach. Najważniejszym z nich są badania. Zajmujemy się też budową akceleratorów, tworzymy infrastrukturę i to jest nasz kolejny filar, czyli technologia i innowacje. Wszystko to powstaje dzięki współpracy — trzeciemu filarowi. Oczywiście, bardzo ważne dla nas są także edukacja i szkolenia — czwarty filar. Dużo inwestujemy w te wszystkie cztery dziedziny naszej działalności.
Zacznę od badań. Najważniejsze pytanie brzmi: jak wszystko się zaczęło? Według nauki początkiem był Wielki Wybuch, który miał miejsce 13,8 miliarda lat temu, czyli dość dawno. Jak możemy go zbadać? Używamy do tego teleskopów, starając się za ich pomocą zajrzeć w przeszłość. Gdy patrzymy przez teleskop, nie widzimy tego, co dzieje się teraz, tylko to, co wydarzyło się w przeszłości. Nie jest to do końca takie proste, ale to dobrze, bo inaczej nie mielibyśmy pracy.
Coś, co wydarzyło się bardzo, bardzo dawno temu, możemy odtworzyć, a przynajmniej staramy się to robić. Używamy do tego akceleratorów i detektorów. Rozpędzamy cząstki do bardzo dużych prędkości, bliskich prędkości światła, zderzamy je i obserwujemy, co się dzieje w następstwie tego zderzenia. Staramy się odtworzyć warunki jak najbardziej zbliżone do tego, co wydarzyło się krótko po Wielkim Wybuchu.
W wyniku badań powstał model standardowy fizyki cząstek elementarnych. W ciągu ostatnich sześćdziesięciu, siedemdziesięciu lat wielu naukowców pracowało w tej dziedzinie, przyczyniając się do jej osiągnięć. Mamy, oczywiście, bardzo dobre teorie, ale musimy je weryfikować i jeszcze wiele rzeczy odkryć.
W tym celu pracujemy nad trzema rodzajami technologii, co do których posiadamy największe kompetencje. Przede wszystkim wiemy, jak przyspieszać cząstki — do tego służą akceleratory. Gdy cząstki są już przyspieszone, pozwalamy im się ze sobą zderzać w określonych miejscach i w tych miejscach budujemy detektory, aby badać owe cząstki. Badania cząstek to nasza druga główna kompetencja. Trzecią kompetencją jest analiza ogromnych zbiorów danych, uzyskanych w wyniku zderzeń cząstek. Potrzebujemy do tego dużych mocy obliczeniowych. Reasumując, trzy dziedziny, którymi się zajmujemy, to: akceleracja, detekcja i analiza danych.
CERN dysponuje największym na świecie akceleratorem — Wielkim Zderzaczem Hadronów. Znajduje się on około 100 metrów pod ziemią i ma obwód aż 27 kilometrów. Przyspieszamy w nim cząstki do prędkości bardzo zbliżonych do prędkości światła. W obwodzie tego pierścienia rozmieszczono olbrzymie detektory: ATLAS, ALICE, CMS i LHCb. Są one podobne do kamer 3D. Produkujemy mnóstwo zderzeń cząstek — ponad miliard na sekundę. Dążymy do uzyskania informacji o powstających nowych cząstkach. Jest ich ogromnie dużo i trudno je wszystkie przeanalizować. Musimy więc ich liczbę jakoś ograniczać. W naszym codziennym życiu wykonujemy dużo zdjęć. Jestem pewien, że część, a nawet większą część tych zdjęć po prostu Państwo kasują. My, postępujemy tak samo. Z wykonywanych przez jeden detektor 40 milionów „zdjęć” na sekundę możemy zachować tak naprawdę tysiąc. Ale nawet taka liczba jest olbrzymią ilością danych do przeanalizowania.
W ten sposób odkryliśmy bozon Higgsa, słynną cząstkę. Po wprowadzeniu ograniczeń w detektorze CMS przeprowadzaliśmy eksperymenty i po analizie danych pojawiło się coś, co świadczyło o odkryciu nowej cząstki.
4 lipca 2012 r. zauważyliśmy, że na wykresie pojawiła się nowa częstotliwość. To był dowód na istnienie tej cząstki. Rok później za odkrycie bozonu Higgsa przyznano Nagrodę Nobla.
Zastanówmy się: mamy teorię, wszystko idzie dobrze, ale pozostaje jeszcze wiele pytań, na które nie znaleźliśmy dotąd odpowiedzi. Na przykład, znamy zaledwie 5 procent Wszechświata, pozostałe 95 procent pozostaje dla nas nieznane. Nie mamy o tym pojęcia — to ciemna materia, ciemna energia. Wiemy, że ona istnieje, ale nie wiemy, czym jest. Próbujemy teraz to odkryć. Drugie pytanie: jeśli wszystko jest stworzone z materii, to gdzie się podziała antymateria? Co się z nią dzieje? Na to pytanie też nie mamy odpowiedzi. Kolejne pytanie: odkryliśmy bozon Higgsa, ale czy jest tylko jeden? Nie wiemy — może istnieje rodzina takich cząstek. Następne pytanie: dlaczego oddziaływanie grawitacyjne jest takie słabe w porównaniu z innymi oddziaływaniami? Czujemy jego wpływ, ale jest ono bardzo słabe. Dlaczego? Próbujemy znaleźć odpowiedzi na te pytania. Aby tego dokonać, zbudowaliśmy wielką sieć obliczeniową LHC, gdyż mamy mnóstwo danych do przetwarzania.
Czym będziemy się zajmować w przyszłości? Prowadzimy prace modernizacyjne w ramach nowego projektu. Nazywa się on High-Luminosity (wielka świetlność) LHC. Dzięki tej modernizacji Wielkiego Zderzacza Hadronów będziemy otrzymywać 10 razy więcej zderzeń cząstek niż obecnie. Nowe urządzenia mają zostać uruchomione w 2029 r. i będą funkcjonować do około 2040 r. Zobaczymy, co będzie się działo przez następne 15 lat. Nasi naukowcy będą nad tym pracować, nasz plan jest już wyznaczony. Co się stanie, gdy tam dotrzemy? Nie wiemy.
Zaktualizowaliśmy Europejską Strategię Fizyki Cząstek i będziemy rozważać możliwość zbudowania nowego zderzacza o obwodzie 100 kilometrów. O ile Wielki Zderzacz Hadronów wydawał się duży, ten będzie kilka razy większy! Państwa członkowskie są skłonne dać nam na to pieniądze, żebyśmy mogli w to zainwestować. Również Państwo pracujecie przy tym projekcie. Przyszły zderzacz FCC (Future Circular Collider) ma być zbudowany w pofałdowanym, górzystym terenie, w okolicy Genewy. Będzie to duże wyzwanie.
Tak naprawdę będzie to urządzenie typu dwa-w-jednym. Po pierwsze: wybudujemy tunel i uruchomimy w nim zderzacz elektronowo-pozytronowy. Będzie on działać od 2048 r. do 2063 r. Ale później dodamy w tym tunelu kolejny zderzacz, protonowo-protonowy, który będzie funkcjonować do końca tego wieku. Myślę, że nasze cele są bardzo ambitne. Będziemy nad nimi wszyscy pracować.
Jestem dziś na Politechnice. Państwo może nie zajmujecie się fizyką cząstek elementarnych, ale na pewno zajmujecie się tutaj inżynierią. To dla nas bardzo ważne, bo stoimy w obliczu wyzwań, które wiążą się z budową FCC. Potrzebne będą źródła zasilania, nadprzewodzące magnesy, komory próżniowe itp. To wszystko trzeba zbudować, a wcześniej zaprojektować. Musi to być nowoczesne, bardzo wydajne.
Współpracujemy z wieloma instytucjami na całym świecie, z uniwersytetami, z politechnikami. Naszymi partnerami jest 141 instytutów z 32 krajów. Będą one uczestniczyć w budowie tego nowego akceleratora FCC. Jak mówiłem, współpraca to ważna część naszej działalności.
CERN istnieje od 1954 r. Obchodzimy teraz nasze 70. urodziny. W takim wieku ludzie zwykle są już na emeryturze. My nie przechodzimy na emeryturę — pracujemy dalej. Na początku mieliśmy 12 państw członkowskich, teraz jest ich 24, a wśród nich jest Polska. Nasz budżet wynosi 1,2 miliarda franków szwajcarskich. To sporo. Jest to budżet średniej wielkości uniwersytetu europejskiego. Mamy około 2600 pracowników. W Polsce mamy 338 użytkowników, 94 zatrudnione osoby oraz 67 absolwentów i studentów związanych z CERN-em. Polska jest bardzo mocno zaangażowana w prace badawcze.
Technologie i innowacje są ważną częścią działalności CERN. Opracowaliśmy mnóstwo nowych technologii, które wykorzystujemy nie tylko do naszych celów. Udostępniamy je wszystkim Państwu. Przykładem jest sieć WWW, która powstała w CERN-ie w 1991 r. W tamtym czasie nikt nie wiedział, czym jest adres e-mailowy, teraz wszyscy wiedzą. Nasze technologie mają zastosowanie w medycynie, diagnostyce, ochronie środowiska, BHP, procesach przemysłowych.
Jeśli ktoś ma raka, którego nie można usunąć chirurgicznie, takiego pacjenta leczymy za pomocą terapii protonowej. Jej technologia została opracowana u nas. Używając ciężkich cząstek bądź cząstek alfa, różnie je wykorzystujemy, dzięki czemu możemy atakować wyłącznie tkankę nowotworową, pozostawiając tkankę zdrową nietkniętą. Od lat siedemdziesiątych współpracowaliśmy ze szpitalem w Genewie, aby opracować skaner PET do medycznej diagnostyki obrazowej. Przyniosło to wspaniałe efekty, poprawiło diagnostykę. Dziś szpitale stosują te urządzenia powszechnie. Kiedyś zdjęcia rentgenowskie były czarno-białe, a dzięki detekcji pikseli możemy teraz uzyskiwać kolorowy obraz trójwymiarowy. To jest przyszłość. Ostatnie osiągnięcie to opracowanie innowacyjnych radioizotopów do zastosowań w medycynie nuklearnej.
Jak wspomniałem, edukacja i szkolenia są jednym z filarów naszej działalności. Patrząc na strukturę wieku kadry naukowej, pracującej w CERN, widzimy wielu bardzo młodych naukowców i doktorantów. Jest ich około 3 tys. Chociaż nie przyznajemy doktoratów, to można u nas prowadzić prace badawcze, dzięki którym jesteśmy wielką fabryką doktorantów. Później liczni nasi pracownicy nie przechodzą na emeryturę wraz z osiągnięciem wieku emerytalnego. Najstarsza osoba w CERN ma prawie sto lat i wciąż pracuje.
Co daje praca w CERN w trakcie studiów lub doktoratu? Okazuje się, że prawie połowa osób z doświadczeniem zdobytym u nas trafia do przemysłu, ponad jedna trzecia znajduje zatrudnienie w środowisku akademickim lub badawczym, zaś prawie jedna piąta pracuje na innych polach, w tym w organizacjach rządowych.
Polska jest bardzo zaangażowana, jeśli chodzi o pracę w CERN-ie. Macie bardzo dobrze rozwiniętą fizykę cząstek elementarnych. W 1991 r. Polska stała się szesnastym państwem członkowskim, a wcześniej, od 1963 r., była członkiem obserwatorem — jedynym spośród państw zza „żelaznej kurtyny”. Współpraca Polski z CERN zawsze układała się bardzo dobrze. W Krakowie i Warszawie jest bardzo rozwinięte środowisko fizyków cząstek elementarnych. Macie bardzo duże tradycje. Chcemy kontynuować tę współpracę.
Oczywistym wzorem godnym naśladowania jest Maria Skłodowska-Curie. Jest to postać ikoniczna zarówno dla Polski, jak i dla CERN. W CERN gościł prezydent Andrzej Duda. Był nawet w CERN papież Jan Paweł II. Z jego wizytą jest związana anegdota. Ośrodek wywarł na papieżu wielkie wrażenie. Powiedział wtedy: — No tak, rzeczywiście wspaniała robota. Ale czy mogę prosić o przysługę? — Bardzo się zdziwiliśmy, a papież mówił: — Więc wy tu tworzycie cząstki. Nam się to nie podoba. Twórzcie coś innego. Mówcie inaczej, nie, że „tworzycie”. Mówcie na przykład: „produkujemy”. Tworzenie zostawcie Bogu. Dobrze?
Polska od samych początków działalności CERN była zaangażowana w program eksperymentów. Były to eksperymenty nuklearne, dotyczące antymaterii. Jak widać, jesteśmy bardzo silnie z Wami związani. Macie mocno zaawansowany program badań w dziedzinie fizyki. Również fizyka teoretyczna ma w Polsce bardzo długie tradycje. Jeśli chodzi o przemysł, jest on z naszego punktu widzenia bardzo ważny, bo inwestujemy także w przemysł.
W latach 2004–2008 ponad 100 inżynierów z Polski pomagało zainstalować i uruchomić Wielki Zderzacz Hadronów. Mnóstwo inżynierów i techników również uczestniczyło w restarcie zderzacza po każdym wyłączeniu, bowiem nie pracuje on nieprzerwanie. Od czasu do czasu musimy go wyłączyć i w ponownym uruchomieniu pomagają nam polscy technicy i inżynierowie. Polskie firmy dostarczają zarówno usługi, jak i podzespoły do zderzacza.
Czy Politechnika Krakowska jest związana z CERN-em? Oczywiście, i to od lat 90., więc wiecie lepiej ode mnie, czym się zajmowaliście. Mamy bardzo bogate tradycje współpracy: przy kompensatorach, modelowaniu strukturalnym itd. Tworzyliście nawet ramę dla detektora ALICE. Mam nadzieję, Panie Rektorze, że przed nami jeszcze lepsza przyszłość i nasza współpraca jeszcze bardziej się zacieśni.
Dr Christoph Schäfer jest związany z Europejską Organizacja Badań Jądrowych CERN m.in. jako starszy doradca dyrektora generalnego, odpowiedzialny za stosunki z państwami członkowskimi w Europie i Azji Środkowej oraz państwami nie będącymi członkami CERN.
Artykuł stanowi tłumaczenie na język polski oryginalnego zapisu wykładu „CERN: A marvel of technology to explore the laws of the universe”, wygłoszonego przez Ch. Schäfera w języku angielskim 3 października 2024 r., podczas uroczystości inauguracji roku akademickiego 2024/2025 na Politechnice Krakowskiej.