Wielki Zderzacz Hadronów szykuje się na czteroletnią przerwę. "To, co robimy w naszym instytucie, to prawdziwa nauka dla pokoju"

Za rok w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN rozpocznie się przestój techniczny, który potrwa - razem z rozruchem - prawie cztery lata. Dr Malika Meddahi z CERN tłumaczy PAP, że modernizacja HL-LHC kosztuje ok. 1 mld franków (ok 4,5 mld zł) i pozwoli na zderzanie większej liczby cząstek w mniejszej objętości niż obecnie.

W ramach modernizacji, która rozpocznie się w przyszłym roku, nie planujemy zwiększać energii zderzeń, lecz liczbę i jakość kolizji

— podkreśliła dr Malika Meddahi w rozmowie z PAP, podczas wizyty w Polsce na konferencji Perspektywy Women in Tech Summit.

Po zakończeniu modernizacji LHC otrzyma nową nazwę – Wielki Zderzacz Hadronów Wysokiej Świetlności (High-Luminosity LHC).

Wielki Zderzacz Hadronów

Wielki Zderzacz Hadronów to największy na świecie akcelerator cząstek. Znajduje się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN, w pobliżu Genewy. Dwie wiązki hadronów — naładowanych cząstek, zazwyczaj protonów — krążą w przeciwnych kierunkach w dwóch osobnych rurach próżniowych, w tunelu o obwodzie około 27 kilometrów, 100 metrów pod ziemią. Akcelerator pracuje również z jonami, np. ołowiu.

Protony poruszające się w przeciwnych kierunkach zderzają się ze sobą w czterech specjalnie wyznaczonych punktach, w samym sercu detektorów cząstek. W miejscach zderzeń uwalniana jest ogromna energia (obecnie ok. 13,6 teraelektronowolta – TeV), w której na ułamki sekund pojawiają się egzotyczne cząstki – takie, które istniały tuż po Wielkim Wybuchu. Detektory rozmieszczone w punktach kolizji rejestrują dane dotyczące tych zjawisk. Dogłębna analiza tych danych pozwala naukowcom lepiej zrozumieć właściwości i oddziaływania cząstek elementarnych.

Od początku było jasne, że praca LHC będzie podzielona na fazy. Pierwsza faza zbierania danych – tzw. Run 1 – trwała w latach 2010–2012. Run 2 odbył się w latach 2015–2018. Obecna faza, Run 3, rozpoczęła się w 2022 roku i potrwa do czerwca 2026. Pomiędzy tymi etapami akcelerator przechodził regularne prace modernizacyjne i konserwacyjne, które zwiększały jego niezawodność i wydajność oraz umożliwiły osiąganie nowych rekordów.

Poprawa świetlności

Tym razem przestój jest potrzebny, aby LHC poprawił swoją świetlność. W fizyce akceleratorów świetlność oznacza liczbę zderzeń powstających podczas kolizji wiązek cząstek. Nowa wiązka będzie zawierać nie tylko więcej cząstek, ale również będzie silniej skupiona, co zwiększy prawdopodobieństwo zderzeń. Modernizacja LHC ma pozwolić na zwiększenie całkowitej liczby kolizji aż dziesięciokrotnie. Bardziej „świetlny” LHC pozwoli na dokładniejsze pomiary nowych cząstek i obserwację procesów, które dotąd pozostawały poza zasięgiem czułości detektorów. Dzięki temu możliwe będzie wykrycie rzadkich zjawisk oraz poszerzenie naszej wiedzy o Wszechświecie na tej granicy energetycznej.

Większa świetlność to jednak poważne wyzwania technologiczne. W ramach modernizacji potrzebne są nowe magnesy kwadrupolowe do utrzymywania wiązki, ulepszone muszą być też systemy chłodzenia, a układy diagnostyczne wiązki i nowe systemy ochrony urządzeń wdrożone, by nie uległy uszkodzeniu. Zmodernizowane muszą zostać również detektory i systemy informatyczne – tak, by poradziły sobie z rosnącą liczbą danych do przetworzenia.

Dr Meddahi wyjaśniła, że kompleks czterech akceleratorów wstępnych, w których cząstki są rozpędzane przed wstrzyknięciem ich do LHC, przeszedł już gruntowną modernizację, która została wdrożona i pomyślnie uruchomiona. Wiązki zgodne ze specyfikacją HL-LHC są już rutynowo uzyskiwane.

Nadprzewodzące magnesy kwadrupolowe

W samym pierścieniu LHC, po obu stronach eksperymentów ATLAS i CMS, zainstalowane zostaną nowe nadprzewodzące magnesy kwadrupolowe, które ogniskują wiązki tuż przed zderzeniem. Będą one wykonane z nowego nadprzewodzącego materiału na bazie niobu i cyny.

Modernizacja to ogromne przedsięwzięcie. Aby zainstalować nowe magnesy, musimy otworzyć całe kilometry akceleratora. Równocześnie będziemy prowadzić prace konserwacyjne i modernizację istniejącej infrastruktury

— wyjaśniła dr Meddahi.

Jak wskazała dr Meddahi, duża część działań badawczo-rozwojowych w CERN skupia się obecnie na tym, aby nowe urządzenia były bardziej wydajne – by zużywały mniej energii i, tam gdzie to możliwe, mniej wody do chłodzenia. Energia odzyskiwana z instalacji mogłaby posłużyć np. do ogrzewania infrastruktury w pobliskich miejscowościach.

„To naprawdę ogromne zadanie”

Ekspertka z CERN opisała też, co będzie się działo w czasie długiego przestoju. Najpierw cały system musi się stopniowo ogrzać z minus 271 stopni Celsjusza do temperatury pokojowej.

Dopiero wtedy setki osób będą mogły codziennie wchodzić do tunelu i pracować przy swoim sprzęcie. To naprawdę ogromne zadanie. Następnie wszystko musi zostać ponownie połączone, przetestowane, ponownie schłodzone – co zajmuje kilka miesięcy – i jeszcze raz przetestowane. Przygotowanie maszyny do ponownego uruchomienia po zakończeniu prac zajmie niemal rok

— zaznaczyła.

Badaczka dodała, że dla naukowców współpracujących z CERN przerwa w działaniu LHC nie oznacza przerwy w pracy. Będą oni zaangażowani w projektowanie, montaż i testowanie nowych komponentów. Analizować będą także dane zebrane w trwającej jeszcze fazie Run 3 – co jest procesem znacznie bardziej czasochłonnym niż samo zbieranie danych.

To, co robimy w naszym instytucie, to prawdziwa nauka dla pokoju. Pracują tu razem ludzie ze 110 narodowości, którzy odkładają geopolitykę na bok i jednoczą się, by lepiej zrozumieć, skąd pochodzimy, jakie cząstki istniały w czasie Wielkiego Wybuchu, gdzie znajduje się brakująca masa i energia Wszechświata… To wszystko są fascynujące pytania i jako ludzkość powinniśmy się nimi zajmować. Musimy dołożyć wszelkich starań, by Europa nadal przewodziła w tych badaniach – one mają naprawdę ogromną wartość

— zapewniła dr Meddahi.

Polska Agencja Prasowa była patronem medialnym Perspektywy Women in Tech Summit (4-5 czerwca).

nt/PAP