W dniach pomiędzy 18 a 24 listopada miałem przyjemność uczestniczyć w zorganizowanym przez Uniwersytet Śląski w Katowicach szkoleniu dla fizyków w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN w Genewie. W warsztatach wzięło udział 30 nauczycieli z całej Polski. Byli to zarówno wykładowcy akademiccy, nauczyciele uczący w szkołach średnich, jak i w gimnazjach.

Szkolenie składało się z cyklu nieprawdopodobnie (i oceniam to nie tylko jako fizyk) ciekawych wykładów prowadzonych przez naukowców pracujących w CERN’ie, warsztatów praktycznych oraz zwiedzania ekspozycji (The Globe, The Microcosm) i laboratoriów prowadzących badania nad cząstkami elementarnymi, antymaterią czy fizyką początków Wszechświata.

CERN to największe laboratorium naukowe na świecie. Zlokalizowane jest dosłownie na granicy pomiędzy Szwajcarią a Francją – granica przebiega przez teren ośrodka naukowego! Wychodząc jedną bramą, wchodzimy na teren Szwajcarii, wychodząc inną - na teren Francji. Z CERN’u można bez problemu dojechać tramwajem (nr 14 :)) do odległej o około 8 km Genewy lub pieszo dotrzeć do najbliższej (3,5 km) francuskiej miejscowości Saint-Genis-Pouilly. Sam ośrodek naukowy to po prostu małe miasto, w którym na stałe pracuje około 2600 stałych pracowników i ponad 8000 naukowców i inżynierów reprezentujących ponad 500 instytucji naukowych z całego świata. CERN ma własną straż pożarną, szpital, pogotowie ratunkowe wraz z lądowiskiem dla śmigłowców oraz rozbudowane zaplecze socjalne.

CERN znany jest przede wszystkim jako laboratorium, w którym działa tzw. LHC, czyli Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider). Jest to ostatni, największy z całego systemu akceleratorów, akcelerator kołowy. Schemat systemu przedstawia jedno ze zdjęć w galerii. System działa jak skrzynia biegów w samochodzie – stopniowo rozpędza cząstki naładowane (np. protony), które rozpędzane są wstępnie przez akcelerator liniowy np. Linac 2, następnie trafiają do Boostera (akcelerator kołowy) gdzie są rozpędzane do większej prędkości, potem trafiają do kolejnego akceleratora PS, następnie do SPS, gdzie wreszcie zostają „wstrzyknięte” jako paczka protonów do jednej z dwóch rur próżniowych akceleratora LHC.W nim poruszają się już z szybkością większą niż 99,99% prędkości światła. W każdej z rur pędzą w przeciwnych kierunkach dwie wiązki cząstek składające się z ponad tysiąca takich paczek, by w odpowiedniej chwili i miejscu zostać skierowane na tor kolizyjny. Efekty takich zderzeń rejestrowane są przez cztery detektory zlokalizowane wzdłuż toru akceleratora. Są to ATLAS, CMS, LHCb i Alice.

Jeśli uważnie przyjrzymy się schematowi, znajdziemy tam takie miejsca jak Isolde, East Area, n-Tof, North Area, AD, Leir czy CNGS (Gran Sasso). Każde z wymienionych to osobne, bardzo duże laboratoria, w których prowadzone są liczne eksperymenty. Wszystkie korzystają z tzw. „dostępu do wiązki”.

Ostatnim ogromnym sukcesem CERN’u było potwierdzenie istnienia ostatniego brakującego elementu tzw. Modelu Standardowego – bozonu Higgs’a. W wielkim uproszczeniu to dzięki istnieniu tej cząstki, a konkretnie tzw. pola Higgs’a obiekty wokół nas posiadają masę.

Również w CERN’nie (eksperyment Leir) po raz pierwszy udało się uzyskać antyatom wodoru, czyli z antyprotonu i pozytonu „zmontować” antyatom. Jeśli oglądaliście „Anioły i demony” z Tom’em Hanks’em, to wiecie, o co chodzi. Niestety film ma niewiele wspólnego z realiami, ale w końcu to Hollywood…
Głośno było również w mediach o obserwacjach naukowców pracujących w CNGS (patrz schemat). Gran Sasso to góra we Włoszech (odległa o około 165 km na od Rzymu). W tunelu pod masywem Gran Sasso d’Italia zlokalizowane jest Włoskie Narodowe Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych. Naukowcy obu ośrodków przeprowadzili eksperyment o nazwie OPERA badający zjawisko oscylacji neutrin. W eksperymencie wysyłano z CERN’u, pod ziemią, wiązkę neutrin. Neutrina rejestrowane były przez detektory w odległym o około 730 km Gran Sasso. Jest to możliwe, bo skały, woda i ogólnie materia są prawie „przezroczyste” dla neutrin. Obliczenia przeprowadzane w czasie eksperymentu wskazywały, że neutrina poruszają się z szybkością odrobinę większą niż szybkość światła w próżni! Obserwacja, sprzeczna z fizycznym „aksjomatem” nieprzekraczalności tej szybkości, była tak szokująca, że we wrześniu 2011 roku rzecznik CERN, James Gilles ogłosił, że naukowcy "zapraszają szeroką społeczność fizyków do zapoznania się z badaniami i przyjrzenia im się krytycznie, a idealnie – o powtórzenie eksperymentu przez kogoś gdziekolwiek indziej na świecie". Niestety okazało się, że wynik (błędny) spowodowany był złym podłączeniem odbiornika GPS do komputera :). Szkoda, jak sądzi wielu fizyków, bo „otworzyłyby się” przed nami „drzwi” do czegoś zupełnie nowego…


CERN szokuje liczbami. Sam LHC jest zbliżonym do okręgu tunelem o obwodzie 27 km zlokalizowanym na głębokości około 100 metrów pod ziemią! W tunelu umieszczony jest akcelerator w całości (27 km!) chłodzony ciekłym helem o temperaturze 1,9K! Naukowcy żartują, że jest to najzimniejsze miejsce we Wszechświecie, bo głęboka przestrzeń kosmiczna (daleko od galaktyk) ma temperaturę nieco poniżej 3 kelwinów. Chłodzenie jest wymagane do pracy nadprzewodzących elektromagnesów, w których płynie prąd o natężeniu prawie 12000 amperów!

Odrębną kwestię stanowią cztery potężne detektory, dla których wykopano groty o rozmiarach porównywalnych z katedrą Notre Dame. Tylko jeden z detektorów umieszczonych na obwodzie LHC – ATLAS ma średnicę 25 m i długość 46 m. Masa tego urządzenia pomiarowego to 7000 ton! Kosztował 550 milionów franków szwajcarskich. Z drugiej strony detektor ten dokonuje pomiarów z dokładnością do 0,001 cm! Dane zbierane przez ATLAS’a to 3200 terabajtów na rok. Ile to? „Tylko” 7 km stos płyt CD albo 600 lat nagrań muzycznych albo 3 miliardy książek! Pamiętajcie, że oprócz ATLAS’a są jeszcze trzy inne główne detektory, również zbierające dane prawie przez cały rok.

Aby przetworzyć tak ogromną ilość danych nie wystarczy własne, potężne, wymagające zasilania o mocy 2,5MW(!) centrum komputerowe. CERN korzysta z sieci obliczeniowej GRID, łączącej moce obliczeniowe 140 centrów obliczeniowych w 35 krajach.

Być może nasuwa się Wam pytanie… Po co to wszystko? Tyle wydanych pieniędzy i wysiłku tysięcy ludzi, żeby potwierdzić istnienie czegoś tak trudnego do zaobserwowania jak np. bozon Higgs’a…Należy pamiętać, że fizyka, chemia, biologia prowadzą tzw. badania podstawowe, mające na celu rozszerzać naszą wiedzę na temat otaczającego nas świata. Wiedzę tą wykorzystują później inżynierowie i wynalazcy, aby tworzyć nowe technologie. Według mnie bardzo dobrym przykładem jest odkrycie Heinrich’a Hertz’a z 1886 roku – pierwsza emisja i odbiór fal elektromagnetycznych. Jego sukces poprzedziły prace wielu fizyków od Williama Herschela (1800 - odkrycie podczerwieni), Thomasa Younga (zaproponował falową teorię światła), Hans’a Oersted’a (1820 – odkrycie powiązania magnetyzmu z elektrycznością) do James’a Maxwell’a (1861 – zebrał wiedzę na temat fal elektromagnetycznych w cztery przejrzyste równania). Cały XIX wiek upłynął, nim z badań podstawowych wykrystalizował się pomysł praktycznego zastosowania ich rezultatów – wynalazek telegrafu „bez drutu” Marconi’ego z 1903 rok. A dziś w 2012 roku? Prawie 130 lat później? Zastanówmy się, czy jesteśmy w stanie wyobrazić sobie naszą cywilizację bez przekazu informacji drogą radiową (radio, TV, GSM, GPS, radar, no i w końcu Internet!). Jestem pewien, że praktyczne zastosowanie odkryć CERN’u, to tylko kwestia czasu.  

Z drugiej strony trzeba pamiętać, że naukowcy i inżynierowie w CERN’ie pracują nad ciągle ulepszanym prototypem, nieustannie stykając się z koniecznością rozwiązywania problemów technicznych owocującą nowymi technologiami. Przykład? Przy tak wielkiej liczbie ściśle współpracujących ludzi pojawia się problem komunikacji. W CERN’ie rozwiązano go, wymyślając „elektroniczną gazetkę”. Pomysł wyglądał tak: mamy jeden stale włączony komputer, na którym umieszczamy informacje. Inni użytkownicy sieci mogą oglądać i czytać te informacje, wykorzystując specjalny program – tzw. przeglądarkę… Brzmi znajomo? Właśnie tak. Pierwszy serwer WWW został uruchomiony w CERN’ie, jako skutek uboczny(?!) realizowanych badań.

O CERN’ie można by opowiadać godzinami. Mogę z całą odpowiedzialnością stwierdzić, że było to najbardziej interesujące szkolenie, w jakim, jako nauczycielowi II LO, udało mi się uczestniczyć. Również możliwość wymiany doświadczeń z koleżankami i kolegami fizykami, mającymi tego samego bzika co ja, była źródłem inspiracji i entuzjazmu. Gdybym był teraz uczniem i miałbym szansę zobaczyć to, co próbowałem opisać w tym artykule, to bądźcie pewni, wiedziałbym już, co chcę w życiu robić i gdzie pracować! (A okazuje się, że nie jest to wcale takie niemożliwe. W chwili obecnej w CERN’ie pracuje ponad 200 polskich naukowców).