WIELKI ZDERZACZ HADRONÓWWIELKI ZDERZACZ HADRONÓWFASCYNUJĄCA PODRÓŻ DO POCZĄTKÓW FASCYNUJĄCA PODRÓŻ DO POCZĄTKÓW

WSZECHŚWIATAWSZECHŚWIATA

inż. Malgorzata Janikinż. Łukasz Graczykowski

Wydział Fizyki Politechniki WarszawskiejCERN – Europejski Ośrodek Badań Jądrowych

X Liceum Ogólnokształcące im. Królowej Jadwigi18.03.2010 r.

Trudne pytanie. Zastanówmy się więc…

2

Z czego zbudowany jestŚwiat?

Fundamentalne pytanieFundamentalne pytanie

Zacznijmy od podstawZacznijmy od podstaw

Pytasz, z czego jesteśmy zbudowani. A słuchałaś na lekcjach fizyki i chemii?

No, coś tam mi się obiło o uszy. Pani wspominała o cząsteczkach i atomach…

Atom – podstawowa cząstka materii zbudowana z dodatnio naładowanego jądra oraz krążących wokół niego ujemnie naładowanych elektronów.

3

… z powodu swojego małego rozmiaru oraz dużej gęstości, naukowcy początkowo sądzili, że jądro jest niepodzielne. Badania Rutherforda na przełomie XIX i XX wieku wykazały, że tak nie jest.

Jądro atomowe zbudowane jest z dodatnio naładowanych protonów oraz obojętnych neutronów.

A czy wiesz, że neutrony i protony nie są cząstkami elementarnymi?

4

Fizycy odkryli, że protony i neutrony zbudowane są z jeszcze mniejszych cząstek, które nazwali kwarkami. Według obecnego stanu wiedzy, są one już niepodzielne (elementarne).

Istnieje 6 kwarków, które grupują się w pary tworząc 3 generacje. Każdemu kwarkowi odpowiada również antykwark.Protony i neutrony składają się tylko z kwarków I generacji (górnego i dolnego).

5

KwarkiKwarki

Podsumujmy zatem, czy dobrze zrozumiałam:

Mamy więc atomy, które są zbudowane z jądra oraz krążących wokół elektronów.

Jądro zbudowane jest z nukleonów – czyli protonów i neutronów.

Nukleony natomiast zbudowane są z jeszcze mniejszych cegiełek - kwarków. Kwarki (i elektrony) są już niepodzielne.

6

LeptonyLeptony

A właściwie, to dlaczego elektron nie składa się z kwarków?

Elektron jest niepodzielny, ponieważ należy do grupy cząstek zwanych leptonami, które zgodnie z dzisiejszą wiedzą są niepodzielne.

Istnieje 6 niepodzielnych leptonów, które podobnie jak kwarki, dzielą się na 3 generacje (elektron, taon, mion, trzy typy neutrin).

7

Nowe cząstkiNowe cząstkiOprócz wspomnianych podstawowych cząstek, w przyrodzie występują inne, mniej znane twory (składające się z kwarków). Kataloguje się je i odnajduje zależności między nimi. Obecnie znanych jest kilkaset różnych cząstek (na przykład J/Psi, Upsilon, czy hiperony lambda, i wiele innych..).

Nie wydaje mi się możliwe, by ktokolwiek był w stanie to wszystko zapamiętać…

Spokojnie, nawet wielki Enrico Fermi powiedział kiedyś do swojego studenta Leona Ledermana (obaj to laureaci Nagrody Nobla): „Młody Człowieku, gdybym potrafił spamiętać nazwy tych wszystkich cząstek, to zostałbym botanikiem, a nie fizykiem.” 8

OddziaływaniaOddziaływaniaNo dobra, to już wiem, z czego Świat jest zbudowany, ale jak to wszystko trzyma się w całości i nie rozpada?

Dzieje się tak dlatego, że cząstki oddziałują ze sobą. Oddziaływania takie nazywamy „siłami”.

Dowolne siły działające na obiekty fizyczne, które możemy sobie wyobrazić, opisywane są przez cztery typy oddziaływań.

9

PodsumowującPodsumowującZbierając 6 kwarków, 6 leptonów (oraz ich antycząstki), 4 typy oddziaływań oraz opis matematyczny, fizycy stworzyli teorię zwaną Modelem Standardowym.

10

To już zaczynam rozumieć! Mając zatem składniki (w postaci cząstek oraz oddziaływań) oraz przepis (matematyka), jesteśmy w stanie ugotować (opisać) Wszechświat.

Nie wiem jednak, skąd to wszystko się wzięło. Słyszałam o czymś takim jak Wielki Wybuch.

13,7 mld lat temu, cały Wszechświat był nieskończenie mały. Wtedy, niewiadomo dlaczego, nastąpił Wielki Wybuch….

11

12

Materia i energia były skupione w pojedynczym, nieskończenie małym punkcie, o nieskończenie dużej temperaturze.

W pewnym momencie punkt ten zaczął się błyskawicznie powiększać i jednocześnie ochładzać. To właśnie owo błyskawiczne rozszerzanie się nazywamy dzisiaj Wielkim Wybuchem.

W miarę rozszerzania się, temperatura ulegała obniżeniu i gdy była 100 milionów razy większa od temperatury Słońca narodziły się wspomniane oddziaływania, które dzisiaj obserwujemy, a jedynymi cząstkami były kwarki.

Gdy temperatura spadła i była już tylko 100 000 razy większa niż temperatura Słońca, cały Wszechświat był wielkości naszego Układu Słonecznego. Wtedy także kwarki zaczęły łączyć się ze sobą tworząc protony i neutrony.

Wszechświat nadal się rozszerzał i gdy był już 1000 razy większy niż Układ Słoneczny, rozpoczął się tzw. proces nukleosyntezy, czyli łączenia się protonów i neutronów w jądra atomowe. W ten sposób powstały najstarsze jądra wodoru, helu, czy deuteru.

Do tego momentu Wszechświat był jeszcze bardzo młody, bowiem istniał dopiero jedną minutę. Wciąż był bardzo gorący, co uniemożliwiało połączenie się powstałych jąder z elektronami i powstanie neutralnych atomów.

Atomy narodziły się dopiero w 300 000 lat później, wtedy to Wszechświat na tyle się rozszerzył, że jego temperatura spadła do takiego poziomu, przy którym elektrony mogły związać się z jądrami i stworzyć pierwsze neutralne atomy. W owym czasie Wszechświat był tylko 1000 razy mniejszy niż jest dzisiaj.

Powstałe atomy zaczęły zbijać się w wielkie obszary gazowe, z których następnie powstawały gwiazdy. W miarę rozszerzania się Wszechświata, gdy ten już osiągnął 20% dzisiejszej wielkości, gwiazdy te zaczęły zbijać się w gromady tworząc zalążki galaktyk.

Gdy Wszechświat osiągnął już połowę swoich dzisiejszych rozmiarów, w wyniku reakcji syntezy jądrowej, jaka zachodziła w rdzeniach gwiazd, powstała już większość pierwiastków tworzących dzisiejsze planety. Gdy wszechświat osiągnął 2/3 dzisiejszej wielkości powstał nasz Układ Słoneczny. Jest on dosyć młody, gdyż jego wiek ocenia się na ok. 5 miliardów lat.

Wszechświat cały czas ewoluuje, jednak powstała populacja gwiazd zaczyna powoli zanikać - cały dostępny materiał gazowy, został już wykorzystany na ich budowę. Za kolejnych mniej więcej 15 miliardów lat Wszechświat nie będzie już dla nas tak rozgwieżdżony jak jest dzisiaj.

13,7 mld lat temu, cały Wszechświat był nieskończenie mały. Wtedy, niewiadomo dlaczego, nastąpił Wielki Wybuch….

Zgodnie ze współczesnymi teoriami Wszechświat, który powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu przeszedł przez etap, w którym materia istniała jako rodzaj niezwykle gęstej, gorącej zupy, zwanej plazmą kwarkowo-gluonową (QGP), złożonej z elementarnych cegiełek materii - kwarków i gluonów. Kiedy Wszechświat ostygł, kwarki zostały uwięzione w złożonych cząstkach, takich jak na przykład protony i neutrony.

Zjawisko takie zwane jest uwięzieniem kwarków.

13

14

Gdyby odwrócić historię rozwoju Wszechświata to tak, jakby zaglądać do wnętrza atomu!

10 –6 s 10 –4 s 3 min 1.5 *109 lat

Przyroda

Eksperyment

Dokładnie! Tak właśnie rozumują naukowcy! Dlatego konstruują oni eksperymenty, które próbują odtworzyć warunki panujące na początku Wszechświata!

15

Hmmm, jeśli na początku istnienia Wszechświata było bardzo gorąco i bardzo gęsto, to wychodzi na to, że powinniśmy i materię.

Taaaak…. Ale chyba trzeba by to zrobić trochę inteligentniej.

16

podgrzać ścisnąć

Tylko jak to zrobić? Jak podgrzewać i ściskać protony i neutrony? Mam pomysł! A co byś powiedział na to, gdyby zderzać je ze sobą, wtedy na krótki moment byłyby bardzo mocno ściśnięte i zapewne by się rozgrzały?

Tak! Dokładnie o to chodzi! Właśnie takie urządzenia konstruują naukowcy!

Właściwie, to mamy dwa rodzaje układów zderzających cząstki.

18

Pewnie zastanawiasz się, jak taki akcelerator działa?Otóż przyspieszać umiemy jedynie cząstki naładowane (np. protony, jony). W uproszczeniu polega to na tym, że w akceleratorze za pomocą specjalnych elektromagnesów generowana jest fala elektromagnetyczna. Cząstki takie, tak jak surferzy na falach morskich, przemieszczają się na jej grzbietach.

19

Ostatnio w telewizji słyszałam o czymś takim. Chodzi o urządzenie zwane Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC). Podobno ma produkować Czarne Dziury i może zniszczyć Świat!

Weź się nie wygłupiaj! Chyba sama w to nie wierzysz.

20

21

Ostatnio w telewizji słyszałam o czymś takim. Chodzi o urządzenie zwane Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC). Podobno ma produkować Czarne Dziury i może zniszczyć Świat!

Weź się nie wygłupiaj! Chyba sama w to nie wierzysz.

Oczywiście, że nie, żartowałam! Ale trzeba przyznać, że LHC jest niesamowite. Ma 27 km obwodu i kosztował prawie 15 miliardów złotych (5 mld CHF)! W dodatku jest największą na świecie lodówką, w której temperatura wynosi w całej jego długości około 2 K.

22

23

LHCLHCCERN/MeyrinCERN/Meyrin

Jezioro GenewskieJezioro Genewskie

Alpy/Masyw Mont BlancAlpy/Masyw Mont Blanc

GenewaGenewa

24

100 m100 m

25

TemperaturaT=1.9 K=-271.2 oC

PróżniaP=10-10 Tr

Długość tunelu akceleratora L=27km

Głębokość tunelu akc.H=100m

CERN/LHC - Large Hardon Collider (Wielki Zderzacz Hadronów)

W tych rurach krążą protony; ich prędkość:

v=0.999999991cEnergia: E=7 TeVc – prędkość światła

LHCto prawdziwa księga rekordów

Guinnessa

27

Zderzenia

28

A skąd tam się wzięło tyle cząstek? Czy można stworzyć coś z niczego?

Nie „z niczego”, tylko z energii. Przecież E=mc2 ! Jeśli więc energia zderzenia będzie wystarczająco duża, to zmieni się w masę nowych cząstek.

29

Czyli to tak, jakbyśmy zderzali dwie truskawki,a w wyniku otrzymali więcej truskawek, do tego żołędzie, dwie gruszki, jabłko, śliwkę i banana!

30

E=mc2

31

A w praktyce wygląda to tak!

32

W LHC mamy nadzieję, że przyspieszenie cząstek do tak dużych energii (7 TeV), spowoduje powstanie, w wyniku zderzenia, plazmy kwarkowo-gluonowej.

No dobra, a skąd będziemy wiedzieć, że ta plazma tam powstała?

33

Temperatura krytyczna, poniżej której następuje przejście fazowe? To mi przypomina naszą wodę. Poniżej temperatury 0 stopni woda zamarza, zamieniając się w lód tworząc sieć krystaliczną.Tak samo dzieje się z kwarkami. Poniżej pewnej temperatury łączą się one w protony, neutrony i inne cząstki.

Diagram fazowy QGP

Diagram fazowy wody

Każdy z eksperymentów na LHC ma wyznaczone własne cele. Badaniem plazmy kwarkowo-gluonowej zajmuje się ALICE (A Large Ion Collider Experiment).

34

To już wiem, który z eksperymentów zajmuje się badaniem plazmy kwarkowo-gluonowej. Jakie są więc zadania pozostałych?

Obecna wiedza o Wszechświecie nie jest kompletna. Model Standardowy co prawda jest naszą najlepszą teorią, jednak nie idealną. LHC ma zatem spróbować wyjaśnić to, co obserwujemy doświadczalnie, a czego Model Standardowy nie tłumaczy. Nie wiemy:-dlaczego cząstki w ogóle mają masę?-dlaczego świat jest zbudowany z materii a nie antymaterii?-czym są tzw. ciemna materia i ciemna energia?

35

Problemem istnienia masy zajmują się eksperymenty ATLAS oraz CMS. Postuluje się istnienie słynnej już cząstki Higgsa – Świętego Graala współczesnej nauki.

Model Standardowy nie wyjaśnia zagadnienia początku masy ani nie daje odpowiedzi na pytanie – dlaczego niektóre cząstki są bardzo ciężkie a inne nie mają masy w ogóle? Być może odpowiedź na nie da tak zwany mechanizm Higgsa. Według tej teorii cała przestrzeń wypełniona jest tzw. polem Higgsa, przez oddziaływanie z którym cząstki uzyskują masę. Cząstki, które oddziałują silnie z polem Higgsa są ciężkie, natomiast te które oddziałują słabo są lekkie. Pole Higgsa ma przynajmniej jedną nową cząstkę z tym związaną – bozon Higgsa. Jeżeli ta cząstka istnieje, to eksperymenty w LHC będą mogły ją wykryć.

36

37

Jeśli odkrylibyśmy Higgsa → dzięki temu nauczyli ekranować pole Higgsa (elektromagnetyczne już potrafimy - tzw. niewidzialność optyczna) → moglibyśmy stworzyć samochody potrafiące przyspieszać do ogromnych prędkości w ułamkach sekund!

Odkrywamy Higgsa→ rozumiemy skąd się bierze masa → potrafimy kontrolować bezwładność → wypadki samochodowe lub lotnicze przestają być groźne bo wyeliminujemy obrażenia związane z gigantycznymi przeciążeniami.

Science FictionScience Fiction

Na początku Wszechświat był zbudowany w równych proporcjach z materii i antymaterii. Gdyby podczas ewolucji Wszechświata materia i antymateria były swoim lustrzanym odbiciem unicestwiłyby się całkowicie, zostawiając jedynie energię. Dlaczego jednak część materii pozostała, tworząc galaktyki, Układ Słoneczny, naszą planetę i nas? LHC będzie badać, skąd bierze się ta niewielka różnica, jaka istnieje między materią i antymaterią.

38

Kolejny problem, to materia i antymateria. Zrozumieć go próbuje eksperyment LHCb.

Astronomowie od dawna obserwują ruchy gwiazd i galaktyk na niebie, a od kilkudziesięciu lat coraz lepiej widzą, że obserwacje te są sprzeczne ze znanymi nam prawami fizyki. Prawa fizyki można „uratować” jeśli założymy, że we Wszechświecie znajduje się ogromna ilość materii innej niż ta, którą znamy – materii niezbudowanej z atomów, nieoddziałującej ze światłem, a więc ciemnej. Dzięki poszukiwaniom w LHC nowych, ciężkich cząstek, słabo oddziałujących ze zwykłą materią, być może będziemy w stanie przybliżyć się do rozwiązania tej zagadki.Ciemna energia z kolei tłumaczy obserwowaną coraz większą prędkość rozszerzania się Wszechświata. Podobnie jak ciemnej materii, nie udało się jeszcze potwierdzić jej istnienia.

39

Problem ciemnej materii oraz ciemnej energii badają z kolei również eksperymenty ATLAS i CMS.

Czy jednak tak abstrakcyjna wiedza jest nam tak naprawdę potrzebna? Czy nie uprawiamy tutaj „sztuki dla sztuki”? Jaki efekt dla zwykłego człowieka mają prace wykonywane na LHC?

Ten największy na świecie eksperyment wymagał rozwiązania wielu problemów technicznych przy jego budowie. Nikt nie wie, jakie korzyści ta wiedza przyniesie dla społeczeństwa w przyszłości…

40

Przylatujących na lotnisko w Genewie, po wyjściu z samolotu, wita tablica…

CERNNajwiększe na świecie laboratorium fizykigdzie narodził się World Wide Web... ... 5 minut stąd!

• nie przemysł,• nie wojsko,• nie biznes, • nie polityka...

aleFIZYKA !

...stworzyła potrzebę i znalazła rozwiązanie,

z którego teraz korzysta cały Świat! 41

CERN to oczywiście nie tylko LHC, lecz ogromny ośrodek badawczo-naukowy zatrudniający ponad 10 tysięcy pracowników z całego świata, w którym przeprowadzane są od ponad pół wieku badania również z innych dziedzin nauki: wielu innych gałęzi fizyki, chemii, czy biologii.

42

Technologie stworzone dla potrzeb CERN zostały wykorzystane w:

1. Medycynie - diagnostyka: tomografia emisyjna PET, pozwalająca na badanie fizjologii organizmu, tomografia komputerowa CT,

- leczenie: terapia hadronowa umożliwiająca skuteczne leczenie głęboko położonych guzów.

434. Technologie informacyjne:- oprócz WWW niedawno powstała światowa sieć komputerów GRID.

3. Środowisko:- dzięki opanowaniu technologii wytwarzania ultrawysokiej próżni oraz łączenia szkła z metalem, płaskie próżniowe kolektory słoneczne przechodzą z fazy prototypu do sprzedaży, co stanowi znaczny postęp w wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych.

2. Przemyśle:- opracowano technologię opartą na materiale zwanym getterem, który można zastosować do poprawy izolacji termicznej urządzeń gospodarstwa domowego (np. lodówki).

Słyszałam, że ty w poprzednie wakacje odwiedziłeś CERN? Pewnie strasznie ciężko się tam dostać…

Polska, jako członek CERN, uczestniczy w programie Summer Student, który umożliwia wyjazd tam polskim studentom w okresie wakacji. Ponadto, wiele polskich uczelni i instytutów naukowych jest mocno zaangażowanych w wykonywane tam prace. Możliwości jest wiele.

44

1. Poznaliśmy budowę materii i dowiedzieliśmy się, czym jest Model Standardowy.

2. Cofając się do początków Wszechświata natrafiliśmy na plazmę kwarkowo-gluonową.

3. Aby zrozumieć mechanizmy nią rządzące, postanowiliśmy ją wytworzyć, używając w tym celu urządzeń zwanych zderzaczami.

4. Obecnie największym zderzaczem na świecie jest LHC, Wielki Zderzacz Hadronów, znajdujący się w CERN.

5. Poznaliśmy zasadę jego działania, oraz główne zadania.6. Wyjaśniliśmy mechanizmy przeprowadzania zderzeń cząstek.7. Dowiedzieliśmy się w jakich dziedzinach życia zostały wykorzystane

technologie stworzone w CERN.

45

PodsumowaniePodsumowanie

46

A my tam byliśmy, miód i wino piliśmy…

DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ!DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ!

47

Ciekawe i przydatne linkiCiekawe i przydatne linki• Strona domowa CERN http://www.cern.ch• Strona domowa Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej

http://www.if.pw.edu.pl• Strona poświęcona wystawie o LHC w ramach Festiwalu Nauki „Jak to działa?”

http://lhc.edu.pl• Broszura tłumacząca w przystępny sposób ideę i działanie akceleratora LHC

http://lhc.edu.pl/Inside-LHCGuide-Polish_mod.pdf• Film Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego prezentujący CERN i LHC

http://www.knf.pw.edu.pl/lhc/lhc.avi• Film National Geographic z cyklu „Wielkie Konstrukcje” na temat LHC

http://www.youtube.com/watch?v=kIyQWJ9izrs (link do części I)• Książka Leona Ledermana „Boska Cząstka”

http://www.wiw.pl/fizyka/boskaczastka/• Particle Adventure – strona tłumacząca w prosty i ciekawy sposób fizykę cząstek

http://www.particleadventure.org• „Large Hadron Rap” – teledysk o LHC w wykonaniu młodych naukowców z CERN

http://www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM 48