Podobne pytanie mogli sobie zadawać ludzie w pierwszych dekadach XX wieku. Wtedy bowiem świat nauk ścisłych przewróciła do góry nogami mechanika kwantowa. Dziwaczna teoria mówiąca o prawdopodobieństwie, porcjach energii i cząstkach będących równocześnie falami szybko znalazła praktyczne zastosowania. Dzięki niej pojawiły się fotokomórki, tranzystory, lasery, telewizja oraz bomba atomowa. Bez odkryć fizyków nie mielibyśmy elektroniki ani informatyki, a człowiek nigdy by nie postawił stopy na Księżycu. Dziś historia ta zaczyna powtarzać się – na jeszcze większą skalę – w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych (CERN) pod Genewą.

Znajdujący się tam akcelerator LHC to najnowocześniejsze laboratorium badawcze na świecie, które właśnie budzi się do życia. W gigantycznym podziemnym tunelu pojawiają się pierwsze wiązki rozpędzonych cząstek. Za kilka tygodni fizycy z całego świata zaczną je zderzać ze sobą i obserwować efekty tych kolizji. Mają nadzieję, że dzięki temu dowiedzą się, jak jest zbudowana materia, czy istnieje nadający wszystkiemu masę bozon Higgsa (zwany Boską Cząstką) albo jak powstał Wszechświat. Przy budowie LHC wykorzystano najnowsze zdobycze techniki – to naukowa Formuła 1, testująca rozwiązania, które wyprzedzają swoje czasy. Porównanie to jest jak najbardziej na miejscu z jeszcze innego powodu. Dzięki wyścigowym bolidom zwykłe samochody wyposażono m.in. w napęd na cztery koła, wtrysk paliwa czy turbodoładowanie. Akceleratory cząstek mogą pochwalić się znacznie większym dorobkiem, a na horyzoncie widać kolejne wynalazki, które zmienią nasze życie.

SPECJALNIE DLA „FOCUSA” prof. Leon Lederman
Amerykański fizyk cząstek elementarnych, wieloletni dyrektor Fermi National Accelerator Laboratory, za odkrycia związane z neutrinami nagrodzony Noblem w 1988 r., autor kilku książek popularnonaukowych, w tym bestsellerowej „Boskiej Cząstki” (Prószyński i S-ka 1996).

Wierzę mocno, że w LHC zostanie odkryty i przebadany bozon Higgsa, czyli Boska Cząstka, której poświęciłem jedną ze swych książek. Ale jestem także przekonany, że nieznalezienie go będzie jeszcze bardziej interesujące, gdy bierzemy pod uwagę przyszłość fizyki cząstek elementarnych. Dzięki Higgsowi możemy wytłumaczyć wiele ważnych zjawisk, więc gdy go zabraknie, potrzebna będzie zupełnie nowa teoria i nowe badania. Nie mam żadnych wątpliwości, że owe badania muszą być w przyszłości prowadzone wspólnym międzynarodowym wysiłkiem. Gdzie i w jaki sposób? Mamy wiele pomysłów do wyboru: granica wysokich energii osiąganych przez LHC, związane z cząstkami elementarnymi odkrycia astrofizyków, które są dla nas wielką zagadką, czy granica intensywności wiązki protonów osiągana w Fermilabie. To nam da zajęcie na jakieś 10–15 lat. Tymczasem pojawiają się nowe idee i postępują prace badawcze nad nowymi typami akceleratorów. Spośród nich w końcu wyłoni się nowy program... być może opracowany przez kogoś, kto dziś uczy się w liceum w Warszawie albo w Pekinie. Ale żeby ten program miał szanse na realizację, musimy cały czas „sprzedawać” społeczeństwu potrzebę prowadzenia nowych badań i opracowywania technologii, która je umożliwi. No i oczywiście dbać o zwiększanie poziomu wiedzy naukowej wśród ludzi na całym świecie.

Wyścig innowacji

Ten trend był zresztą widoczny od samego początku idei akceleratora. Fizycy chcieli poznać budowę materii i potrzebowali wiązki cząstek, którą mogliby ją „prześwietlić”. W 1927 r. Ernest Rutherford, odkrywca jądra atomowego, przewidywał, że w tym celu będą potrzebne maszyny zdolne do wytwarzania wielkich napięć. „Dajcie nam dziesięć milionów woltów!” – zaapelował do przemysłu energetycznego, który ochoczo podjął wyzwanie. Dlaczego? Ponieważ przesyłanie prądu przebiega najwydajniej właśnie przy bardzo wysokich napięciach. Na efekty nie trzeba było długo czekać. W 1929 r. Ernest Lawrence zbudował pierwsze urządzenie do przyspieszania cząstek – tzw. cyklotron, w którym poruszały się one po torze zbliżonym do koła. Trzy lata później John Cockcroft i Ernest Walton jako pierwsi rozbili jądra atomowe wiązką rozpędzonych protonów.

Od tamtej pory zasada działania akceleratorów nie uległa większym zmianom. Nie można tego jednak powiedzieć o skali i możliwościach tych urządzeń. Cyklotron Lawrence’a mieścił się na dłoni i nadawał cząstkom energię 1 MeV, czyli miliona elektronowoltów (elektronowolt to ilość energii, jaką otrzymałby pojedynczy elektron, wędrując od ujemnego do dodatniego bieguna jednowoltowej baterii). Aby objechać LHC, potrzebny jest rower (i paszport, ponieważ tunel akceleratora czterokrotnie przekracza granicę między Szwajcarią i Francją). Energia zderzeń, do których w nim dojdzie, będzie siedem milionów razy większa niż w maszynie z 1929 roku.

Antymaterią w raka

 

Strumienie rozpędzonych cząstek wydają się czymś bardzo egzotycznym, ale są stosowane nie tylko przez fizyków. Można dzięki nim masowo produkować radioaktywne izotopy używane w diagnostyce i leczeniu różnych chorób. Wpadł na to już wspomniany Ernest Lawrence, który w latach 30. często pozwalał akceleratorom pracować całą noc, by wytwarzały surowiec dla pobliskich szpitali. Skorzystał z tego jego brat John, który jako pierwszy dowiódł, że izotopami można zwalczać nowotwory, i zapoczątkował erę medycyny nuklearnej.

Same cząstki też trafiły do arsenału onkologów. Używając strumieni protonów, neutronów, elektronów albo jąder atomowych, mogą oni precyzyjnie niszczyć komórki raka. Jest to metoda skuteczniejsza i bezpieczniejsza niż radioterapia, ponieważ promieniowanie niszczy także zdrowe tkanki, natomiast cząstki elementarne działają jak bomby – uwalniają swą energię dopiero na końcu drogi. Niestety metody takie są drogie i nawet najpowszechniejsza z nich – tzw. terapia hadronowa, wykorzystująca protony – jest zbyt droga, by mogła być dostępna w każdym ośrodku onkologicznym.

Wkrótce może się to jednak zmienić – właśnie dzięki badaniom prowadzonym w CERN. Być może uczonym uda się znaleźć tanie źródło leczniczych protonów. Inna ekipa pracuje z kolei nad nowatorską metodą leczenia, wykorzystującą antyprotony, czyli antymaterię. Jak wiadomo, gdy zetknie się ona ze zwykłą materią, dochodzi do anihilacji – cząstka i antycząstka zamieniają się w promieniowanie. Dlatego wiązka antyprotonów znacznie skuteczniej niszczy guzy nowotworowe niż konwencjonalna terapia hadronowa. „Takie śmiałe, wybiegające w przyszłość idee można finansować właśnie »przy okazji« dużych projektów, napędzających rozwój nowych technologii” – wyjaśnia dr Sławomir Wronka, ekspert od zastosowań akceleratorów z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.

Urządzenia do przyśpieszania cząstek są też wykorzystywane jako wydajne źródło promieniowania rentgenowskiego. Początkowo fizycy uznawali je za niepożądaną stratę energii, która pojawiła się w tzw. synchrotronach. Szybko jednak okazało się, że intensywną wiązkę promieni X można wykorzystać do badań w tak różnych dziedzinach nauki jak chemia, biotechnologia, inżynieria materiałowa czy medycyna. Dzięki synchrotronom można dziś badać np. budowę ważnych dla organizmu białek i szukać nowych leków.

Akceleratory powinni docenić także miłośnicy komputerów i gadżetów. Promieniowanie rentgenowskie doskonale nadaje się do wytwarzania miniaturowych układów elektronicznych metodą litografii. Najwięksi producenci mikroprocesorów na świecie pracują dziś nad tym ramię w ramię z fizykami. Efekt? Powstała już technologia, umożliwiająca wytwarzanie komponentów dziesięciokrotnie mniejszych niż we współczesnych komputerach.

Magnetyzm ekstremalny

W akceleratorze takim jak LHC cząstki poruszają się po okręgu. Aby je do tego zmusić, potrzebne jest potężne pole magnetyczne. CERN przez cztery lata skupował niob – bardzo rzadki metal – by wyprodukować 1232 nadprzewodzące magnesy. Stanowią one zdecydowanie najważniejszy, a także najdroższy element całego akceleratora. Łącznie są w stanie wytworzyć pole magnetyczne o natężeniu ośmiu tesli – około 200 tys. razy silniejsze od ziemskiego.

To, że takie magnesy są dziś dostępne, także zawdzięczamy akceleratorom. Pierwszym ośrodkiem, który zastosował nadprzewodniki na dużą skalę, był amerykański Fermilab, kierowany przez Roberta R. Wilsona. „Gdy Wilson w roku 1973 zaczynał swój program badawczy, roczna produkcja materiałów nadprzewodzących w Stanach Zjednoczonych wynosiła kilkaset kilogramów. Fermilab zużył 56 tysięcy kilogramów takich substancji. Stanowiło to poważny bodziec stymulujący rozwój całej gałęzi przemysłu” – pisze prof. Leon Lederman w książce „Boska Cząstka”. Dziś korzystają z tego głównie producenci aparatury do rezonansu magnetycznego, stosowanej w medycynie do wykonywania precyzyjnych prześwietleń, ale też w analizach chemicznych.

Nadprzewodniki potrafią przekazywać prąd elektryczny niemal bez strat energii. Wszyscy mają nadzieję, że badania fizyków doprowadzą wkrótce do powstania nowej generacji tych materiałów – tanich w produkcji i pracujących w stosunkowo wysokich temperaturach (magnesy w LHC są chłodzone ciekłym helem o temperaturze wyższej od zera absolutnego o zaledwie 1,9 stopnia). Ale już teraz oddawane są do użytku linie energetyczne wykorzystujące materiały nadprzewodzące – w USA działają już trzy, z czego ostatnia, licząca 600 metrów, została uruchomiona w Nowym Jorku kilka miesięcy temu. W Japonii zaś jeździ kolej, unosząca się nad torami dzięki magnesom wykonanym z nadprzewodników i osiągająca rekordową prędkość 581 km/godz.

W LHC znajdują się nie tylko najsilniejsze magnesy na Ziemi, pracujące w najniższej znanej nam temperaturze. Jest tam jeszcze jedna rekordowa „rzecz”, a właściwie jej brak – ultrawysoka próżnia. Rury, którymi pędzą cząsteczki, muszą być jak najbardziej puste, bo inaczej co chwila wpadałyby na atomy powietrza i nie mogłyby utworzyć wiązki, której potrzebują naukowcy. Dlatego w owych rurach panuje ciśnienie ponad milion razy niższe od atmosferycznego. Aby osiągnąć tak wysoką próżnię, stosuje się nową technologię NEG, opracowaną w CERN. „Polega ona na napyleniu na wewnętrzną powierzchnię rury cienkiej warstwy specjalnych materiałów, które zachowują się jak gąbka – po aktywacji termicznej pochłaniają gazy ” – wyjaśnia dr Andrzej Siemko, polski uczony związany z projektem LHC od samego początku.

Technologia NEG została niedawno wykorzystana przy produkcji nowej generacji ogniw słonecznych. Usunięcie gazów z wnętrza panela sprawiło, że jego wydajność wzrosła o 40 proc. W Hiszpanii powstać ma prototypowa elektrownia słoneczna – prototypowe baterie „made in CERN” zainstalowane na powierzchni 52 tys. m kw. wyprodukują 10 megawatów energii.

Skąd wzięły się komputery?

Gdy cząstki w LHC zaczną się wreszcie zderzać, naukowcy będa potrzebowali czegoś, co pokaże im efekty tych zderzeń – detektorów. To gigantyczne konstrukcje, zamknięte w jaskiniach wydrążonych wokół tunelu akceleratora. Największy jest ATLAS, mający rozmiary sześciopiętrowej kamienicy, najcięższy – CMS ważący 12,5 tys. ton (więcej niż wieża Eiffla). To właśnie one mogą zarejestrować ślady obecności nieuchwytnego dotąd bozonu Higgsa.

Czy wykrywanie cząstek może się do czegoś przydać w codziennym życiu? Wystarczy spojrzeć na czujniki dymu zainstalowane w wielu biurach czy domach. Ale są też bardziej zaawansowane detektory – niektóre potrafią np. „wyczuć” materiały wybuchowe ukryte w bagażu na lotnisku.

Każdy detektor cząstek w LHC jest cudem współczesnej elektroniki, ale też nie mielibyśmy jej, gdyby nie dawne detektory. Pierwsze obwody wykorzystywane w akceleratorach z lat 30. ubiegłego stulecia weszły potem w skład pierwszej generacji komputerów cyfrowych. Od tej pory informatyka i fizyka cząstek elementarnych są ze sobą ściśle powiązane.

Internet do potęgi

 

Ten mariaż widać doskonale w centrum komputerowym CERN. To tu trafiać będzie ogromna ilość danych zbieranych przez detektory LHC – 700 megabajtów na sekundę (gdyby zapisywano je na płytach CD, po roku można by z nich ułożyć wieżę wysoką na 20 km). Aby z tego gąszczu zer i jedynek wyłuskać odkrycie na miarę Nagrody Nobla, potrzebna jest moc, którą nie dysponuje nawet największy superkomputer na Ziemi. Dlatego stworzono grid – globalną sieć ośrodków komputerowych, które będą przechowywać i obrabiać dane uzyskane przez LHC. „Dzięki temu mamy do dyspozycji ogromną moc obliczeniową i nie musimy przejmować się tym, która konkretnie maszyna wykona obliczenia. To trochę tak jak z prądem w gniazdku – podłączamy do niego lampę i nie interesuje nas, która elektrownia go produkuje” – tłumaczy Sebastian Łopieński, polski informatyk pracujący w CERN.

Gdy nie pojawią się nowe dane z akceleratora, grid będzie można wykorzystywać także do innych zadań. Dzięki niemu meteorolodzy będą mogli opracować dokładniejsze prognozy pogody, a lekarze przeanalizują działanie ważnych dla zdrowia genów czy białek. W Niemczech opracowano projekt tomografu ultrasonograficznego, który korzystając z mocy obliczeniowej gridu, będzie w stanie wykrywać guzy nowotworowe o średnicy jednej czwartej milimetra bez użycia szkodliwego promieniowania.

Zastosowań będzie z pewnością więcej, niż moglibyśmy dziś sobie wyobrazić. Wystarczy przypomnieć sobie, że w 1991 r. pracujący w CERN Tim Berners-Lee szukał prostego sposobu dzielenia się informacjami z innymi naukowcami. W efekcie powstała sieć zwana World Wide Web (WWW) – czyli strony internetowe, bez których trudno sobie wyobrazić współczesny świat.

Akceleratory zbliżają ludzi

Nauka nie ma teraz łatwego życia – zwłaszcza ta wielka, wymagająca gigantycznych nakładów finansowych. Politycy coraz częściej chcą wiedzieć, ile ważnych odkryć czy wynalazków uzyskają, dając naukowcom do ręki kolejne miliardy dolarów – szczególnie gdy chodzi o tak dziwne dziedziny jak fizyka cząstek elementarnych. Takie podejście prowadzi jednak na manowce. „Dotychczas największy postęp technologiczny dokonywał się dzięki badaniom, które nie miały służyć wspieraniu rozwoju technologii, lecz pogłębieniu naszej wiedzy o wszechświecie” – pisze Karl Sabbagh w książce „Niebezpieczne idee”.

Jest jeszcze jeden powód, dla którego warto inwestować w kolejne akceleratory (takie jak planowane już przez fizyków ILC czy VLHC), a także inne megaprojekty naukowe. Takie przedsięwzięcia są już zbyt kosztowne, by mogło sobie na nie pozwolić jedno państwo, więc siłą rzeczy zmuszają one różne narody do pokojowej współpracy. Wydając kilka miliardów dolarów – tyle, ile kosztuje tydzień „obecności” USA w Iraku albo zbudowanie jednego lotniskowca klasy Nimitz – otrzymamy nie tylko wielkie odkrycia, ale i nowe wynalazki, z których skorzystają wszyscy. Politycy powinni więc, zgodnie z radą prof. Ledermana, jak najszybciej „przekuć miecze na akceleratory”.

Polska inwestycja

Jako jeden z krajów członkowskich CERN mamy swój skromny wkład finansowy w budowę LHC (0,7 proc.) i budżet całego ośrodka (2,3 proc.). Jednak naszą najważniejszą inwestycją są ludzie. W prace związane z akceleratorem zaangażowanych było i jest ok. 350 Polaków – fizyków, inżynierów czy informatyków. W CERN można się na nich natknąć niemal na każdym kroku. Język polski słychać w centrum komputerowym, w pobliżu detektorów, w tunelu, a także w Centrum Kontroli. To jeden z najważniejszych budynków w całym ośrodku. Pracują tu na okrągło cztery zespoły ludzi dbające o bezpieczeństwo i prawidłowe działanie poszczególnych części maszyny. Wielu wpatrzonych w monitory naukowców to Polacy. Kiedy zapytałam jednego z nich, jak się orientuje w tych migających wykresach, odpowiedział: „To wcale nie jest takie trudne, oprogramowanie jest bardzo intuicyjne”. Rzeczywiście, po krótkim wykładzie i ja zaczęłam dostrzegać w zmieniających się wzorkach pewną regularność. Szefem grupy, która jest wyrocznią w sprawach naukowo-technicznych dotyczących LHC, także jest Polak – oprowadzający mnie po CERN dr Andrzej Siemko. „Reagujemy na wszystkie nietypowe sytuacje” – mówi. Wygląda więc na to, że największa maszyna badawcza świata jest w dobrych rękach.