Vlad Krasen
0 
3155
481
Dziesięć lat temu uruchomiono największy na świecie instrument naukowy i rozpoczął się początek dynastii badawczej.
10 września 2008 r. Po raz pierwszy wystrzelono wiązkę protonów wokół całego długiego na 16,5 mili (27 kilometrów) pierścienia Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) - największego na świecie niszczarki atomów o największej energii, jaką kiedykolwiek skonstruowano. Znajdujący się w laboratorium CERN, na obrzeżach Genewy w Szwajcarii, LHC został skonstruowany tak, aby rozbić razem wysokoenergetyczne wiązki protonów z prędkością bliską prędkości światła. Podanym celem było stworzenie i odkrycie bozonu Higgsa, ostatniego brakującego elementu Modelu Standardowego, naszej najlepszej teorii zachowania materii subatomowej. Ale cel był większy. Naprawdę chcieliśmy odkryć coś zupełnie nieoczekiwanego - tak dużego i tak nowego, że oznaczałoby to, że musielibyśmy przepisać podręczniki.
LHC nie włączył się cicho. W poprzednich tygodniach i miesiącach prasa była pełna zapierających dech w piersiach opowieści o obawach, że LHC zrobi czarną dziurę, która zniszczy Ziemię. Media wykonały dobrą robotę, rozwiewając przerażające twierdzenia, ale historia była po prostu zbyt dobra, aby jej nie drukować, nawet wśród najbardziej odpowiedzialnych mediów drukowanych, internetowych i telewizyjnych.
Laboratorium CERN, w którym mieści się LHC, postanowiło zaprosić prasę do obejrzenia inauguracyjnego promienia LHC. Szał czarnej dziury sprawił, że media pokazały się w wielkim stylu. Na uroczystości były obecne BBC, CNN, Reuters i dziesiątki międzynarodowych mediów. Pomijając czarne dziury, był to niebezpieczny wybór z punktu widzenia PR: zupełnie nowe akceleratory to wybredne bestie, a LHC był szczególnie taki. Składa się z tysięcy magnesów i dziesiątek tysięcy zasilaczy, elektroniki monitorującej i nie tylko. Najmniejszy wypadek mógł opóźnić o kilka dni lub tygodni pierwszy udany obieg wiązki. [Zdjęcia: Największy na świecie niszczyciel atomów (LHC)
Tego ranka było kilka napiętych chwil. Kilka pierwszych prób zakończyło się niepowodzeniem z powodu zbuntowanych zasilaczy. Jednak tuż przed godziną 10:30 czasu lokalnego operatorzy akceleratorów z powodzeniem przeprowadzili wiązkę protonów o bardzo niskiej intensywności przez cały kompleks. Ponieważ LHC jest zasadniczo dwoma akceleratorami - aby pomieścić wiązki biegnące w przeciwnych kierunkach - następnym krokiem było poprowadzenie wiązki przez drugi zestaw rur belek. Stało się to wkrótce po pierwszym sukcesie. Światowe media ogłosiły osiągnięcie techniczne dosłownie tak, jak to się stało. Fizyka cząstek rzadko jest tak eksponowana w mediach.
Mimo ogólnoświatowej ekscytacji to, czego dokonano tego dnia, było stosunkowo skromne. Do LHC wprowadzono wiązki o niskiej energii i niskiej intensywności z akceleratorów podajnika. Wiązki kilkakrotnie krążyły wokół pierścienia przy niskiej energii, co oznacza najniższą energię, dla której zaprojektowano LHC. Sposób działania LHC polega na tym, że przyjmuje wiązkę cząstek z mniejszych akceleratorów, a następnie przyspiesza wiązkę do energii ponad 15 razy wyższej niż otrzymuje. Przy tej pierwszej próbie nigdy nie było zamiaru przyspieszania wiązki. Wystarczyło tylko owinięcie go na ringu.
Ponadto intensywność belek była mniejsza niż jedna dziesięciomilionowa intensywności projektowej. W przypadku wiązek cząstek intensywność jest podobna do jasności, gdy mówimy o świetle. Wiązki mogą być bardziej intensywne, dodając więcej protonów lub skupiając wiązkę na mniejszy rozmiar. Tego dnia skupienie było nadal celem na przyszłość i tylko kilka protonów zostało umieszczonych w akceleratorze. Początkowo synchronizacja rzeczywistej elektroniki akceleratora nie była do końca odpowiednia. Tak więc było jasne, jak iść.
Ale nieważne. To było ekscytujące iz pewnością stanowiło ważny krok na drodze do pełnej operacji. Pękły korki. Szampan był pijany. Uderzano w plecy i robiono zdjęcia. To był dobry dzień.
Nie byłem w CERN-ie na pierwszym promieniu. W końcu moim zainteresowaniem programem LHC jest użycie go do rozbijania wysokoenergetycznych cząstek i wszyscy wiedzieli, że wtedy nie dojdzie do kolizji. Zamiast tego byłem w Fermilab, flagowym laboratorium akceleratorów cząstek w Ameryce i najbardziej wpływowej instytucji badawczej zajmującej się analizą danych LHC, oprócz samego CERN. Oba laboratoria są ze sobą w relacji rodzeństwa i kibicujemy sobie nawzajem, gdy pokonujemy przeszkodę techniczną. W Fermilab, w nocy 10 września, postanowiliśmy zorganizować przyjęcie piżamowe dla naukowców i lokalnej społeczności. To było niezwykłe. Setki miejscowych pojawiło się o 2:00 rano i czekało na pomyślny obieg wiązki o 4:30 czasu lokalnego. Chodziłem, rozmawiając z publicznością, dziennikarzami, którzy nie mogli przekonać swoich redaktorów, aby wysłali ich do Europy i innych naukowców. Wiwaty tłumu były na tyle głośne, że wydaje mi się, że można je było usłyszeć w CERN, 4400 mil na wschód.
Oczywiście sukcesy poranka 10 września 2008 r. Były bardzo ważne, ale stanowiły tylko krok w kierunku pożądanego rezultatu, jakim było uruchomienie najpotężniejszego akceleratora cząstek na naszej planecie. Aby to zrobić, trzeba było poddać próbie 1232 gigantyczne magnesy otaczające LHC i przetestować je przy pełnym prądzie elektrycznym. Dlatego akcelerator CERN skupił się na tym, aby to zakończyć. I tam wszystko poszło nie tak. 22 września operatorzy potrząsali ostatnim zestawem magnesów, gdy wadliwe połączenie lutowane spowodowało przegrzanie miedzianej szyny, co spowodowało jej stopienie, a następnie łuk, a następnie przebicie termosu, w którym znajdował się ciekły hel, który pozwolił na magnesy wytrzymujące prąd dziesięciu tysięcy amperów, który umożliwiał tworzenie silnych pól magnetycznych. [Galeria: Poszukiwanie bozonu Higgsa w LHC]
Podczas tego przebicia hel został uwolniony pod wysokim ciśnieniem… tworząc strumień wystarczająco silny, aby wypchnąć 35-tonowy magnes w bok o 18 cali i wyciągnąć wsporniki montażowe z litego betonu. Hel miał temperaturę minus 450 Fahrenheita i ochłodził tunel LHC na milę otaczającą uszkodzenie. Naprawienie uszkodzeń i dodanie dodatkowego sprzętu zabezpieczającego przed awariami zajęło ponad rok.
To było 27 lutego 2010 roku, kiedy akcelerator LHC był gotowy do ponownej próby. I w ciągu około godziny i kwadransa powtórzyli ćwiczenie, ponownie okrążając promienie w przeciwnych kierunkach. Tym razem podjęto próbę bez uprzedniego powiadomienia mediów. I to właśnie 19 marca personel ostatecznie przyspieszył wiązkę do energii 3,5 razy większej niż poprzedni akcelerator rekordu świata, Fermilab Tevatron. Tak się złożyło, że tego dnia byłem w CERN-ie i dokonałem tego we wczesnych godzinach rannych tuż przed świtem. Oglądałem monitory z kolegami i gdy ogłoszono stabilną wiązkę, szampan, klapsy w plecy i wiwaty znów się wydarzyły, tym razem bez kamer telewizyjnych.
Od tamtego dnia LHC był po prostu zjawiskiem naukowym… dostarczającym niezwykłe wiązki do czterech detektorów rozmieszczonych wokół pierścienia. Dotychczasowy dorobek naukowy był olbrzymi, z dwóch większych eksperymentów, z których każdy opublikował ponad 800 artykułów, a cały program badawczy opublikował ponad 2000.
Najbardziej znaczącym odkryciem ostatniej dekady był bozon Higgsa, ostatni brakujący element modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych. Został ogłoszony 4 lipca 2012 r., Ponownie dla publiczności na całym świecie, z udziałem ponad tysiąca stacji telewizyjnych dla miliarda widzów. Ponownie świat podzielił się radością z odkrycia. [6 implikacji znalezienia cząstki bozonu Higgsa]
A przyszłość LHC jest rzeczywiście świetlana. Chociaż z powodzeniem obsługujemy obiekt już od dekady, naszym zamiarem jest dalsze używanie akceleratora do dokonywania odkryć. Obecnie planowane jest kontynuowanie działalności przez co najmniej kolejne dwie dekady. W rzeczywistości pod koniec 2018 roku szacuje się, że eksperymenty w LHC zgromadzą tylko 3 procent danych, które zostaną zarejestrowane przez cały okres eksploatacji obiektu. Pod koniec 2018 roku LHC wstrzyma działalność na dwa lata w celu remontu i modernizacji. Wiosną 2021 r. Wznowi pracę ze znacznie ulepszonymi detektorami. Nie można wiedzieć, jakie prawdy naukowe odkryjemy za pomocą LHC. Na tym polega uprawianie nauki… gdybyśmy wiedzieli, co odkryjemy, nie nazwalibyśmy tego badaniami. Ale LHC jest bez wątpienia klejnotem intelektualnym i technologicznym - osiągnięciem, o którym dawni badacze mogli tylko pomarzyć. LHC może badać najmniejsze skale odległości, najwyższe energie i odtwarzać warunki, które ostatnio były powszechne we wszechświecie zaledwie jedną dziesiątą trylionowej sekundy po Wielkim Wybuchu. To instrument eksploracji i odkrywania. A my dopiero zaczynamy. To będzie wspaniałe.
Wszystkiego najlepszego, LHC.
Don Lincoln jest badaczem fizyki w Fermilab. Jest autorem książki „Wielki zderzacz hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczy, które rozwalą ci umysł” (Johns Hopkins University Press, 2014) i produkuje serię filmów o tematyce naukowej. Śledź go na Facebooku. Opinie wyrażone w tym komentarzu są jego.
Don Lincoln współtworzył ten artykuł dla Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.