RZECZ O ... dodatek do gazety Rzeczpospolita z 19 października 2004 r.

Historia CERN

1954

29 września ratyfikowana została konwencja o utworzeniu Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych i tę datę przyjmuje się jako oficjalną datę powstania CERN. Drugi artykuł konwencji tak określa cele CERN: " Organizacja zapewni współpracę pomiędzy państwami europejskimi w dziedzinie badań jądrowych o charakterze czysto naukowym i podstawowym, a także innych badań związanych z tu wymienionymi. Organizacja powstrzyma się od wszelkich badań o charakterze wojskowym, a wszystkie wyniki prac doświadczalnych i teoretycznych będą publikowane lub ogólnie dostępne w inny sposób". Jako miejsce lokalizacji laboratorium wybrano Genewę, a dokładnie wieś Meyrin tuż przy granicy szwajcarsko-francuskiej. Z perspektywy 50 lat można powiedzieć, że CERN pozostał wierny pierwotnemu przesłaniu, pełniąc rolę nie tylko europejskiego, ale i światowego laboratorium w dziedzinie badań podstawowych. Coraz częściej też nazywany jest Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek, co bardziej odpowiada charakterowi prowadzonych badań.

1957

Ukończona została budowa pierwszego CERN-owskiego akceleratora o nazwie SC. Był to klasyczny synchrocyklotron (stąd nazwa), przyspieszający protony do energii 600 MeV (megaelektronowoltów). Służył on fizyce cząstek i fizyce jądrowej. Został zamknięty w 1990 roku po 33 latach pracy.

1959

Rozpoczął pracę synchrotron protonowy PS (skrót od Proton Synchrotron), do dziś świetnie działający akcelerator. 24 listopada po raz pierwszy przyspieszono w nim protony do energii 24 GeV (gigaelektronowoltów), ponaddwukrotnie wyższej niż rekordowa energia osiągana w synchrotronie protonowym w Dubnej (ZSRR). John Adams, kierujący budową PS, mógł więc otworzyć butelkę wódki, którą kilka miesięcy wcześniej dostał w Dubnej, z zastrzeżeniem, że wolno ją otworzyć dopiero, kiedy akcelerator CERN-owski pobije dubieński rekord energii. Pusta butelka odesłana została do Dubnej z zapisem rekordowego sygnału. Obecnie PS jest sercem zespołu CERN-owskich akceleratorów, dostarczając wstępnie przyspieszone protony do dalszego przyspieszania w potężniejszych akceleratorach, oraz, jak dawniej, do badań z zastosowaniem wiązek protonów bezpośrednio z niego wyprowadzonych. Teraz w ciągu sekundy PS dostarcza tysiąckrotnie więcej protonów niż w pierwszym roku swego działania, a poza protonami przyspiesza też antyprotony, elektrony, pozytony i ciężkie jony.

W tym samym roku wykonano też pierwsze zdjęcia oddziaływań cząstek w malutkiej komorze pęcherzykowej (HBC30), ustawionej na wiązce protonów wyprowadzonych z synchrocyklotronu. Komora ta była jednym z pierwszych detektorów cząstek zbudowanych w CERN i pracowała do 1962 roku. Kolejne budowane tu komory pęcherzykowe były coraz większe i ustawiane na wiązkach cząstek o coraz wyższych energiach. Zdarzenia zachodzące w komorach pęcherzykowych były rejestrowane na taśmach filmowych, a następnie te filmy analizowano. Podczas trzech lat pracy komory HBC30 nakręcono 150 km filmu. Dzisiaj korpus jednej z komór zdobi trawnik CERN, a inna komora stoi w holu głównego budynku w charakterze pięknego akwarium.

Więcej na temat doświadczeń z komorami pęcherzykowymi i polskim udziale w tych eksperymentach znaleźć można w artykule D. Kisielewskiej.

1964

Polska, jako jedyny kraj z dawnego bloku wschodniego, uzyskała status państwa obserwatora w Radzie CERN. Jak to podsumował R. Sosnowski, obecnie razem z J. Niewodniczańskim reprezentujący Polskę w tej radzie, "nie stanowiło to podstawy do formalnie zagwarantowanych ułatwień we współpracy. Stwarzało jednak dla niej szczególnie przyjazną atmosferę". Skorzystali z niej zarówno polscy fizycy doświadczalni, jak i teoretycy cząstek.

Obecnie status państwa obserwatora mają w CERN: Federacja Rosyjska, Indie, Izrael, Japonia, Turcja, USA oraz Komisja Europejska i UNESCO.

Więcej na temat współpracy z CERN polskich teoretyków znaleźć można w artykule K. Fiałkowskiego.

1965

Francuskie władze wyraziły zgodę na rozbudowę laboratorium na terytorium Francji. CERN uzyskał 40 hektarów tuż za granicą szwajcarsko-francuską. Dzięki temu możliwa stała się budowa nowego akceleratora. Kolejny projekt jeszcze większego akceleratora i kolejne porozumienie z Francją, w 1972 roku, doprowadziło do powstania laboratorium w miejscowości Prevessin. Późniejsze rozszerzanie się CERN, związane z eksperymentami prowadzonymi przy akceleratorze LEP i przygotowywanymi w ramach projektu LHC, przeszły już w sposób niemal niezauważalny dla pracujących tam fizyków. Obecnie całkowita powierzchnia CERN-owskiego laboratorium wynosi 600 hektarów.

1967

Uruchomiony został separator izotopów ISOLDE (skrót od ang. Isotope On-Line Separator). To unikalne jak na owe czasy urządzenie korzystało z wiązki protonów pochodzących z synchrocyklotronu SC (w 1992 roku zastąpionego przez lepszy akcelerator o nazwie PS Booster) i rozpraszanych na tarczach jądrowych. Zastosowanie kombinacji chemicznych i elektromagnetycznych metod szybkiej separacji izotopów pozwalało na budowę wiązek jonów złożonych z pojedynczego izotopu. W ten sposób stały się możliwe badania krótko życiowych radioaktywnych jąder i otwarta została droga do budowy akceleratorów służących do ich przyspieszania, np. REX ISOLDE w CERN. Doświadczenia prowadzone z wykorzystaniem ISOLDE i REX ISOLDE służą lepszemu zrozumieniu budowy jąder atomowych, procesów zachodzących we wnętrzu gwiazd, a fizykom ciała stałego np. do badań materiałowych. Polscy fizycy uczestniczyli w wielu doświadczeniach z wykorzystaniem ISOLDE, a cztery sami zaproponowali i kierowali nimi.

1968

G. Charpak zbudował swoją pierwszą wielodrutową komorę proporcjonalną, rewolucjonizując tym samym eksperymentalną fizykę cząstek. Było to wypełnione gazem płaskie "pudło" z dużą liczbą równoległych, cienkich drutów, z których każdy podłączony był do wzmacniacza. Przejście cząstki przez komorę powodowało powstanie sygnałów prądowych na najbliższych drutach, które po wzmocnieniu przesyłane były do komputera i zapisywane na taśmach magnetycznych do późniejszej analizy. Ten pierwszy elektroniczny detektor rejestrował tory cząstek z prędkością tysiąc razy większą niż pozwalały na to techniki wizualne, czyli komory pęcherzykowe i iskrowe. Drutowe detektory gazowe błyskawicznie się zadomowiły w eksperymentalnej fizyce cząstek i znalazły zastosowanie w wielu innych dziedzinach, np. w radiologii i medycynie jądrowej. Za swój wynalazek Charpak otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 1992 roku. Technika komór proporcjonalnych miała jeszcze jedną zaletę - pozwalała grupom uczestniczącym w eksperymentach CERN-owskich na budowę detektorów w małych narodowych laboratoriach. Tę szansę wykorzystali natychmiast polscy fizycy, zapewniając sobie uczestnictwo w ciekawych badaniach w zamian za wkład aparaturowy.

Więcej na temat udziału Polaków w budowie detektorów do eksperymentów znaleźć można w artykule M. Szeptyckiej i M. Turały.

1971

27 stycznia nastąpiły pierwsze zderzenia protonów w nowym CERN-owskim akceleratorze ISR (Intersecting Storage Ring). To była premiera światowa - nigdy wcześniej nie zderzano ze sobą dwu przyspieszonych wiązek. Takie akceleratory przyjęło się nazywać akceleratorami przeciwbieżnych wiązek lub krótko - zderzaczami. Każda wiązka krążyła w oddzielnym pierścieniu o średnicy 300 metrów, a do zderzeń dochodziło w ośmiu punktach na obwodzie, gdzie wiązki naprowadzane były na siebie. Budowa tego akceleratora wymagała przełamania barier technologicznych w dziedzinie uzyskiwania wysokiej próżni oraz bardzo precyzyjnego sterowania i kontroli parametrów wiązek. W momencie, gdy całkowity prąd protonów nagromadzonych w pojedynczym pierścieniu wynosił 20 A, utrata kontroli nad wiązką mogła oznaczać uszkodzenie cienkiej próżniowej rury akceleratora. ISR pozwalał na badania oddziaływań protonów w zakresie energii dostępnych wcześniej jedynie w badaniach oddziaływań promieni kosmicznych w atmosferze ziemskiej. ISR zakończył pracę w 1984 roku.

Udział Polaków w eksperymencie przy zderzaczu ISR przedstawia artykuł R. Gokielego.

1973

Jedno z najważniejszych naukowych dokonań CERN - odkrycie prądów neutralnych. W komorze pęcherzykowej Gargamelle, wypełnionej 18 tonami ciekłego freonu, zaobserwowano takie oddziaływania neutrin, że w ich wyniku zachowywały one swoją tożsamość, nie zamieniając się w swego partnera, którym jest odpowiedni lepton naładowany. Te niezmiernie trudne do obserwacji oddziaływania przewidywane były przez dopiero co sformułowaną, niezwykle obiecującą teorię unifikacji oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Według tej teorii zachodzić miały na skutek wymiany neutralnego bozonu Z, zwanej wymianą prądów neutralnych. CERN-owskie odkrycie stanowiło pierwsze doświadczalne potwierdzenie teorii elektrosłabej, która łącznie z chromodynamiką kwantową, opisującą silne oddziaływania, tworzy Standardowy Model oddziaływań elementarnych.

1976

Rozpoczął pracę kolejny akcelerator - SPS (skrót od ang. Super Proton Synchrotron), przyspieszający protony do maksymalnej energii 450 GeV. Ten wielki akcelerator o obwodzie 7 km umieszczony jest w podziemnym tunelu wydrążonym na głębokości średnio 40 metrów pod terytorium Szwajcarii i Francji. Z użyciem wiązki protonów z SPS realizowany był bardzo szeroki program naukowy, obejmujący m.in. badania oddziaływań neutrin, własności cząstek zawierających ciężki kwark c, oraz struktury protonu i poszukiwania źródeł występowania asymetrii materii i antymaterii we wszechświecie. Z kolei przyspieszane w SPS ciężkie jony stanowiły podstawę bardzo bogatego programu badań oddziaływań jądro-jądro, trwającego od 1986 do 2003 roku. Jednym z rezultatów tego programu było ogłoszenie przez CERN w 2000 roku odkrycia nowego stanu materii, plazmy kwarkowo-gluonowej. Uważa się, że wkrótce po Wielkim Wybuchu wypełniała ona maleńki wówczas wszechświat. W wielu z eksperymentów przy SPS uczestniczyły i nadal uczestniczą polskie grupy. SPS podzielił los wcześniejszych akceleratorów CERN-owskich - w 1989 roku stał się akceleratorem wstępnego przyspieszania elektronów i pozytonów dla akceleratora LEP, a w przyszłości dostarczy protonów akceleratorowi LHC.

Więcej o udziale Polaków w badaniach neutrin znaleźć można w artykule A. Pary i A. Zalewskiej, w badaniach cząstek z ciężkim kwarkiem c - w artykule L. Goerlich i M. Różańskiej, w rozwikłaniu zagadki budowy protonu - w artykule J. Nassalskiego, a w badaniach oddziaływań ciężkich jonów - w artykule J. Bartke i T. Siemiarczuka.

1983

Odkrycie bozonów W i Z, przewidzianych przez teorię oddziaływań elektrosłabych jako cząstek pośredniczących w tych oddziaływaniach. Ponieważ przewidywana masa bozonów była rzędu 80-90 GeV, a więc porównywalna z masą średniej wielkości jądra atomowego, ich wytworzenie wymagało wysokiej energii zderzających się cząstek. W akceleratorze SPS został zbudowany zderzacz antyproton-proton, w którym jednocześnie przyspieszano, krążące w przeciwnych kierunkach, wiązki protonów i antyprotonów. Nowy zderzacz powstał w rekordowo krótkim czasie, czemu sprzyjały lata doświadczeń w budowaniu w CERN bardzo nowatorskich akceleratorów. Zderzacz proton - antyproton wymagał pokonania kolejnej bariery technologicznej, jaką było wytworzenie i utrzymanie dostatecznie intensywnej wiązki antyprotonów. Nic więc dziwnego, że Nagroda Nobla z fizyki, przyznana w 1984 roku za odkrycie bozonów W i Z, po połowie przypadła pomysłodawcy programu eksperymentalnego, fizykowi C. Rubbii i twórcy nowej metodyki, S. van der Meerowi.

W tym samym roku rozpoczął pracę LEAR (skrót od ang. Low Energy Antiproton Ring), który w porównaniu ze zderzaczem antyproton-proton w SPS działał na drugim końcu skali energetycznej, a mianowicie służył badaniom oddziaływań antyprotonów z protonami przy bardzo niskiej energii. Program badań LEAR, realizowany w latach 1983 - 1996, doprowadził do kilku ważnych wyników. Jednym z nich była obserwacja "gluballa" - bardzo oryginalnej cząstki, zbudowanej tylko z gluonów będących nośnikami silnych oddziaływań. LEAR stanowił też inny niż SPS warsztat badań dla zrozumienia asymetrii w występowaniu materii i antymaterii we wszechświecie. No i w 1995 roku w jednym z eksperymentów przy LEAR wytworzono dziewięć atomów antywodoru z antyprotonem jako jądrem i pozytonem na orbicie atomowej. Program tych właśnie atomowych badań przy najniższych energiach antyprotonów kontynuowany jest na "spowalniaczu antyprotonów" AD (skrót od ang. Antiproton Decelerator).

Informację o eksperymentach na LEAR prowadzonych z udziałem Polaków znaleźć można w artykule J. Jastrzębskiego i A. Trzcińskiej, a o eksperymentach z wykorzystaniem AD w artykule H. Białkowskiej.

1989

W sierpniu 1989 roku doszło do pierwszych zderzeń elektronów z pozytonami w zderzaczu LEP (skrót od ang. Large Electron Positon Collider). Akcelerator o obwodzie 27 km został zbudowany w lekko pochylonym podziemnym tunelu na głębokości między 40 a 130 metrów. Do chwili otwarcia tunelu pod kanałem La Manche był to najdłuższy tunel w Europie. Program badawczy czterech eksperymentów prowadzonych przy tym akceleratorze obejmował dokładne zbadanie bozonów Z i W oraz poszukiwanie przejawów głębszych symetrii, wykraczających poza Model Standardowy oddziaływań elementarnych. Już pierwsze miesiące zbierania danych w eksperymentach przy LEP pozwoliły ustalić, że przy zastrzeżeniu lekkości neutrin w przyrodzie występują tylko trzy rodziny kwarkowo-leptonowe (każdą rodzinę tworzą dwa kwarki, jeden o ładunku 2/3, a drugi -1/3 oraz lepton naładowany i neutrino). Ten fundamentalny wynik nie ma na razie wytłumaczenia w teorii. Przez okres ponad 11 lat do chwili zamknięcia LEP w 2000 roku Model Standardowy został przetestowany z niezwykłą dokładnością. Pozwoliło to na przykład na przewidzenie masy najcięższego z sześciu kwarków, zanim został on odkryty w eksperymentach przy akceleratorze Tevatron w USA. Sporne pozostaje, czy w 2000 roku przy najwyższych energiach zderzeń w LEP nie widziano bozonu Higgsa - najbardziej obecnie poszukiwanej cząstki elementarnej. Pozostanie to zagadką do chwili uruchomienia LHC.

O eksperymencie DELPHI, w którym uczestniczyli Polacy, obszerniej opowiada artykuł K. Doroby, T. Lesiaka i A. Zalewskiej.

1990

Powstał szkielet systemu WWW (World Wide Web), który Tim Berners-Lee opracował w CERN rok wcześniej. Co prawda już pod koniec lat 80. naukowcy korzystali z Internetu do wysyłania listów elektronicznych czy łączenia się z innymi komputerami, ale w wielkich zespołach pracujących przy LEP, liczących po kilkuset fizyków i po kilkadziesiąt laboratoriów, bardzo było brak łatwego systemu do wzajemnej komunikacji, przesyłania danych i upowszechniania informacji. Nic więc dziwnego, że CERN ze swoją długą tradycją informatyczną stał się idealnym miejscem do powstania WWW. Trudno uwierzyć, że jedyny CERN-owski serwer WWW po 15 latach rozmnożył się w dziesiątki milionów swoich odpowiedników obecnie działających na świecie. Warto w tym miejscu zacytować refleksję C. Llewellyna-Smitha, jednego z poprzednich dyrektorów CERN, iż ciekawa byłaby informacja, ile to rocznych budżetów CERN dałoby się wygospodarować dzięki temu, że w tym laboratorium, prowadzącym badania podstawowe, z paroletnim wyprzedzeniem powstał program, który zrewolucjonizował m.in. światową gospodarkę.

1991

Polska pierwsza z dawnego "bloku wschodniego", została pełnoprawnym członkiem CERN. Podstawę prawną członkostwa Polski w CERN stanowi umowa między rządem RP i CERNratyfikowana następnie przez prezydenta RP. Od 1991 roku mamy więc wszystkie obowiązki i wszystkie przywileje związane z polskim członkostwem. Obowiązki to płacenie składki do budżetu CERN, która po wielu latach ulg obecnie jest już proporcjonalna do naszego PKB, i wynosi 1,8 proc. tego budżetu. Przywileje to, oprócz pełnego dostępu do badań, możliwość kształtowania polityki naukowej CERN, dostęp do wszystkich programów stypendialnych i kontraktów CERN-owskich, udział polskiego przemysłu w przetargach ogłaszanych przez CERN, organizacja szkół i wystaw CERN-owskich w Polsce oraz wystaw promujących Polskę w CERN.

Więcej na ten temat można znaleźć w artykule M. Chorowskiego o polskim przemyśle w CERN, M. Turały o studenckich programach stypendialnych, M. Rybickiej o "szkołach" organizowanych w Polsce i G. Poloka o wystawach cernowskich w Polsce.

1993

Eksperyment NA31pierwszy raz pokazał, że w rozpady mezonów i antymezonów K wykazują asymetrię prowadzącą do pewnej przewagi materii nad antymaterią. Późniejsze eksperymenty prowadzone w CERN (NA48) i w Fermilab w USA (KTeV) potwierdziły ten wynik. Podobne badania dla mezonów zawierających ciężki kwark b prowadzone są w Japonii i w USA, a w przyszłości będą prowadzone w eksperymencie LHCb w CERN. Wydaje się, że dotychczas zaobserwowane efekty są za małe do całkowitego wytłumaczenia wielkiej przewagi materii nad antymaterią we wszechświecie.

1999-2004

W 1999 roku rozpoczęły się prace ziemne związane z budową akceleratora i eksperymentów LHC. Od tej chwili, a jeszcze bardziej od momentu zamknięcia LEP w 2000 roku, budowa LHC i jego czterech eksperymentów: ALICE, ATLAS, CMS i LHCb, stała się priorytetem CERN. W LHC zderzać się będą dwie wiązki protonowe przy ogromnej całkowitej energii 14 TeV (teraelektronowoltów) oraz wiązki jonów ołowiu przy gigantycznej całkowitej energii ponad 1100 TeV. Fizycy mają więc nadzieję na kolejny jakościowy skok w dziedzinie poznania struktury materii i praw rządzących oddziaływaniami cząstek. Może pojawią się nieznane dotąd cząstki, wskazujące na istnienie głębszej symetrii przyrody i uda nam się zrealizować marzenie o istnieniu idealnej harmonii wszystkich oddziaływań elementarnych? Na razie potrzebny jest ogromny wysiłek kilku tysięcy fizyków, inżynierów i techników, aby w 2007 roku rozpoczęło się zderzanie wiązek w LHC, a cztery supernowoczesne detektory zaczęły zbierać dane. Zarówno w budowie akceleratora, jak i we wszystkich eksperymentach uczestniczą polscy specjaliści.

Pod koniec 2000 roku zatwierdzony też został inny interesujący program badawczy, polegający na budowie nowej, intensywnej wiązki neutrin akceleratorowych CNGS (skrót od Cern Neutrinos to Gran Sasso). Począwszy od 2006 roku, wytworzone w CERN neutrina powędrują pod ziemią do detektorów umieszczonych w oddalonym o 730 km włoskim laboratorium pod masywem Gran Sasso. Po drodze, może pod Alpami, a może w okolicach Florencji, niektóre z nich przeobrażą się w trochę inne neutrina. Eksperyment ICARUS, w którym biorą udział polskie grupy, poszukiwać będzie tych "odmieńców", gdyż ich pojawienie się jest dowodem na nową, ciekawą fizykę poza Modelem Standardowym.

Więcej informacji na temat LHC i jego czterech eksperymentów, w których uczestniczą polskie grupy, znaleźć można w obszernym artykule o LHC oraz artykule o komputerowym gridzie.

OPRAC. J. BARTKE, A. ZALEWSKA