Czym zajmują się fizycy w CERN?

R1BM3hVkD0vAr

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN (kiedyś: Europejska Rada Badań Jądrowych, fr. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire [kąsej europeja pur la ryszersze njuklier] – od tej nazwy pochodzi skrót) to ośrodek naukowo‑badawczy, mieszczący się w Szwajcarii przy francuskiej granicy. W ośrodku tym pracuje około $8000$ naukowców z całego świata, w tym z Polski. Najbardziej znanym narzędziem pracy naukowców w CERN jest Wielki Zderzacz Hadronów – największy na świecie akcelerator cząstekakcelerator cząstekakcelerator cząstek. Czym dokładnie zajmują się fizycy w CERN?

Twoje cele

uporządkujesz zagadnienia dotyczące budowy atomu;
zastosujesz wiadomości dotyczące cząstek elementarnych;
prześledzisz historię ośrodka badawczego CERN;
uzyskasz wiedzę o najważniejszych badaniach prowadzonych w CERN.

Początku CERN‑u

Początki CERN-u sięgają już lat czterdziestych $XX$ wieku. W $1949$ roku francuski fizyk Louis de Broglie [lui de broj] wpadł na pomysł, aby Europa, wyniszczona po $II$ Wojnie Światowej, spróbowała odzyskać swoją naukową wielkość i dorównać Stanom Zjednoczonym. USA po wojnie wiodło prym w odkryciach naukowych, głównie za sprawą wielu naukowców, którzy wyemigrowali ze starego kontynentu. Pomysłem Louisa de Broglie’a było stworzenie wielonarodowego laboratorium fizyki atomowej. Na międzyrządowym spotkaniu UNESCO [junesko] w Paryżu, pod koniec $1951$ roku, przyjęło uchwałę o utworzeniu Europejskiej Rady Badań Jądrowych (fr. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), w skrócie CERN. Półtora roku później opracowano ostateczny projekt porozumienia, które zostało podpisane przez $12$ państw członkowskich.

W lipcu $1955$ roku dyrektor CERN Felix Bloch [feliks bloch] (noblista w dziedzinie fizyki za badania dotyczące magnetycznego rezonansu jądrowego), położył kamień węgielny i w ten sposób na granicy francusko‑szwajcarskiej, niedaleko Genewy, założono laboratorium CERN. Było to jedno z pierwszych międzynarodowych przedsięwzięć w Europie, a aktualnie zrzesza $23$ państwa członkowskie. Podstawowym zadaniem CERN była próba opisu struktury Wszechświata w najmniejszej skali. Sposobem na wykonanie tego zadania było zbudowanie olbrzymich maszyn, w których przeprowadzane będą zderzenia cząstek.

R1IH0xPoNSKXf

Czarnobiałe zdjęcie. Widoczna jest na nim grupa ludzi. Jeden z nich kuca i ma dłonie włożone w wykopaną w ziemi dziurę. — Dyrektor CERN Felix Bloch kładzie kamień węgielny pod budowę laboratorium
Źródło: dostępny w internecie: www.cds.cern.ch, domena publiczna.

W roku $1957$ roku w CERN rozpoczęto budowę pierwszego akceleratora cząstek – synchrocyklotronu. Jest to rodzaj cyklotronucyklotroncyklotronu, czyli cyklicznego akceleratora cząstek, wykorzystującego pole elektrycznepole elektrycznepole elektryczne i stałe pole magnetycznepole magnetycznepole magnetyczne do przyspieszania cząstek na zakrzywionym torze w kształcie spirali. W synchrocyklotronie wykorzystuje się zmienne pole elektryczne, które dobiera się w taki sposób, aby czas obiegu cząstek nie zwiększał się. Zadaniem pola magnetycznego jest zakrzywianie toru ruchu ładunków, co sprawia, że cząstka przechodzi wielokrotnie przez obszar pola elektrycznego i przyspiesza. Zwiększanie prędkości ładunków możliwe jest tylko wtedy, gdy zmiany kierunku pola elektrycznego zachodzą z częstotliwością cyklotronową. Częstotliwość tę opisuje się wzorem:

f = \frac{q \cdot B}{2 π \cdot m}

gdzie:
$q$ – ładunek elektryczny,
$B$ – indukcja pola magnetycznegoindukcja magnetycznaindukcja pola magnetycznego,
$m$ – masa cząstki.

Przykład 1

Ile wynosi wartość indukcji pola magnetycznego, jeśli częstotliwość cyklotronowa dla protonu wynosi $3, 2 \cdot 10^{6} Hz$ ?

Rozwiązanie:

Przekształcamy wzór $f = \frac{q \cdot B}{2 π \cdot m}$ tak, aby otrzymać wyrażenie $B$ :

$B = \frac{2 π \cdot m \cdot f}{q}$ .

Do wzoru podstawiamy dane z zadania i wartości tabelaryczne:

częstotliwość $f = 3, 2 \cdot 10^{6} Hz$ ,

masa protonu $m = 1, 67 \cdot 10^{- 27} kg$ ,

ładunek protonu $q = 1, 602 \cdot 10^{- 19} C$ ,

$B = \frac{2 \cdot 3, 14 \cdot 1, 67 \cdot 10^{- 27} kg \cdot 3, 2 \cdot 10^{6} Hz}{1, 602 \cdot 10^{- 19} C} = 0, 21 T$ .

Aktualnie w CERN znajduje się największy na świecie akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Hadronów (LHC [el ejcz si / el ha ce] – Large Hadron Collider [lardż hadron kolajder]). Zderzacz znajduje się ponad $100$ metrów pod ziemią, a jego pierwsze uruchomienie miało miejsce $10$ września $2008$ roku. LHC składa się z pierścieni magnesów nadprzewodzących, zamontowanych w tunelu w kształcie torusa o długości $27$ kilometrów. Dodatkowo, są przy nim akceleratory, które wystrzeliwują cząstki. Wytwarzane są w nim dwie wiązki cząstek, które poruszają się po kołowych torach w przeciwnych kierunkach. Wiązki wewnątrz LHC zderzają się w czterech miejscach, rozmieszczonych wokół pierścienia akceleratora, gdzie rejestrowane są przez detektory cząstek – m.in. ATLAS [atlas], CMS [si em es / ce em es], ALICE [alis] i LHCb [el ejcz si bi / el ha ce be].

RCgPJKCNNIpM2

Zdjęcie wnętrza tunelu. Tunel ma kształt rury z płaską podłogą. Na podłodze ustawiona jest długa rura, niknąca w głębi tunelu. — Tunel Wielkiego Zderzacza Hadronów – największego na świecie akceleratora cząstek
Źródło: Maximilien Brice (CERN), dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

R1GyWKLf55L8A

Zdjęcie dużej konstrukcji. Konstrukcja ma symetrię centralną, z dużym otworem w środku. Widoczna jest żółta kładka prowadząca do otworu. — Detektor CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów, jeden z kilku służących do rejestracji efektów zderzeń cząstek
Źródło: dostępny w internecie: Pexels.com, licencja: CC BY 3.0.

Wewnątrz LHC cząstki mogą uzyskać $99, 999 %$ prędkości światłaprędkość światłaprędkości światła, po czym zderzają się ze sobą. Efektem takich zderzeń protonów jest tworzenie się strumienia innych cząstek. Są one często nietrwałe i istnieją mniej niż sekundę, ale pozostawiają ślad, który naukowcy mogą śledzić. Odbywa się to dzięki wspomnianym detektorom, które pozwalają naukowcom zobaczyć cząstki elementarne. Jednym z nich jest detektor ATLAS. Urządzenie ma prawie $45$ metrów długości i $25$ metrów wysokości. Naukowcy z CERN używają ATLASa i pozostałych detektorów do badania własności wczesnego Wszechświata oraz szukania cząstek przewidzianych w Modelu Standardowym. Użycie detektora ATLAS pomogło znaleźć między innymi bozon Higgsa [higs], czyli higson. Jest to cząstka, która została przewidziana teoretycznie w $1964$ roku przez fizyka Petera Higgsa [piter higs], ale dopiero w roku $2012$ potwierdzono jej istnienie doświadczalnie. W skrócie, higson to nośnik pola, które nadaje masę materii.

R1SZUROZJC37B1

Na zdjęciu widocznych jest dużo metalowych konstrukcji. Szczególnie rzuca się w oczy jedna, o symetrii centralnej, na przeciwko której znajduje się żółty podest. — Detektor ATLAS, jeden z kilku służących do rejestracji efektów zderzeń cząstek
Źródło: Von Frank Hommes, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Rozbijanie cząstek z prędkością światła to tylko połowa zabawy, reszta polega na interpretacji danych, które zostały pozyskane z tych doświadczeń. W LHC cząstki zderzają się prawie $600$ milionów razy na sekundę, a dane jakie są pozyskiwane to informacje, między innymi, o wnętrzu atomu, siłach i oddziaływaniu między cząstkami. Jest to tak duża liczba danych, że każdego dnia przetwarzany jest jeden petabajt ( $10^{15}$ bajtów) informacji.

Przykład 2

Na podstawie powyższych informacji oblicz, ile kart pamięci (w zaokrągleniu do pełnych kart) o pojemności $256 GB$ zajęłyby dzienne dane pozyskiwane w CERN.

Rozwiązanie:

Stosując system dziesiętny, zapiszemy że:

petabajt $1 PB = 10^{15} bajtów$ ,

gigabajt $1 GB = 10^{9} bajtów$ .

Oznacza to, że w jednym petabajcie znajduje się następująca liczba gigabajtów:

$\frac{10^{15}}{10^{9}} = 10^{6} GB$ .

Jeśli jedna karta pamięci to $256 GB$ , to pojemność $10^{6} GB$ będzie miało kart:

$1$ karta – $256 GB$ ,

$x$ – $10^{6} GB$ ,

$x = \frac{1 \cdot 10^{6}}{256} = 3906, 25 \approx 3907$ .

Przy czym zaokrąglenie w górę wynika z tego, że chcemy zgrać wszystkie dane.

Podsumowując, podstawowym i najbardziej znanym urządzeniem CERN jest Wielki Zderzacz Hadronów – dzięki niemu przeprowadzone są doświadczenia, badane są cząstki elementarne. Czym tak w ogóle są te hadronyhadronyhadrony? Do tej pory poznałeś podstawowe cząstki elementarne, jak elektrony, protony czy neutrony uznane za niepodzielne. Z czasem okazało się, że w skład między innymi protonu czy neutronu wchodzą jeszcze kwarkikwarkikwarki.


Nazwa	Symbol	Ładunek
górny	$u$ (od ang. up)	$+ \frac{2}{3} e$
dolny	$d$ (od ang. down)	$- \frac{1}{3} e$
dziwny	$s$ (od ang. strange)	$- \frac{1}{3} e$
powabny	$c$ (od ang. charm)	$+ \frac{2}{3} e$
niski, piękny	$b$ (od ang. bottom)	$- \frac{1}{3} e$
wysoki, prawdziwy	$t$ (od ang. top)	$+ \frac{2}{3} e$

Według aktualnej wiedzy, cząstki elementarne stanowią kwarki i leptonyleptonyleptony (fermiony) oraz ich antycząstkiantycząstkiantycząstki. Obok nich istnieją jeszcze bozonybozonybozony, jak na przykład gluony – bezmasowe cząstki pośredniczące w wymianie gluonów między kwarkami lub między innymi gluonami.

Leptony to cząstki takie jak elektron, neutrino elektronowe, mion. Kwarki budują bariony, do których należą między innymi proton i neutron, a pary kwarków i antykwarków tworzą mezony. Bariony i mezony noszą wspólną nazwę – hadrony.

Wybrane cząstki elementarne
Rodzaj cząstki	Cząstka	Symbol	Masa $\left[\mathrm{\large\frac{MeV}{c^2}}\right]$
leptony	elektron	$e^{-}$	$0, 511$
	neutrino elektronowe	$ν_{e}$	$\approx 0$
	mion	$μ^{-}$	$105, 7$
	neutrino mionowe	$ν_{μ}$	$< 15, 5$
	taon	$τ^{-}$	$1777$
	neutrino taonowe	$ν_{τ}$	$\approx 0$
hadrony bariony	proton	$p$	$938, 3$
	neutron	$n$	$939, 6$
	lambda	$Λ^{0}$	$1115, 7$
	sigma	$Σ^{+}$	$1189, 4$
	ksi	$Ξ^{0}$	$1315$
	omega	$Ω^{-}$	$1672$
hadrony mezony	pion	$π^{+}$	$139, 6$
	pion obojętny	$π^{0}$	$135$
	kaon	$Κ^{+}$	$493, 7$
	ypsilon	$Υ$	$9460$

Przykład 3

Na podstawie powyższych informacji, oblicz masę mionu w kilogramach.

Rozwiązanie:

Wiemy, że masa mionu wynosi $m_{\mu}=105,7\,\frac{\mathrm{MeV}}{c^2}$ . Aby wyrazić ją w kilogramach, należy przeliczyć elektronowolty na dżuledżuldżule:

$1 eV = 1, 602 \cdot 10^{- 19} J$ ,

czyli:

$1 MeV = 10^{6} \cdot 1, 602 \cdot 10^{- 19} J = 1, 602 \cdot 10^{- 13} J$ ,

które następnie można wyrazić poprzez jednostki podstawowe $1 J = 1 \frac{kg \cdot m^{2}}{s^{2}}$ .

Wiemy również, że prędkość światła

$c = 3 \cdot 10^{8} \frac{m}{s}$ ,

zatem masa mionu w kilogramach $m_{μ} = 105, 7 \frac{MeV}{c^{2}} = 105, 7 \frac{1, 602 \cdot 10^{- 13} \frac{kg \cdot m^{2}}{s^{2}}}{{(3 \cdot 10^{8} \frac{m}{s})}^{2}} = 105, 7 \frac{1, 602 \cdot 10^{- 13} \frac{kg \cdot m^{2}}{s^{2}}}{9 \cdot 10^{16} \frac{m^{2}}{s^{2}}}$ ,

$m_{μ} = 1, 88 \cdot 10^{- 28} kg$ .


Cząstka	Symbol	Kwarki	Ładunek
proton	$p$	u u d	$1$
neutron	$n$	u d d	$0$
lambda	$Λ^{0}$	u d s	$0$
omega	$Ω^{-}$	s s s	$- 1$

Przykład 4

Na podstawie powyższej tabeli wykaż, że neutron ma ładunek obojętny, a cząstka omega $- 1$ .

Rozwiązanie:

Neutron zbudowany jest z trzech kwarków: u, d, d, czyli kwark górny o ładunku $+ \frac{2}{3} e$ i dwa kwarki dolne o ładunkach $- \frac{1}{3} e$ każdy. Suma tych ładunków wynosi $0$ .
Omega zbudowana jest z trzech kwarków – s, s, s, czyli trzech kwarków dziwnych o ładunkach $- \frac{1}{3} e$ każdy. Suma tych ładunków wynosi $- 1$ .

Celem badań prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów jest poszerzenie wiedzy o otaczającym nas Wszechświecie. Aktualnie nasza wiedza o materii nie ogranicza się do badań nad podstawowymi składnikami jądra, jak protony czy neutrony. Głównym obszarem badań prowadzonych w CERN jest fizyka cząstek. Pracujący w CERN naukowcy codziennie gromadzą dane prowadzące do przełomowych odkryć, jak choćby bozon Higgsa. Wszystkie te postępy w badaniach to realizacja marzeń europejskich fizyków, zapoczątkowane w latach czterdziestych $XX$ wieku. Wiele odkryć zapewne jeszcze przed nami. Naukowcy w CERN poszukują śladów ciemnej materii czy starają się wyjaśnić początki Wszechświata. Czekamy na kolejne przełomowe odkrycia.

Czym zajmują się fizycy w CERN?

RCnMQW2etHkRy

Polecenie 1

W jaki sposób utrzymywana jest wiązka w akceleratorze? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.

RJB6KuhMqHXsi

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 2

Co to jest plazma kwarkowo–gluonowa? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.

RKMhisXkIVyGz

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 3

Wymień najważniejsze elementy akceleratora zderzeniowego. Odpowiedź zapisz w polu poniżej.

RWVegwzTNgQt3

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Sprawdź się

R1ZD8qgjjG5zQ

Ćwiczenie 1

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R2NE0jHNFqeJ0

Ćwiczenie 2

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1ejZtFiYnx1s

Ćwiczenie 3

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1aSOIiTv0rLS

Ćwiczenie 4

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 5

Jakie znasz leptony i hadrony? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.

RNRiIncnZLC9X

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RIafnRDVaHd3A

Ćwiczenie 6

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 7

Z jakich kwarków składają się proton i lambda? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.

RNn0YFVLBtJES

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Proton - $u$ , $u$ , $d$ ,

Lambda - $u$ , $d$ , $s$ .

RFgBjl25Ynh4l

Ćwiczenie 8

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

akcelerator cząstek

urządzenie przyspieszające polem elektrycznym naładowane cząstki.

antycząstki

antymateria; cząstki elementarne, podobne do ich odpowiedników w zwykłej materii, jednak o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego. Przy zderzeniu cząstka–antycząstka dochodzi do ich anihilacji (destrukcji).

bozony

cząstki pośredniczące w oddziaływaniach (przenoszące oddziaływania).

cyklotron

rodzaj akceleratora cząstek.

dżul

$\mathrm{J}$ , jednostka energii.

elektronowolt

$\mathrm{eV}$ , jednostka energii; jeden elektronowolt równy jest $1,602\cdot10^{-19}$ dżula.

hadrony

cząstki elementarne złożone z kwarków lub gluonów.

indukcja magnetyczna

wielkość wektorowa służąca do opisu natężenia pola magnetycznego. Jej jednostką jest tesla $\mathrm{T}$ .

kwarki

cząstki elementarne, według aktualnego stanu wiedzy niepodzielne. Fermiony podlegające oddziaływaniu silnemu.

leptony

cząstki elementarne, według aktualnego stanu wiedzy niepodzielne. Fermiony niepodlegające oddziaływaniu silnemu.

pole elektryczne

przestrzeń wokół ładunku elektrycznego, w której każdym punkcie można określić siłę, jaka będzie działała na naładowane ciało umieszczone w tej przestrzeni.

pole magnetyczne

przestrzeń, w której każdym punkcie można określić siłę, jaka będzie działała na naładowane ciało poruszające się w tej przestrzeni.

prędkość światła

stała fizyczna zwykle oznaczana symbolem $c$ ; prędkość światła w próżni wynosi $299792458\,\mathrm{\frac{m}{s}}$ .

synchrotron

rodzaj akceleratora cząstek.

Bibliografia

Sagnowska B., Szot‑Gawlik D., Godlewska M., Rozenbajgier M., Rozenbajgier R., 2017, Świat fizyki, Warszawa, WSiP

bg‑gray2

Notatki

RY3EYmydaCQfK

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.