Mark Thomson, profesor fizyki cząstek elementarnych na Uniwersytecie Cambridge, zdobył jedną z najbardziej pożądanych ról w światowej nauce. Jednak z pewnej perspektywy trudno nie zastanawiać się, czy nie dokonał osobistej ofiary dla wyższego dobra.
1 stycznia Thomson zostanie dyrektorem generalnym CERN, nagrodzonego Noblem laboratorium fizyki jądrowej pod Genewą. To tutaj, głęboko pod ziemią, Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) – największe naukowe urządzenie, jakie kiedykolwiek zbudowano – odtwarza warunki z pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu.
LHC zapisał się w historii, odkrywając nieuchwytnego bozonu Higgsa, którego związane z nim pole działa jak kosmiczny klej nadający cząstkom masę. Jednak jednym z pierwszych zadań Thomsona będzie wyłączenie zderzacza na czas poważnych prac inżynieryjnych. Nie zostanie on ponownie uruchomiony aż do końca jego kadencji.
W swoim biurze w Laboratorium Cavendisha, obok modelu podwójnej helisy DNA odkrytej w Cambridge ponad 70 lat temu, Thomson nie jest wcale zniechęcony planowanym wyłączeniem. W rzeczywistości z niecierpliwością wyczekuje nadchodzących pięciu lat.
"Maszyna działa doskonale i zbieramy ogromne ilości danych" – mówi. – "W tym okresie będzie mnóstwo danych do analizy. Wyniki fizyczne będą nadal napływać".
Thomson nie ma typowego akademickiego pochodzenia: uczęszczał do szkoły ogólnokształcącej w Worthing w West Sussex, a zainteresowanie fizyką rozwinął dopiero po przeczytaniu w wieku nastoletnim książki popularnonaukowej o CERN. "To w pewnym sensie wyznaczyło mój kierunek" – wspomina. – "Chciałem zrozumieć, jak działa wszechświat". Był pierwszym w rodzinie, który poszedł na uniwersytet, studiując fizykę w Oksfordzie.
LHC przyspiesza protony – jądra atomów wodoru – do niemal prędkości światła wewnątrz 27-kilometrowego pierścienia pod ziemią na pograniczu francusko-szwajcarskim. W czterech punktach pierścienia zderzane są protony poruszające się w przeciwnych kierunkach. Energia z tych zderzeń tworzy deszcz nowych cząstek, które są rejestrowane przez detektory LHC. Zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina, E=mc², większa energia wytwarza bardziej masywne cząstki.
Rozpoczynające się w czerwcu wyłączenie utoruje drogę dla LHC o Wysokiej Świetlności, czyli poważnej modernizacji obejmującej nowe, potężne magnesy nadprzewodzące do skupiania wiązek protonów, czyniąc je jaśniejszymi. To zwiększy liczbę zderzeń dziesięciokrotnie. Detektory również są ulepszane, aby lepiej wychwytywać subtelne oznaki nowej fizyki. "To niezwykle ekscytujący projekt" – mówi Thomson. – "To ciekawsze niż tylko zwykłe prowadzenie maszyny".
Jeśli się powiedzie, modernizacja umożliwi dokładniejsze pomiary cząstek i ich oddziaływań, potencjalnie ujawniając luki w obecnych teoriach, które mogą prowadzić do nowych odkryć. Jedną z nierozwiązanych zagadek jest sam bozon Higgsa. Podczas gdy cząstki elementarne uzyskują masę z pola Higgsa, to dlaczego ich masy się różnią, pozostaje nieznane. Nawet to, jak bozony Higgsa oddziałują ze sobą, jest niejasne. "Moglibyśmy zobaczyć coś zupełnie nieoczekiwanego" – zauważa Thomson.
Nadzorowanie LHC o Wysokiej Świetlności będzie centralnym punktem pięcioletniej kadencji Thomsona. Ale musi on również zająć się większym i bardziej kontrowersyjnym projektem: planowaniem tego, co nastąpi po LHC, którego żywotność ma się zakończyć około 2041 roku. Głównym kandydatem jest kolosalna maszyna zwana Future Circular Collider (FCC).
Według badania wykonalności CERN, FCC byłby ponad trzykrotnie większy od LHC, wymagając wykopania nowego, 91-kilometrowego, okrągłego tunelu sięgającego 400 metrów pod ziemię. Projekt byłby budowany w dwóch etapach, z pierwszą fazą rozpoczynającą się pod koniec lat 30. XXI wieku. W latach 40. planowane jest zderzanie elektronów z ich partnerami z antymaterii, pozytonami. Następnie, około lat 70., ta maszyna zostałaby zastąpiona nowym zderzaczem zaprojektowanym do zderzania protonów z energią siedmiokrotnie większą niż w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Szacuje się, że koszt pierwszej fazy wyniesie 15 miliardów franków szwajcarskich, czyli około 14 miliardów funtów.
Sama inżynieria jest ambitna, ale Future Circular Collider (FCC) stoi przed szerszymi wyzwaniami. Państwa członkowskie CERN, które zagłosują nad projektem w 2028 roku, nie mogą pokryć całego kosztu, więc potrzebni są dodatkowi międzynarodowi współtwórcy. Jednocześnie trwa debata nad tym, czy jest to najlepsza maszyna do dokonywania nowych odkryć. Nie ma gwarancji, że odpowie na wielkie pytania fizyki, takie jak: Czym jest ciemna materia gromadząca się wokół galaktyk? Czym jest ciemna energia napędzająca ekspansję wszechświata? Dlaczego grawitacja jest tak słaba? I dlaczego materia przeważyła nad antymaterią, gdy formował się wszechświat? Bez wyraźnego, gwarantowanego przełomu zadanie Marka Thomsona, jakim jest pozyskanie wsparcia, będzie trudniejsze.
Jednak CERN zawsze był czymś więcej niż tylko nauką. Dzięki laboratorium Europa jest światowym liderem w fizyce cząstek, przyciągając dziesiątki tysięcy badaczy i napędzając rozwój nowych technologii. Jednak inne kraje, zwłaszcza Stany Zjednoczone i Chiny, posuwają naprzód własne plany dotyczące zderzaczy nowej generacji. To, czy CERN zachowa swoją pozycję, zależy od sukcesu następcy LHC.
"Nie osiągnęliśmy punktu, w którym odkrycia ustały, a FCC jest naturalnym kolejnym krokiem. Naszym celem jest zrozumienie wszechświata na jego najbardziej fundamentalnym poziomie" – mówi Thomson. – "I to absolutnie nie jest czas, aby się poddawać".
Często zadawane pytania
Oczywiście Oto lista często zadawanych pytań dotyczących stwierdzenia: Człowiek przejmujący kontrolę nad Wielkim Zderzaczem Hadronów robi to tylko po to, by go zamknąć
Początkujący Pytania ogólne
1 Czym jest Wielki Zderzacz Hadronów
LHC to największy i najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek To 27-kilometrowy pierścień nadprzewodzących magnesów zakopany pod ziemią w pobliżu Genewy w Szwajcarii w CERN Naukowcy używają go do zderzania protonów z prędkością bliską prędkości światła, aby badać fundamentalne składniki wszechświata
2 Czy to prawda, że nowa osoba przejmuje kontrolę tylko po to, by zamknąć LHC
Nie to nieprawda To nieporozumienie lub element fikcji LHC to kluczowy instrument naukowy Nowi dyrektorzy lub kierownicy projektów są powoływani do zarządzania jego działaniami modernizacjami i przyszłymi celami badawczymi a nie do jego zakończenia
3 Dlaczego ktokolwiek mógłby pomyśleć, że ktoś chce go zamknąć
Ten pomysł może pochodzić z science fiction nieporozumienia dotyczącego planowanej konserwacji lub zamieszania w debatach budżetowych LHC okresowo przechodzi długie przerwy na modernizacje i naprawy co ktoś mógłby błędnie zinterpretować jako trwałe zamknięcie
4 Kto tak naprawdę zarządza LHC
LHC jest zarządzany przez CERN Europejską Organizację Badań Jądrowych Zespół naukowców inżynierów i kierownik projektu nadzoruje jego codzienne działania Role przywódcze zmieniają się z czasem jako część normalnej ścieżki kariery
5 Czy jedna osoba może nawet zdecydować o zamknięciu LHC
Nie LHC to projekt międzynarodowy finansowany i obsługiwany przez współpracę wielu krajów Każda poważna decyzja taka jak trwałe zamknięcie wymagałaby złożonego konsensusu między państwami członkowskimi i społecznością naukową a nie jednej osoby
Średniozaawansowany Pytania operacyjne
6 Czy LHC kiedykolwiek jest zamykany
Tak ale tylko tymczasowo Działa w wieloletnich cyklach po których następują planowane Długie Przerwy Te okresy są przeznaczone na niezbędną konserwację modernizacje mające na celu zwiększenie jego mocy lub czułości oraz instalację nowych detektorów
7 Co dzieje się podczas planowanej Długiej Przerwy
Zespoły wykonują tysiące zadań konserwacyjnych wzmacniając połączenia elektryczne modernizując systemy komputerowe instalując nowe rury wiązek i ulepszając komponenty detektorów To jak gigantyczny pit stop aby uczynić maszynę jeszcze lepszą
