W CERN-ie, czyli u siebie

Marzenie naukowców i miłośników nauki z całego świata, symbol wszystkiego, co w nauce najlepsze. Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN to miejsce, które fascynuje imponującą infrastrukturą, możliwościami, wyjątkowym statusem w świecie badawczym. To miejsce, które nasi fizycy mają szczęście nazywać swoim drugim domem. Odwiedziliśmy ich, żeby lepiej zrozumieć, na czym polega magia pracy w najsłynniejszym ośrodku naukowo-badawczym na świecie.

Wizytę rozpoczynamy od Community Support Centre. W poniedziałkowy poranek w pobliżu CERN-owskiego kompleksu spotykamy mnóstwo osób, które zmierzają do pracy lub, tak jak my, po przepustki. Klimat jest zaskakująco podobny do tego, który znamy z uczelnianego kampusu – czuć przyjemną ekscytację przed nowym tygodniem wyzwań.

Po wyrobieniu specjalnych kart wstępu możemy rozpocząć zwiedzanie ośrodka. Słowo ośrodek nie oddaje jednak w pełni skali tego miejsca. CERN zajmuje powierzchnię 620 hektarów, częściowo po francuskiej, a częściowo szwajcarskiej stronie granicy (choć dla użytkowników granica jest praktycznie niedostrzegalna – przechodzi bowiem przez budynki CERN-u). Na jego terenie możemy znaleźć niemal 700 różnych obiektów połączonych 30-kilometrową siecią dróg. CERN to jednak nie tylko to, co widzimy na powierzchni ziemi, to również – a może przede wszystkim – olbrzymia infrastruktura podziemna. Tak jest choćby z detektorem ALICE (A Large Ion Collider Experiment), do którego prowadzi ponad 50-metrowy szyb. I to właśnie ALICE, jeden z czterech dużych eksperymentów przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), jest pierwszym punktem naszej podróży.

Bogate wnętrze Alicji

Naszym przewodnikiem jest dr hab. inż. Łukasz Graczykowski, prof. PW, od lat związany z eksperymentem. Choć ze względu na trwające zbieranie danych i wynikające z niego promieniowanie i działanie silnych elektromagnesów nie możemy zjechać do samego detektora, odwiedzamy multimedialną wystawę, która przybliża strukturę i sens ALICE.

Główny cel „Alicji” to zrozumienie materii – tego, skąd się wzięła i czy jej forma zawsze była taka jak ta, którą znamy dzisiaj i rozpoznajemy zmysłami. Historia Wszechświata rozpoczyna się w momencie Wielkiego Wybuchu. Od narratora słyszymy, że w jego wyniku w ciągu mniej niż jednej milionowej sekundy powstały wszystkie cząstki znajdujące się we Wszechświecie. Przez krótką chwilę tworzyły one gęstą, gorącą „zupę”, zwaną plazmą kwarkowo-gluonową, wewnątrz której swobodnie poruszały się kwarki. Naukowcy chcą zbadać właściwości tego pierwotnego stanu materii, by zrozumieć, jak narodziła się materia Wszechświata.

– Rozpędzamy jądra ołowiu do prędkości bliskiej prędkości światła – tłumaczy Łukasz Graczykowski – nasz fizyk i ALICE Team Leader. – Przy zderzaniu odtwarzamy ekstremalne warunki panujące w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, kiedy protony i neutrony niejako topniały, uwalniając kwarki z wiązań z gluonami. Badamy proces rozszerzania i stygnięcia plazmy kwarkowo-gluonowej i obserwujemy powstawanie cząstek, które budują znaną nam materię.

Obraz

Procesów tych nie można oczywiście zobaczyć gołym okiem. Wszystko, co dzieje się w detektorze, rejestruje zespół kilkunastu powiązanych systemów, które łącznie można rozumieć jako olbrzymią trójwymiarową kamerę cyfrową o miliardzie pikseli i ekstremalnie wysokiej rozdzielczości, która zapisuje kierunki oraz energię cząstek produkowanych w zderzeniu.

Ktoś nie śpi, aby spać mógł ktoś 

CERN-owskie detektory to gratka dla inżynierów. Zbudowane z olbrzymią precyzją, składają się z wielu elementów mających zapewnić niezakłócone działanie przez długi czas. To o tyle ważne, że każda minuta przestoju w zbieraniu i analizie danych to duże straty. Godzina działania LHC jest warta w przybliżeniu 10.000 euro – tutaj czas to faktycznie pieniądz.  

Choć systemy są zbudowane z wielką dbałością, ktoś zawsze musi czuwać nad ich prawidłowym działaniem. Na terenie kompleksu ALICE znajduje się niepozorne pomieszczenie, Run Control Center, czyli sterownia eksperymentu. Znajdziemy tam m.in. wyświetlacz Event Display, który działa bezustannie i dostarcza personelowi monitorującemu natychmiastowych wskazówek dotyczących możliwych problemów zarówno ze sprzętem, jak i oprogramowaniem.  

Mamy okazję porozmawiać krótką chwilę z mgr inż. Zuzanną Chochulską, doktorantką naszą i Politechniki Czeskiej w Pradze, która akurat była w trakcie jednej z szycht, czyli dyżuru w sterowni.

– Każda szychta to 8-godzinny cykl, podczas którego dyżurujący muszą reagować na wszelkie niepokojące sygnały związane z działaniem detektora – wyjaśnia Zuzanna Chochulska. – Zmiany są rotacyjne, dlatego mogą być wyzwaniem dla organizmu. Czujność trzeba zachować o każdej porze dnia i nocy i błyskawicznie reagować na informacje dostarczane przez system. 

Wśród obowiązków wylicza kontrolę zbierania danych i służącego do tego systemu, sprawdzanie informacji o stanie poszczególnych poddetektorów i kontrolę stanu każdego z poszczególnych detektorów. Nie może też zabraknąć dostępu do kontroli jakości zbieranych danych. 

A co, jeżeli dzieje się coś niepokojącego i jest podejrzenie awarii? Wówczas szychterom pomagają eksperci, którzy pozostają w gotowości 24 godziny na dobę, również we wszystkie weekendy i święta. Zwykle taka osoba stara się rozwiązać problem zdalnie, logując się do sieci CERN oraz eksperymentu. Gdy jest to niemożliwe – musi być w stanie zjawić się na miejscu w ciągu dwóch kwadransów.  

Aby w szczególnych przypadkach była opcja zjechania do serca eksperymentu i zdiagnozowania problemu, często konieczne jest wyłączenie części detektora i czekanie na odpowiedni moment, by wizyta w podziemiach stała się możliwa. Każdemu takiemu zjazdowi towarzyszy rytuał bezpieczeństwa, rozpoczynający się od skanowania tęczówki – to krok konieczny, by otworzyć drzwi śluzy, jeszcze przed zjechaniem do eksperymentu. Każdy specjalista, który zjeżdża windą, musi być wyposażony w kask, antypoślizgowe buty, dozymetr. W wyjątkowym przypadku pracy w miejscach, gdzie może dojść do wycieku niebezpiecznych gazów, należy także używać specyficznego rodzaju maski. Co ważne, żaden ekspert nie może pojawić się na dole przed sprawdzeniem tego miejsca przez osoby z sekcji Radioprotection.

Obraz

Największe doświadczenie ma w tej materii Krystian Rosłon, który na różnych etapach czuwał zarówno nad całym eksperymentem ALICE, jak i nad kluczowym systemem FIT (Fast Interaction Trigger), a od niedawna pełni rolę FIT Detector Control System Technical Coordinator. Naszymi ekspertami ds. FIT są również mgr inż. Maciej Czarnynoga oraz mgr inż. Monika Kutyła. Jak mówią sami CERN-owcy: No FIT, no ALICE. Bez detektora FIT działanie ALICE nie jest możliwe, a bez naszych specjalistów nie jest możliwe zapewnienie funkcjonowania FIT. 

Ciągły rozwój 

Osoby pilnujące CERN-owskich eksperymentów zdaje się napędzać olbrzymia odpowiedzialność za prawidłowe działanie systemu i powodzenie eksperymentu, w który są zaangażowane grupy badaczy z całego świata. Pracy zapowiada się jednak jeszcze więcej. Mgr inż. Maciej Czarnynoga działa w zespole rozwijającym nowy poddetektor FoCal (Forward Calorimeter), który otwiera nowe możliwości dla naukowców, ale również studentów. 

Włączanie studentów i doktorantów w prace w CERNie jest jednym z priorytetów dla badaczy z PW. To nie tylko zapewnienie im możliwości rozwoju naukowego, ale też dążenie do rozszerzania aktywności, tak by w jednym eksperymencie skupiać się nie tylko na analizie danych, ale też tworzeniu systemów automatyki i sterowania, poprawianiu jakości danych, projektowaniu i budowie nowych detektorów. Nie mniej ważne jest utrzymanie ciągłości działań – wiedza i kadry cyrkulują, dlatego tak ważne jest przekazywanie pałeczki młodszemu pokoleniu i wdrażanie kolejnych roczników w tajniki tamtejszych eksperymentów.

W tym roku Politechnice udało się wysłać do CERN-u grupę aż 35 studentów i doktorantów. To młodzi ludzie nie tylko z Wydziału Fizyki, ale również wydziałów Elektroniki i Technik Informacyjnych, Elektrycznego, Matematyki i Nauk Informacyjnych, Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa, Mechatroniki oraz Samochodów i Maszyn Roboczych. Krystian Rosłon i Maciej Czarnynoga postanowili w ramach tej grupy zaprosić kilka osób do praktyk technicznych. Po wstępnej selekcji i rozmowach kwalifikacyjnych grupa pięciorga szczęśliwców dostała szansę na postawienie pierwszych kroków w topowym centrum badań fizyki cząstek elementarnych. Ich wyjazd był możliwy m.in. dzięki dofinansowaniu z programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” i grantowi ministerialnemu.

Choć CERN wzbudza ogólnoświatowy podziw, nie brak głosów sceptycznych. To instytucja, która pochłania ogromne środki pochodzące m.in. ze składek państw członkowskich, nieuniknione jest więc pytanie o to, czy i jak te ogromne inwestycje się zwracają.

Odpowiedź jest prosta i skomplikowana zarazem, dotyczy bowiem istoty badań podstawowych. Ich celem nie jest stworzenie rozwiązań gotowych do wdrożenia, a zdobycie nowej wiedzy o określonych zjawiskach, formułowanie i testowanie hipotez. Choć dociekanie prawdy o początkach Wszechświata, antymaterii i czarnej materii rozgrzewa umysły badaczy i fascynatów, może nie być wystarczającym dowodem użyteczności dla wielu wątpiących. Na szczęście CERN dowiódł, że badania podstawowe miewają „skutki uboczne”, które pozytywnie wpływają na życie ludzi na całym globie. Wśród nich można wymienić sieć www, diagnostykę PET, terapię hadronową.

Inwestycje w CERN zwracają się z nawiązką. To jednak proces, który potrafi trwać dekady, wymaga więc ogromnej cierpliwości. Uzmysławia to wizyta w fabryce antymaterii (Antimatter Factory), w której cząstki zamiast przyspieszać, zwalniają dzięki deakceleratorowi – stamtąd antycząstki wędrują do infrastruktury kilku eksperymentów, w tym AEgIS.

– Kiedy materia i antymateria się spotykają, dochodzi do anihilacji – mówi Jakub Zieliński, doktorant. – Teoretycznie można wykorzystać ten fakt, by opracować źródło energii o olbrzymiej mocy, to jednak cały czas pieśń przyszłości. Przypomina, że do tej pory udało się wyprodukować ilość antywodoru, czyli neutralnej i „stabilnej” antymaterii, która pozwoliłoby na ledwie kilkugodzinne zasilenie żarówki o mocy 60 W.

Potrzeba więc codziennej, systematycznej pracy, badań i stwarzania warunków do swobodnego odkrywania praw rządzących znanymi i nie do końca poznanymi zjawiskami. ALICE, AEgIS, ale również CMS, NA61/SHINE i COMPASS to eksperymenty, w które ogromny wkład mają badacze z Politechniki Warszawskiej, w tym Wydziału Fizyki. Polska od ponad 30 lat jest pełnoprawnym członkiem CERN-u, a PW niejako współwłaścicielem eksperymentów, których składki opłaca. Wszystko wskazuje na to, że nasza obecność w tym ośrodku będzie się zwiększać. Nic więc dziwnego, że dla fizyków i wielu innych inżynierów z PW CERN to istotnie jest drugi dom – tak jak Polska jest formalnie współwłaścicielem CERN-u, tak PW jest współwłaścicielem tych eksperymentów, których składki opłaca.

Źródło: fizyka.pw.edu.pl