Wkład polskich naukowców i inżynierów w budowę Wielkiego Zderzacza Hadronów i funkcjonowanie całego kompleksu akceleratorów w CERN
Andrzej Siemko
CERN, Europejska Organizacja Badań Jądrowych w Genewie
Kompleks akceleratorów w CERN to łańcuch powiązanych ze sobą akceleratorów liniowych i kołowych, które przyspieszają cząstki do coraz wyższych energii. Każdy akcelerator zwiększa energię wiązki cząstek przed wstrzyknięciem wiązki do następnego stopnia przyspieszania. W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), który jest ostatnim elementem w tym łańcuchu, wiązki protonów są przyspieszane do maksymalnej energii, która dotychczas osiągnęła 6,5 TeV na wiązkę. Odbywa się to wewnątrz 27-kilometrowego akceleratora LHC o kształcie pierścienia, który jest umieszczony w tunelu około100 m pod powierzchnią ziemi. Wielki Zderzacz Hadronów to najpotężniejszy akcelerator cząstek, jaki kiedykolwiek zbudowano. LHC pozwala naukowcom odtworzyć warunki, które istniały w ciągu miliardowej części sekundy po Wielkim Wybuchu. W tych pierwszych momentach Wszechświata powstały cząstki i siły, które ukształtowały nasz Wszechświat. Naukowcy odtwarzają te warunki, zderzając wiązki wysokoenergetycznych protonów rozpędzonych niemal do prędkością światła. Protony są przyśpieszane w dwóch wysokopróżniowych, pierścieniowych torach (rurach) wiązek LHC. Wiązka w jednym pierścieniu krąży zgodnie z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy wiązka w drugim pierścieniu krąży w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Wypełnienie każdego pierścienia LHC wiązką protonów zajmuje około 30 minut, a przyśpieszenie protonów do maksymalnej energii 6,5 TeV trwa 20 minut. W normalnych warunkach pracy wiązki protonów, po przygotowaniu i zogniskowaniu w punktach zderzeń, krążą przez wiele godzin w pierścieniach LHC. Dwie wiązki zderzają się w czterech detektorach – ALICE, ATLAS, CMS i LHCb – gdzie całkowita energia w punkcie zderzenia wynosiła dotychczas 13 TeV. Wielki Zderzacz Hadronów zderza nie tylko protony, ale także cięższe jądra. Do tej pory przeprowadzono zderzenia Pb-Pb, p-Pb i Xe-Xe przy różnych energiach, a wkrótce planowane są zderzenia p-O i O-O w ramach tego, co początkowo pomyślano jako odrębny program fizyczny dotyczący zbiorowego zachowania materii QCD przy ekstremalnych gęstościach energii i ekstremalnych temperaturach.
Polscy naukowcy i inżynierowie są obecni od trzydziestu lat w wielu dziedzinach ważnych dla kompleksu akceleratorowego w CERN, w tym w największym stopniu związanych z budową i późniejszą eksploatacją Wielkiego Zderzacza Hadronów. Warto w tym miejscu wspomnieć o udziale w pracach nad koncepcją akceleratora, budowie jego elementów i ich instalacji oraz wstępnym uruchamianiu LHC. Wiodący wkład w te prace wnieśli naukowcy i inżynierowie z Politechniki Krakowskiej, Instytutu Fizyki PAN, Politechniki Wrocławskiej, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN i Akademii Górniczo-Hutniczej. W pierwszym uruchomieniu LHC uczestniczyło ponad 100 polskich inżynierów i techników. Ważnymi zadaniami, których podjęły się zespoły fizyków, inżynierów i techników z IFJ i AGH w Krakowie była weryfikacja wykonania i kontrola jakości połączeń między-magnesowych, z punktu widzenia poprawności działania poszczególnych systemów, a także szczegółowe pomiary i analiza obwodów elektrycznych systemu magnesów LHC, obejmująca sprawdzenie prawidłowości połączeń, ciągłości obwodów, a także biegunowości magnesów korekcyjnych. Zadania te wymagały dużej wiedzy na temat zasad działania współczesnych akceleratorów. Polski wkład obejmował również zaprojektowanie i wykonanie wymaganych instrumentów pomiarowych, które były zastosowane w procesie kontroli jakości.
Udział polskich naukowców i inżynierów nie ograniczył się do fazy budowy i uruchamiania Wielkiego Zderzacza Hadronów. Polscy specjaliści są obecni w wielu dziedzinach związanych z eksploatacją i modernizacją całego kompleksu akceleratorów. Są to specjaliści zatrudnieni w CERN w liczbie około 50 osób, a także kilkadziesiąt osób pracujący na umowach czasowych, zwykle oddelegowanych przez swoje instytucje macierzyste.
Oprócz aktywnego udziału polskich naukowców i inżynierów w pracach związanych z akceleratorami na terenie CERN, inżynierowie i technicy Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) opracowują i dostarczają specjalne akceleratory i ich podzespoły. Przykładem takiej współpracy jest udział NCBJ w niedawno zbudowanym akceleratorze LINAC4 – urządzenie, które przyspiesza cząstki H– do energii 160MeV. Jego uruchomienie było niezbędnym elementem do zwiększenia świetlności LHC. W NCBJ wyprodukowane zostały komory akceleracyjne struktur przyspieszających PIMS (Pi-Mode Structure) dla tego akceleratora, o łącznej długości 22 m i wartości 1 miliona euro. Każda z komór to zaawansowany technologicznie element, wykonany z miedzi próżniowej beztlenowej za pomocą precyzyjnej obróbki maszynowej, składający się z połączonych dysków i cylindrów, każdy o średnicy 0,5 metra i długości blisko 1,5 metra. Dostawa tak zaawansowanych technologicznie elementów do CERN potwierdza wysoki poziom wiedzy technicznej i technologii NCBJ. Kolejnym przykładem jest stosunkowo niewielki, ale zaawansowany technicznie eksperyment GBAR, w którym badane będą różnice wpływu oddziaływań grawitacyjnych na materię i antymaterię. W tym celu produkowane będą atomy antywodoru, powstającego przez reakcję antyprotonów z pozytonami. Te ostatnie cząstki z kolei powstają dzięki zaprojektowanemu i zbudowanemu w NCBJ liniowemu akceleratorowi elektronów. W niemal dwumetrowej długości strukturze przyspieszającej tego urządzenia elektrony osiągają energię 10 MeV i prąd wiązki w impulsie ponad 300 mA. W tym przypadku dostawa obejmowała kompletne urządzenie, samą głowicę przyspieszającą oraz wszystkie układy towarzyszące, zapewniające zasilanie, chłodzenie, utrzymywanie wysokiej próżni, monitorowanie wiązki i stanu akceleratora, a także konsolę sterowniczą operatora i system komunikacji z pozostałymi komponentami eksperymentu. Produkcja pierwszych atomów antywodoru spodziewana jest już w 2021r.
Szerokie spektrum działalności i zaangażowania polskich specjalistów jest warte szczególnego podkreślenia. Polacy są obecni praktycznie we wszystkich dziedzinach, ważnych dla kompleksu akceleratorów. Polski wkład w budowę i eksploatację Wielkiego Zderzacza Hadronów, a także modernizację całego kompleksu akceleratorów w CERN jest zasadniczy, a prawidłowe funkcjonowanie akceleratorów zależy w dużej mierze od pracy polskich fizyków, inżynierów i techników.