Bozon Higgsa w LHC

UDZIAŁ POLAKÓW W POSZUKIWANIACH BOZONU HIGGSA

Odkrycie bozonu Higgsa, potwierdzające istnienie w przyrodzie (dotychczas teoretycznego) mechanizmu nadawania mas cząstkom elementarnym, nie byłoby możliwe bez akceleratora LHC. Kosztował on ok. 10 mld euro i powstał dzięki wspólnemu wysiłkowi kilkudziesięciu państw Europy i świata. Polscy podatnicy pokryli cztery procenty kosztów budowy i uruchomienia Wielkiego Zderzacza Hadronów i są jego współwłaścicielami.

Zespoły naukowe z naszego kraju zaangażowały się w prace nad LHC od momentu podjęcia decyzji o jego budowie przez radę CERN 16 grudnia 1994 roku. Polscy naukowcy brali udział w przygotowaniu programu badań fizycznych, stworzyli wiele narzędzi obliczeniowych, zajmowali się projektowaniem, testowaniem i budową elementów aparatury detekcyjnej czterech największych eksperymentów (ATLAS, CMS, LHCb i ALICE) oraz instalacją i testowaniem podukładów samego akceleratora. W pracach uczestniczyły następujące instytucje: Narodowe Centrum Badań Jądrowych (jako Instytut Problemów Jądrowych, IPJ), Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (IFJ PAN), Uniwersytet Warszawski (UW), Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH) w Krakowie, Uniwersytet Jagielloński (UJ), Politechnika Warszawska (PW) i  Politechnika Krakowska (PK).

Poszukiwanie bozonu Higgsa oraz tropienie zjawisk wykraczających poza obecne teorie fizyczne to główne cele eksperymentu CMS. Zespół warszawski, w którego skład weszli naukowcy z IPJ, UW i PW, zaprojektował, zbudował i przetestował złożony system elektroniki decyzyjnej, służący do selekcji najciekawszych zdarzeń z udziałem mionów. Obejmuje on 12 kaset z (łącznie) 108 płytami elektronicznymi, zawierającymi 400 programowalnych procesorów logicznych FPGA. Grupa warszawska wykonała również system przesyłania informacji z detektora CMS do odległego o kilkadziesiąt metrów holu elektroniki. W tym celu 730 łączy optycznych obsługuje 120 kaset z (łącznie) 1700 płytami kodującymi dane z 2316 komór detekcyjnych. Ważnym wkładem teoretycznym do eksperymentu CMS było opracowanie przez polskich fizyków metod poszukiwania nowych cząstek elementarnych.

Drugim eksperymentem istotnym dla poszukiwań bozonu Higgsa jest ATLAS. Tu zespół krakowski wykonał projekt i symulację systemu selekcji zdarzeń i akwizycji danych. Opracowano pakiet do symulacji detektora ATLAS oraz algorytmy poszukiwania bozonu Higgsa. Ważnym wkładem były prace nad odpornymi na promieniowanie krzemowymi detektorami i wyspecjalizowanymi układami scalonymi oraz testy układów hybrydowych. Zaprojektowano i przetestowano układy sterowania oraz oprogramowanie systemu zasilaczy wysokiego napięcia, zbudowane następnie przez polską firmę Fideltronik. Zespół krakowski uczestniczył też w budowie układu kontroli i monitorowania detektora, odpowiada również za koordynację systemów gazowych i chłodzenia w całym detektorze oraz opracowanie metod instalacji komór mionowych. Podpory, na których stoi ATLAS, wykonała firma Budimex S.A. Mostostal Kraków w kooperacji z Hutą im. T. Sendzimira.

Analizą teoretyczną danych spływających z eksperymentów przy LHC zajmują się zespoły w różnych ośrodkach. W Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku działa kilkunastoosobowa, międzynarodowa grupa fizyków zaangażowanych w tę tematykę. Grupa jest prowadzona przez prof. dr. hab. Leszka Roszkowskiego, finansowanego z grantu programu WELCOME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Zespół analizuje dane otrzymane w LHC i sprawdza ich znaczenie dla poszukiwań nowych teorii fizycznych, wykraczających poza Model Standardowy. Przewidywania formułowane na podstawie informacji z LHC są tu zestawiane z wynikami doświadczeń i obserwacji przeprowadzonych w ramach innych eksperymentów, takich jak astronomiczne pomiary ilości ciemnej materii we Wszechświecie. Wyniki teoretyczne grupy z NCBJ są uznawane za jedne z najlepszych na świecie i w istotnym stopniu zawężają obszary poszukiwań nowych cząstek elementarnych w LHC.

Wspomnienia prof. dr hab. Grzegorza Wrochny, obrazującego wielkość prac badawczych:

To największe odkrycie naukowe od kilkudziesięciu lat! Dotyczy bowiem najbardziej elementarnych składników całej materii i fundamentalnych praw nią rządzących. Od lat 80-tych wiemy, że u podstaw wszystkich zjawisk rządzonych siłami jądrowymi i elektromagnetycznymi, więc światła i dźwięku, własności ciał stałych i gazów, a nawet chemii i biologii leży tzw. model standardowy oddziaływań fundamentalnych. Jednak aby był on w pełni zgodny z doświadczeniem musi zawierać mechanizm ustalający masy obserwowanych cząstek. Jego przejawem powinno być istnienie tzw cząstki Higgsa, popularnie zwanej po prostu higgsem.  

Polowanie na higgsa to przedsięwzięcie naukowe o skali znacznie przekraczającej lot człowieka na Księżyc. Projektowanie eksperymentów, które dokonały odkrycia rozpoczęto już w latach 80-tych. W roku 1984 na zjeździe w Lozannie nakreślono koncepcję LHC. W roku 1990 w Aachen powstały grupy robocze projektujące detektory. Tam zapadła decyzja o włączeniu się Instytutu Problemów Jądrowych (dziś NCBJ), Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu Warszawskiego w prace eksperymentu CMS. Koledzy z Krakowa wybrali drugi eksperyment (dzisiejszy ATLAS).  

Pierwszym „wkładem” grupy warszawskiej miał być wyjazd do CERNu jednego z członków zespołu. Prof. Jan Królikowski, który kierował zespołem zaproponował mnie. W szybkim tempie skończyłem doktorat, 4.03.1991 obroniłem go, a 2 dni później już pracowałem nad koncepcją detektora CMS w CERNie, gdzie spędziłem 7 lat. Pierwsze projekty eksperymentów zaprezentowano na zjeździe w Evian, 5.03.1992. Zapamiętałem tę datę, bo tego samego dnia urodził się mój najmłodszy syn. Dziś jest studentem informatyki i pełnymi garściami korzysta z technnologii, które wówczas w CERNie dopiero rozwijano lub testowano.  

Ta dygresja pokazuje skalę czasową przedsięwzięcia. Sam poświęciłem eksperymentowi CMS kilkanaście lat życia, a niektórzy moi koledzy prawie 20. Pierwsi projektanci eksperymentów odeszli na emeryturę przed ich uruchomieniem, a najmłodsze osoby dziś pełniące wiodącą rolę nawet ich nigdy nie spotkały. Skala czasowa projektu obejmuje więc dwa pokolenia, podobnie jak niegdyś budowa gotyckich katedr.   Skala przestrzenna też jest bezprecedensowa. W sumie nad akceleratorem i detektorami pracowało rzędu 10 000 fizyków i inżynierów z kilkuset instytucji reprezentujących kilkadziesiąt krajów.

Obserwowałem wspólnie pracujących naukowców z krajów będących formalnie w stanie wojny ze sobą, reprezentujących różne systemy polityczne i kultury. Sam koordynowałem prace zespołu, w którym prócz Polaków byli Amerykanie, Austriacy, Finowie, Koreańczycy, Rosjanie i Włosi. Wiele prac wykonywanych było w laboratoriach rozsianych po świecie, także w Polsce. Jednak konieczna była bardzo ścisła koordynacja działań, tak by poszczególne elementy  nie tylko dały złożyć się w całość, ale zgodnie ze zobą działały. Wtedy właśnie, aby sprostać tym potrzebom wymyślono w CERNie WWW, dzięki czemu wkrótce Internet stał się dostępny dla każego i odmienił całkowicie nasze sposoby pracy i rozrywki.  

Najciekawsza jednak była skala technologiczna. Kiedy rozpoczynaliśmy prace nad eksperymentami LHC nie było jeszcze ani Internetu ani komputerów osobistych. Wymagania jakie musiały spełniać projektowane systemy zbierania, selekcji i analizy danych nie były możliwe do zrealizowania przy ówczesnej technologii. Projektowany strumień danych w jednym eksperymencie przekraczał całą ówczesną telekomunikację europejską. Musieliśmy jednak mieć świadomość, że nasze projekty zostaną zrealizowane za lat 10, kiedy technologia będzie zupełnie inna. Dlatego śledziliśmy uważnie trendy rozwoju szybkości procesorów, pojemności dysków i pamięci, złożoności układów scalonych. Systemy zaprojektowaliśmy ekstrapolując te trendy na wiele lat do przodu. I udało się. Kiedy nadszedł czas wyposażania detektorów w elektronikę, na rynku były już dostępne komponenty o parametrach, które przewidzieliśmy.  

Satysfakcja z tego, że wielkie eksperymenty przy LHC zadziałały w roku 2008 bardzo sprawnie była olbrzymia. Zadziałało największe urządzenie badawcze świata. Ale to był dopiero środek do celu. Celem był higgs i - miejmy nadzieję - kolejne odkrycia jakich dokonamy. Dziś ten najważniejszy cel został osiągnięty. Eksperymenty ATLAS i CMS zaobserwowały istnienie nowej cząstki, zgodnej z przewidywaniami Modelu Standadowego. To wielki dzień. Uwieńczenie prawie 20 lat pracy tysięcy specjalistów. Największe jak dotąd odkrycie naukowe XXI wieku i chyba największe w historii ludzkości wspólne pokojowe przedsięwzięcie.  

prof. Grzegorz Wrochna dyrektor Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Otwocku-Świerku