Czym jest Wielki Zderzacz Hadronów w CERN – jak działa i jakie ma znaczenie dla fizyki?

Jednym z zadań współczesnej fizyki jest badanie podstawowych składników budujących Wszechświat i praw, jakie nim rządzą. W celu lepszego poznania zachowania cząstek elementarnych badacze posługują się zderzaczami cząstek. Największym z nich jest znajdujący się w CERN Wielki Zderzacz Hadronów (LHC – Large Hadron Collider).

Czym jest Wielki Zderzacz Hadronów?

Położony w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN Wielki Zderzacz Hadronów jest największym i najbardziej zaawansowanym urządzeniem badawczym na świecie. Jego główne elementy znajdują się w podziemnym tunelu o długości 27 km na terenie Francji i Szwajcarii. Poprzez przyspieszanie i doprowadzanie do zderzeń cząstek elementarnych umożliwia badanie fundamentalnej natury materii.

Hadrony to grupa cząstek subatomowych (mniejszych niż atom), do której należą m. in. protony. To właśnie do zderzenia protonów potrzebna jest uzyskana w serii akceleratorów prędkość.

Choć Wielkim Zderzaczem Hadronów nazywany bywa cały system urządzeń zarządzany przez CERN, tak naprawdę sam LHC stanowi jedynie jego element. Aby doprowadzić do zderzenia, konieczne jest przeprowadzenie wielu procesów w odpowiednich do tego maszynach.

Jak działa Wielki Zderzacz Hadronów?

Protony, jako cząstki o tym samym ładunku, naturalnie odpychają się od siebie. Aby zmusić je do zderzenia, konieczne jest rozpędzenie ich do ogromnej prędkości. Działanie LHC opiera się na wykorzystaniu pola elektromagnetycznego właśnie do rozpędzenia naładowanych wiązek protonów. Tak rozpędzone cząstki zderzają się ze sobą, doprowadzając do uwolnienia energii.

Procesem początkowym jest zatem jonizacja wodoru, czyli oddzielenie elektronów z atomów wodoru. W ten sposób wytworzone zostają protony, które zostają następnie wystrzelone z akceleratora liniowego i skierowane do utrzymanych w ultrawysokiej próżni rur. Dwie wiązki cząstek przemieszczają się po 27-kilometrowym okręgu. Znajdujące się wewnątrz pierścienia tysiące nadprzewodzących magnesów sprawiają, że poruszają się w przeciwnych kierunkach. Przepuszczane przez serię akceleratorów cząstki nabierają coraz większych prędkości do momentu, gdy osiągną prędkość bliską prędkości światła. Wtedy doprowadza się do zderzenia ich ze sobą.

Zderzające się cząsteczki uwalniają zawartą w nich energię kinetyczną. Jednocześnie protony mogą rozpaść się na jeszcze mniejsze cząstki elementarne – kwarki. Analiza uwolnionej energii i zachowania kwarków pozwala fizykom na poznanie praw rządzących tymi cząstkami.

Cały proces rejestrowany jest przez ok. 150 milionów czujników. Mierzone jest nasilenie cząstek, ich masa, pęd, energia czy ładunek.

Znaczenie Wielkiego Zderzacza Hadronów dla fizyki

Eksperymenty prowadzone w LHC pozwalają na lepsze poznanie cząstek elementarnych i zrozumienie procesów zachodzących na początku istnienia Wszechświata, m. in. Wielkiego Wybuchu. Umożliwiają naukowcom poszukiwanie ciemnej materii, cząstek supersymetrycznych i innych nieznanych jeszcze elementów fizycznych.

W 2012 roku dzięki eksperymentom prowadzonym w LHC potwierdzono istnienie bozonu Higgsa, który jest kluczowy w wyjaśnieniu, skąd bierze się masa cząstek.

Systemy chłodzenia i akceleracji cząstek oraz stosowana w LHC cała gama detektorów mają również zastosowanie w medycynie, inżynierii i rozwoju technologii informatycznych.

Podsumowanie

Wielki Zderzacz Hadronów to wyjątkowe narzędzie, które pozwala naukowcom rozłożyć materię na najbardziej podstawowe składniki poprzez wymuszanie zderzeń cząstek elementarnych. Dzięki temu badacze mogą zrozumieć podstawowe prawa rządzące Wszechświatem, a technologia wykorzystywana w eksperymentach znalazła zastosowanie również w innych dziedzinach wiedzy.

Zobacz też: Co to jest mechanizm z Antykithiry? Nowe odkrycia z 2024!