21.10.2019
PL EN
24.08.2016 aktualizacja 24.08.2016

Nie tylko Wielki Zderzacz Hadronów - rzecz o akceleratorach cząstek

Wielki Zderzacz Hadronów nie jest jedyną wielokilometrową potężną instalacją naukową, która wkopana jest głęboko w ziemię. W Niemczech powstaje właśnie kolejna - European XFEL. W obu naukowcy rozpędzają cząsteczki do prędkości bliskich światła. Jednak ich funkcja znacząco się różni - wyjaśnia z rozmowie z PAP dyrektor Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) dr hab. inż. Krzysztof Kurek.

Mowa o akceleratorach cząstek, czyli instalacjach eksperymentalno-badawczych wartych miliony euro. Jaka jest ich funkcja? Czy wielomilionowe nakłady rządowe są uzasadnione?

Najsłynniejszy stał się Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), zbudowany na pograniczu szwajcarsko-francuskim. Akcelerator ten przyspiesza protony do bardzo wysokich energii i zderza je ze sobą.

"To tak, jakbyśmy rzucili w siebie z ogromną siłą dwa szwajcarskie zegarki; patrząc na śrubki staramy się wydedukować, w jaki sposób mechanizmy zostały skonstruowane. Tak wyjaśniał idee eksperymentów w akceleratorach wielki amerykański fizyk, laureat nagrody Nobla Richard Feynman. W taki sposób fizycy próbują poznać budowę nukleonów (składników jąder atomowych) i zrozumieć procesy towarzyszące zderzeniom cząstek elementarnych" - opowiada PAP dyrektor Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), dr hab. inż. Krzysztof Kurek.

Takie eksperymenty określa się mianem fizyki podstawowej - nie są to badania, które doprowadzą szybko do powstania nowych materiałów czy wynalazków, ale mogą przyczynić się do prawdziwych przełomów w nauce. W ten sposób naukowcy są w stanie lepiej poznać zjawiska fizyczne "na fundamentalnym poziomie" i w konsekwencji pokazać zastosowania czegoś zupełnie niespodziewanego i nowego - uważa dr hab. inż. Kurek.

W ostatnich latach polscy naukowcy z kilku polskich ośrodków skupieni wokół NCBJ biorą udział w nowym projekcie European XFEL. Ta jedna z największych inwestycji naukowo-badawczych na świecie powstaje pod Hamburgiem w Niemczech.

Urządzenie to, podobnie jak LHC, jest akceleratorem cząstek. Jednak w tym przypadku przyspieszeniu ulegać mają nie protony, ale elektrony.

"Elektrony są przyspieszane po to, aby wyprodukować wiązkę światła rentgenowskiego, czyli wiązkę fotonów. Dzięki temu uzyskamy skoncentrowaną, koherentną wiązkę fotonów o bardzo wysokiej energii" - opowiada dr hab. inż. Kurek.

Tutaj naukowcy nie zderzają ze sobą cząstek. Wykorzystają otrzymane impulsy rentgenowskie do testowania materiałów biologicznych czy chemicznych. W ten sposób badacze będą mogli też prześledzić sposób, w jaki powstają chemiczne wiązania. W skrócie - promieniowanie wygenerowane przez akcelerator pokaże atomową strukturę próbki. Fotony pełnić będą funkcję aparatu fotograficznego.

"Elektrony są cząstkami punktowymi - bez struktury, tak na razie uważamy, w związku z czym są dobrym próbnikiem do badań różnych materiałów. Tutaj wykorzystujemy ich skłonność do emisji wysokoenergetycznych fotonów, którymi oświetla się próbki" - opowiada dyrektor NCBJ.

Badacze podejrzą m.in. proces łączenia białek z enzymami. Możliwości wykorzystania urządzenia są nieograniczone, ale - jak podkreśla Kurek - jego zastosowanie może być bardzo praktyczne, a osiągnięte wyniki wykorzystane w życiu codziennym. Jako przykład podaje powstanie nowych leków, albo nawet wykrystalizowanie się nowej gałęzi medycyny.

"Wszystkie badane przez nas próbki zginą w momencie wykonywania badania - nic nie przeżyje takiego impulsu. Ale właśnie w momencie jego rozbłysku uzyskamy +zdjęcie+ interesującego nas zjawiska w wysokiej rozdzielczości" - dodaje.

Po 100 eksperymentach odpowiednio przesuniętych w czasie zobaczymy jak na filmie sposób, w jaki następuje reakcja chemiczna. Do tej pory było wiadomo, jak takie zjawisko się odbywa, ale przyjrzenie się jemu nie było możliwe w takiej rozdzielczości.

"W LHC testowane są oddziaływania fundamentalne między cząstkami elementarnymi. Naukowcy poznają tam lepiej materię. Nie wkłada się tam żadnej próbki, tylko zderza się dwie wiązki protonów i na tej podstawie można wywnioskować, jak zbudowana jest materia i jak oddziałuje" - wskazuje badacz.

Również w European XFEL możliwe będzie wykonywanie podstawowych badań, ale przede wszystkich planowane są eksperymenty praktyczne z bardzo szerokiego wachlarza nauk: fizyki, biologii, chemii czy badań materiałowych.

"Jeszcze nie wiemy, do czego to urządzenie będzie służyć - to się okaże, jak je uruchomimy. Oczywiście pojawiło się już mnóstwo pomysłów. Niebawem będzie można je zgłaszać i jeśli uzyskają akceptację, eksperymenty te będą realizowane" - zapowiada dr hab. inż. Kurek.

LHC i XFEL to nie jedyne akceleratory cząstek na świecie. Są to jednak jedne z największych urządzeń tego typu, które umożliwiają prowadzenie najbardziej zaawansowanych eksperymentów.

Zarówno LHC, jak i XFEL to akceleratory mające kilometry długości - w ten sposób cząstki łatwiej jest przyspieszyć do wielkich energii. Protony to cząstki, które łatwo przyspieszyć, bo są ciężkie i łatwiej akumulują energię. Gorzej jest z elektronami, bo są lekkie. Mimo prędkości zbliżonej do prędkości światła, nie osiągają w prosty sposób pożądanej energii. Dlatego konstrukcja akceleratora w XFEL jest tak złożona i zaawansowana technologicznie, a co za tym idzie - kosztowna. Naukowcy liczą jednak, że olbrzymie koszty projektu - już ponad 1 mld euro - zwrócą się z nawiązką w formie przełomowych odkryć godnych Nagrody Nobla.

PAP - Nauka w Polsce

szz/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2019