Duży Zderzacz Hadronów (LHC) jest cudem współczesnej fizyki cząstek elementarnych, który umożliwił naukowcom zanurzenie się w głębinach rzeczywistości. Jego początki sięgają 1977 r., kiedy Sir John Adams, były dyrektor Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), zaproponował budowę podziemnego tunelu, który mógłby pomieścić akcelerator cząstek zdolny do osiągnięcia wyjątkowo wysokich energii, zgodnie z dokumentem historycznym z 2015 r. autorstwa fizyka Thomasa Schörnera-Sadeniusa.
Projekt został oficjalnie zatwierdzony dwadzieścia lat później, w 1997 roku, a budowa rozpoczęła się na 16,5-milowym (27 km) pierścieniu, który przeszedł pod granicą francusko-szwajcarską, zdolnym do przyspieszania cząstek do 99,99 procent prędkości światła i rozbijania ich razem. Wewnątrz pierścienia 9 300 magnesów kieruje paczki naładowanych cząstek w dwóch przeciwnych kierunkach z prędkością 11 245 razy na sekundę, by w końcu doprowadzić do ich zderzenia czołowego. Urządzenie jest w stanie wytworzyć około 600 milionów zderzeń na sekundę, wyrzucając z siebie niesamowite ilości energii i, co jakiś czas, egzotyczną i nigdy wcześniej nie widzianą ciężką cząstkę. LHC działa przy energii 6,5 razy wyższej niż poprzedni rekordowy akcelerator cząstek, wycofany z użytku Tevatron w Fermilab w USA.
Budowa LHC kosztowała w sumie 8 miliardów dolarów, z czego 531 milionów pochodziło ze Stanów Zjednoczonych. Przy jego eksperymentach współpracuje ponad 8000 naukowców z 60 różnych krajów. Akcelerator po raz pierwszy włączył swoje wiązki 10 września 2008 roku, zderzając cząstki z intensywnością równą zaledwie jednej dziesięciomilionowej części jego pierwotnego projektu.
Przed rozpoczęciem pracy niektórzy obawiali się, że nowa maszyna do rozbijania atomów zniszczy Ziemię, być może tworząc pochłaniającą wszystko czarną dziurę. Ale każdy szanujący się fizyk stwierdziłby, że takie obawy są bezpodstawne.
„LHC jest bezpieczny, a wszelkie sugestie, że może stanowić zagrożenie, to czysta fikcja”, powiedział dyrektor generalny CERN Robert Aymar portalowi LiveScience w przeszłości.
Nie oznacza to, że obiekt nie może być potencjalnie szkodliwy, jeśli jest niewłaściwie używany. Gdybyś włożył rękę do wiązki, która skupia energię lotniskowca w ruchu na szerokości mniejszej niż milimetr, zrobiłaby się w niej dziura, a promieniowanie w tunelu zabiłoby cię.
Przełomowe badania
W ciągu ostatnich 10 lat LHC rozbijał atomy dla swoich dwóch głównych eksperymentów, ATLAS i CMS, które działają i analizują swoje dane oddzielnie. Ma to na celu zapewnienie, że żaden z eksperymentów nie będzie wpływał na drugi i że każdy z nich będzie kontrolował swój siostrzany eksperyment. Instrumenty te wygenerowały ponad 2000 prac naukowych dotyczących wielu obszarów fundamentalnej fizyki cząstek elementarnych.
4 lipca 2012 r. świat nauki z zapartym tchem obserwował, jak naukowcy z LHC ogłosili odkrycie bozonu Higgsa, ostatniego elementu układanki w liczącej pięć dekad teorii zwanej Modelem Standardowym fizyki. Model Standardowy próbuje wyjaśnić wszystkie znane cząstki i siły (z wyjątkiem grawitacji) oraz ich oddziaływania. W 1964 roku, brytyjski fizyk Peter Higgs napisał pracę o cząstce, która teraz nosi jego imię, wyjaśniając jak powstaje masa we wszechświecie.
Cząstka Higgsa jest właściwie polem, które przenika całą przestrzeń i ciągnie za sobą każdą cząstkę, która się przez nie porusza. Niektóre cząstki wolniej przechodzą przez pole, co odpowiada ich większej masie. Bozon Higgsa jest przejawem tego pola, za którym fizycy uganiają się od pół wieku. LHC został zbudowany specjalnie po to, by w końcu uchwycić ten nieuchwytny obiekt. Ostatecznie odkrywając, że Higgs ma 125 razy większą masę niż proton, zarówno Peter Higgs, jak i belgijski fizyk teoretyczny Francois Englert otrzymali w 2013 roku Nagrodę Nobla za przewidzenie jego istnienia.
Nawet z Higgsem w ręku, fizycy nie mogą spocząć, ponieważ Model Standardowy wciąż ma pewne dziury. Po pierwsze, nie radzi sobie z grawitacją, która jest w większości objęta teorią względności Einsteina. Nie wyjaśnia równie” dlaczego wszechświat jest zbudowany z materii, a nie z antymaterii, która powinna być stworzona w mniej więcej równych ilościach na początku czasu. I całkowicie milczy na temat ciemnej materii i ciemnej energii, które jeszcze nie zostały odkryte, kiedy zostały po raz pierwszy stworzone.
Przed włączeniem LHC wielu badaczy powiedziałoby, że następną wielką teorią jest ta znana jako supersymetria, która dodaje podobnych, ale znacznie masywniejszych bliźniaczych partnerów do wszystkich znanych cząstek. Jeden lub więcej z tych ciężkich partnerów mógłby być doskonałym kandydatem na cząstki tworzące ciemną materię. Supersymetria pozwala też zrozumieć grawitację, wyjaśniając dlaczego jest ona znacznie słabsza od pozostałych trzech podstawowych sił. Przed odkryciem Higgsa, niektórzy naukowcy mieli nadzieję, że bozon będzie nieco inny niż przewidywał Model Standardowy, wskazując na nową fizykę.
Ale kiedy Higgs się pojawił, okazał się niezwykle normalny, dokładnie w zakresie masy, w którym Model Standardowy mówił, że powinien być. Chociaż jest to wielkie osiągnięcie dla Modelu Standardowego, pozostawiło to fizyków bez żadnych dobrych tropów, na których mogliby się oprzeć. Niektórzy zaczęli mówić o straconych dekadach na szukanie teorii, które brzmiały dobrze na papierze, ale nie zgadzały się z rzeczywistymi obserwacjami. Wielu ma nadzieję, że kolejne przebiegi zbierania danych przez LHC pomogą wyjaśnić niektóre z tego bałaganu.
LHC wyłączył się w grudniu 2018 roku, aby przejść przez dwa lata modernizacji i napraw. Gdy wróci do sieci, będzie w stanie rozbijać atomy z niewielkim wzrostem energii, ale przy dwukrotnie większej liczbie zderzeń na sekundę. Co wtedy znajdzie, nie wiadomo. Mówi się już o jeszcze potężniejszym akceleratorze cząstek, który miałby go zastąpić, zlokalizowanym w tym samym miejscu, ale czterokrotnie większym od LHC. Budowa tego ogromnego obiektu zastępczego mogłaby zająć 20 lat i kosztować 27 miliardów dolarów.