30. rocznica przystąpienia Polski do CERN

1 lipca 1991 roku Polska stała się członkiem CERN - organizacji zarządzającej ośrodkiem pod Genewą o niebagatelnym znaczeniu dla nauki i badań, będącym miejscem spotkań uczonych światowej klasy. To rocznica ważna dla polskich fizyków i inżynierów z takich ośrodków, jak Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, a także Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej oraz wielu innych rodzimych ośrodków. Z CERN związanych jest obecnie ok. 550 polskich specjalistów, część z nich uczestniczy w najważniejszych badaniach tej instytucji.

Początki CERN sięgają późnych lat 40. XX w., kiedy to grupa zaangażowanych uczonych i polityków po obu stronach Atlantyku dostrzegła w naukach fizycznych szansę na pokojową odbudowę Europy po II Wojnie Światowej. Z czasem organizacja stała przykładem długofalowej współpracy międzynarodowej łączącej naukowców nieomal 100 narodowości.

Akronim CERN pochodzi od pierwotnej nazwy, jaką nosiła (przekształcona później) Europejska Rada Badań Jądrowych - od francuskiego Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire. Skrót utrwalił się na tyle mocno, że przetrwał zmianę organizacyjną i nomenklaturową po przyjęciu konwencji z 1953 roku i utworzeniu praktykowanej do dziś formuły. Obecne skojarzenie odnosi się do Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, przy czym stosowana jest również nazwa Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek (fr. Laboratoire Européen pour la Physique des Particules).

Badania prowadzone aktualnie w CERN koncentrują się na precyzyjnej eksploracji i testach wiarygodności Modelu Standardowego, a nawet poszukiwaniu dowodów przybliżających naukowców do opracowania teorii wielkiej unifikacji, łączącej w zgrabnych wzorach i konstruktach matematycznych wszystkie formy fizycznych oddziaływań. Badacze pracujący w CERN mają także nadzieję, że dzięki ich wkładowi uda się zrozumieć naturę ciemnej materii i ciemnej energii, które stanowią skądinąd główną składową Wszechświata.

Podstawowe prace badawcze prowadzone są w ramach cztery Wielkich Eksperymentów: ATLAS (ang. A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (ang. Compact Muon Solenoid), LHCb (ang. Large Hadron Collider beauty) oraz ALICE (ang. A Large Ion Collider Experiment). Centralnym narzędziem badawczym CERN pozostaje już od lat LHC (ang. Large Hadron Collider – czyli słynny Wielki Zderzacz Hadronów) największy, zbudowany dotychczas przez człowieka akcelerator przyspieszający protony. Warunki jakie panują podczas zderzeń protonów w LHC są podobne do tych jakie istniały tuż po Wielkim Wybuchu. W tym sensie naukowcy mówią, że LHC odtwarza stan wczesnego Wszechświata.

Dokonane w roku 2012 dzięki LHC odkrycie bozonu Higgsa uważane jest za jedno z najbardziej doniosłych osiągnięć w historii nauki, które nagrodzono Noblem z fizyki w 2013 roku. Co więcej, w 2019 r. CERN ogłosił już plany budowy jeszcze bardziej zaawansowanego akceleratora cząstek - Future Circular Collider (FCC), cztery razy większego i wielokrotnie potężniejszego od Wielkiego Zderzacza Hadronów. Nowe urządzenie ma powstać najwcześniej w latach 50. XXI w. i umożliwić odkrycie nieznanych jeszcze rodzajów cząstek subatomowych. Jego koszt szacowany jest na 9-21 miliardów EUR (zależnie od konfiguracji). To na nim jednak skupiają się nadzieje uczonych liczących na to, że FCC przyczyni się do opracowania „teorię wszystkiego”, obejmującej komplet fizycznych oddziaływań oraz godzącą ogólną teorię względności z mechaniką kwantową.

Polska droga do CERN

Polskie zespoły badawcze zaznaczały swoją obecność przy opracowywaniu danych z CERN już w latach 60. XX wieku. W tamtym czasie Polacy budowali dużą część kalorymetru dla eksperymentu DELPHI. Wypracowane w tym czasie międzynarodowe relacje naukowe Polska zawdzięcza profesorom Marianowi Danyszowi i Jerzemu Pniewskiemu z Warszawy oraz prof. Marianowi Mięsowiczowi z Krakowa. To między innymi dzięki ich wysiłkom w 1963 nasz kraj uzyskał status „obserwatora”.

Pełne członkostwo w CERN Polska uzyskała dokładnie 1 lipca 1991 r. Była to pierwsza zachodnia organizacja międzynarodowa, która po zmianach politycznych w Europie przyjęła Polskę do grona swych członków.

Przed 1991 rokiem polskie grupy uczestniczyły w niektórych projektach, ale Polska nie uczestniczyła w decydowaniu o przyszłości laboratorium, Polacy nie mogli być zatrudnieni w CERN, ani tym bardziej piastować żadnych eksponowanych stanowisk. Polskie firmy nie mogły starać się o kontrakty w CERN. Od lipca 1991 Polska stała się współwłaścicielem największego na świecie laboratorium fizyki cząstek.

Szacuje się, że wszystkich pracowników CERN jest około 2500. Wśród nich jest 550 Polaków w tym ok. 80 osób zatrudnionych w CERN na etatach; 170 osób to różnego typu stypendyści i studenci z Polski, a pozostałych około 300 osób stanowią polscy użytkownicy CERN zatrudnieni w krajowych instytucjach. Zatrudnieni w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych Polacy to nie tylko naukowcy. Sebastian Łobieński jest zastępcą kierownika ds. bezpieczeństwa komputerów w CERN.

Badania prowadzone w CERN przynoszą około 10 doktoratów rocznie, a na przestrzeni 30 lat naszej obecności w CERN około 100 polskich studentów skorzystało z trwających 2-3 miesięcy staży naukowych w ramach programu +CERN Summer Studies+. Podobnie w latach 2007-2014 około 550 polskich nauczycieli fizyki uczestniczyło w organizowanych w CERN tygodniowych kursach doszkalających "Techer Programme".

Od momentu przystąpienia do CERN, polskie grupy eksperymentalne weszły w skład wszystkich Wielkich Eksperymentów na Wielkim Zderzaczu Hadronów:

• ALICE – do badania zderzeń jąder ciężkich atomów (np. ołowiu), badania własności plazmy kwarkowo-gluonowej, nieznanego wcześniej stanu skupienia materii, jaki panował na bardzo wczesnych etapie istnienia wszechświata;
• LHCb – pomiary prowadzone w tym spektrometrze pozwalają na weryfikację przewidywań Modelu Standardowego oraz poszukiwanie odstępstw od tych przewidywań – czyli poszukiwanie „nowej fizyki”;
• ATLAS i CMS - do precyzyjnych pomiarów parametrów Modelu Standardowego (SM), w tym bozonu Higgsa, poszukiwania zjawisk tzw. "nowej fizyki" czyli wykraczających poza SM oraz badania zderzeń ciężkich jąder atomowych;
• TOTEM – eksperyment obecnie już prawie całkiem zintegrowany z eksperymentem CMS. Polacy odegrali w nim ważną rolę – w szczególności dr Hubert Niewiadomski – współkoordynator analizy fizycznej.

„Kiedy byłam polskim delegatem do Rady CERN, byłam pod wrażeniem skuteczności wystąpień młodych Polaków o studenckie i doktorskie staże techniczne. To były aplikacje rozpatrywane w systemach konkursowych, bez wyraźnie narzuconej normalizacji do wielkości składki i któregoś roku byliśmy na trzecim miejscu pod względem liczby tych staży” – powiedziała PAP prof. Agnieszka Zalewska, która w latach 2013-2015 była szefową Rady CERN.

Pytani przez PAP o przyszłość badań w CERN, prof. Zalewska i dr Bruckman de Renstrom mówią o kontynuacji programu LHC. „Dokładniej zbadamy własności odkrytego w 2012 roku bozonu Higgsa i będziemy dalej szukać śladów fizyki spoza Modelu Standardowego - tak bezpośrednio poszukując nowych cząstek jak i pośrednio szukając znaczących odstępstw od przewidywań Modelu” – przyznają zgodnie.

Polscy naukowcy od lat uczestniczą też w eksperymentach spoza LHC. Są to miedzy innymi:

• NA61/SHINE – badanie własności przejścia fazowego pomiędzy materią hadronów a plazmą kwarkowo-gluonową. Badanie efektów elektromagnetycznych przy zderzeniach ultraszybkich jąder. Koordynatorem eksperymentu jest prof. Marek Gaździcki z Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach i Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie;
• COMPASS – jedyny eksperyment w Europie przeznaczony do badania trójwymiarowej i spinowej struktury nukleonu;
• ISOLDE – badania przyniosły bardzo ciekawe wyniki na temat różnych kształtów jakie mogą przyjmować jądra izotopów radonu, radu i rtęci.

Przyjęta w 2020 roku przez Radę CERN aktualizacja Europejskiej Strategii Fizyki Cząstek przewiduje badania rozwojowe oraz studia wykonalności dla FCC (Future Circular Collider). W niedługiej przyszłości planowane są też nowe badania przy znacznym udziale polskich naukowców.

To między innymi eksperyment PUMA, czyli próba wytworzenia sztucznych atomów, składających z niestabilnych jąder atomowych oraz z antyprotonu zastępującego elektron zlokalizowany wokół jądra, co pozwoli badaczom m.in. lepiej zrozumieć własności tajemniczych gwiazd neutronowych. To też eksperyment FASER, czyli nowy kierunek badawczy w LHC związany z badaniami lekkich cząstek produkowanych wzdłuż osi wiązki zderzających się protonów. Badania te mogą też stanowić okno na zrozumienie natury ciemnej materii wypełniającej Wszechświat.

Wśród nowych projektów znajdzie się też Fabryka Promieni Gamma (Gamma Factory), czyli nowatorski pomysł zakładający wykorzystanie silnie zjonizowanych (tj. pozbawionych wielu elektronów) atomów wytwarzanych w kompleksie akceleratora w CERN do wytworzenia bardzo skupionych wiązek wysokoenergetycznych fotonów. Narzędzie badawcze wytworzone przy użyciu tych fotonów mogłoby posłużyć w szerokim programie eksperymentalnym rozciągającym się od fizyki cząstek po fizykę atomową, jak również m.in. w badaniach dot. fizyki medycznej.

Wyjątkowa skala i efekty międzynarodowej współpracy naukowej

Obecnie na CERN składają się 23 kraje członkowskie. Roczny budżet wynosi 1 168 000 CHF. Polski wkład finansowy do budżetu CERN (wyliczany w proporcji do PKB) to 2,8 proc., co równa się ok. 135 mln zł.

Z okazji okrągłej rocznicy obecności Polski w CERN, prof. Agnieszka Zalewska przypomina w rozmowie z PAP, komu zawdzięczamy dostęp do internetu. „Chyba nie dość jest przypominania, że protokół WWW do obsługi Internetu powstał w CERN-ie i został za darmo udostępniony do powszechnego użytku” – zaznacza polska specjalistka.

Szacuje się, że WWW generuje ok. 3 proc. globalnego dochodu ludzkości i pewnie można założyć, że jest to też ok. 3 proc. polskiego dochodu narodowego. W dodatku np. za oprogramowanie Windows, czy pakiet Office płacimy duże pieniądze amerykańskiemu koncernowi Microsoft. Gdyby protokół WWW nie powstał w CERNie, a stworzyłby go Microsoft, dodatkowe duże kwoty wypływałyby z Polski. No i jeszcze jeden aspekt tej sprawy – darmowe WWW to inteligentna forma pomocy ubogim krajom. Warto więc inwestować w pierwszorzędną naukę, bo od czasu do czasu poza dostarczaniem czysto naukowych odkryć dostarcza takich "produktów ubocznych" jak WWW.

O swoich doświadczeniach z zaangażowania w prace CERN mogą wiele powiedzieć także naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej, którzy oficjalnie dołączyli do eksperymentów tej międzynarodowej organizacji ponad 20 lat temu. Aktualnie jedna z grup działających przy eksperymencie ATLAS liczy dziewięciu pracowników z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH oraz pięciu doktorantów. Zespół pracuje nad analizami fizycznymi, takimi jak badanie rozpadów bozonu Higgsa, procesy dyfrakcyjne czy też pomiary zderzeń ciężkich jonów. Do największych osiągnięć grupy należą pomiary związane z pierwszą obserwacją rzadkiego zjawiska rozpraszania foton-foton, czy rzadkiego rozpadu bozonu Higgsa na leptony i foton.

Drugą grupą z AGH zaangażowaną w prace w CERN są naukowcy działający przy eksperymencie LHCb. Członkowie grupy LHCb-AGH prowadzą analizy fizyczne, wnoszą też wkład w przygotowania oprogramowania eksperymentu oraz części sprzętowej.

Nasze badania mają na celu odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące otaczającego nas Wszechświata. Dlaczego w ogóle istniejemy – na skutek Wielkiego Wybuchu powstało tyle samo materii co antymaterii, powinniśmy mieć więc we Wszechświecie same fotony anihilacyjne, a jednak mikroskopowa część materii pozostała – dzięki czemu powstało życie; dlaczego cząstki mają masę i jaka jest natura Bozonu Higgsa; czym jest ciemna materia i ciemna energia oraz czy istnieją nowe cząstki i nowe oddziaływania.

Bardzo ważny jest też aspekt społeczny i aplikacyjny naszych badań. CERN od wielu lat prowadzi programy popularyzujące badania fundamentalne oraz stara się przyciągać studentów oraz młodych badaczy ze wszystkich krajów świata. Równie istotne są aplikacyjne zastosowania technologii detekcyjnych używanych w CERN, np. do zastosowań w obrazowaniu medycznym czy terapii fotonowej.

Jak deklarują zaangażowani naukowcy z AGH, są pierwszą polską grupą, która w eksperymentach na LHC wzięła pełną odpowiedzialność za opracowanie złożonego układu odczytowego. Badacze z AGH przygotowali specjalistyczną platformę do analizy danych pochodzących z detektorów krzemowych z elementami inteligentnymi, dzięki którym system może uzyskać autonomiczność w podejmowaniu decyzji dotyczących jakości danych. To z kolei jest istotne gdyż, jak podkreślają naukowcy, systemy inteligentne mogą szybciej niż człowiek zauważyć problemy aparatury badawczej, która jest coraz bardziej skomplikowana i narażona na coraz trudniejsze warunki pracy w ekstremalnych polach promieniowania.

Realizacja badań w CERN wymaga także tworzenia najnowocześniejszych systemów informatycznych. Współpraca AGH z CERN w tym zakresie rozpoczęła się od prowadzonych od 2009 roku staży wakacyjnych dla studentów informatyki. W roku 2013 Katedra Informatyki (obecnie Instytut Informatyki) została oficjalnym członkiem eksperymentu TOTEM (jeden z siedmiu detektorów przy wybudowanym w CERN Wielkim Zderzaczu Hadronów), a od roku 2018 - również eksperymentu CMS, na innym z detektorów.

Wskazany zespół z AGH zajmuje się przede wszystkim rozwojem i zapewnieniem jakości oprogramowania do rekonstrukcji danych i symulacji odpowiedzi detektorów. Dodatkowym elementem prac informatycznych jest zastosowanie przetwarzania równoległego do analizy dużych zbiorów danych, z użyciem nowoczesnych środowisk klastrów i chmur obliczeniowych.

Co roku w te prace angażuje się także kilku studentów w ramach wakacyjnych staży w CERN. Tematy projektów są często rozwijane w formie prac inżynierskich czy magisterskich. Ich efekty są wysoko oceniane przez współpracujących fizyków z CERN i stanowią wkład do wspólnych wyników. Jednym z nich jest niedawno ogłoszone odkrycie odderonu – quasi-cząstki, której istnienie przewidywano już prawie 50 lat temu.

Źródło: PAP/AGH/CERN