Tomasz Kubiak

Chociaż nazwa CERN oficjalnie stanowi akronim od francuskiego Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (Europejska Organizacja Badań Jądrowych), pracownicy tej instytucji naukowej podkreślają, iż obecnie skrót ten nie odzwierciedla jej charakteru z co najmniej dwóch powodów. Po pierwsze, w tym ogromnym ośrodku zlokalizowanym na granicy szwajcarsko-francuskiej pracują dziś fizycy z całego świata, a nie tylko z naszego kontynentu. Po drugie, badania jąder atomów zostały w dużej mierze zastąpione badaniami struktury materii na poziomie subjądrowym. Proponuje się zatem nowe interpretacje skrótu CERN w związku z jego głównymi zadaniami, tj. rozwojem międzynarodowej współpracy naukowej, szeroko pojętą edukacją, badaniami podstawowymi oraz rozwojem nowych technologii (Collaboration, Education, Research, New Technology).

Ogromne znaczenie ma fakt, iż CERN nie prowadzi badań o charakterze militarnym, a wyniki prac są publikowane i ogólnodostępne. Z ciekawostek historycznych warto wspomnieć, że organizacja powstała pod auspicjami UNESCO, a za jej utworzeniem lobbowali tak znani ówcześni fizycy, jak: Isidor Rabi, Pierre Auger czy Edoardo Amaldi.

Rok 1954 oficjalnie przyjmuje się za początek działalności CERN, dlatego obchodzoną w 2019 roku 65. rocznicę tego wydarzenia postanowiono uczcić zorganizowanymi we wrześniu dniami otwartymi instytucji. Co ciekawe, Polska została pełnoprawnym członkiem CERN w 1991 r., ale znacznie wcześniej, bo już od 1964 roku, miała status państwa obserwatora. Oczywiście udział fizyków i inżynierów z naszego kraju w działalności CERN jest bardzo istotny, m.in. konstruują oni elementy nowych detektorów, partycypują w różnych eksperymentach a także prowadzą prace teoretyczne bądź symulacyjne.

Akceleratory w CERN

W pierwszych latach działalności w instytucie zainstalowano dwa akceleratory cząstek. W 1957 r. uruchomiono synchrocyklotron, natomiast w 1959 r. synchrotron protonów PS (od ang. Proton Synchrotron) o obwodzie 628 m. Z czasem powstawały coraz większe urządzenia przyspieszające, m.in. SPS (ang. Super Proton Synchrotron) o obwodzie około 7 km (w 1976 r.) oraz LEP (ang. Large Electron-Positron Collider) o obwodzie 27 km (w 1989 r.). Należy nadmienić, iż ten ostatni został zamknięty 2 listopada 2000 r., aby ustąpić miejsca w tunelu nowej maszynie, czyli znanemu wszystkim LHC (ang. Large Hadron Collider).

Uruchomiony 10 września 2008 r. LHC jest dziś pierwszą rzeczą, z którą kojarzy nam się CERN. Wewnątrz akceleratora, w otoczeniu magnesów nadprzewodzących w dwóch ultra-wysokopróżniowych rurach, krążą w przeciwnych kierunkach wiązki cząstek. Mogą zostać rozpędzone do szybkości bliskiej wartości prędkości światła w próżni (99,9999991% c), okrążając 27- kilometrowy pierścień około 11 tys. razy w ciągu sekundy (…)

CERN inkubatorem nowych technologii

Powszechnie wiadomo, że nadrzędnym celem działalności CERN są badania podstawowe mające przybliżyć nas do uzyskania odpowiedzi na fundamentalne pytania, jakie od wieków nurtują ludzkość (z czego zbudowana jest materia, jaki był początek Wszechświata i jakie będą jego dalsze losy). Nie należy jednak zapominać, że jest to również miejsce, gdzie tworzy się i rozwija nowe technologie towarzyszące nam później w codziennym życiu.

Najlepszym przykładem wydają się ekrany dotykowe, których pomysłodawcą był Bent Stumpe. W CERN powstają też innowacyjne urządzenia znajdujące zastosowanie w medycynie, przede wszystkim w obrazowaniu i leczeniu nowotworów. Warto wspomnieć chociażby kryształy scyntylacyjne wykorzystywane w skanerach pozytonowej tomografii emisyjnej (PET), detektory zliczające fotony (XPAD) do zastosowań w rentgenowskiej tomografii komputerowej czy też systemy używane do terapii hadronowej nowotworów. W tym ostatnim przypadku naukowcy pracują nie tylko nad akceleratorami do przyspieszania protonów czy jonów węgla, ale też nad projektem kompaktowej gantry (GaToroid). Ma ona bazować na układzie cewek nadprzewodzących tworzących toroidalny magnes, który pozwoli nakierować wiązkę hadronów na cel z dowolnej pozycji bez konieczności obrotu całego urządzenia.

Osiągnięcia CERN w zakresie nauk biomedycznych to jednak nie tylko budowa prototypowych urządzeń do diagnostyki i terapii, ale także rozwój systemów analizy danych oraz dokumentacji medycznej a także tworzenie narzędzi symulacyjnych wykorzystywanych np. w biologii obliczeniowej (projekt BioDynaMo). Co ciekawe, naukowcy z CERN byli swoistymi pionierami, jeśli chodzi o tzw. chmury obliczeniowe. Najbardziej znanym opinii publicznej dokonaniem pracownika CERN pozostaje jednak hipertekstowy system informacyjny WWW (World Wide Web). Został on stworzony przez brytyjskiego fizyka Timothy Berners-Lee, co zostało upamiętnione specjalną tablicą w jednym z budynków CERN w Meyrin.

Generalnie informatycy w CERN zajmują się nie tylko zarządzaniem, przechowywaniem i przetwarzaniem danych, ale także rekonstrukcją zdarzeń, jakie zaszły podczas eksperymentów. Należy podkreślić, że w CERN, w szczególności podczas doświadczeń z wykorzystaniem LHC, wytwarza się ogromne ilości danych.

Przykładowo, jeśli w układzie detektorów w ciągu jednej sekundy obserwowanych jest 40 milionów zdarzeń, to w czasie tym generowany jest około petabajt informacji. Oczywiście tak duża ilość danych nie może być przechowana. W ciągu kilku mikrosekund większość z nich jest zatem automatycznie odrzucana przez urządzenie, gdyż nie spełnia najbardziej podstawowych kryteriów.

Ze 100 tysięcy pozostałych zdarzeń szybkie algorytmy w czasie rzeczywistym eliminują te mało interesujące z punktu widzenia badaczy i ostatecznie informacja tylko o kilkuset zostaje zarchiwizowana (zatem PB/s udaje się zredukować do GB/s).  Mimo to w samym tylko 2018 roku w CERN zarejestrowano 88 petabajtów danych. Dane te przechowywane są nie tylko na dyskach, ale przede wszystkim na taśmach magnetycznych, które zapewniają większe bezpieczeństwo.

Warto wspomnieć, iż naukowcy kierują się tzw. zasadą FAIR, co oznacza, że dane nawet po wielu latach muszą być łatwe do znalezienia (Findable), dostępne dla wszystkich (Accessible), możliwe do połączenia z innymi (Interoperable) i ponownego wykorzystania (Reusable). Każdy cykl pracy akceleratora związany jest z wytwarzaniem coraz większej ilości danych. Muszą one nie tylko być przechowywane, ale również analizowane. Sieć obliczeniowa CERN, oznaczana skrótem WLCG (od ang. Worldwide LHC Computing Grid) tworzona jest zatem przy współpracy ponad 170 centrów superkomputerowych z 42 krajów.

Edukacja w CERN

Podczas pobytu w CERN zauważyć można ogromne nastawienie na edukację. Szczególną uwagę poświęca się tu dydaktykom, którzy będą dalej propagować wiedzę o tej instytucji, budując świadomość społeczną i przybliżając szerokiemu gronu odbiorców najnowsze osiągnięcia nauki. Dlatego organizowane są nie tylko kilkudniowe kursy dla nauczycieli prowadzone w ich językach narodowych, ale również dłuższe programy międzynarodowe. Zaliczyć do nich można „International Teacher Weeks Programme”, który w 2019 r. zgromadził 47 dydaktyków fizyki z 38 krajów, w tym także autora niniejszego artykułu.

Aplikanci, którzy zostaną zakwalifikowani do programu i otrzymają stypendia Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, podczas rekrutacji muszą oczywiście wykazać się nie tylko bogatym CV, doskonałą znajomością języka angielskiego, kreatywnością, ale również przygotować m.in. film prezentujący siebie jako nauczyciela czy wykładowcę. Po powrocie mają pełnić rolę ambasadorów nauk fizycznych w swoich krajach, dzieląc się wiedzą z młodzieżą i ludźmi, którzy nie zawsze uświadamiają sobie, w jaki sposób praca naukowców z CERN zmieniła nasze życie (…)

Przyszłość CERN

Czytelnicy „Fizyki w Szkole” na pewno zastanawiają się, czy naukowcy z CERN planują już przyszłe eksperymenty z udziałem zderzacza jeszcze większego od LHC. Odpowiedź brzmi tak i wydaje się oczywista, gdyż takie ogromne przedsięwzięcia trzeba planować z dużym wyprzedzeniem, aby zapewnić stosowne finansowanie i rozwinąć potrzebne technologie. W pierwszej kolejności zostanie jednak zmodernizowany istniejący zderzacz, który od 2026 roku ma pracować jako HL LHC (od ang. High Luminosity Large Hadron Collider). Celem jest zwielokrotnienie liczby zderzeń zachodzących w ciągu sekundy, co będzie możliwe dzięki zwiększeniu liczby protonów w paczce przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru wiązki w miejscu kolizji.

W dalszej przyszłości planuje się jednak budowę zupełnie nowej maszyny z układem detektorów. Dotychczas pojawiły się m.in. koncepcje liniowego zderzacza CLIC (ang. Compact Linear Collider) oraz kołowego o roboczej nazwie FCC (ang. Future Circular Collider) i obwodzie około 100 km. Oczywiście czas pokaże, które z tych śmiałych zamierzeń zostanie zrealizowane, a być może fizycy stworzą zupełnie nowe technologie.

Reasumując warto jeszcze raz podkreślić, iż badania prowadzone w CERN nie tylko rozszerzają horyzonty naszego poznania i przyczyniają się do zrozumienia natury Wszechświata, ale również są źródłem wielu innowacyjnych rozwiązań technologicznych, które ułatwiają nam życie oraz przynoszą wiele korzyści zarówno społecznych jak i ekonomicznych.

dr Tomasz Kubiak

Wydział Fizyki UAM oraz Poznański Park Naukowo-Technologiczny Fundacji UAM