Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN jest międzyrządową organizacją naukową. Jej misją jest prowadzenie światowej klasy badań w dziedzinie fizyki oddziaływań fundamentalnych przy użyciu najnowocześniejszych detektorów i akceleratorów wysokich energii. CERN zajmuje się również transferem wiedzy do przemysłu i kształceniem nowego pokolenia naukowców. Badania, które są realizowane w CERN-ie, koncentrują się na analizie cząstek elementarnych – najmniejszych elementów materii Wszechświata. Naukowcy chcą poznać także fundamentalne prawa nimi rządzące. Efekty ich pracy wykorzystywane są m.in. w diagnostyce i terapiach medycznych, kriogenice, technologii ultra-wysokiej próżni czy monitorowaniu promieniowania. Niewiele osób wie jednak, że CERN to również miejsce narodzin… sieci World Wide Web.

Oficjalna współpraca grupy fizyków jądrowych z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego rozpoczęła się w chwili przystąpienia do neutrinowego eksperymentu ICARUS w 2001 roku i eksperymentu zajmującego się pomiarem zderzeń ciężkich jonów NA61/SHINE w 2010 roku. Fizycy z IF UŚ brali udział w testach detektora ICARUS w Pawii oraz w pomiarach w podziemnym laboratorium w Gran Sasso (Włochy), gdzie został zainstalowany detektor ICARUS T600. Analizy przez nich wykonywane koncentrowały się m.in. na rekonstrukcji przypadków oddziaływań pionów neutralnych oraz oddziaływań neutrin z wiązki CNGS. W eksperymencie ICARUS na przestrzeni lat jego projektowania, planowania i działania brało udział kilkanaście osób z Uniwersytetu Śląskiego. Obecnie z tej grupy nadal pozostają na UŚ i są zaangażowani w inne eksperymenty neutrinowe związane z CERN: prof. dr hab. Jan Kisiel, dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ oraz doktoranci mgr Jacek Holeczek i mgr Kamil Porwit. Drugi eksperyment, w którym pracę rozpoczęli w 2010 roku naukowcy UŚ, to eksperyment NA61/SHINE. W ramach eksperymentu zarejestrowane zostały zdarzenia jąder o różnych rozmiarach (p+p, Be+Be, Ar+S.C., Xe+La, Pb+Pb) i energiach (od 13 do 150 GeV na nukleon). Celem eksperymentu było poszukiwanie punktu krytycznego silnie oddziałującej materii i badanie własności przejścia fazowego pomiędzy gazem hadronowym a plazmą kwarkowo-gluonową. W eksperymencie NA61/SHINE udział biorą obecnie: dr hab. Seweryn Kowalski, prof. UŚ, dr Szymon Puławski, prof. UŚ, dr Katarzyna Schmidt, prof. UŚ, mgr inż. Kamil Wójcik oraz doktoranci: mgr inż. Marta Urbaniak, mgr Yuliia Balkova oraz mgr inż. Bartosz Łysakowski. Współpraca właściwie od początku jest finansowana przez projekty Narodowego Centrum Nauki. Obecnie realizowane są w grupie dwa granty NCN (Beethoven i Grieg).

W ciągu ostatnich 30 lat na Uniwersytecie Śląskim  prowadzone były również prace teoretyczne związane z działaniem akceleratora LEP (ang. the Large Electron-Positron Collider) i precyzyjnymi obliczeniami w ramach Modelu Standardowego oraz jego rozszerzeniami (prof. Marek Zrałek, prof. Karol Kołodziej). Prof. Henryk Czyż brał udział w pracach grup roboczych LEP-u dotyczących procesu Bhabha i generatorów Monte Carlo. Fizycy z UŚ biorą udział nie tylko w realizowanych obecnie w CERN-ie eksperymentach, ale także przygotowują nowe. Test Beam Experiment for Hyper-Kamiokande and Future Large-scale Water-based Detectors (WCTE) to eksperyment z użyciem CERN-owskich wiązek cząstek naładowanych. Jego wyniki zostaną wykorzystane przez międzynarodową współpracę fizyków Hyper-Kamiokande, w której pracują także naukowcy z UŚ. Hyper-Kamiokande będzie największym wodnym detektorem promieniowania Czerenkowa.

Wielu naukowców z Uniwersytetu Śląskiego od lat ma możliwość prowadzenia badań w CERN. Prof. dr. hab. Jan Kisiel tak mówi o swoich początkach:

– W 1991 roku zaczęła się moja, trwająca do dziś, przygoda z CERN-em. Rozpoczęła się trochę przypadkowo, ponieważ jako stypendysta Fundacji Alexandra von Humboldta na Uniwersytecie Monachijskim włączyłem się w prace eksperymentu Crystal Barrel, który badał własności lekkich mezonów i poszukiwał glueballi, czyli stanów związanych gluonów. Mezony były produkowane w anihilacji antyprotonów z CERN-owskiego akceleratora LEAR (Low Energy Antiproton Ring) z protonami. Pierwszym eksperymentem neutrinowym, w którym brały udział polskie zespoły badawcze – w tym z Uniwersytetu Śląskiego – był eksperyment ICARUS. Po uruchomieniu w 2010 roku detektora ICARUS w podziemnym laboratorium fizyki w Gran Sasso we Włoszech przez 3 lata mierzyliśmy oddziaływania neutrin mionowych z wiązki CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) w ciekłym argonie, którym był wypełniony detektor. Do tej pory jest to największa ciekłoargonowa komora projekcji czasowej, jaka została zbudowana. Jednym z ciekawszych wyników uzyskanych przez detektor ICARUS był pomiar prędkości neutrin po doniesieniu o ich nadświetlności przez eksperyment OPERA. Pokazaliśmy, że neutrina, jako cząstki posiadające masę, nie mogą poruszać się szybciej niż światło.

Dla dr Katarzyny Schmidt, prof. UŚ współpraca z CERN rozpoczęła się w 2009 roku, kiedy była doktorantką w Instytucie Fizyki. Jak wspomina:

– Wówczas sobie zamarzyłam: jeszcze tu wrócę! Na staż podoktorski wyjechałam do Stanów Zjednoczonych, jednakże po powrocie do Polski dołączyłam do grupy, która czynnie uczestniczy w pracach eksperymentu NA61/SHINE w CERN-ie. Od tej pory regularnie wyjeżdżałam do ośrodka na słynne „szychty” (dyżury podczas zbierania danych) oraz do prac związanych z modernizacją detektora. W eksperymencie zajmuję się głównie oprogramowaniem. Obecnie intensywnie pracujemy nad wdrożeniem metod uczenia maszynowego do odfiltrowania szumów rejestrowanych przez detektor. Zbierając dane w czasie rzeczywistym, chcielibyśmy zachowywać tylko te z nich, które pochodzą z reakcji jądrowej. Pozwoli nam to zaoszczędzić miejsce w przestrzeni dyskowej (5000 TB) oraz ułatwi i przyśpieszy przyszłą analizę.

Dr Schmidt, prof. UŚ zaznacza także celowość badań podejmowanych przez CERN. Niejednokrotnie spotykała się z pytaniami, po co poświęcać niewyobrażalną ilość czasu i pieniędzy na eksperymenty, których wyniki w żaden sposób nie zmienią życia zwykłego obywatela.

– Zazwyczaj odpowiadam w ten sposób: czy Albert Einstein, kiedy pracował nad teorią względności, był w stanie przewidzieć, że jego teoria będzie w przyszłości wykorzystywana we współczesnych systemach nawigacji, np. GPS? Nauka, którą uprawiamy (nie tylko w CERN-ie), należy do badań podstawowych, tzn. nienastawionych na natychmiastowe zastosowania. Innymi słowy, służy poznaniu, pogłębieniu naszej wiedzy o otaczającym nas świecie. Poza tym podczas projektowania wielkich eksperymentów powstają nowe technologie, z których następnie korzysta przeciętny człowiek. Najlepszym przykładem są strony internetowe. Tim Berners-Lee, brytyjski naukowiec, wynalazł World Wide Web (WWW) w 1989 roku, pracując w CERN-ie, by rozwiązać problem dzielenia się wynikami badań między naukowcami z uniwersytetów i instytutów na całym świecie.

Praca w CERN-ie jest niebywałym wyróżnieniem, ale i pasjonującą przygodą. Sam ośrodek położony jest na granicy Szwajcarii i Francji, a dokładniej na przedmieściach Genewy. Otacza go Jezioro Genewskie i górskie pasmo Jury. Na stałe zatrudnionych jest 2600 pracowników. Tę grupę dopełnia około 8000 naukowców i inżynierów z niemal 500 ośrodków naukowych z całego świata. Z tym ośrodkiem naukowo-badawczym było powiązanych wielu noblistów m.in. Felix Bloch, Edward Mills Purcell, Samuel Ting, Burton Richter czy Georges Charpak. Obchody 30-lecia współpracy Polski z CERN-em mają na celu m.in. popularyzację nauki, wskazanie jej istoty i nowych wyzwań dla fizyków z całego świata. W działania te włącza się również Uniwersytet Śląski.

Opracowała Agnieszka Niewdana