Badanie podstawowych składników materii i zachodzących pomiędzy nimi oddziaływań ściśle związane jest z postępem technologicznym i rozwojem aparatury, ze szczególnym uwzględnieniem akceleratorów cząstek. Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN jest jednym z najważniejszych na świecie laboratoriów wykorzystujących akceleratory, w tym Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), będący największym i najpotężniejszym akceleratorem na świecie.

Zadaniem akceleratora jest przyspieszenie mikroskopowych cząstek do prędkości bliskiej prędkości światła, przy okazji nadając im ogromną energię. Jeżeli akcelerator jest też zderzaczem, to jego zadaniem jest zderzenie cząstek – w LHC są to czołowe zderzenia przeciwległych wiązek, do których dochodzi wewnątrz ogromnych detektorów. LHC wyposażone jest w cztery takie detektory, które rejestrują produkty zderzeń, w tym m.im. egzotyczne, krótkożyciowe cząstki które istniały tylko chwilę po Wielkim Wybuchu. Jednym z detektorów jest ALICE (A Large Ion Collider Experiment), zoptymalizowany do szczegółowej rekonstrukcji trajektorii i pędów cząstek oraz umożliwiający dokładną identyfikację rodzaju wytworzonych cząstek.

Oprócz czołowych zderzaczy, w fizyce wysokich energii stosuje się również zderzenia wysokoenergetycznych wiązek cząstek ze stacjonarną tarczą. Obie metody mają swoje zalety, często unikatowe, dlatego warto jest wykorzystywać oba typy eksperymentów w celu jak najlepszego poznania zasad mikroświata, w możliwie różnych warunkach laboratoryjnych.

Zderzenia ze stacjonarną tarczą jak dotąd nie były prowadzone na LHC ze względu na ograniczenia projektowe i technologiczne. Wraz z rozwojem technologii pojawiają się jednak nowe metody, dzięki którym próbujemy przezwyciężyć takie ograniczenia. Moje badania skupione są na opracowaniu takiego rozwiązania.

Podczas typowej pracy LHC, część cząstek wyraźnie odstających od innych zostaje pochłonięta w specjalnych barierach (kolimatorach). Celem projektu jest zbadanie możliwości wykorzystania zakrzywionych kryształów krzemowych do przechwycenia takich cząstek i skierowania ich na tarczę wewnątrz detektora ALICE. Pozwoli to uzyskać wiązkę cząstek o rekordowo wysokiej energii do zderzeń ze stacjonarną tarczą. Dzięki temu możliwe będzie prowadzenie dodatkowych eksperymentów z fizyki cząstek elementarnych i badanie procesów niedostępnych w zderzeniach czołowych w LHC – tym bardziej, że tarcza może być zbudowana z praktycznie dowolnego materiału.

Taki unikatowy układ eksperymentalny dostarczy informacji, które pomogą odpowiedzieć na część z najważniejszych pytań współczesnej fizyki cząstek, fizyki kwarków i gluonów, plazmy kwarkowo-gluonowej, zagadnień dotyczących promieniowania kosmicznego i wielu innych. Większość tych zjawisk jest niedostępna przy innej konfiguracji eksperymentu.

Możliwość wykorzystania kryształów do sterowania torem cząstek, choć wynika z zasad mechaniki kwantowej, jest w istocie bardzo łatwa do zobrazowania. Kryształ ma uporządkowaną strukturę wewnętrzną, w szczególności może mieć budowę warstwową, gdzie płaszczyzny krystaliczne oddzielone są od siebie pustą przestrzenią, tworząc coś na kształt torów. Cząstki uderzając w kryształ wpadają w te tory i są wzdłuż nich prowadzone, tak że ostatecznie opuszczają kryształ bez istotnych zaburzeń. Dodatkowo, kryształ w procesie produkcji może zostać zakrzywiony, co oznacza, że również znajdujące się wewnątrz tory będą zakrzywione, co pozwala na zmianę trajektorii lotu cząstki. Jest to niezwykle wydajny proces: kryształ o długości kilku milimetrów wywołuje odchylenia odpowiadające najsilniejszym dostępnym magnesom o długości kilku metrów, nie wymagając do pracy żadnego źródła zasilania.

Moje badania zostały przeprowadzone przy użyciu programów do symulacji pracy akceleratora, które umożliwiają obliczenie trajektorii cząstek w celu odtworzenia rzeczywistych warunków w LHC. W ten sposób opracowany został projekt układu eksperymetnalnego zoptymalizowanego na dostarczenie wystarczającej liczby cząstek do zderzeń z tarczą, bez jakiegokolwiek negatywnego wpływu na normalne funkcjonowanie LHC. Opracowana przeze mnie metoda zostanie wkrótce zweryfikowana w LHC wykorzystując specjalnie zbudowane do tego celu stanowisko testowe. Opisane powyżej badania zostały sfinansowane z programu badań i innowacji Unii Europejskiej Horyzont 2020, akronim: FixedTargetLand.

W najbliższej przyszłości będę uczestniczył w projektowaniu stanowiska testowego oraz w projekcie podobnego rozwiązania do pracy z wiązkami jonów ołowiu. Badania te finansowane są z programu Sonata Narodowego Centrum Nauki, grant nr 2021/43/D/ST2/02761.

---

Dodatkowe materiały: