Dwa niezapomniane dni lekcji fizyki w CERNIE Zderzenie …aby

Dwa niezapomniane dni lekcji fizyki w CERNIE
Zderzenie
…aby stworzyć
…aby odnaleźć
…aby zrozumieć.
W jaki sposób zachęcić współcześnie młodego człowieka do poszukiwania odpowiedzi na pytania:
• Skąd wziął się wszechświat? Jak powstała nasza planeta? Jak i kiedy wszystko się zaczęło?
• W jaki sposób prowadzi się współczesne badania naukowe na najwyższym światowym
poziomie?
• Kto prowadzi takie badania, a kto je finansuje?
Na te i wiele innych pytań poszukiwaliśmy odpowiedzi podczas naszego wyjazdu. Czy wszystko zostało
wyjaśnione? Na jakie pytania współczesna fizyka teoretyczna zna odpowiedź, a na jakie pytania nie.
Co zobaczyliśmy i czego się dowiedzieliśmy w CERN?
EDUKACYJNA WYCIECZKA DO EUROPEJSKIEJ ORGANIZACJI BADAŃ JĄDROWYCH
W dniach 22 – 26 października 2013 r. grupa uczniów z XIV Liceum Ogólnokształcącego im. Kazimierza
Wielkiego oraz zaproszonych do współpracy uczniów z V Liceum Ogólnokształcącego, Gimnazjum nr 60,
Gimnazjum Społecznego nr 2 w Poznaniu i Gimnazjum w Skórzewie odbyła szkolenie w największym
ośrodku badawczym fizyki cząstek elementarnych CERN mieszczącym się w szwajcarskiej Genewie.
Głównym celem naszego wyjazdu było poznanie fizyki na najwyższym światowym poziomie, zwiedzenie
miejsc, w których tworzy się fizyka, poznanie od „kuchni” funkcjonowania największego na świecie
ośrodka badań fizyki cząstek elementarnych.
Europejski Ośrodek Badan Jądrowych CERN znajduje się w pobliżu Genewy w Szwajcarii. Naukowcy
w CERN badają miliony niezwykłych zdarzeń, by zrozumieć, w jaki sposób około 15 mld lat później
Wszechświat stał się taki, jakim go widzimy dzisiaj. Poszukują odpowiedzi na najbardziej podstawowe
pytania dotyczące przyrody. Co to jest materia? Skąd się bierze? W jaki sposób tworzy tak skomplikowane
obiekty jak gwiazdy, planety i istoty ludzkie? CERN odgrywa także istotną rolę w rozwoju technologii
przyszłości. Najbardziej znanym obiektem w CERN jest akcelerator LHC, a właściwie największy
na świecie kompleks połączonych za sobą akceleratorów.
CERN ma zasadniczy udział w popularyzacji edukacji technicznej. Obszerny wachlarz praktyk
i staży naukowych przyciąga do laboratorium wielu młodych utalentowanych naukowców i inżynierów.
Wielu z nich robi kariery w przemyśle, gdzie ich doświadczenie, zdobyte w pracy w wielonarodowym
środowisku z wykorzystaniem najnowszej techniki, jest bardzo wysoko cenione.
Dzięki programowi edukacyjnemu CERN, mieliśmy możliwości zwiedzania najważniejszych obiektów
ośrodka. Bardzo ciekawy i wykraczający poza ramowe zwiedzanie plan pobytu w CERN przygotował dla
nas Arkadiusz Gorzawski, polski pracownik naukowy. Wsparty innymi polskimi pracownikami, którzy
wcielili się w rolę przewodników, CERN ukazał się nam z punktu widzenia pracy polskich uczonych.
Dzień pierwszy
Wykład o CERN
Marek Kowalski
Zwiedzanie wystawy eksperymentu ATLAS
Julia Hoffman.
To największy detektor, który ma długość 46 m i średnicę 25 m. W przeprowadzanych za jego pomocą
doświadczeniach uczestniczy 2100 fizyków z ponad 167 uniwersytetów i instytutów rozlokowanych
w 37 krajach. LHC kosztował ok. 10 mld euro (kwota wydaje się duża, odpowiada jednak zaledwie
pięcioletnim kosztom samej eksploatacji tylko jednego współczesnego lotniskowca). Około 4% kosztów
budowy i uruchomienia LHC pokryli polscy podatnicy, którzy są współwłaścicielami urządzenia.
SM 18 Omówienie nadprzewodnictwa w magnesach LHC
Michał Jan Czech
Anna Fiergolski
Michał Kwiatek
Temperatura elektromagnesów wynosi 1,9 K
(-271°C), zerowy opór elektryczny, uzwojenie
elektromagnesu staje się idealnym przewodnikiem prądu elektrycznego, wartość indukcji pola
magnetycznego 8,3 Tesli (pole ziemskie 30-60 mikrotesli). Do podtrzymania nadprzewodnictwa potrzeba
120 MW energii, głównie na utrzymania niskiej temperatury elektromagnesów. Protony poruszają się
w próżni o wartości, której nie ma nawet w kosmosie. Wszystko montowane jest z dokładnością do
mikrometrów.
CMS/ATLAS
Piotr Traczyk
CMS to detektor przy wybudowanym w CERN-ie Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), który posłuży
m.in. do obserwacji mionów.
Główne cele eksperymentu to:
 poszukiwanie bozonu Higgsa,
 poszukiwanie wskazówek na temat supersymetrii,
 studiowanie kolizji ciężkich jonów.
Dzień drugi
Wykład o cząstkach i detektorach.
Marek Kowalski
Zwiedzanie Centrum Komputerowego CERN
Bartosz Artur Niemczura
Paweł Grzywaczewski
Katarzyna Maria Dzieszieniewicz-Wojcik
W drugim dniu pobytu w CERN zwiedliśmy Centrum Komputerowe. Poznaliśmy zasady działania GRID
(sieci komputerowych centrów obliczeniowych) oraz Europejskiego Centrum Połączeń Sieci Internet.
Okazało się, że największym problemem Centrum Komputerowego jest odprowadzanie ciepła powstałego
podczas pracy komputerów.
Zwiedzanie akceleratora LEIR
Arkadiusz Gorzawski
Michał Kwiatek
Wojciech Józef Zak
Aż trudno uwierzyć, że półroczna praca badawcza w CERN opiera się na małej butli z wodorem, którego
atomy składają się z jednego protonu i jednego elektronu. Atomy te raz na około 9 godzin są pobierane
ze specjalnej butli a następnie jonizowane, czyli odzierane z elektronów. Tak otrzymane protony zostają
uformowane w wiązki i skierowane do akceleratora liniowego Liniac 2, który za pomocą pól elektrycznych
rozpędza je do energii 50 MeV. Następnie trafiają do akceleratora Booster (ich energia zwiększa się tu
do 1,4 GeV), skąd są przekazywane do Synchrotronu Protonowego PS (energia 25 GeV), a potem
do Supersynchrotronu Protonowego SPS.11 Dopiero gdy energia protonów wzrośnie do 450 GeV –
co następuje niecałe pięć minut od momentu opuszczeniu butli – cząstki są wreszcie wpuszczane do wnętrza
LHC (w dwóch przeciwbieżnych kierunkach), gdzie przez kolejne 20 minut zwiększają swą energię do
7 TeV. Każdego dnia w ten sposób rozpędza się dwa nanogramy (10-9 g) wodoru. Oznacza to, że gram tego
pierwiastka wystarczyłby na milion lat pracy akceleratora LHC. Jony ołowiu są otrzymywane z próbki
ołowiu o wysokiej czystości, podgrzanej do temperatury 550 °C.
Z uwagi na dużą masę jąder, ich wstępne rozpędzanie wygląda nieco inaczej niż w przypadku protonów,
jednak ostatnie etapy drogi także wiodą przez akceleratory PS i SPS. Po przyspieszeniu wiązek do właściwej
energii, cząstki mogą krążyć w pierścieniu zderzacza przez wiele godzin. Intensywność wiązek stopniowo
maleje z powodu kontrolowanych zderzeń wiązek w detektorach oraz wskutek rozpraszania się cząstek na
resztkach gazu w rurach próżniowych akceleratora. Po 9 godzinach wiązki wypuszczane są z akceleratora
i kierowane specjalnymi tunelami w bloki grafitowe, gdzie wytracają swą potężną energię. Cząstki z obu
wiązek zderzają się ze sobą tylko w precyzyjnie wybranych miejscach: tam, gdzie wybudowano detektory
czterech głównych eksperymentów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. Oprócz nich są jeszcze dwa detektory:
TOTEM (przy CMS) i LHCf (przy ATLAS-ie)
Wszyscy, zarówno opiekunowie jak i uczniowie, zaliczamy wyjazd do bardzo udanych. Planujemy już
nawet kolejny, ponieważ ciągle pojawiają się wśród uczniów nowe pytania dotyczące powstania naszej
planety.
Zainteresowanym polecamy stronę:
http://cms.fuw.edu.pl/
http://encyklopedia.naukowy.pl/CMS_%28detektor%29
Elżbieta Nowak nauczyciel XIV Liceum Ogólnokształcącego w Poznaniu
Lidia Zarańska nauczyciel Gimnazjum im. I.J. Paderewskiego w Skórzewie