Badania małych cząstek za duże pieniądze. Dlaczego CERN potrzebuje nowego akceleratora?

Dlaczego CERN, cała europejska społeczność naukowa potrzebuje nowego akceleratora?

Nowy akcelerator, nowy zderzacz jest potrzebny z przyczyn naukowych. W 2012 roku w CERN odkryliśmy bozon Higgsa, bardzo szczególną cząstkę, bardzo różniącą się od innych 16 cząstek elementarnych, które odkryto już wcześniej. On ma inne właściwości, tak zwane liczby kwantowe. Równocześnie ma on związek z najbardziej tajemniczą i kłopotliwą częścią teorii opisującej cząstki elementarne i ich oddziaływania, tak zwanego Modelu Standardowego. Jeśli popatrzymy na Model Standardowy, ta część, która wciąż jeszcze nie jest w pełni poznana, która wciąż budzi wiele pytań, odnosi się właśnie do bozonu Higgsa. Ta cząstka jest szczególna, jej badania mogą być ścieżką do nowej fizyki, odkrycia nowych oddziaływań, nowych cząstek, które pomogą nam odpowiedzieć na niektóre z otwartych wciąż pytań, o ciemną materię, antymaterię, supersymetrię. Odkryliśmy więc najbardziej niewiarygodny elementarny obiekt w historii i byłoby szaleństwem nie badać go dalej. To jednak można zrobić tylko z pomocą nowego zderzacza. Jeśli chodzi o ciemną materię, można jej szukać w różnych eksperymentach, zderzaczach, badaniach promieniowania kosmicznego, ale bozon Higgsa powstaje tylko w zderzeniach, zderzacze są do tego celu unikatowym instrumentem.

Jakie rodzaje zderzaczy państwo rozważacie?

W tej chwili w CERN prowadzimy prace w zakresie badań i rozwoju nad dwiema propozycjami. Pierwsza to zderzacz liniowy CLIC (Compact Linear Collider), który zderzałby elektrony z antyelektronami, czyli pozytonami. Druga propozycja to zderzacz kołowy FCC (Future Circular Collider) podobny do Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) tylko... dużo większy. W tym pierścieniu można byłoby rozpędzać i zderzać elektrony z pozytonami, a także protony z protonami. To tak, jak w przypadku tunelu LHC, gdzie początkowo znajdował się LEP (Large Electron-Positron Collider), a potem dopiero Wielki Zderzacz Hadronów. CLIC potrzebowałby liniowego tunelu o długości początkowo około 11 kilometrów, a potem - w celu zwiększenia energii zderzeń - nawet do 50 kilometrów. FCC wymagałby tunelu kolistego o obwodzie 100 kilometrów, trzy razy dłuższego, niż LHC. W tej chwili Europejski Komitet Fizyki Cząstek Elementarnych rozważa obie możliwości, z punktu widzenia wartości naukowej, z punktu widzenia wyzwań technologicznych, argumentów za i przeciw. W niedalekiej przyszłości wskażemy, co będzie naszym priorytetem.

Kiedy zapadnie decyzja?

W tej chwili jesteśmy na etapie doprecyzowywania nowej wersji Europejskiej Strategii Fizyki Cząstek Elementarnych, co dokonuje się zwykle co 6 lat. Poprzednia strategia została przyjęta w 2013 roku, wcześniej mieliśmy znakomite spotkanie w Krakowie we wrześniu 2012 roku, gdzie dyskutowaliśmy opcje. W tej chwili jesteśmy w podobnej fazie pracy a strategia zostanie oficjalnie przyjęta przez Radę CERN w maju 2020 roku. Za kilka miesięcy będziemy wiedzieć, czy jesteśmy gotowi, by wskazać określony kierunek, czy musimy jeszcze nieco poczekać.

CERN nie jest już tylko europejską organizacją, to organizacja w coraz większym stopniu międzynarodowa, są stowarzyszeni członkowie spoza Europy. Na ile warto sprawę rozwoju możliwości badawczych pozostawić w projekcie europejskim, na ile można się otworzyć na inne kraje?

CERN powstał w 1954 roku po to, by przywrócić po II wojnie światowej wysoką jakość badań naukowych w Europie, by promować pokojową współpracę naukową między krajami europejskimi. Idea była taka, by promować naukę jako narzędzie dobrej współpracy i dobrych stosunków międzynarodowych w Europie. Od tego czasu, przez 65 lat, nastąpił bardzo duży postęp, mamy nie tylko kraje członkowskie spoza Europy, jak Izrael, ale też wielu członków stowarzyszonych, jak choćby Indie i Pakistan. Ale poza krajami członkowskimi i stowarzyszonymi mamy umowę o współpracy międzynarodowej z jeszcze wieloma innymi krajami, w tym bardzo ścisłą współpracę na przykład ze Stanami Zjednoczonymi i Japonią. Te kraje wniosły bardzo istotny wkład zarówno do samej konstrukcji Wielkiego Zderzacza Hadronów, jak i prowadzonych w nim eksperymentów. Są różne sposoby włączania się w projekty CERN, jednym jest członkostwo, czy stowarzyszenie, innym udział w konkretnych projektach na zasadzie indywidualnego porozumienia. Z całą pewnością przyszły zderzacz, ze względu na skalę wyzwań, także finansowych, będzie projektem globalnym, w którym kraje spoza CERN będą miały znaczący wkład w koszty budowy i bieżące koszty pracy. Rozpoczęliśmy już negocjacje w tej sprawie, ale one staną się bardziej konkretne, gdy będziemy już widzieć, co będziemy budować.

Ale projekt pozostanie wciąż europejski? Z choćby marketingowego punktu widzenia...

Akcelerator, wszystko jedno, czy CLIC, czy FCC będzie tu w CERN, a CERN jest przedsięwzięciem o charakterze europejskim. Ten europejski charakter pozostanie bardzo silny. W rozmowach o potrzebie budowy nowego akceleratora zawsze podkreślam też znaczenie konkurencji. Konkurujemy z Chinami, czy Japonią. Czy chcemy utrzymać przodownictwo Europy w badaniach z zakresu fizyki podstawowej i technologii, która jest do tego potrzebna, co udawało nam się dzięki CERN przez 65 lat? Dla mnie odpowiedź jest oczywista.

Mówi pani o planach budowy największego instrumentu w CERN, a co z przyszłością innego rodzaju prowadzonych tu badań?

To dobre pytanie. To zawsze bardzo istotne by nie stawiać wszystkiego na jedną kartę. Do badań bozonu Higgsa potrzebujemy nowego zderzacza, ale jest jeszcze wiele innych pytań, potrzebujemy nowych oddziaływań, nowych cząstek, nie wiemy, gdzie ta nowa fizyka jest. Nie wiemy o jakich energiach tu mówimy. Mogą to być bardzo ciężkie cząstki, mogą to być też lekkie cząstki, ale niewidoczne bo oddziałujące z tymi cząstkami, które znamy, bardzo słabo. W tej chwili istotne, by poszukiwać możliwie szeroko. Zderzacz pozwoli nam badać zjawisko przy możliwie maksymalnej energii. Ale są inne podejścia, równie ciekawe. I CERN ma pod tym względem bardzo różnorodny program. I Polska, polscy naukowcy, inżynierowie i technicy są zaangażowani nie tylko w program LHC, ale i w te naukowo różnorodne, inne programy. Będziemy kontynuować i promować inne programy, w tym nowy liniowy akcelerator Linac4, a także inne, pośrednie akceleratory, których wiązki, o różnych energiach, składzie i strukturze czasowej,  też mogą być wykorzystane. Zaangażowanie w inne projekty pozostaje bardzo ważne.

W jednym z wywiadów wspominała pani, że badania struktury materii przypominają nieco zajmowanie się sztuką. Czy dostrzega pani pokrewieństwo między fizyką, a muzyką?

Z pewnością. Osobiście bardzo popieram bliskie związki nauki ze sztuką. Zbyt często wkładamy je do różnych kategorii, ale moim zdaniem i jedno, i drugie jest wyrazem kreatywności, ciekawości, pomysłowości ludzkiego umysłu. Ja osobiście kształciłam się zarówno w muzyce, jak i fizyce i znajduję między nimi bardzo wiele powiazań. Jeśli patrzymy na najbardziej podstawowe prawa natury, na cząstki elementarne i ich oddziaływania, widzimy, że opierają się na symetrii. Symetria to pojęcie estetyczne, natura wybrała piękno jako podstawę swych praw na podstawowym poziomie. To dla mnie naprawdę bardzo intrygujące.

Jak kieruje się zespołem tak wielu ambitnych naukowców, inżynierów, techników z wielu krajów.  Jak kieruje się grupami naukowymi, które dają publikacje zawierające nazwiska tysięcy autorów? To nie może być łatwe...

Po pierwsze muszę podkreślić, że ta praca to wielki honor i przywilej. Daje bardzo dużo satysfakcji. Nie mogą powiedzieć nawet, że to ciężkie zadanie. Tak naprawdę, to ja dorastałam w CERN jako fizyk, przyjechałam to krótko po doktoracie, byłam dwa lata, wróciłam do swojego instytutu w Mediolanie, potem zostałam w CERN zatrudniona i kontynuuje tu całą karierę. Dorastałam w tym środowisku, pracowałam z ludźmi z wielu krajów. CERN zbudowano na współpracy ponad granicami, ale też na pracy zespołowej. Nie można prowadzić eksperymentów ATLAS, CMS, ALICE małą grupą, trzeba tysięcy naukowców. Ta kultura współpracy jest elementem naszego DNA. Dla mnie to naturalne. Oczywiście są pewne wyzwania, ale nauczyliśmy się współpracować. Każdy ma w danej chwili swoje zadania, ja pełnię teraz rolę Dyrektor Generalnej, ale potem powrócę do zajmowania się fizyką, może pracą nad kolejnymi projektami. To naturalne. Oczywiście stanowisko Dyrektora wiąże się z większą odpowiedzialnością, ale nie zmianą stylu pracy. To wciąż współpraca z ludźmi z wielu krajów. Wielka przyjemność.

Czy podobnie jak wielu fizyków pani też nie lubi, gdy dziennikarze nazywają bozon Higgsa "boską cząstką"?

Nazwa "boska cząstka" nie została wymyślona przez fizyków, wprowadził ją redaktor, który chciał opublikować książkę i uznał, że taka nazwa zwiększy sprzedaż. Ale choć bozon Higgsa jest szczególną cząstką, mówiłam o tym wcześniej, nie jest ważniejszy od innych cząstek elementarnych. Jesteśmy zbudowani z atomów, atomy składają się z elektronów i kwarków. Gdyby elektrony i kwarki nie istniały, nie zachowywały się tak, jak się zachowują, nie byłoby nas tutaj. Wszystkie cząstki elementarne są równie ważne.

Ale ta nazwa pomogła w promocji LHC...

To prawda. Mieliśmy wielkie zainteresowanie opinii publicznej, gdy uruchamialiśmy Wielki Zderzacz Hadronów pojawiły się nawet pogłoski, że wyprodukujemy czarną dziurę, która pochłonie naszą planetę. To była chwila pełna napięcia, ale dała nam dużą popularność. Ale dziesięć lat później wciąż jeszcze tu jesteśmy.

Odpowiadając na pytanie o potrzebę budowy nowego akceleratora wspominała pani jednak o szczególnym charakterze bozonu Higgsa. Czyli wszystkie cząstki są równe, ale bozon Higgsa jest równiejszy?

W pewnym sensie, bo pełni szczególną rolę. Poza tym jest ostatnią cząstką, którą do tej pory odkryliśmy, nie znamy go jeszcze tak dobrze, jak poprzednie, które badamy już od ponad 20 lat. On ma specjalne własności, sposób w jaki oddziałuje z innymi cząstkami jest inny. Jest szczególny, ale nie bardziej ważny. Czy moglibyśmy na przykład istnieć bez bozonu W? Nie. Nie byłoby nas tu.

Czy oczekuje pani kolejnej nagrody Nobla za bozon Higgsa, tym razem za samo jego odkrycie?

Nagroda za odkrycie bozonu Higgsa została już przyznana w 2013 roku, przypadła dwóm fizykom teoretykom. Co do nagrody dla CERN-u to z zasady, poza pokojową, nagrody Nobla przyznawane są osobom, nie instytucjom. A my byliśmy bardzo szczęśliwi, gdy po naszym odkryciu bozonu Higgsa wyróżniono Francoisa Englerta i Petera W. Higgsa, a w uzasadnieniu Szwedzka Akademia Nauk wspomniała Wielki Zderzacz Hadronów i eksperymenty ATLAS i CMS. Sprawiło nam to dużo radości.  

Fizyka cząstek elementarnych zajmuje się bardzo małymi obiektami za bardzo duże pieniądze. Jak wielkie znaczenie dla nowej strategii mają właśnie sprawy finansowe?

Między tymi małymi obiektami i wielkimi sumami pieniędzy jest jeszcze jeden etap, o którym pan nie wspomniał, bardzo duże instrumenty naukowe. Dlaczego? Bo im mniejsze obiekty chcemy badać, tym większych instrumentów potrzebujemy. Jeśli chcemy badać komórki naszego ciała, mikroskop wystarczy, jeśli chcemy badać podstawowe składniki materii, potrzebujemy wielkiego akceleratora. To oczywiście kosztuje, choć nie trzeba tych pieniędzy znaleźć od razu, to wydatki rozłożone na  dziesięciolecia. Ponadto te pieniądze nie idą tylko na bezpośredni cel naukowy, ale też rozwój najnowszych technologii, które są potrzebne przy tak zaawansowanych eksperymentach. Nie tylko w przypadku CERN badania podstawowe napędzają innowacje. Nasze cele są zawsze bardzo ambitne, bo staramy się dotrzeć poza to, co już wiemy. To wymaga technologii, które jeszcze nie są dostępne. Kiedy wychodzimy poza aktualny stan wiedzy, właśnie w ten sposób ludzkość dokonuje postępu. CERN potem udostępnia społeczeństwu te technologie już za darmo. Siec WWW jest jednym z takich przykładów, innymi są zastosowania medyczne. Z naszych wynalazków społeczeństwo ma konkretne korzyści.

Czy w rozmowach z politykami wciąż trzeba tłumaczyć, o co w tym wszystkim chodzi, czy państwa działalność jest już na tyle popularna, że oni sami wiedzą?

Fizycy, nie tylko w CERN, ale i gdzie indziej, w ciągu ostatnich lat czynią coraz więcej starań, by dobrze komunikować się z opinią publiczną, także rządami państw. Oczywiście musimy robić jeszcze więcej, bo cała wiedza należy do ludzkości. Kiedy odkryliśmy bozon Higgsa to nie było odkrycie tylko dla nas, fizyków, to było odkrycie dla całej ludzkości, która w ten sposób postawiła na drodze zdobywania wiedzy jak powstawał Wszechświat, kolejny krok. To teraz należy do wszystkich. Ponieważ jesteśmy instytucją finansowaną z publicznych pieniędzy, naszym obowiązkiem i przyjemnością jest dzielenie się tym, co zrobiliśmy z opinią publiczną. Myślę, że opinia publiczna dość dobrze rozumie, co robimy, dostrzegam wiele entuzjazmu. 14 i 15 września mieliśmy Otwarte Dni CERN i w ciągu tych dwu dni odwiedziło nas 75 tysiące osób. To było nadzwyczajne, mieliśmy setki pokazów, 9 specjalnych miejsc, 3000 wolontariuszy. To było wielkie święto nauki, z dziećmi, dorosłymi, seniorami. Ale oczywiście czasem też widać, że nie do wszystkich trafia to, czym się zajmujemy, nie wszyscy to doceniają. Moim zdaniem jednak nie ma nic lepszego, niż wizyta w CERN, kiedy ludzie przyjadą i zobaczą na własne oczy, co robimy, nawet najwięksi sceptycy są pod wrażeniem, rozumieją wartość tego miejsca. Nie chodzi zresztą tylko o wiedzę naukową, czy najnowocześniejsze technologie, ale też ducha tego miejsca, gdzie młodzi ludzie z tylu krajów świata pracują razem bez żadnych barier. Osoby, które nas odwiedzają rozumieją znaczenie tego miejsca dla ludzkości, a szczególnie dla Europy. Zapraszamy premierów rządów, nowych ministrów nauki, polski prezydent był parę lat temu. Teraz, kiedy zderzacz przechodzi modernizację jest to tym bardziej możliwe.

Jest pani Dyrektorem Generalnym CERN, prof. Agnieszka Zalewska była parę lat temu przewodniczącą Rady CERN. Czy CERN jest teraz miejscem oferującym kobietom równe szanse?

Nową przewodniczącą Rady CERN jest także kobieta. Staramy się promować na tyle na ile to jest możliwe równe szanse dla kobiet i mężczyzn. CERN to jest miejsce, gdzie celebrujemy różnorodność pod każdym względem, płci, kultury, narodowości. Staraliśmy się przełamać wszystkie możliwe bariery. Mamy różne programy zmierzające do promocji różnorodności, choćby narodowościowej, staramy się dopilnować, by każdy czuł się tu jak w domu i miał takie same szanse. Dla mnie promocja różnorodności oznacza równe szanse dla każdego, podejmujemy takie działania i mamy postępy, kobiety obejmują coraz więcej stanowisk kierowniczych w poszczególnych projektach. Wciąż jednak jeszcze wiele jest do zrobienia. mam nadzieję, że będziemy dalej iść w tym kierunku.

Poza odkryciem bozonu Higgsa, jakie są pani zdaniem największe osiągnięcia CERN?

Odkryto tu wcześniej dwie ważne cząstki bozon Z i bozon W, które przenoszą oddziaływanie słabe, jedno z czterech podstawowych oddziaływań. To było bardzo ważne i bardzo posunęło naprzód nasze rozumienie fundamentalnych praw fizyki. Celem CERN nie jest przy tym tylko odkrywanie nowych cząstek, ale także dokładniejsze badania, mierzenie znanych już cząstek. Na przykład poprzednik Wielkiego Zderzacza Hadronów, akcelerator LEP nie odkrył żadnych nowych cząstek, ale niewiele było programów, które pozwoliłyby nam dokonać tak wielkiego postępu w rozumieniu fizyki podstawowej, rozumieniu podstawowych oddziaływań. Tak, że nie chodzi tylko o znajdywanie nowych cząstek, ale też mierzenie już znanych i zwiększanie wiedzy o naturze oddziaływań. W tym także obalanie pewnych teorii, by skierować nasze badania na nowe, najbardziej obiecujące tory. I jeszcze na koniec, ponieważ nie pytaliście mnie państwo o polski udział w pracach CERN, sama powiem, co o nim myślę. Współpraca między Polską i CERN to naprawdę wielki sukces. Polska jest bardzo poważnym partnerem. Współpraca zaczęła się jeszcze w latach 60-tych, oficjalne przystąpienie do CERN miało miejsce w 1991 roku. Polska ma wielki udział w czołowych programach CERN dzięki znakomitym fizykom, znakomitym inżynierom, doskonałym technikom. Polska dostarcza też ważną aparaturę do eksperymentów, w tym detektorów, sama przekonałam się o tym w eksperymencie ATLAS, gdzie pracowałam z polskimi kolegami. Ten wkład, podkreślam, ma charakter naukowy, technologiczny, przemysłowy, mamy nadzieję, że będzie kontynuowany. Licząc osoby zatrudnione w CERN i tak zwanych użytkowników w CERN pracuje około 500 osób z Polski. Chcemy nadal korzystać z waszej pracy i liczymy na to, że i wy macie korzyść ze współpracy z CERN.

W dniach 24-25 października 2019 przedstawiciele polskich mediów zwiedzali CERN, korzystając z długiej przerwy modernizacyjnej LHC. CERN poprzez swoich przedstawicieli w EPPCN (European Particle Physics Communication Network) zaprasza dziennikarzy z krajów członkowskich i stowarzyszonych do odwiedzenia swej siedziby, w szczególności zapoznania się z udziałem naukowców z danego kraju w prowadzonych tu badaniach. Podczas dwudniowej wizyty polscy dziennikarze reprezentujący prasę, radio i media online zwiedzili dwa spośród wielkich eksperymentów na Wielkim Zderzaczu Hadronów, tunel samego akceleratora, a także inne laboratoria i projekty ze znaczącym udziałem polskich grup badawczych. Wszędzie byli oprowadzani przez polskich ekspertów.