logo
FA 9/2021 informacje i komentarze

Błażej Skoczeń

Współpraca PK z CERNem – to już 30 lat!

Wielki Zderzacz Hadronów, LHC, CERN. Fot. Archiwum CERN

Jednym z najbardziej prestiżowych ośrodków naukowych w Europie i na świecie jest Europejska Organizacja Badań Jądrowych (CERN) z siedzibą w Genewie, założona w 1954 roku. Należą do niej 23 państwa członkowskie, wśród nich Polska. Jej celem statutowym jest prowadzenie badań podstawowych w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych. Prace te wymagają budowy niezwykle skomplikowanych i wymagających instrumentów naukowych, jakimi są akceleratory cząstek elementarnych. Nowoczesne urządzenia tego typu wykorzystują zjawisko nadprzewodnictwa i pracują w temperaturach bliskich absolutnego zera. Takie warunki operacyjne wymagają zaangażowania do ich budowy najbardziej nowoczesnych materiałów oraz technologii, znanych do tej pory jedynie z zastosowań w podboju kosmosu. Najnowszy instrument naukowy zbudowany w CERN-ie, Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) umożliwił potwierdzenie istnienia oraz sprecyzowanie masy bozonu Higgsa.

Politechnika Krakowska ma znaczący udział w tym prestiżowym projekcie, poczynając od roku 1991, kiedy Polska przystąpiła oficjalnie do CERN-u. Naukowcy z PK byli obecni w wielu pracach związanych z budową tego niezwykle złożonego instrumentu fizyki wysokich energii. Pierwsze kontakty obu ośrodków miały miejsce już w październiku 1990 r., a w roku 1997 została podpisana pierwsza umowa o współpracy pomiędzy Politechniką Krakowską i CERN-em. Warto zauważyć, że pracownicy i absolwenci uczelni pełnili w CERN-ie funkcje kierowników jednostek organizacyjnych (sekcji oraz grup), a także funkcję doradcy dyrektora CERN ds. państw nie będących członkami CERN-u (Dr T. Kurtyka).

Podpisanie umowy o współpracy między CERN-em i IFJ PAN (2003). Fot. ARchiwum CERN

Główne prace badaczy z PK we współpracy z CERN-em obejmowały projektowanie akceleratorów cząstek elementarnych, systemów transportu wiązki, magnesów nadprzewodzących, układów sterowania magnesami korekcyjnymi, systemów kompensacji termomechanicznej, systemów wysokiej próżni, a także opracowanie nadprzewodników i ich połączeń, układów kriogenicznych, nadprzewodzących linii zasilających magnesy, kriostatów, systemów chłodzenia detektorów cząstek, struktur nośnych detektorów, soczewek magnetycznych etc. Zaangażowani w nie byli specjaliści z zakresu: mechaniki i fizyki ciała stałego, mechaniki materiałów i konstrukcji, inżynierii materiałowej, fizyki pól magnetycznych, termodynamiki, kriogeniki, teorii stateczności i optymalizacji konstrukcji, a także fizyki i technologii wysokiej próżni. Przy okazji prac koncepcyjnych nad Wielkim Zderzaczem Hadronów powstało wiele obszarów interdyscyplinarnych, w których różne specjalności spotykają się we wspólnym programie badań. Typowym przykładem są np. zjawiska zachodzące w materiałach stosowanych w ekstremalnie niskich temperaturach.

Przy tworzeniu koncepcji LHC szczególnie ważne były prace nad zjawiskiem przejścia fazowego oraz strukturą nadprzewodnikowych magnesów dipolowych, wykonywane w latach 1992-1996. Duża grupa zadań projektowych realizowanych w latach 1994-1998 przy współudziale pracowników PK dotyczyła urządzeń znajdujących się w naczyniu próżniowym akceleratora, takich jak aktywnie chłodzone ekrany termiczne czy specjalna linia nadprzewodząca, służąca do zasilania i sterowania magnesami korekcyjnymi. Inne prace dotyczyły unikalnego systemu kompensacji termo-mechanicznej akceleratora pracującego w ekstremalnie niskich temperaturach (temperaturze nadciekłego helu). System ten, złożony z około 20 tys. kompensatorów, został opracowany w latach 1995-2000, a następnie wdrożony w prototypie akceleratora w latach 2000-2003. Warto nadmienić, iż po raz pierwszy w historii projektowania i budowy akceleratorów cząstek elementarnych, urządzenia kompensacyjne pracują masowo w zakresie niesprężystym.

Prof. Agnieszka Zalewska, przewodnicząca Rady CERN-u (2013). Fot. Arch. prywatne

Bardzo ważny i doceniany wkład naukowców z Politechniki Krakowskiej polegał na zaprojektowaniu i skonstruowaniu urządzeń znajdujących się w przestrzeniach pomiędzy magnesami głównymi akceleratora LHC. Z uwagi na postulat minimalizacji całkowitej długości tzw. stref niemagnetycznych akceleratora, wykonano ich optymalizację, co pozwoliło zredukować strefy do rekordowo niskiej frakcji całkowitej długości magnetycznej zderzacza, wynoszącej około 3,7%.

Kolejnym osiągnięciem naukowców z PK było wprowadzenie do projektowania akceleratorów cząstek elementarnych analizy opartej na teorii niezawodności. Koncepcja rachunku niezawodnościowego nie była do tej pory stosowana na szerszą skalę w tej dziedzinie, za wyjątkiem nielicznych prac opublikowanych w USA. Współczesne akceleratory są niezwykle skomplikowanymi instrumentami, w których wiele składowych (np. wiązki o wysokiej energii, ultrawysoka próżnia, kriogenika, nadprzewodnictwo etc.) jest silnie ze sobą powiązanych. Ponadto są to instrumenty złożone z milionów podzespołów i elementów o różnym stopniu skomplikowania i różnym poziomie niezawodności. Analiza niezawodności jest więc kluczowym elementem służącym zapewnieniu właściwego poziomu dostępności akceleratora dla fizyki. Niezawodność podzespołów została zweryfikowana w czasie programu eksperymentalnego, przeprowadzonego z wykorzystaniem prototypu akceleratora, zbudowanego także przy współudziale naukowców z Politechniki Krakowskiej.

W ciągu wieloletniej współpracy pomiędzy CERN-em i Politechniką Krakowską przeprowadzono szereg prac dotyczących zarówno samego akceleratora, jak i detektorów cząstek (Atlas, Alice, LHC-b). Prace poświęcone strefom eksperymentalnym LHC dotyczyły m.in. analizy stateczności doświadczalnych komór próżniowych, optymalnego projektowania wybranych struktur nośnych detektorów cząstek, projektowania kolimatorów wiązki i soczewek magnetycznych, analizy wymuszeń dynamicznych i ich skutków. Przeprowadzono optymalizację konstrukcji doświadczalnych komór próżniowych w strefach interakcji wiązek protonów. Zaproponowano i rozwinięto metody projektowania kolimatorów wiązki oraz tzw. soczewek magnetycznych opartych na skomplikowanych technologiach i wymagających dużej precyzji wykonawczej. Zastosowanie wyników badań naukowych pozwoliło zaprojektować i zbudować jeden z największych współczesnych instrumentów fizyki, o którym można śmiało powiedzieć, iż wytycza aktualne ścieżki rozwoju techniki w Europie i na świecie.

Prof. Rolf-Dieter Heuer, Dyrektor Generalny CERN-u (2013). Fot. Arch. prywatne

Warto także odnotować wspólny z CERN-em udział badaczy z PK w takich międzynarodowych projektach, jak: FAIR/ GSI, Facility for Antiproton and Ion Research, projekt kompleksu akceleratorów cząstek elementarnych SIS100, SIS300 (2006-2016), EUROnu, High Intensity Neutrino Oscillations Facility in Europe, projekt finansowany w ramach programu ramowego EU FP7 (2008-2012) czy TIARA, Test Infrastructure and Accelerator Research Area, EU FP7 (2011-2013, we współpracy z IFJ PAN).

W roku 2007 powstało Centrum Projektowania Akceleratorów Cząstek Elementarnych Politechniki Krakowskiej. W roku 2011 podpisano drugą umowę o współpracy z CERN, a kolejną – na czas nieokreślony – w roku 2015. W roku 2013 odbyła się w CERN-ie konferencja Advanced Mechanics in Accelerator Technology (AMAT), zorganizowana przez Politechnikę Krakowską z udziałem Komitetu Mechaniki PAN. Obrady poświęcono wymianie doświadczeń i ustaleniu tematów współpracy pomiędzy CERN-em i polskimi instytucjami naukowymi. W roku 2014 Politechnika Krakowska przyczyniła się do podpisania umowy o współpracy pomiędzy CERN-em i Polską Akademią Nauk.

Osiągnięcia naukowe wynikające ze współpracy z CERN-em obejmują, m.in. dwie monografie naukowe wydane przez oficynę wydawniczą CERN oraz wydawnictwo Springer, jedną monografię habilitacyjną, sześć prac doktorskich, około dwudziestu prac magisterskich, ponad 100 raportów CERN i artykułów w recenzowanych czasopismach naukowych. We współpracę z CERN-em zaangażowało się ponad 20 pracowników PK oraz około 100 studentów i doktorantów delegowanych do CERN w ramach programów: internship, summer student, technical student, PhD student, a także fellow. Trzy osoby z Politechniki Krakowskiej były długoterminowo zatrudnione w CERN-ie na etatach. W wyniku wieloletniej współpracy z CERN-em powstało na Politechnice Krakowskiej Laboratorium Ekstremalnie Niskich Temperatur, którego celem jest prowadzenie badań podstawowych w zakresie zachowania się materiałów w ekstremalnie niskich temperaturach oraz wspieranie projektów genewskiego ośrodka.

Wykorzystując doświadczenie w zakresie projektowania i optymalizacji akceleratorów cząstek elementarnych, Politechnika Krakowska kieruje się obecnie w stronę kolejnego flagowego projektu rozwijanego przez CERN, tj. Przyszłego Zderzacza Kołowego (FCC, Future Circular Collider), którego rozmach wykracza daleko poza projekt LHC. Warto podkreślić, że partnerem PK od chwili nawiązania współpracy z CERN-em jest Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN, dzięki któremu uczelnia wkroczyła do świata akceleratorów cząstek elementarnych i rozwinęła w tym zakresie działalność badawczą.

Błażej Skoczeń, Politechnika Krakowska

Wróć