Luźne myśli i nowy skaner drutowy

Stop dreaming of new fields and exotic particles, extra dimensions, new symmetries, strings and all the rest. The data of the problem are simple: general relativity, quantum mechanics and the Standard Model. You 'only' need to combine them in the right way and you will take the next step forward. Tak napisał Carlo Rovelli (CERN). Choć brzmi trochę jak Sabine Hossenfelder (anty-CERN). A na cytat, który mi się podoba, trafiłem przeglądając autobiografię Ugo Amaldiego. 

"Data of the problem" są być może jeszcze prostsze. Przestrzeń, czas, obiekt... Nadajemy tym pojęciom realność, ale przecież to są tylko pojęcia - produkt umysłu. I tu są dwie drogi: albo zakładamy że produkty umysłu, gdy wchodzą do świadomości zbiorowej, stają się rzeczywistością, albo że podstawowa nawet rzeczywistość pozostaje na razie nieuchwytna dla naszych umysłów. Coś w tym stylu. Przy czym w czasach ludzi żyjących w tak zwanej infosferze, wpatrzonych w ekrany telefonów, telewizorów czy komputerów, jakoś łatwiej zaakceptować to pierwsze podejście.

    A na koniec chciałem opisać pewną sytuację z przyszłości. Max, który kiedyś przejmie moje obowiązki, będzie kalibrował wyłączniki końcowe skanera drutowego. Będzie to część procesu konserwacji tych urządzeń. I kiedy tak będzie nad tym ślęczał, w labie a może na dole w bunkrze akceleratora, pomyśli o tych którzy tę generację skanerów zaprojektowali i odpalili. Tak samo jak ja teraz kalibrując obecne skanery myślę o tych którzy zrobili poprzednią generację, którzy obecnie są na emeryturze albo i po...

       Więc Maxie drogi, pierwszy działający prototyp został uruchomiony w poniedziałek, 5-go maja 2025. W labie byliśmy w składzie: Rudolf - pomysłodawca, emerytowany fizyk o niezwykle precyzyjnym myśleniu, stara szkoła niemieckiej inżynierii i fizyki, Martin - wkrótce emerytowany inżynier który zaprojektował większość mechanicznych części, Anders - elektronik od systemów dużej mocy który zaprogramował silnik, Raphael - genialny technik elektronik i Simon - młody technik-mechanik który teraz pewnie jeszcze u Ciebie pracuje i od którego dowiadujesz się masę rzeczy. Skaner był odpompowany tak aby siły działające na mieszek próżniowy były takie jak w rzeczywistości. Zaczęliśmy od bardzo wolnych ruchów i powoli, powoli zwiększaliśmy prędkość aż doszliśmy do 4 m/s, czyli do nominalnej. Jest to prawie 6 razy tyle co poprzednia generacja skanerów. 

    Niby nic wielkiego, takie drobne wydarzenie, nic w porównaniu z obecnie zachodzącą rewolucją AI. Nikt o tym nie będzie pisał książek, a jednak konsekwencje wyborów poczynionych w czasie projektowania ciągnąć się będą przez jakieś 20-30 lat i bardzo staraliśmy się aby nikt kto kiedyś będzie się tymi skanerami zajmował, nie klął na nas za jakąś głupią decyzję.

Commissioning stories

Większość akceleratorów badawczych ma co roku kilka miesięcy przerwy. Nagle w podziemnych tunelach lub betonowych bunkrach zapada cisza, bo wyłączane są pompy próżniowe i inne hałasujące urządzenia. Ludzie w białych fartuchach z doczepionymi dozymetrami coś tam odkręcają, dokręcają, wstawiają, usuwają, przyłączają kable i testują używając nieodłącznych żółtych multimetrów. A same maszyny są niby uśpione giganty, ważące dziesiątki albo tysiące ton. 

Końcowa część profilu wiązki w dużym
ringu PSI.  Różowy - przed naprawą
septum, niebieski - po naprawie. Widać 
dodatkowe orbity.

A potem następuje proces uruchamiania. Po angielsku mówi się "commissioning" i znaczy coś trochę innego niż proste "uruchomienie". To cały proces wykonywania najróżniejszych testów skomplikowanej maszynerii przed oddaniem jej do użytku czyli, w naszym przypadku, do "produkcji" wiązki. W czasie każdej długiej pauzy (shutdownu, jak się mówi) wykonywana jest cała masa prac, poprawek itp i wcale nie jest łatwo wystartować wszystkie systemy maszyny. Tym razem wiązka "zanika" w dużym cyklotronie. Cyklotron to taki akcelerator w którym wiązka porusza się spiralnie, za każdym obrotem zyskując energię i oddalając się od środka. W naszym cyklotronie wiązka wykonuje 182 ślimakowych obrotów. Okazuje się że gdzieś pod koniec spiralnej trajektorii, w okolicach orbity 179, wiązka znika a monitory promieniowania rejestrują jego podwyższony poziom. To jest rejon w którym znajduję się element zwany septum, który służy do wyciągania wiązki z cyklotronu. W skrócie jest to po prostu seria bardzo wąskich elektrod które pozwalają oddzielić ostatnią orbitę od wcześniejszych i dać protonom poprzecznego kopa który wyrwie je z maszyny i skieruje do eksperymentów. Operatorzy próbują poruszyć septum ale nie zmienia to sytuacji. Może coś jest nie tak z septum? Wieczorem zatrzymujemy maszynę aby "ostygła" i następnego dnia wchodzimy. Zaglądamy do środka przez nieliczne okienka w potężnym płaskim zbiorniku jakim jest cyklotron. Nic nie dostrzegamy. Już wyszliśmy, już zamykamy bunkier i wtedy nadbiega szef grupy która tydzień wcześniej instalowała septum wraz z dwoma technikami. Teraz wchodzą oni do środa. Po pół godzinie wychodzą. Okazuje się że silniki krokowe poruszające septum były źle przyczepione i wcale nie spełniały swojej funkcji. Naprawione, teraz udaje się ekstrahować wiązkę w kierunku tarcz eksperymentalnych.

Następnego dnia dostaję informację że jeden z monitorów profilu wiązki nie działa. To moja odpowiedzialność. Biorę moich dwu wyśmienitych techników, najpierw sprawdzamy elektronikę, ale ta jest w porządku. Trzeba iść do "bunkra". Niestety monitor jest w dość nieprzyjemnym miejscu, w pobliżu jednej z tarcz eksperymentalnych. Jest tam spora aktywacja. Umawiamy się z ekspertem od ochrony radiologicznej. Będzie nam towarzyszył cały czas, uważając abyśmy nie dostali zbyt dużej dawki promieniowania.

Następnego dnia rano wchodzimy. Aktywne dozymetry zaczynają nerwowo pikać. Okazuje się że naprawa wcale nie jest prosta. Musimy wymienić potencjometr. Wychodzimy, szukamy odpowiedniej części zamiennej. Wracamy. Trzeba odkręcić parę śrubek, wymienić przewody elektryczne. W laboratorium byłoby to proste jak bułka z masłem, ale tutaj jest ciasno, gorąco, niewygodnie a dozymetry pikają jak szalone. Pracujemy na zmianę, aby dostać po mniej więcej tyle samo mikrosiwertów. No i dostajemy po mniej więcej 100 na osobę. Nie, to nie jest dużo, tyle co jeden rentgen płuc albo lot do Nowego Jorku. Ale to i tak najwięcej od jakichś dwu lat, kiedy to musieliśmy pracować z pewnym kolimatorem.

Wychodzimy. Robota zrobiona. Jeden z techników odpala jakąś hinduską, bolywodzką muzykę z youtuba. Śmiejemy się, tańczymy przez chwilę w tych specjalnych, białych wdziankach zakrywających całe ciało. Z promieniowaniem trzeba uważać, ale kontaminacja to jest dopiero nieprzyjemność. 

Tego dnia, wieczorem, akcelerator osiąga prawie połowę nominalnej intensywności wiązki. To niezły wynik. Mamy jeszcze dwa tygodnie commissioningu. Jest jeszcze masa rzeczy do poprawienia, ale głównie software. Chyba że znowu się okaże że coś nie działa.

Shutdown

Wchodzimy do obszernego, betonowego bunkra, w środku którego drzemie Maszyna. Normalnie, kiedy Maszyna działa, cała ta przestrzeń wypełniona jest natrętnym hałasem pomp próżniowych oraz pomp tłoczących wodę chłodzącą ogromne 250-tonowe magnesy w których ogromnych miedzianych cewkach płynie elektryczna moc tysięcy amperów. Kiedy maszyna działa cała ta przestrzeń rozgrzana jest tym szczególnym ciepłem industrialnych urządzeń które nie maskują swej surowej, mechanicznej mocy aby stała się akceptowalna dla kruchych biologicznych i szukających komfortu istot jakimi są ludzie.

Kiedy maszyna działa cała ta przestrzeń wypełniona jest promieniowaniem, niby basen wypełniony szczelnie, pod sufit, wodą. Mikroskopijne cząstki, głównie promienie X i neutrony, uśmierciłyby każdego w ciągu kilku sekund. Ale to wtedy kiedy Maszyna działa. Teraz śpi, już od miesiąca, więc możemy wejść.

Ale to oczywiście nie jest proste. Maszyna ma prawie 50 lat i morze promieniowana zostawiło swój ślad. Teraz praktycznie wszystkie elementy są aktywowane. Neutrony i te wszystkie pozostałe cząstki przez lata wbijały się w twardy metal jak nóż wchodzący w masło i transformowały go tak, że stawał się radioaktywny. Ludzie którzy byli tu przed nami zmierzyli te pozimy radioaktywności i poprzyklejali żółte kartki na których pisze 300 uSv/h, 100 uSv/h, 2 mSv/h. Ta ostatnia wielkość jest niepokojąca. Przyjmuje się że bezpiecznie można pracować do pozimu aktywności rzędu 1 mSv/h. Jak gdzieś jest więcej to trzeba uważać, śpieszyć się.

Nasze zadanie na dzisiaj polega na wymontowaniu kolimatora. Aby to zrobić z Maszyny wysunięto ogromną wnękę przyśpieszającą, więc wchodzimy w wąską, pustą przestrzeń o kształcie klina.  Plecami opieramy się niemal gigantyczny magnes a przed sobą mamy wąską, płaską szczelinę z długim kolimatorem  w  środku. Obok szczeliny wisi żółta kartka z napisem 2 mSv/h. A więc musimy się śpieszyć. Ludzie odpowiedzialni za to, abyśmy nie dostali zbyt wiele promieniowania dają nam jednorazowe niebieskie rękawiczki. Na dodatek Richard i ja mamy maski, bo kolimator jest zrobiony z czarnego grafitu który może się pokruszyć. w czasie całej operacji a najgorsze co może się zdarzyć to wchłonięcie radioaktywnego pyłu do płuc. Ale grafit wygląda twardo i solidnie, nie kruszy się. Mimo to jesteśmy ostrożni. Grafit mógłby popękać i pokruszyć się od mocniejszego uderzenia w metal, a kolimator, po wyregulowaniu, trzeba będzie włożyć z powrotem.

Pot spływa po czole. W końcu udaje nam się go wysunąć. Richard  niesie go na pobliski stół. Max pobiera próbki pyłu do  analizy radiologicznej. Jest okey, sam grafit ma to do siebie, że mało się  aktywuje. Można spokojnie z nim pracować, emituje zaledwie 200 uSv na godzinę. W szpary między grafitem wkładam plastykowe, nieprzeźroczyste pudełeczka z dozymetrami w środku. Załatwione, zrobione, można wychodzić.

 

O typach akceleratorów

Współczesne akceleratory cząstek, w absolutnej wiekszości, używają mikrofal. Mikrofala to fala radiowa o częstotliwości w zakresie od kilohertzów do gigahertzów. Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektrycznego i magnetycznego.

Pole elektryczne jest najefektywniejszym znanym sposobem przekazywania energii do cząstek. Cząstki, oczywiście, muszą być naładowane. Dwa inne pola makroskopowe to grawitacja, która generuje bardzo małe przyśpieszenia w mikroświecie i pole magnetyczne które zasadniczo działa prostopadle do kierunku ruchu cząstki, skutecznie utrudniając proces zwiększania jej energii.

Pole elektryczne występuje w postaci statycznej jak i w postaci fali elektromagnetycznej, w której oscyluje ono na zmianę z polem magnetycznym. Ta postać - fala elektromagnetyczna - pomnaża potencjał elektryczności w przyśpieszaniu cząstek, bowiem pozwala osiągać większe przyśpieszenia (chwilowa amplituda może być znacznie wyższa niż statyczna amplituda) i, co najważniejsze, nie wymaga gigantycznych potencjałów: każde drganie fali to małe zwiększenie energii ale tych drgań jest bardzo dużo. W przyśpieszaniu cząstek dużo małych kroczków jest o wiele łatwiejsze do zrobienia niż jeden wielki sus.

Fale radiowe generowane w pustrzej przestrzeni roznoszą się w nieskończoność. Aby skutecznie i efektywnie przyśpieszać cząstki fale takie muszą być zamknięte w metalowym pudle o częstości rezonansowej odpowiadającej częstości fal używanych do przyśpieszania. Stąd owo metalowe pudło nazywane jest wnęką rezonansową. Cała sztuka skutecznej akceleracji opiera się na synchroniźmie i rezonansach. W związku z tym megaherzowe czy gigahertzowe fale elektromagnetyczne mają optymalną długość do tego, żeby konstruować struktury w których zachodzi przyśpieszanie. Przy częstotliowści 50 MHz fala ma długość około 6 metrów (taka częstotliwość znajduje zastosowanie w dużych cyklotronach) a przy 3 GHz długość fali wynosi 10 cm (typowe dla maszyn przyśpieszających elektrony). Dłuższe fale wymagają większych struktur, a krótsze fale, na przykład terahertzowe, wymagają malutkich struktur, podobnych do układów półprzewodnikowych. Nota bene "accelerator on chip" to jest obecnie jeden z głównych kierunków rozwoju technologii.

Są trzy główne typy akceleratorów opartych o mikrofale: liniowe (linaki), synchrotrony i cyklotrony. W linakach wnęki rezonansowe są ustawione jedna za drugą a cząski przechodzą przez każdą wnękę raz. Linak składa się głównie z wnęk przyśpieszających. Synchrotrony są przeciwieństwem linaków: zawierają niewielką wnękę przyśpieszającą w przez którą cząstki przechodzą wielokrotnie a cała reszta maszyny to ciąg magnesów mających na celu "zawrócić" cząstki do wnęki. W miarę zwiększania się energii cząstek pole magnetyczne w magnesach jest zwiększane. Wreszcie są cyklotrony, w których cząstki przechodzą przez tą samą wnękę przyśpieszającą kilkadziesiąt razy, za każdym razem zwiększając promień orbity po której się poruszają dzięki ogromnemu magnesowi który obejmuje całą maszynę. 

Linaki i cyklotrony nadają się do produkowania wiązek o małej energii i dużej mocy. Synchrotrony używane są do przyśpieszania cząstek do ogromnych energii. W systemie akceleratorów często urządzenia różnego typu łączą się. Na przykład linaki są zwykle wykorzystywane jako pierwsze stadium przyśpieszania przed wrzuceniem cząstek do większej maszyny, na przykład synchrotronu.

Mit otwartej nauki

Normalnie, jak większość jajogłowych technokratów, pracuję w biurze. Moja praca polega na programowaniu, ustawianiu parametrów maszyn, modelowaniu, rozmawianiu z ludźmi, zastanawianiu się i czytaniu artykułów. W normalnych czasach (czy powrócą jeszcze?) dziennie przeglądałem 3-4 artykuły a jakiś jeden ciekawszy drukowałem sobie do przeczytania w domu (inna sprawa że często w końcu i tak go nie czytałem).

Ale czasy normalne skończyły się i z bólem musiałem sie przekonać że nauka nie jest wcale taka wolna i dostępna jak to się wydaje zza biurka w pracy. Większość artykułów jest dostępna ale z sieci mojej instytucji. W momencie kiedy próbuje się taki artykuł pobrać będąc podłączonym do dowolnej innej sieci wifi, wyskakuje strona z pytaniem o login albo prośbą o całkiem spore sumy w dolarach czy euro. Ba, znalazłem moje własne artykuły za które musiałbym zapłacić (a te pieniądze oczywiście nie wpływają na moje konto, wszystko zatrzymuje sobie wydawca).

Oczywiście nie jest to dla mnie nowością, dobrze wiedziałem że wiele naukowych periodyków nie jest otwarta, ale nie zdawałem sobie sprawy ze skali tego zjawiska. Praktycznie bardzo trudno parać się nauką jeśli nie pracuje się w instytucji która ma podpisany kontrakt ze Springerem i tym podobnymi. Na prawdę trudno. Tym bardziej doceniam wysiłki tych pracujących na rzecz open science.

Faza

W mojej pracy czasami muszę wstać o 5 rano, pojechać do sali kontroli akceleratorów i odsiedzieć 8 godzin szychty. Jeden z operatorów złamał nogę i jego szychty zostały podzielone pomiędzy fizyków.

Dziś serwujemy ksenon, złoto i hel. Trzy źródła jonów pracują na całego, ogromne struktury Unilaca wypełnione są megawatami mikrofalowej energii służącymi do tego, aby te jony popychać do przodu, formować z nich wiązkę. Te wielkie zbiorniki wykonane są z mikrometrową precyzją, bo niedoskonałości prowadzą do drobnych przesunięć w częstotliwości lub fazie pól elektrycznych które z kolei mogą doprowadzić do destrukcji wiązki.

O 6 rano myśli są trochę dziwne. Mam wrażenie że słowa częstotliwość i faza robią z tych niesamowicie szybkich drgań pola eketromagnetycznego w środku zbiorników Unilaca (107 milionów razy na sekundę) coś statycznego. Dwa słowa aby opisać niesamowicie szybki proces harmonicznych drgań. Częstotliwość wydaje się dość trywialna. Liczba drgań na sekundę, taka sama w całym zbiorniku. Ale faza? Słowo o pochodzeniu oczywiście greckim.

Ruch harmoniczny jest powtarzalny, jak koło. Faza jest sposobem opisu w którym punkcie koła jesteśmy w danym momencie. Sama faza drgania nie ma wielkiego znaczenia, ale różnica faz pomiędzy różnymi elementami systemu jest krytyczna. Bez niej nie ma przyśpieszania.

Faza to przykład dość trywialnego słowa które jest trudne do opisania ale koncept za nim tkwiący jest dość łatwy do uchwycenia. Niezbyt przydane w życiu codziennym, słowo faza jest w technice niesamowicie porzydatnym narzędziem.