Spotkanie z MAX-em

Pierwotnie planowałem dziś pisać na inny temat, ale jak sami wiecie, życie pisze swoje scenariusze. Czasem są spotkania, które zmieniają spojrzenie na różne tematy i stanowią duże przeżycie. Takim było moje spotkanie z MAX-em.

MAX rezyduje na południu Szwecji, w Lund, stutysięcznym mieście, w którym zasadniczo połowa mieszkańców to studenci, pracownicy uniwersytetu lub innych instytucji z nim związanych. Właściwie to MAX-a możecie spotkać na przedmieściach Lund, a w sumie to tylko tam, ponieważ MAX jest bardzo nieruchliwy. Tak bardzo nieruchliwy, jak tylko może być ważący kilka tysięcy ton synchrotron, który ma średnicę, bagatela!, kilkuset metrów.

Dobrze, to już wiecie, że MAX nie jest człowiekiem a synchrotronem – potężną instalacją służącą do przyspieszania cząstek elementarnych. Synchrotron to akcelerator cykliczny. To termin zapożyczony z łaciny (poprzez język angielski). Po polsku moglibyśmy powiedzieć przyspieszacz kołowy. W dużym uproszczeniu jest to rura w kształcie pierścienia – ktoś mógłby powiedzieć – szału nie ma.

Ale żeby można było w środku tej „rury” rozpędzać cząstki do prędkości bliskich prędkości światła, potrzeba naprawdę wyrafinowanej inżynierii i mnóstwa urządzeń pomocniczych. Przede wszystkim to całe baterie pomp, wypompowujących powietrze z wnętrza synchrotronu, tak aby panowała w nim idealna próżnia i krążące w niej cząstki nie napotykały na swojej drodze żadnych przeszkód.

Ponadto wokół „rury” rozmieszczono szereg elektromagnesów, których zadaniem jest przyspieszanie cząstek. Tu kłaniają się reguły rządzące ruchem cząstek naładowanych w polu elektromagnetycznym – energia pola przenoszona jest na energię cząstek, a dokładniej na ich energię kinetyczną czyli ich ruchu.

Tą właśnie zasadę wykorzystuje słynny Wielki Zderzacz Hadronów w CERN na pograniczu szwajcarsko-francuskim. Tam przyspieszane są różne cząstki elementarne, np. protony, czy jądra atomowe i albo zderza się ze sobą albo zderza się je ze statyczną materią, którą badamy. W synchrotronach cel jest nieco inny. Chodzi o wykorzystanie promieniowania synchrotronowego, czyli strumienia fotonów o wysokich energiach, które jest emitowane przez poruszające się po linii krzywej cząstki elementarne (np. elektrony).

W synchrotronie dochodzi więc do następujących konwersji jednego rodzaju promieniowania w inne. Najpierw energia elektryczna zamieniana jest w energię pola elektromagnetycznego co przenosi się na energię elektronów pędzących wewnątrz synchrotronu. Te z kolei emitują fotony promieniowania synchrotronowego.

Ten strumień elektronów wewnątrz synchrotronu to taki rezerwuar energii z którego można „podbierać” energię promieniowania, niczym z płynącej rzeki wodę. To promieniowanie, zwykle w zakresie promieniowania gamma czy inaczej rentgenowskiego jest o kilka rzędów wielkości intensywniejsze niż lampach rentgenowskich stosowanych w aparatach do wykonywania zdjęć zębów i innych kości w naszym ciele. Energia, do jakiej można rozpędzić poszczególne elektrony, jest parametrem opisującym potencjał i moc synchrotronu.

MAX IV (cyfra rzymska odnosi się do tego, że to aparat czwartej już generacji) nadaje elektronom energię 3 GeV czyli 3 gigaelektronowoltów (przedrostek „giga” oznacza miliard). Ta dziwna jednostka jest używana w fizyce cząstek elementarnych do wyrażania ich energii zamiast standardowego dżula, ponieważ ten ostatni, jest nieco zbyt „duży” i przez to niewygodny (1 J to aż 6.24150907 × 10¹⁸ eV).

Zapytacie zapewne jaki jest cel generowania tak intensywnej i skondensowanej wiązki promieniowania. Pozwólcie więc, że zacytuję motto MAX-a: „We make the invisible visible”, czyli “Czynimy widzialnym to co niewidzialne”. Krótko mówiąc, za pomocą promieniowania synchrotronowego można badać strukturę cząsteczek na poziomie atomowym a także analizować oddziaływania i struktury materii na poziomie ułamków nanometrów!

Już przelotna wizyta na stronie internetowej MAX-a (https://www.maxiv.lu.se/) daje nam perspektywę, jak różnorodne są badania wykonywane dzięki niemu. A więc na przykład struktura wirusów chorobotwórczych (tak, tak, tego najsłynniejszego również), oddziaływania leków z komórkami, badanie zmian w budowie DNA i białek – to przykłady zastosowań biologicznych. Do tego dochodzą analizy struktury krystalicznej nanomateriałów i nadprzewodników, śledzenie procesu korozji stopów metali i ich powłok. A także właściwości samych atomów, w tym badania stanowiące kolejne cegiełki na drodze do zbudowania komputera kwantowego.

Mnogość zastosowań sprawia, że kolejka naukowców chętnych do skorzystania z jego aparatury jest długa. Nawet jeśli ma się dobrze przygotowany wniosek, który zostanie pozytywnie zaopiniowany przez radę naukową, to czas oczekiwania na swoje kilka-kilkanaście godzin dostępu do jednego z kilkudziesięciu punktów pomiarowych wynosi nawet do dwóch lat.

Ale jak to powiedział mistrz Rej – Polacy nie gęsi, swój synchrotron mają, i to w Krakowie, gdzie znajduje się SOLARIS (nazwany na cześć jednej z najsłynniejszych powieści Stanisława Lema). Wiązka cząstek w naszym synchrotronie ma energię 1,5 GeV, a więc mniej niż MAX-ie, ale uwierzcie mi, to nie przelewki i naprawdę potężna moc. Spośród około setki synchrotronów na świecie tylko nieco ponad dwadzieścia ma większą moc.

Ja jednak spotkałem się z MAX-em, a to za sprawą uprzejmości członków zespołu prof. Anette Müllertz z Uniwersytetu w Kopenhadze, którym na koniec wyrażam serdeczne podziękowania 😉 (a mój pobyt w Kopenhadze sfinansowała Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej).

Wojciech Smułek

04.07.2022