O badaniach w CERN

Michał Maciejewski - młody naukowiec z Politechniki Łódzkiej, laureat wielu konkursów i programów stażowych, prowadzi w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) prace badawcze do swojego doktoratu.

W multidyscyplinanym zespole , który pracuje nad rozwiązaniem jednego z problemów Wielkiego Zderzacza Hadronów odpowiada za stworzenie nowej metody symulacji nadprzewodzących elektromagnesów.

Jak Pan trafił do CERN?

Bardzo mi zależało na nawiązaniu współpracy z tą instytucją i zdawałem sobie sprawę, że aby się tam dostać trzeba się jakoś wyróżnić. Istotne było pokazanie umiejętności, które wybiegają poza ramy studiów, dlatego zacząłem wykorzystywać technologię LabVIEW, czy to w pracach w Kole Naukowym SKaNeR, czy w pracach dyplomowych. Za pierwszym razem nie udało mi się dostać do CERN, ale aplikowałem ponownie - z sukcesem. Miałem bardzo duże wsparcie ze strony profesorów z PŁ, szczególnie profesorów Bartoszewicza, Granosika, Dębowskiego i Kabzińskiego.

Dołączyłem do zespołu, który miał stworzyć nową metodę zabezpieczeń magnesów, gdyż wydajność dotychczas stosowanych nie była wystarczająca. Byłem odpowiedzialny za stworzenie narzędzia symulacyjnego, które miało wnieść nowy wkład w modelowanie zjawisk fizycznych. To była nowa rzecz, którą zrealizowałem w ramach studiów na PŁ, będąc przez rok w CERN. Po skończeniu pracy okazało się, że jest ona na tyle dobra, że otworzyła mi możliwość kontynuowania pobytu naukowego w CERN.

Na czym polegają Pana prace w CERN?

Jest to po części praca o charakterze programistycznym, inżynierskim oraz ścisłym (fizyka i matematyka). Na początku określałem ramy projektu oraz narzędzia, którymi zostanie on zrealizowany. Obecnie odpowiadam za architekturę aplikacji. W prostych słowach, szukam odpowiedzi na pytanie w jaki sposób różne moduły ze sobą „rozmawiają”. W jaki sposób razem tworzą synergiczne rozwiązania. Osobno realizują one określone zadania, a razem są w stanie zrobić więcej, wtedy 1+1 jest więcej niż 2.

Czego dotyczy doktorat?

Stworzenia nowej metody symulacji nadprzewodzących elektromagnesów, tzn. takich, które pracują przy braku rezystancji. W bardzo niskiej temperaturze -1,9 Kelwina, czyli -271 stopni Celsjusza są w stanie nadprzewodzącym. Przewodzą prąd i generują pole magnetycznie wymagane do kontroli trajektorii wysokoenergetycznych cząstek. Te cząstki w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) są poddawane przyspieszeniu i po osiągnięciu zadanej energii dochodzi do zderzeń, a detektory analizują powstałe w wyniku tych zderzeń cząstki elementarne. Celem tej analizy jest poznanie podstawowych składników otaczającego nas świata oraz zachodzących pomiędzy nimi interakcji.

Elektromagnesy stosowane w CERN to bardzo złożone obiekty o 15 metrach długości i metrze średnicy, jeden waży 20 ton, a w całym LHC jest ich ponad 1000. Wymagania co do precyzji ich wykonania są bardzo duże, ponieważ każde odstępstwo od zadanej wartości pola magnetycznego spowodowałoby utratę stabilności cząstek. Realizujemy symulacje pozwalające badać te magnesy pod kątem zjawisk elektrycznych, magnetycznych, cieplnych, czy też mechanicznych.

Na rynku nie istnieje narzędzie, które pozwoliłoby w wydajny sposób rozwiązać ten problem. W moim doktoracie zajmuję się sprzęganiem modeli numerycznych, z których każdy przedstawia wybrany fragment całości. W tym celu stworzyliśmy dedykowane modele symulacyjne, które pozwalają dokładnie odwzorować wybrane zjawisko lub jego fragment. Idea prowadzonych badań polega na tym, by utworzyć algorytmy umożliwiające ich łączenie. Wyzwanie pojawia się wtedy, kiedy sprzężenie jest dwukierunkowe, tj. sprzęgane systemy wpływają na siebie wzajemnie. Tutaj przykładem jest magnes, który w sytuacji awaryjnej przechodzi do stanu przewodnictwa. Wówczas opór elektryczny magnesu zależy od temperatury, która rośnie w wyniku przepływu prądu przez przewodzący fragment magnesu, z kolei wartość prądu zależy od wspomnianej rezystancji oraz parametrów obwodu elektrycznego i w ten sposób koło się zamyka. Sprzężenie obwodu elektrycznego z magnesem to tylko jeden z wielu przykładów sprzężeń, którymi się zajmujemy.

Na jakim etapie są prace?

Jesteśmy na etapie pierwszych wersji tego oprogramowania symulacyjnego. Ideą jest, by służyło ono naukowcom i inżynierom zajmującym się nadprzewodzącymi magnesami. Dziś większość zasilania w LHC jest konsumowana przez układy chłodzenia. Jeżeli będziemy w stanie pracować na wyższych temperaturach, to koszty się zredukują i otworzą się nowe możliwości. Do tego konieczne będą również symulacje, stąd nasze oprogramowanie może również się do tego przyczynić.

Czy tylko w CERN można było realizować te badania?

Ze względu na złożoność i rozmiar prac, byłoby trudne realizowanie ich gdzie indziej. To jest jedyne miejsce na świecie, gdzie stosuje się nadprzewodzące magnesy na taką skalę. Bezcenna jest także możliwość współpracowania z najwybitniejszymi naukowcami z całego świata.