Urychlovač SIS18 (zdroj J. Hosan/GSI Darmstady).

Laboratoř GSI Darmstadt

Podívejme se podívat podrobněji na možnosti tohoto všestranného budoucího zařízení. Když jsem na přelomu osmdesátých a devadesátý let dokončil a obhájil doktorandskou práci, začal jsem pracovat ve skupině zaměřené na studium velmi horké a husté jaderné hmoty pomocí srážek těžkých iontů. Začal jsem tak jezdit do laboratoře GSI Darmstadt, která se nachází v okrajové částí Wixhausen tohoto města v blízkosti Frankfurtu. V té době začal v této laboratoři pracovat nový urychlovač SIS18, který umožňuje urychlovat ionty až po ty nejtěžší ke kinetickým energiím až 2 GeV na jeden nukleon. Vzhledem k tomu, že klidová energie protonu je téměř 1GeV, jsou takto urychlená jádra více než třikrát těžší než v klidu. Srážky těchto iontů s jádry v pevném terči umožňují stlačit a ohřát jadernou hmotu. Dosažené energie a teploty stačí k tomu, aby se jaderná kapalina, která je v normálních jádrech, přeměnila na novou formu označovanou jako hadronový plyn. Zatímco v normální studené jaderné hmotě jsou pouze nukleony, tedy protony a neutrony, v hadronovém plynu je velké množství dalších hadronů. Tyto částice interagující silnou interakcí se dělí na baryony, ke kterým patří i nukleony, a mezony. Podrobnější přehled a popis různých částic a návod, jak se v nich vyznat, je v starším článku na Oslovi.

Stav prací na staveništi zařízení FAIR na konci roku 2018 (zdroj FAIR).

Experimentální sestavy, které využívaly urychlovač SIS18, umožnily dramaticky rozšířit naše znalosti o vlastnostech hadronového plynu a také formě přechodu mezi zmíněnými fázemi jaderné hmoty. Ukázalo se, že jde o fázový přechod prvního druhu, tedy podobný tomu, který známe třeba u vody. Pomohlo k tomu proměření kalorimetrické křivky, tedy závislosti růstu teploty hmoty na dodávané energii (teple). Růst teploty se při fázovém přechodu prvního druhu zastaví na dobu, než se hmota postupně přemění z jedné fáze na druhou. A právě taková závislost byla pozorována experimenty v GSI Darmstadt. Teplota se zjišťovala z poměrů některých izotopů lehkých prvků vyzařovaných ze vzniklé horké jaderné hmoty.

Vizualizace budované infrastruktury po dokončení (zdroj FAIR/GSI Darmstadt).

Kolektivní pohyby jaderné hmoty, které se promítaly do směru vyzařování různých částic, nám přinesly informaci o míře její stlačitelnosti. Její znalost je velmi důležitá pro pochopení průběhu výbuchu supernovy nebo stability neutronové hvězdy. Hustá jaderná hmota by měla měnit vlastnosti částic, které jsou uvnitř ní. Mělo by v ní docházet k restaurování tzv. chirální symetrie, která je v našem světě normálních teplot narušena. Uvnitř husté jaderné hmoty by tak měla být klidová hmotnost některých částic nižší než mimo ní. Tento jev lze studovat pomocí rozpadů některých typů neutrálních mezonů, které mají velmi krátkou dobu života a rozpadají se velmi brzy po svém vzniku ještě uvnitř horké a husté hmoty. Navíc se rozpadají na dvojici elektron a pozitron. Tyto částice interagují pouze elektromagnetickou interakcí a nejsou ovlivněny silnou interakcí při průchodu jadernou hmotou. Donesou tak neporušenou informaci o klidové hmotnosti částice v době jejího rozpadu uvnitř husté jaderné hmoty až k detektorům. Na zkoumání popsaného jevu je zaměřen experiment HADES, na jehož práci se dlouhodobě podílí i naše skupina z Ústavu jaderné fyziky AV ČR vedená kolegou Andrejem Kuglerem. Studia prováděna v této oblasti jsou popsána v několika článcích (zde, zde a zde)

I na dopředné stěně pro produkci dopředu letících fragmentů pro experiment HADES se podíleli čeští fyzici (zdroj HADES).

Terapie rakoviny pomocí těžkých iontů v GSI Darmstadt

Ionty z urychlovače SIS18 se také využily pro vývoj nových metod ozařování nádorů. Testovaly se ionty radioaktivního uhlíku ¹¹C. Výhodou iontů je závislost jejich ionizace i ztrát energie na rychlosti. Ty rostou se snižováním rychlosti, a to dokonce s kvadrátem. Poté co ionty vniknou do materiálu, tak deponují energii napřed jen minimálně. Teprve, když se jejich rychlost sníží pod určitou hodnotu, začnou ztrácet energii velmi rychle a zastaví se na velmi krátké vzdálenosti. Dominantní část energie tak deponují na konci své dráhy. Při průchodu lidskou tkání lze energii svazku nastavit tak, že se iont zastaví až v nádoru. Během cesty zdravou tkání ji tak ovlivní jen minimálně a naopak rakovinnou tkáň zničí. Poměr mezi energií využitou pro zničení rakovinných buněk a předanou živé tkáni je tím větší, čím má iont větší náboj i hmotnost. Prozatím se v terapii rakoviny využívaly svazky protonů. Právě GSI Darmstadt bylo tím pracovištěm, které zavedlo do klinické praxe terapii rakoviny pomocí těžkých iontů.

Pomocí magnetických polí lze nasměrovat urychlený iont do správného směru a nastavením energie definovat místo, kde se zastaví a deponuje většinu své energie. Postupně tak lze zlikvidovat celý nádor bez poškození okolní tkáně. Využije se i to, že rakovinné buňky jsou k ozáření citlivější. Výhodou svazku radionuklidu uhlíku 11 je i jeho radioaktivita beta plus. Při ní se vyzáří pozitron. Ten se na vzdálenosti do pár milimetrů zastaví a anihiluje. Při anihilaci pozitronu a elektronu vzniknou dva fotony gama, které letí v opačném směru. Jejich detekce se využije k určení místa, kde se iont ¹¹C zastavil a došlo ke vzniku pozitronu a anihilaci. Dá se tak kontrolovat, jestli svazek zasahuje nádor předpokládaným způsobem. Stejná metoda se využívá i při diagnostice nádoru pomocí tzv. pozitronové emisní tomografii. Jen se při ní radionuklid do nádoru dopravuje jiným způsobem. Podrobnější popis různých jaderných metod boje s rakovinou je v článku pro Osla z roku 2008.

Příprava na ozařování v GSI Darmstadt (zdroj A Zschau, GSI Darmstadt).

Terapie iontovými nebo protonovými svazky je průlomem hlavně při léčbě rakovinných nádorů v mozku, kdy chirurgický zákrok může vést k nevratnému poškození tkáně okolo nádoru. V GSI Darmstad probíhaly intenzivní testy této metody v devadesátých letech a na začátku tohoto století. V té době se zde vybudoval i potřebný servis pro pacienty. Mozkový nádor patří k těm typům, které se vyskytují i u dětí a mladých lidí. Jeho výhodou je, že nemetastazuje a pokud se jej podaří odstranit, je velká šance na úplné uzdravení. V průběhu vývoje metodiky a jejího testování se do roku 2008 přímo na urychlovači SIS18 ozařovalo okolo 450 pacientů, mezi nimi řada dětí. Úspěšnost léčení byla mezi 75 až 90 % případů. A právě u dětí byla velmi vysoká. Na základě zkušeností získaných v GSI Darmstadt se vybudovala velká klinika v Heidelbergu, která se specializuje na protonovou a iontovou terapii. Ta začala ozařovat v roce 2009. V GSI Darmstadt nyní už nepracují s pacienty, ale stále vylepšují metody ozařování. Například řeší, jak se vypořádat s tím, když jsou nádory v pohybující se tkání, třeba při dýchání, kdy nelze zajistit fixaci daného místa. Pracují na metodách, které pomocí čidel sledují pohyb dané části těla a nádoru. K ozařování pak dochází na základě informací z těchto čidel pouze v době, kdy je nádor ve správném místě.

Ozařovací komplex kliniky v Heidelbergu (zdroj GSI Darmstadt).

Stavba komplexu FAIR

V roce 2017 začalo reálné budování nového urychlovacího komplexu FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe), který využije stávající urychlovač SIS18 s obvodem 216 m jako předurychlovač pro mnohem větší urychlovač SIS100 s obvodem 1100 m. Umožní tak dosáhnout energií až 10 GeV na nukleon. Dále bude v sestavě několik akumulačních prstenců, které v součinnosti s urychlovači dokáží vytvořit extrémně intenzivní svazky různých iontů od nejlehčích až po ty nejtěžší. Bude možné produkovat různé i exotické radionuklidy a ty také urychlovat. Navíc bude možné připravit a využívat intenzivní svazek antiprotonů. Zatímco urychlovače jako LHC v laboratoři CERN jsou zaměřený na získání co největší energie urychlené částice či jádra, FAIR je zaměřen na co nejrozmanitější vějíř urychlovaných částic i jader a co nejvyšší intenzitu urychlovaných svazků. Na urychlovači LHC se srážejí dva relativně velmi řídké svazky proti sobě urychlených protonů nebo jader olova ve snaze dosáhnout co nejvyšší dosažitelné energie při jednotlivé srážce. Naopak na zařízení FAIR se budou velmi intenzivní svazky srážet s pevnými terči s velkou hustotou atomů. Kromě jednotlivých srážek se tak budou studovat i vlastnosti komplexní hmoty vytvořené interakcí urychlených iontů s hmotou terče. I do tohoto projektu se zapojily české instituce.

Nosná struktura pro připravovaný elektromagnetický kalorimetr ECAL (zdroj ÚJF AV ČR).

Celý nový komplex zaplní plochu zhruba 20 ha a jde o jednu z největších výzkumných infrastruktur v Evropě. Půjde hlavně o velmi komplexní zařízení, které se bude věnovat fundamentálnímu i aplikovanému výzkumu ve velice širokém rozsahu témat. Často se o něm hovoří jako o celému vesmíru v laboratoři. Jeho součástí budou čtyři klíčové experimentální sestavy s různým zaměřením

Experimentální sestava CBM

Prvním experimentálním zařízením je CBM (Compressed Baryonic Matter) je zaměřená právě na studium horké a velmi husté jaderné hmoty. Nedosáhne se tak vysoké teploty a hustoty energie, jako se vyskytuje na urychlovači LHC. Zařízení FAIR bude mít nižší teploty, ale vyšší baryonové hustoty. Při srážkách na LHC se vytvoří velké množství nových částic a antičástic a poměr mezi hmotou a antihmotou bude velmi blízký jedné. U srážek při nižších energiích na zařízení FAIR zůstává převaha baryonů nad antibaryony. Situace na LHC je tak bližší stavu v raných stádiích vývoje našeho vesmíru. Experiment CBM naopak bude studovat hmotu podobnou té, která vzniká při výbuchu supernovy nebo se vyskytuje v neutronové hvězdě.

Je to důležité pro pochopení a popis takových jevů, jako je splynutí dvou neutronových hvězd. První pozorování gravitačních vln od takové události se podařil nedávno. Potvrdila se tak souvislost těchto jevů s krátkými záblesky gama a kilonovami. Znalost stavové rovnice pro hmotu neutronových hvězd umožní zpřesnit popis průběhu takové události a jejích důsledků. Důležité bude ověření, zda v nitru neutronových hvězd může vznikat dokonce systém volných kvarků a gluonů, což jsou částice, které zprostředkují silnou interakcí držící pohromadě kvarky v hadronech. Tato nová exotická fáze hmoty se označuje jako kvark-gluonové plazma.

Právě do této činnosti je intenzivně zapojena naše skupina z Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Na zařízení FAIR bude pracovat i zmíněný HADES. Zde se zaměřujeme hlavně na budování elektromagnetického kalorimetru ECAL, který detekuje a určuje energii elektromagnetické spršky částic (elektronů, pozitronů a fotonů gama), které vyvolávají elektrony, pozitrony a fotony gama s velmi vysokou energií. Pro CBM pracujeme s kolegy s FJFI ČVUT na dopředném hadronovém kalorimetru PSD, který detekuje spršky vyvolané hadrony s vysokou energií.

Krystaly pro scintilační detektory připravované pro systém PANDA, na jejich testech se podílejí i čeští fyzici (zdroj FAIR).

Experimentální sestava PANDA

Hlavním cílem zařízení PANDA je zkoumání silné interakce a struktury hadronů pomocí anihilace antiprotonů s nukleony v jádře. Při těchto anihilacích by mohly vznikat i velmi exotické a dosud pouze hypotetické vázané soustavy kvarků a antikvarků, které tvoří hadrony, nebo dokonce gluonů. Další oblastí studia je pak symetrie mezi hmotou a antihmotou a její narušení. Podrobnější popis narušení symetrií mezi hmotou a antihmotou i jejich významu je v článku na Oslovi a přednášce pro Kosmologickou sekci ČAS. Důležité je i zkoumání interakce antiprotonů v makroskopickém množství hmoty a její využití. Do tohoto tématu jsou zapojeni kolegové z MFF UK a FJFI ČVUT.

Magnet připravovaný pro super-fragment-separátor experimentální sestavy NUSTAR (zdroj FAIR).

Experimentální sestava NUSTAR

Tato sestava detektorů a dalšího zařízení bude využívat možnosti získávat svazky i velmi exotických radionuklidů a zkoumat jejich vlastnosti i reakce. Jádra prvků těžších než železo, a hlavně těch velmi těžkých, jako je zlato, platina či uran, vznikají při výbuchu supernov nebo splynutí neutronových hvězd. Probíhá to v dlouhém řetězci reakcí a rozpadů, při kterém vzniká řada velmi exotických jader s přebytkem neutronů. Taková jádra se budou produkovat a studovat pomocí zařízení NUSTAR. Jejich produkci zařídí super-fragment-separátor. Urychlené velmi těžké ionty budou narážet na jádra terče a přitom se budou tříštit na fragmenty. Z nich se vyberou pomocí elektrických a magnetických polí hledaná exotická jádra a ta se budou hromadit v akumulačních prstencích. Zde dojde k velmi přesnému vyrovnání jejich rychlostí a bude možné studovat jejich vlastnosti, například dobu života, hmotnost či strukturu. A tím i průběh řady reakcí vzniku těžkých prvků při výbuchu supernovy či splynutí neutronových hvězd. Zatímco CBM umožní pochopit a popsat jevy probíhající při splynutí neutronových hvězd, NUSTAR umožní poznat průběh vzniku těžkých jader jako je platina či zlato při této události.

Fotografie části zpomalovače iontů, který bude součástí zařízení APPA (zdroj FAIR).

V laboratoři GSI Darmstadt studují také produkci supertěžkých prvků, těch nejtěžších, které známe (podrobně zde). Využívá se k tomu svazek z lineárního urychlovače LINAC, který slouží i jako předurychlovač pro SIS18 a tím i pro SIS100. Takový výzkum bude i nadále intenzivně pokračovat. Hlavně v oblasti chemie těchto prvků, které vznikají i při zmíněných vesmírných dějích.

Experimentální sestava APPA

Zařízení APPA (Atomic, Plasma Physics and Applications) bude studovat interakci intenzivního svazku iontů s atomy látky a vytváření plazmatu. Zaměřené bude i pro vytváření svazků pro řadu aplikací. Studovat se bude matérie, která by se měla vyskytovat v nitru velkých planet, i exotická forma velmi hustého plazmatu. Společně s iontovými svazky zde budou i velmi výkonné lasery (s výkonem až Petawatt). Unikátní kombinace těchto zařízení umožní vytvořit a studovat plazma ve velmi specifických podmínkách. To umožní i řadu zajímavých aplikací ve výzkumu a přípravě materiálů.

Svazky iontů umožní simulovat i kosmické záření vysokých energií a navrhovat ochranu před ním. Tento směr je velmi důležitý v době kdy se znovu uvažuje o návratu na Měsíc a cestě na Mars (článek o snahách Evropy a odkazy zde). V tomto výzkumu se také významně zapojuje Česko. Naše Oddělení dozimetrie záření vedené Marií Davídkovou je zapojeno do evropských vesmírných projektů a má svá zařízení i na vesmírně stanici ISS.

Vědecký ředitel GSI/FAIR Paolo Giubellino při rozhovoru (zdroj Miroslav Dočkal ÚJF AV ČR).

Kolegové ze zmíněného oddělení pracují i na využití iontů v medicíně i ve spolupráci s českým protonovým centrem na Bulovce. Je tak pro ně zajímavá i příprava aplikací pro sestavu APPA v biofyzice i medicíně. Zde se sice ozařování pacientů plně přesunulo na kliniku do Heidelbergu, ale GSI Darmstad i FAIR pracují na nových metodách. V budoucnu se uvažuje o využití intenzivních iontových svazků jako skalpelu, který by dokázal fungovat uvnitř těla bez nutnosti jeho otevření a umožnil by provádět některé operace s daleko nižším zásahem do zdravé tkáně, než je tomu u klasické chirurgie. První testy, které ověřují možnosti této metody, už proběhly na prasatech.

Česko se stává přidruženým členem konsorcia FAIR

Právě i o zmíněných možných medicínských aplikacích mluvil vědecký ředitel GSI/FAIR Paolo Giubellino při své nedávné návštěvě Prahy. Ta byla spojena s přípravou podpisu smlouvy, kterým se Česko stane přidruženým členem konsorcia FAIR. Jde o významné ocenění aktivit českých fyziků, kteří jsou dlouhodobě zapojeni do výzkumu v GSI Darmstadt i přípravě FAIR. Přistoupení umožní ještě intenzivnější spolupráci, která zajišťuje přístup českým vědcům i studentům ke špičkovému evropském zařízení. Již nyní byla na urychlovačovém komplexu v Darmstadtu vypracována řada diplomových a PhD prací. Obrovskou výhodou je, že FAIR využívá a rozšiřuje stávající infrastrukturu. Výzkum tak probíhá i v době, kdy se komplex teprve buduje. Například experimenty spolupráce HADES, do které jsme zapojení, se připravují na březen tohoto roku. A budou se ho účastnit i naši studenti. Velice pěkný rozhovor s Paolem Giubellinem je na stránkách Akademie věd, kde je i originální nahrávka celého povídání. Dokončení a spuštění první fáze komplexu se předpokládá v roce 2025. Lze předpokládat, že v té době bude zapojení českých fyziků ještě větší.

Velmi pěkné video o výstavbě ukazuje dosavadní průběh i budoucí realizaci stavby: