Trochu historie

První úvahy o stavbě takového urychlovače se objevily počátkem osmdesátých let a v roce 1994 byl schválen projekt LHC. Jeho spuštění se začalo připravovat v létě roku 2008. Dne 10. září 2008 se pak podařilo dostat svazky protonů do samotného urychlovače LHC a provést je po celém obvodu. Vypadalo to, že bude následovat úspěšné uvádění zařízení do provozu. Ovšem krátce na to 19. září došlo k havárii na supravodivém propojení dvou dipólových magnetů. Kvůli elektrickému odporu způsobenému špatným kontaktem se zde naindukovalo malé napětí. I to však kvůli vysokým proudům (téměř 12 000 A), které zde tečou, stačilo k produkci tepla postačujícího k vypaření dané části. Po ztrátě supravodivosti a vypaření helia, které tak extrémně zvýšilo svůj objem, nastala rozsáhlá mechanická poškození systému. Při nehodě bylo zasaženo 700 m obvodu urychlovače. Nutné bylo vyčistit a opravit 53 elektromagnetů. Podrobný popis následků havárie jsou na Oslovi popsány zde .

Zvětšit obrázek

Svářeč pracující na spojích mezi dipólovými magnety na urychlovači LHC (zdroj CERN).

Opravy poškozených magnetů a rekonstrukce urychlovače takovým způsobem, aby se už událost nemohla opakovat, trvaly rok a tentokrát úspěšný start provozu nastal v listopadu 2009. Aby znovu nedošlo k problémům, probíhalo zvyšování energie a intenzity svazku postupně. Po krátkém období srážek protonů urychlených na energie jen lehce převyšující 1 TeV se v dubnu 2010 začalo jejich urychlování na energie 3,5 TeV . Energie dostupná při srážce byla tedy 7 TeV, což je energie odpovídající hmotnosti téměř 7500 protonů v klidu. Klidová energie odpovídající klidové hmotnosti protonu podle Einsteinova vztahu E=mc ² je totiž 0,938 GeV. V listopadu 2010 se pak poprvé urychlovala a srážela jádra olova . U nich byla energie na jeden nukleon (proton nebo neutron) jen 1,38 TeV, ale jádro olova má těch nukleonů 208 a jeho celková energie je tak 287 TeV (zhruba 0,05 mJ), a to už energie letícího pěkně vypaseného komára. V roce 2011 pak pokračoval urychlovač ve srážení protonů a v prosinci 2011 pak bylo poprvé oficiálně vyhlášeno pozorování známek existence nové částice s klidovou energií zhruba 125 GeV, která by mohla být hledaným Higgsovým bosonem. Nejenže se průběžně zvyšovala intenzita i kvalita svazku, ale v roce 2012 se zvýšila i jeho energie na 4 TeV.

Zvětšit obrázek

Instalace systému křemíkových pixelových detektorů, který slouží jako vnitřní dráhový detektor experimentu CMS při vysoké luminositě srážek (zdroj CERN).

Vylepšení urychlovače i jednotlivých experimentálních zařízení

Během dvouleté přestávky se vylepšoval urychlovač i jednotlivé experimenty. Pro udržení relativistických protonů se stále vyšší energií je potřeba právě bezchybná práce supravodivých elektromagnetů při velmi vysokých proudech, které umožňují dosáhnout příslušných intenzit magnetického pole. Základním úkolem tak bylo dosáhnout bezpečného provozu i při zmíněných hraničních hodnotách proudů.

Kromě zvýšení energie protonů by měly nastat i další změny kvality svazku. Vzdálenost mezi shluky protonů bude zkrácena z 50 ns na 25 ns a celkově jich tak bude 2808. Počet protonů ve shluku se sice trochu zmenší z 1,7∙10 ¹¹ na 1,2∙10 ¹¹ , ale zmenší se příčný rozměr shluku. Celkově by se mělo dosáhnout až okolo miliardy srážek za sekundu. To však znamená až několik desítek srážek v jedné události a náročná analýza těchto případů. Snížení pozadí i ztrát ve svazku by mělo zajistit vyšší vakuum, kterého se podařilo dosáhnout.

Zvětšit obrázek

Práce na propojení magnetů (zdroj CERN).

S velmi vysokým počtem srážek a větším počtem srážek při každé z nich se budou muset vypořádat i detektory. Nejnáročnější to bude pro vnitřní dráhové detekční systémy, které jsou těsně u místa srážek. Zobrazují dráhy částic těsně po jejich vzniku a rozpady těch krátce žijících, mezi které patří třeba řada nejzajímavějších hadronů obsahujících druhý nejtěžší kvark b . Tyto systémy se sestavují z polovodičových detektorů, které se skládají z křemíkové destičky. Na ní jsou elektrody o velikosti několika desítek mikrometrů, což určuje i jejich vysoké prostorové rozlišení. Jestliže destičkou prolétne nabitá částice, nejbližší elektroda vyšle signál. Místo srážky obklopuje několik vrstev takových detektorů. Celá sestava tak dokáže vytvořit trojrozměrný obrázek drah nabitých částic.

Zvětšit obrázek

Nová nejvnitřnější vrstva křemíkových dráhových detektorů ATLAS se zasouvá dovnitř ještě blíže k místu srážek do útrob původních vrstev křemíkových dráhových detektorů. (Zdroj ATLAS).

Detektory nejblíže místu srážky jsou nejvíce radiačně namáhány a hrozí jim nebezpečí poškození. Navíc bylo potřeba zvýšit jejich prostorové rozlišení, protože právě tyto detektory určují přesnost určení místa, ze kterého částice vylétla. Při vysoké luminositě (intenzitě svazku) a tím až desítek srážek probíhajících současně je třeba každou částici přiřadit ke správné srážce. A to je úkolem právě těchto detektorů. Jejich sestavy se upravovaly či dokonce měnily u experimentů ATLAS, CMS i ALICE. U detektorů ATLAS se původní vrstvy nechaly, přidala se však nová vrstva, která těsně obklopila trubici svazku. Měla také menší rozměr elektrod a lepší prostorové rozlišení. Úprava vnitřních dráhových detektorů nebyla jediným vylepšením experimentů, těch bylo velmi hodně, ale patřila k těm nejnáročnějším.

Je také třeba zmínit, že radiační odolnost detektorů i elektroniky pro vylepšené sestavy se testovala i u nás v Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Využívaly se k tomu svazky nabitých částic z cyklotronu a neutrony z neutronových zdrojů, které jsou na zmíněném cyklotronu. Čeští fyzikové z ústavů Akademie věd, ČVUT a Karlovy University se intenzivně účastnili i dalších prací na vylepšování několika detektorových systémů a pochopitelně i zpracování dat získaných v minulém období. Na experimentech využívajících LHC pracují i naši studenti. Začátkem června budu na státnicích studentů experimentální fyziky na FJFI ČVUT a už se těším i na zajímavé prezentace diplomek, které byly vypracovány při pracích spojených s fyzikou LHC.

Zvětšit obrázek

K testování radiační odolnosti komponent využívaných experimenty na LHC se využíval i cyklotron Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži.

Nová etapa experimentování

Po dvouleté přestávce se tak blíží nová etapa experimentování na LHC. Předpokládá se maximální celková energie srážky protonů 14 TeV, tedy energie urychlených protonů bude 7 TeV. Zahájení provozu však je s energií urychlených protonů 6,5 TeV. Je totiž nutné, aby velké dipólové elektromagnety, které zahýbají dráhu protonů, byly na provoz při potřebném proudu připraveny a otestovány. Zvláště, když se instalovalo osmnáct nových, které nahradily ty s nižší kvalitou. Po obvodu LHC, který je 27 km, je osm zahnutých a osm rovných úseků. V každém z osmi zahnutých úseků je 154 zmíněných velkých dipólových magnetů. Aby udržely na správné dráze protony s energií 6,5 TeV, musí jejich vynutím protékat proud 11 080 A, který umožňuje dosáhnout intenzity magnetického pole přes 8 T.

Zvětšit obrázek

Magnet s vyznačením umístění diodové ochrany (zdroj CERN).

Před zahájením reálného provozu se magnety musí na tak vysoký proud natrénovat. Trénink probíhá tak, že se postupně zvyšuje proud protékající jedním z osmi zmíněných ohnutých sektorů. A to až do doby, kdy dojde ke ztrátě supravodivosti (anglicky se označuje jako quench) u některého z elektromagnetů. Okamžitě zafunguje ochranný systém, energie je z obvodu vyvedena a proud spadne dolů. Po pečlivé analýze se proces opakuje. Tentokrát by měl příslušný magnet vydržet vyšší proud. Ztráta supravodivosti tak nastane na jiném. Postupně se tak celý oblouk natrénuje na požadovanou hodnotu proudu a tím i intenzity magnetického pole. Pro oblouk, který byl rekonstruován po nehodě při prvním spuštění urychlovače, se trénování opakovalo dvacetkrát, než se jeho magnety dostaly do správné kondice.

Dalším krokem k zahájení experimentování na urychlovači byl test prvního sektoru a vyslání prvních protonů z urychlovače SPS do LHC v února 2013. Začal tím test synchronizace práce celého urychlovacího systému a během března se zahájila etapa ověřování fungování celého zařízení, hlavně bezpečnostních systémů.

Zvětšit obrázek

Práce na hledání zdroje krátkého spojení (zdroj CERN).

Ani nyní to nešlo bez problémů

A právě při testech se narazilo na jeden vážnější problém. Pro ochranu magnetů v situaci, kdy nastane ztráta supravodivosti, se využívá vyvedení proudu do paralelního obvodu pomocí zařízení využívajícího diody. To je velmi rychlé, v řádu 0,5 s. Následné celkové vybíjení elektromagnetů pak trvá okolo 100 s. Diodová ochrana je držena na teplotě tekutého hélia 1,9 K a při jejím uplatnění v situaci ztráty supravodivosti se ohřeje až na 300 K.

Na jednom ze sektorů dipólových magnetů (konkrétně na tom, který je označován jako sektoru 3-4) došlo u jedné diodové ochrany k propojení vedení, které spojuje magnet s diodovou ochranou, s uzemněnou stěnou trubky. Důkladnou analýzou a rentgenováním se zjistila přesná poloha závady. Ukázalo se, že se s největší pravděpodobností jedná o malý kovový předmět, který se do daného místa dostal při přípravě magnetů.

Existuje několik možností, jak problém řešit. Jednou z nich bylo opětné ohřátí celého sektoru a otevření daného místa. To by však trvalo velmi dlouho. Jinou možností byl proudový impuls, který by zmíněný úlomek kovu roztavil a vypařil. Nakonec se odborníci rozhodli, že riziko druhého postupu je přijatelné. Dne 31. března tedy poslali do obvodu s diodou krátký proudový puls o velikosti 400 A a délce několik milisekund. Vše dopadlo na výbornou a krátké spojení zmizelo.

Od května s maximální energií

Zvětšit obrázek

Průběh trénování osmi sektorů s dipólovými magnety. Na ose x je pořadí trénování a na ose y pak proud, při kterém došlo k ztrátě supravodivosti.

Bylo tak možné dokončit trénování magnetů i v tomto sektoru. Po jeho ukončení tak bylo vše připraveno k práci urychlovače. Dne 5. dubna se poprvé podařilo provést svazek protonů celým jeho obvodem, a to v obou směrech. Dne 10. dubna se otestovala práce při urychlení svazku na 6,5 TeV. První srážky s energií blížící se hodnotě 900 GeV, kterou umožňují dosáhnout protony urychlované pouze v urychlovači SPS a přivedené do LHC, se uskutečnily 6. května. Tím se otevřela cesta k uskutečnění srážek protonů při energii 6,5 TeV, ke kterým došlo poprvé 21 května 2015. Nyní nastane období testování a začátkem června by se mělo zahájit reálné experimentování a nabírání statistiky při těchto energiích.

Výsledky získané během první etapy experimentování

Zvětšit obrázek

Jedna z prvních srážek při energii necelých 900 GeV zaznamenaných experimentem ATLAS (zdroj ATLAS).

Po ukončení první etapy výzkumu jsme se pokusili o přehled práce LHC během prvních tří le t jeho činnosti. I tam se zdůrazňuje, že všechna pozorování jeho experimentů plně potvrzují současnou teorii struktury hmoty. Tato situace se nezměnila ani po dvou letech intenzivního zpracování nabraných dat.

Současná teorie struktury hmoty – Standardní model hmoty a interakcí

Než se tak podíváme na současný přehled výsledků experimentů využívajících urychlovač LHC, zopakujme si základní vlastnosti současné teorie struktury hmoty – Standardní model částic a interakci. Náš známý svět i naše těla se skládají z atomů, které elektromagnetická interakce (elektrické síly) váže nejen do jednoduchých ale i extrémně složitých molekul, mezi které patří třeba DNA. Atom se skládá z jádra a elektronů a atomové jádro pak z protonů a neutronů, které společně označujeme jako nukleony. I tyto částice jsou složené. Skládají se z kvarků.

A právě kvarky, které drží v nukleonu pohromadě silná interakce, patří k těm elementárním částicím, které jsou základem Standardního modelu. Kromě kvarků u a d, ze kterých se skládají protony a neutrony, existují ještě čtyři těžší kvarky s , c , b a t . Kvarky jsou doplněny částicemi, které silnou interakcí neinteragují a označují se jako leptony. Těmi jsou nabité, elektron a jeho těžší obdoby mion a tauon, ale také neutrální částice s extrémně malou hmotností – neutrina. Ta jsou také, jako nabité leptony, tří typů – elektronové, mionové a tauonové. Ve Standardním modelu tak máme šestici kvarků a šestici leptonů, a také jejich antičástice.

Zvětšit obrázek

Jedna z prvních srážek zaznamenaná tentokrát už při energii 13 TeV experimentem ALICE (zdroj CERN).

Z kvarků a antikvarků lze poskládat obrovské množství částic, které interagují silnou interakcí. Ty se označují jako hadrony a jsou dvojího typu. Baryony jsou složeny ze tří kvarků (antibaryony pak ze tří antikvarků) a mezony vždy z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Šestice kvarků a šestice antikvarků tak umožňuje vytvořit velmi bohatou zoologickou zahradu baryonů a mezonů. Kvarkový model, který tuto pestrou kolekci hadronů popisuje, je jednou z nejdůležitějších částí Standardního modelu.

Jeho vlastnosti závisí na parametrech kvarků a také vlastnostech silné interakce. Pochopitelně se musí také podřizovat zákonitostem kvantové fyziky. Kvarky jsou fermiony, tedy částicemi se spinem 1/2 (správněji hodnotou spinu 1/2 ħ). Jako částice s poločíselným spinem se podřizují Pauliho vylučovacímu principu a v jednom stavu může být pouze jedna úplně stejná částice. Spin objektu, který je složen ze tří fermionů (obecně z lichého počtu fermionů), je opět poločíselný a jde tak zase o fermion. Baryony jsou tak opět fermiony. Například proton a neutron mají spin 1/2 jako kvarky. Tím jsou do značné míry dány vlastnosti atomových jader. Spin 1/2 má také elektron. A to silně ovlivňuje vlastnosti atomového obalu a tedy chemii. Systém složený ze dvou fermionů (obecně sudého počtu fermionů) má celočíselný spin. Takový objekt se označuje za boson a v jednom stavu může být více stejných bosonů. Mezon, který se skládá z kvarku a antikvarku, je bosonem.

Zvětšit obrázek

Srážka při energii 13 TeV zaznamenaná experimentem CMS (zdroj CERN)

Jednou ze základních vlastností silné interakce, která je pilířem kvarkového modelu, je to, že má na rozdíl od elektromagnetické interakce tři druhy náboje. Ten se označuje jako barva (zelená, modrá a červená). Neutrální objekt pak nedostaneme spojením stejně velkého kladného a záporného elektrického náboje, jako je tomu u elektrických sil, ale spojením všech tří nábojů nebo spojení náboje a antináboje silné interakce. Tři různě barevné kvarky jsou u baryonů a spojení kvarku dané barvy a antikvarku s odpovídající antibarvou u mezonů. V našem normálním světě mohou totiž existovat pouze objekty neutrální z hlediska náboje silné interakce.

V článku, který popisuje, jak se vyznat v přehršli částic , se rozebírá systematika velkého počtu mezonů a baryonů, které lze z kvarků sestavit. Kvarky nemusí být, stejně jako nukleony v jádře nebo elektrony v atomu, pouze v základním stavu, ale i ve stavech excitovaných. Zatímco u atomového jádra se většinou excitované stavy vybíjejí mnohem rychleji, než se rozpadá radioaktivní jádro, u excitovaných stavů částic, kde jak rozpad částice v základním stavu, tak rozpad excitovaných stavů probíhají často silnou interakcí a srovnatelně rychle. Standardní model dokáže hmotnosti různých hadronů předpovídat jen s omezenou přesností, proto je někdy identifikace nově pozorovaných hadronů složitější. Každý nový identifikovaný mezon nebo baryon však zároveň umožňuje testovat kvarkový model a zpřesňovat jeho předpovědní sílu.

Testy kvarkového modelu na urychlovači LHC

Zvětšit obrázek

Jedna z prvních srážek při energii 13 TeV pozorovaná pomocí experimentu LHCb (zdroj CERN).

Jedním z nejdůležitějších směrů i na urychlovači LHC je tak získávání experimentálních dat pro testování modelů popisujících systém interagující silnou interakcí, tedy právě zmíněné hadrony. Urychlovač LHC umožňuje dosáhnout velmi vysoké kinetické energie urychlených protonů, která se při srážce může přeměnit na klidovou energii nových částic. Mohou se tak produkovat i hadrony obsahující velmi těžké kvarky. Tedy kvarky c a b , které jsou třetím a druhým nejtěžším kvarkem. Nejtěžší kvark t má hmotnost 176 GeV/c ² , tedy skoro 190krát větší než proton. Je tak těžký, že se přemění na jiný kvark rychleji, než se stačí spojit s jiným kvarkem do hadronu.

Hadrony s těžkými kvarky mají velice odlišné vlastnosti od těch, které mají hadrony s lehkými kvarky. U lehkých hadronů dominující část hmotnosti hadronů tvoří pole související se silnou interakcí. Hmotnosti kvarků u a d jsou okolo 5 MeV/c ² a hmotnost protonů je už zmíněných 938 MeV/c ² . Tři jeho kvarky tak netvoří ani dvě procenta jeho hmotnosti. Zbytek tvoří pole spojené se silnou interakcí. Hmotnosti kvarků c a b jsou 1,3 GeV/c ² a 4,6 GeV/c ² , tedy jednotky hmotnosti protonu. U hadronů s nejtěžšími kvarky tak jejich hmotnost dominantně tvoří přímo hmotnost těchto kvarků. Studium takových hadronů tak umožňuje získat velice cenné a zajímavé informace o silné interakci a fungování kvarkového modelu ve specifické situaci. Jak už bylo zmíněno v článku o výsledcích LHC po třech letech , podařilo se experimentům ATLAS, CMS a LHCb doplnit bílá místa hlavně chybějících hadronů s kvarkem b . Mezi poslední úlovky, které se podařily experimentu LHCb a nepsalo se o nich v předchozím přehledu , jsou Standardním modelem předpovídané excitované stavy baryonu Ξ _b ^- , který je složený z kvarků d , s a b .
Byly pozorovány stavy Ξ _b ´ ^- a Ξ _b * ^- a velice přesně změřeny jejich hmotnosti a doby života. První z nich má spin 1/2 (orientace projekce spinu dvojice lehčích kvarků je opačným směrem) a druhá 3/2 (orientace projekce spinu dvojice lehčích kvarků je stejným směrem). I jejich pečlivé studium pomůže upřesnit kvarkový model.

Zvětšit obrázek

Jedna z prvních srážek při energii 13 TeV pozorovaná na experimentu ATLAS (zdroj CERN).

Již velice dlouho se diskutují možnosti existence hadronů s jiným počtem kvarků než je u mezonů a baryonů. Například tetrakvarky by byly složeny, aby byly neutrální z pohledu náboje silné interakce, ze dvou dvojic kvarku a antikvarku, pentakvarky ze tří kvarků a dvojice kvark a antikvark. V této oblasti jsou velmi aktivní experimenty LHCb, CMS i ATLAS. Ty potvrdily existenci nejméně tří částic pozorovaných předchozích experimentech hlavně japonským zařízením Belle. Jejich vlastnosti nezapadají do zoologie mesonů a baryonů a jsou kandidáty právě na vícekvarkové systémy. Jde napřiklad o tetrakvarky X(3872), který by mohl být složen z dvojic u a anit-c , anti-u a c , Y(4140) a Z(4430), který by mohl být složen z dvojic d a anti-u , c a anti-c . V závorkách je vždy hmotnost v MeV/c ² . Intenzivní studium rozpadů těchto stavů na různé částice pomocí LHC by konečně mohlo osvětlit jejich podstatu. Tedy, jestli se jedná o tetrakvarky, „molekulu“ ze dvou mezonů nebo úplně něco jiného.

Higgs – povinný a zatím největší objev

Zatím největším, ale všemi očekávaným, objevem, který se experimentům na urychlovači LHC podařil, bylo potvrzení existence Higgsova bosonu. Než se k němu dostaneme, je třeba si něco říci o třech interakcích, které máme ve Standardním modelu. Interakce umožňují přenášet energii, hybnost, náboj i některé další fyzikální veličiny. Dnes víme, že jsou zprostředkovány částicemi – intermediálními bosony. Grafickým zobrazením těchto výměnných sil jsou v odborných textech Feynmanovy diagramy. Dosah příslušné interakce je nepřímo úměrný hmotnosti intermediálního bosonu.

Zvětšit obrázek

Gerard ´t Hooft, který pomohl k tomu, aby se s teorií elektroslabých interakcí dalo velice přesně počítat, na návštěvě u detektoru ATLAS (zdroj CERN).

Interakce a jejich popis

Standardní model obsahuje tři interakce. Nejsilnější je silná interakce, o které jsme mluvili podrobněji při vysvětlování kvarkového modelu. Ta je zprostředkována osmicí gluonů, které jsou elektrický neutrální, ale nesou barevný náboj a interagují tak silnou interakcí mezi sebou. To a velmi specifické chování silné interakce na větší vzdálenosti způsobuje, že i přes nulovou klidovou hmotnost gluonů je dosah silné interakce srovnatelný s rozměrem protonu. Teorie, která ji ve Standardním modelu popisuje, se nazývá kvantovou chromodynamikou.

Elektromagnetická interakce působí mezi elektricky nabitými částicemi. Je zprostředkována fotonem. Ten je bez elektrického náboje a fotony tak mezi sebou elektromagneticky neinteragují. Teorie, která dokáže popsat elektromagnetickou interakci na mikroskopické úrovni je kvantová elektrodynamika.

Nejslabší interakce, která ve Standardním modeluexistuje, je slabá interakce. Zatímco silná interakce dokáže spojit kvarky do hadronů nebo nukleony do jader a elektromagnetická pak jádro a elektrony do atomu, slabá interakce žádný vázaný systém nevytvoří. Umožňuje však procesy, které ostatním dvěma interakcím nejsou povoleny a porušují některé zákony zachování. Může například přeměňovat jeden kvark na druhý a stojí tak za radioaktivitou beta nebo reakcemi ve Slunci. Při hledání jejího popisu se zjistilo, že ji nelze samostatně popsat bez elektromagnetické interakce.

Teorie, která se nakonec vybudovala, se označuje jako teorie elektroslabé interakce a zahrnuje v sobě i kvantovou elektrodynamiku. Vymysleli ji S. Weinberg, S. Glashow a A. Salam. To, že je slabá interakce tak slabounká, je způsobeno tím, že její zprostředkující bosony jsou velmi těžké. Kdyby byla jejich klidová hmotnost také nulová, byla by slabá interakce silnější než elektromagnetická. Zároveň jsou to velice blízcí příbuzní s fotonem, který má klidovou hmotnost nulovou. Řekněme, že jsou bráchové, kteří mají stejné genetické předpoklady a životní styl. Přesto se jejich konstituce dramaticky liší. To musí mít nějaké vysvětlení. A tím je v případě rozdílu mezi hmotností fotonu a bosonů slabé interakce W ⁺ , W ^- a Z ⁰ Higgsův mechanismu. Ten dokázal správně popsat interakci mezi nosiči slabých sil, která je zprostředkována novou částicí – Higgsovým bosonem.

Zvětšit obrázek

Peter Higgs a Francois Englert v laboratoři CERN (zdroj CERN).

Je třeba připomenout, že Higgsův mechanismus byl v roce 1964 kromě P. Higgse souběžně rozpracován ještě v dalším článku dvojice F. Englert a R. Brout. Všichni tři cílili touto teorií, a chybně, na jiný tehdejší problém v částicové fyzice (vysvětlení symetrií u hadronů). Teprve právě v teorii postavené na pracích trojice Weinberg, Glashow a Salam se našlo pro Higgsův mechanismus správné uplatnění. Teorie elektroslabých interakcí pak dokázala předpovědět hmotnosti bosonů W ⁺ , W ^- a Z ⁰ bosonů (pro dva nabité zhruba 80 GeV c ² a neutrální 90 GeV c ² ). Zároveň předpověděla specifické procesy rozptylu neutrin způsobovaný „slabými neutrálními proudy“ zprostředkované Z bosonem. Je však třeba poznamenat, že bylo napřed potřeba prokázat, že jde o správnou teorii a najít vhodné cesty, jak s ní pracovat. To se podařilo pomocí prací G. ´t Hoofta a M. J. G. Veltmana.

Prokázání existence neutrálních proudů se podařilo v laboratoři CERN pomocí velké bublinové komory Gargamelle a intenzivního zdroje neutrin v roce 1974. Dokázala se tak správnost teorie elektroslabých interakcí a její autoři Weinberg, Glashow a Salam obdrželi v roce 1979 Nobelovu cenu. Hooft a Veltman ji dostali v roce 1999. Díky přesné předpovědi hmotnosti nosičů slabé interakce si C. Rubia uvědomil, že pokud se urychlovač SPS v laboratoři CERN přebuduje na srážeč protonů a antiprotonů, bude možné pomocí něj W ⁺ , W ^- a Z ⁰ bosony produkovat. Vyřešit problém, jak získat dostatečně kvalitní svazky protonů a antiprotonů, se podařilo pomocí metody Simona van der Meera. V roce 1983 se tak poprvé podařilo produkovat nosiče slabé interakce a v roce 1984 dostali C. Rubia a S. van der Meer za jejich prokázání Nobelovu cenu za fyziku.

Zvětšit obrázek

Carlo Rubia a Simon van der Meer oslavují zprávu o udělení Nobelovy ceny za fyziku (zdroj CERN).

P. Higgs, F. Englert a R. Brout však až do začátku tohoto desetiletí museli čekat. Hlavním problémem bylo, že Standardní model nepředpovídá hmotnost Higgsova bosonu. Proto se jej každý nový velký urychlovač snažil najít. Do dokončení LHC se to nepodařilo. Urychlovač LHC byl oproti předchozím ve specifické situaci. Aby se teorie chovala „řádně“, nesmí hmotnost překročit určitou hodnotu. A tato limita byla pomocí srážek na tomto urychlovači dosažitelná. Bylo jasné, že buď higgse ve srážkách protonů uvidíme, nebo je něco úplně špatně.

Potvrzení existence Higgsova bosonu

Jak už bylo zmíněno, byl Higgsův mechanismus využit pro vysvětlení fungování slabé interakce a hmotnosti nejen bosonů W ⁺ , W ^- a Z ⁰ . Přímým důkazem, že se v přírodě a ve Standardním modelu opravdu uplatňuje Higgsův mechanismus, je pak produkce a detekce Higgsova bosonu. A to byl první hlavní úkol, který před experimenty ATLAS a CMS stál.

Higgs žije jen krátkou dobu, takže jej lze zaznamenat jen prostřednictvím produktů jeho rozpadu. Pokud se podaří identifikovat a určit energie a hybnosti sekundárních částic z rozpadu higgse, umožňuje nám Einsteinova speciální teorie relativity určit jeho klidovou hmotnost. Pokud tedy budeme počítat klidovou hmotnost z údajů o zachycených sekundárních částicích z rozpadu higgse, dostaneme pík v místě jeho hmotnosti, který nám jej jasně identifikuje. Problémy však způsobuje, že stejné částice, na které se rozpadá higgs, vznikají i v jiných procesech. My tak při výpočtu spojíme částice, které spolu nesouvisí a spočtená hodnota hmotnosti je v libovolném místě. Tak vzniká pozadí. Toto pozadí z jiných procesů však můžeme určit pomocí Standardního modelu. Hledá se tak přebytek (pík) u některé hmotnosti nad předpovídaným pozadím. A takový pík se objevil u hodnoty hmotnosti zhruba 125 GeV. Nejdříve ve dvou rozpadech, na dva fotony a na dvě dvojice nabitého leptonu a antileptonu a později v rozpadech dalších. Příslušný pík u stejné hmotnosti pozorovaly oba experimenty ATLAS a CMS, které se na hledání higgse zaměřují.

Zvětšit obrázek

Závislost „vazebné“ (coupling) konstanty mezi higgsem a příslušnou částicí v závislosti na hmotnosti této částice. Experimentální hodnoty jsou ukázány s příslušnou nejistotou (jedno sigma červeně a dvě sigma modře). Přerušovanou čárou je vyznačena závislost plynoucí ze Standardního modelu. (Zdroj CMS).

V okamžiku, kdy byla známa hmotnost kandidáta na higgse, bylo možné ze Standardního modelu spočítat pravděpodobnosti produkce takového higgse a jeho rozpadu do různých kanálů. Z pozorovaných rozpadů a jejich průběhu lze tak zjistit, jaké jsou parametry nové částice a zda odpovídají předpovídaným vlastnostem standardního higgse. A pozorované vlastnosti higgse, včetně jeho pravděpodobností produkce a rozpadů různým způsobem, plně odpovídaly předpovědím. Zvláště důležitý byl souhlas závislosti mezi intenzitou vazby higgse s různými částicemi, která se dá určit z pravděpodobnosti jejich společné produkce a rozpadu higgse spojené se vznikem této částice, a hmotností dané částice. Míra provázání (coupling) by mělo být úměrný hmotnosti částice, tedy čím těžší částice, tím je větší pravděpodobnost, že se zrodí spolu s higgsem nebo se higgs rozpadá s jejím vznikem. Experimentální data plně potvrzují předpověď Higgsova mechanismu ve Standardním modelu.

To byl ten kruciální moment, který rozhodl, že bylo možné brát existenci higgsova mechanismu ve Standardním modelu za potvrzenou. V roce 2013 pak byla P. Higgsovi a F. Englertovi udělena Nobelova cena za fyziku. R. Brout bohužel zemřel v roce 2011. V jeho případě tak experimentální fyzikové byli příliš pomalí.

V minulém roce publikovaly experimenty ATLAS a CMS výsledky kombinované analýzy svých měření hmotnosti higgse, které vedly k nejpřesněji určené její hodnotě 125,09 ± 0,24 GeV/c ² . Všechny měřené pravděpodobnosti produkce a rozpadů různými způsoby odpovídají velice dobře Standardnímu modelu. Poměr mezi experimentem a předpovědí je z poslední nejkomplexnější analýzy experimentu ATLAS 1,18 ± 0,15.

Zvětšit obrázek

Mezon B s indexem nula, produkovaný v experimentu LHCb se rozpadl na pár mionu a antimionu (zelené čáry, které končí nejdále) (zdroj LHCb CERN)

Jak se dostat k nové fyzice?

V principu jsou dvě možnosti, jak otestovat teorie popisující fyziku za Standardním modelem a vybrat tu správnou, která popisuje náš svět. První je objevení nových částice, které tyto teorie předpovídají. Tato cesta podobná té, která vedla k objevu nosičů slabé interakce nebo higgse, je nejpřímějším důkazem o platnosti teorie, která je předpovídá. Ve většině případů však bohužel tyto teorie neurčují přesnou hmotnost nových částic. Nelze tak předpovědět, jestli je LHC může produkovat nebo na to jeho energie nestačí. Proto všechny experimenty LHC hledají kromě částic (hadronů) předpovídaných Standardním modelem i částice předpovídané teoriemi, které jej přesahují. Zatím žádnou nenašel a stanovené limity na jejich hmotnost umožnili některé varianty příslušných teorií vyloučit. Vyšší energie svazku i statistika srážek by měla znamenat v následujících letech další posun.

Druhou cestou je co nejpřesnější měření různých procesů probíhajících při srážkách na urychlovači a srovnání výsledků s předpověďmi Standardního modelu. Odchylky od předpovědí standardní teorie pak ukazují na vliv fyziky, kterou má popsat teorie nová. Jde například o velmi přesná měření pravděpodobností rozpadu dané částice, třeba právě higgs, na přesně definované částice. Tento rozpad může díky vlastnostem kvantové fyziky probíhat přes virtuální podobu i velmi těžkých částic – tedy třeba právě částic předpovídaných teoriemi za Standardním modelem, které jsou v reálné podobě na LHC nedostupné. Zvýšení pravděpodobnosti daného rozpadu oproti předpovědím Standardního modelu tak mohou signalizovat projevy nové fyziky a říci něco o částicích z teorií za Standardním modelem. Největší vliv a šance objevení jsou v případě velmi vzácných rozpadů, které probíhají ve Standardním modelu jen velmi těžce.

Zvětšit obrázek

Pozorování rozpadu B0 na pár mionu a antimionu pozorovaný experimentem CMS (zdroj CMS CERN).

Extrémně vzácné rozpady

Extrémně vzácné produkce či rozpady částic, zvláště těch, které jsou těžší, jsou tak těmi nejcitlivějšími senzory pro existenci nové fyziky. Protože jejich pravděpodobnost je velmi silně potlačena, může se tak silněji projevit jejich průběh prostřednictvím procesů souvisejících s novou fyzikou. Jedním z nejvzácnějších procesů pozorovaných experimenty LHC jsou rozpady mezonů B ⁰ a B _s ⁰ na dvojici mion a antimion. Mezon B ⁰ se skládá z kvarků d a anti-b (odpovídající antičástice je složena z kvarků anti-d a b ) a mezon B _s ⁰ pak z kvarků s a anti-b ( odpovídající antičástice z kvarků anti-s a b) . Jejich přeměna na dvojici mionu a antimionu nemůže jít přímo přes neutrální proudy (tedy boson Z ⁰ ), ale pouze komplikovanějšími procesy. Ve standardním modelu pak za účasti většího počtu virtuálních částic a nejméně dvojnásobného počtu interakčních vrcholů ve Feynmanově diagramu (viz obrázek). Pravděpodobnost takové přeměny je pak o hodně řádů potlačena. Pokud existují částice plynoucí z nějaké teorie za Standardním modelem, může přeměna kvarků z neutrálních B mezonů probíhat s jejich pomocí (viz obrázek). Pravděpodobnost tohoto procesu závisí na hmotnosti a dalších vlastnostech těchto částic z nové teorie. Ale v určitých případech by mohla nad přeměnami přes částice Standardního modelu i dominovat.

Feynmanovy grafy rozpadu π ⁺ mezonu (graf a) a B ⁺ mezonu (graf b) na minon a mionové antineutrino. V tomto případě je možná přeměna pomocí jednoho virtuálního bosonu W ⁺ a graf má pouze dva vrcholy. Rozpad mezonu Bs ⁰ na pár mionu a antimionu, při kterém dochází ke změně vůně, nemůže probíhat přes jeden virtuální Z⁰ boson a jen se dvěma vrcholy ve Feynmanově grafu (přeškrtnutý graf c). Může probíhat pouze komplikovanějším způsobem přes čtyři virtuální částice a se čtyřmi vrcholy. Možnosti, které poskytuje Standardní model, jsou zobrazeny pomocí Feynmanových grafů d a e. Podobného charakteru mohou být i rozpady, ve kterých vystupují některé hypotetické částice modelů nové exotické fyziky, grafy f a g.

O prvním pozorování tohoto rozpadu se už na Oslovi psalo koncem roku 2012. Společná analýza pozorování experimenty CMS a LHCb však byla dokončena teprve nedávno. Společně se oběma experimentům podařilo produkovat řádově bilion (10 ¹² ) těchto mezonů a pouze zhruba řádově 100 se jich rozpadlo na mion-antimionový pár. Tak malá pravděpodobnost těchto rozpadů je důvodem, proč byly pozorovány teprve s pomocí urychlovače LHC, který je velmi efektivním strojem na produkci těchto mezonů. Standardní model předpovídá zhruba 40 takových rozpadů mezonu B _s ⁰ a 1 rozpad mezonu B ⁰ na každých deset miliard naprodukovaných těchto mezonů. V mezích experimentálních statistických nepřesností odpovídá experiment předpovědím Standardního modelu (viz obrázek s pozorováním). Zatím tedy nejsou v tomto rozpadu vidět žádné příznaky nové fyziky. Výsledek je tak sice negativní, ale díky němu se dala už řad modelů popisujících fyziku za Standardním modelem vyloučit, a to právě ty, ve kterých rozpad přes částice nové teorie dominuje nad rozpady přes částice Standardního modelu.

Společná analýza rozpadů B ⁰ a B _s ⁰ na dvojici mion a antimion ukazuje příspěvek obou těchto procesů (zdroj CERN). Černými body s vyznačením chybových úseček jsou označeny experimentální body. Různými typy přerušovaných čar jsou vyznačeny různé zdroje pozadí určené částečně pomocí Standardního modelu.  Plné světle modré a oranžové plochy ukazují rozpady mezonů B ⁰ a B _s ⁰ . Poměr mezi rozpady B ⁰ a B _s ⁰ byl volným parametrem fitu. Plná modrá čára pak ukazuje předpokládanou celkovou odezvu. Je vidět, že v mezích experimentálních nejistot je ve velmi dobré shodě s experimentálními daty. V mezích experimentálních nejistot je však i předpověď Standardního modelu.

Následující období – hledání nové fyziky

Druhé období experimentování pomocí LHC bude v řadě aspektů zlomové. V prvním se podařilo dovršit potvrzování a ověřování Standardního modelu. Povedlo se prokázat existenci poslední chybějící částice této teorie – higgse. Zároveň se ověřila její platnost s velmi vysokou přesností. V dalším se tak všechny síly napřou k hledání příznaků nové fyziky za Standardním modelem. Bude to umožněno zvýšením energie srážky a také zvýšením statistiky. První cestou bude stále přesnější měření vlastností různých procesů a hledání jejich odchylek od Standardního modelu. Zde je nejvyšší pravděpodobnost úspěchu. Druhou cestou bude hledání nových částic a jevů, které nová fyzika přináší.

Supersymetrické částice

Těmi by mohly být například supersymetričtí partneři částic známých ze Standardního modelu. Tyto částice jsou součástí supersymetrických teorií, které sjednocují popis silné a elektroslabé interakce. Podle nich by každá známá částice, která je fermionem, měla mít partnera, který je bosonem. Bosony Standardního modelu by měly mít supersymetrického partnera, který je fermionem. Atraktivita této představy spočívá i v tom, že rozpad supersymetrických částic na normální částice by byl extrémně málo pravděpodobný. Jeho produktem by mohl být pár pozitronu a elektronu nebo pár protonu a antiprotonu. Nejlehčí supersymetrická částice by tak byla prakticky stabilní a mohla by tak tvořit temnou hmotu, jejíž projevy pozorujeme ve vesmíru. O hledání příznaků rozpadu částic temné hmoty se psalo nedávno podrobněji zde .

Zatím však nebyly pozorovány žádné známky existence supersymetrických částic ani jiných hypotetických objektů. Zdá se však, že v případě jejich existence, mají velmi vysoké hmotnosti. Je tak nejspíš pravděpodobnější, že se jejich existence projeví ve virtuální podobě v některých velmi vzácných procesech, než uskutečnění jejich produkce v reálné podobě ve srážkách protonů na LHC.

Zvětšit obrázek

Simulace vzniku hypotetické mikroskopické černé díry a jejího vypaření Hawkingovým zářením (zdroj ATLAS, CERN).

Mikroskopické černé díry

Dalšími, ještě exotičtějšími objekty by byly mikroskopické černé díry. Tyto hypotetické objekty by mohly reálně existovat pouze v případě, že se chování gravitace na mikroskopických vzdálenostech dramaticky mění a neklesá už s kvadrátem vzdálenosti, ale mnohem rychleji. Hypoteticky by srážky mohly produkovat mikroskopické černé díry, jejichž hmotnosti by byly v řádu tisíců hmotností protonů. Ty by se měly okamžitě vypařit prostřednictvím Hawkingova záření. Pokud by se je podařilo experimentům LHC prokázat, zajistily by Nobelovu cenu tentokrát Stephenu Hawkingovi. Zásadní dopad by měla existence mikroskopických černých děr na poznání detailů struktury hmoty menších než tisícina protonu. Kvůli kvantovým vlastnostem mikrosvěta musíme mít pro zkoumání stále menších detailů sondující částici se stále větší hybností a tedy i energií. Pokud však při srážkách s dostatečně vysokou energií vznikne mikroskopická černá díra, u které nelze nahlédnout pod horizont daný Schwarzildovým poloměrem, tak menší detaily, než je zmíněná tisícina protonu, prostě nikdy nemůžeme vidět. Podrobnější popis toho, jak se mikroskopická černá díra liší od té klasické a proč nám od ní nehrozí žádné nebezpečí, lze najít v článku zde . Je však třeba zdůraznit, že nalezení mikroskopické černé díry ve srážkách LHC je o mnoho řádů méně pravděpodobné než nalezení supersymetrických částic.

Zvětšit obrázek

Stephen Hawking u experimentu ATLAS. To, že tento detektorový systém objeví mikroskopické černé díry, prokáže existenci Hawkingowa záření a pošle ho pro Nobelovu cenu, je sice nepravděpodobné, ale úplně vyloučené to není. (Zdroj CERN).

Teorie všeho

Mikroskopické černé díry nebo další jevy, které propojují gravitační interakci s procesy v mikrosvětě, by mohly být možností, jak najít cestu ke sjednocení popisu všech interakcí a vybudování „teorie všeho“, o kterou se snaží například i Stephen Hawking. Bohužel to však zatím vypadá tak, že LHC jako směrník k ní stačit nebude, ale mohl by ukázat alespoň cestu k tomu směrníku. Jak už bylo zmíněno, asi se také nepodaří produkovat mikroskopické černé díry a prokázat existenci Hawkingowa záření. I když by to bylo nádherná tečka i k filmu Teorie všeho, který nedávno dostal i Oskara. Ten sice není o fyzice a je jasně vidět, že byl natočen podle knihy Hawkingovy první manželky a z jejího úhlu pohledu. Je to ale krásný příběh paradoxně plný optimismu, na který jsem mohl jít s manželkou, a oba jsme byli spokojeni. A zároveň je film i příběh za ním ukázkou, že fyzika i věda, ač je fascinující, je přece jen pouze zlomkem pestrého světa člověka a lidské společnosti.

Co bude po urychlovači LHC

Jak už bylo zmíněno, bude urychlovač LHC pracovat ještě řadu let a jeho pozdější vylepšení by mohla přinést i zvýšení maximální energie urychlovaných protonů pomocí výměny části magnetů. Ještě větší důraz se však při vylepšování má klást na zvyšování kvality svazku a četnosti srážek. Přesto se už nyní uvažuje o jeho následovnících.

Jednou z možností je srážení elektronů a pozitronů. V tomto případě nemusí dosahovat energie urychlených elektronů či pozitronů ani energii protonů urychlených na LHC, přesto dosáhneme lepších možností. Je to dáno tím, že u srážky elektronu a pozitronu se sráží dvě bodové částice. U srážky protonů se srážejí dva velice komplikované objekty, které skládají nejen z trojice tzv. konstituentních kvarků, ale i z velmi komplikovaného vakua obsahujících velký počet virtuálních párů kvark a antikvark i virtuálních gluonů. Tedy z velkého množství bodových „partonů“. Celková energie dostupná při jedné srážce dvojice partonů je tak o řád nižší než je celková energie nesena srážejícími se protony. Při srážce elektronu s pozitronem je však dostupná při srážce veškerá energie. Navíc jsou tyto srážky daleko jednodušší a nevzniká nežádoucí pozadí dalších procesů.

V současné době jsou tak nejdále úvahy o stavbě lineárních urychlovačů elektronů a pozitronů. Dva urychlovače postavené proti sobě urychlí jeden elektron a druhý pozitron. Ty pak při srážce anihilují a veškerá jejich kinetická i klidová energie se přemění na jiné formy. Třeba na klidovou energii spojenou s hmotností nějakých nových neznámých částic. Na rozdíl od LHC u těchto urychlovačů proletí částice při urychlování urychlovacím systémem jen jednou. Aby se tak dosáhlo energie v řádu teraelektrovoltů a jejich délka nepřesahovala desítky kilometrů, musí urychlovací systém produkovat intenzitu elektrického pole v řádu až 100 MV/m. To jsou hodnoty dvacetkrát větší než na LHC. Zároveň však bude třeba pro dosažení vysoké četnosti srážek mít velmi malé rozměru svazku. Ty se předpokládají v řádu jednotek a až desítek nanometrů. To je téměř o tři řády menší rozměr než u LHC.

Prvním z těchto projektů je mezinárodní lineární srážeč ILC ( International Linear Collider ). Elektrony a pozitrony by se měly urychlovat na dráze dlouhé 31 km a energie srážky v těžišti má být 1 TeV. Místo pro výstavbu tohoto urychlovače nabídlo Japonsko. To by chtělo projekt využít k rekonstrukci po zemětřesení a cunami v roce 2011 a ke svému většímu zapojení do mezinárodního vědeckého výzkumu. Finančně by se nejspíše podílelo polovinou nákladů, druhou polovinu by pak zajistila mezinárodní komunita. Pro případ schválení projektu je už vybráno místo Kitakami na severu Japonska.

Zvětšit obrázek

Umělecká představa urychlovače ILC, který by měl být vybudován v Japonsku a má nejblíže k realizaci (zdroj Rey Hori).

Druhým je pak urychlovací systém CLIC ( Compact Linear Collider ), který rozvíjí hlavně CERN. Je velice podobný. V tomto případě by měla být jeho délka zhruba 48 km a energie dostupná při srážce v těžišti by mohla být vyšší okolo 3 TeV. Vyšší dosažené energie než pro ILC znamenají větší nároky na urychlovací systém a vývoj nových technologií. Pokud by se tento urychlovač postavil v laboratoři CERN, mohly by se v principu zkoumat srážky elektronů z něj s protony z LHC.

V této oblasti by ještě mohla zamíchat karty Čína. Ta plánuje postavit velký kruhový urychlovač elektronů a pozitronů. Předpokládaný obvod urychlovače má být 52 km, což je zhruba dvojnásobek obvodu LHC. Čína předpokládá dokončení tohoto urychlovač v roce 2028. Zatímco je jasné, že v případě schválení stavby urychlovače ILC v Japonsku se CLIC stavět nebude, Čína by se mohla rozhodnout plánovaný srážeč elektronů a pozitronů dostavět i v tomto případě.

Další možností je postavení většího protonového srážeče. O takovém se uvažuje právě v laboratoři CERN. Měl by dosáhnout energie srážky 100 TeV, tedy téměř o řád větší, než se dosahuje u LHC. Podle toho, jaké by se podařilo vyvinout supravodivé magnety, by jeho obvod byl 100 nebo 80 km. Pro ten první bude stačit intenzita magnetického pole u supravodivých magnetů „pouhých“ 16 T a u toho druhého je nutné mít magnety pro 20 T. Vývoj magnetů je tak pro projekt klíčový. Tento evropský urychlovač by se vybudoval právě v laboratoři CERN a LHC by sloužil jako jeho předurychlovač. Velice pěkný a podrobný článek o plánech na nové urychlovače napsal pro Osla Marek Taševský.

Zvětšit obrázek

Jeden z případů vzniku a rozpadu Higgsova bosonu v detektoru ATLAS pozorovaný v roce 2012. Rozpad proběhl do dvou tauonů (světle modré kužely) a ty se pak rozpadly se vznikem elektronu (modrá čára) a mionu (červená čára).

Závěr

Urychlovač LHC a jeho experimenty se znovu pustily do práce. Už předchozí výsledky ukazují, že i v následujících letech se můžeme těšit na řadu zajímavostí. Zatímco předchozí etapa by se dala označit za dovršení potvrzování a budování Standardního modelu, je naděje, že ta následující by mohla být průlomem do nové fyziky. Z hlediska rozvoje částicové fyziky, fyziky vysokých energií a rozvoje velkých urychlovačů to zřejmě bude období kritické. Pokud se pomocí urychlovače LHC objeví známky nové fyziky a potvrdí, že větší, ale technologicky dosažitelný, urychlovač by mohl zpřístupnit principiálně nové jevy, třeba právě supersymetrické částice, pak je velká pravděpodobnost, že se popsané nové urychlovače, daleko větší než LHC, postaví. Pokud však budou i nadále měření na LHC pouze dokonale potvrzovat a upřesňovat Standardní model, tak se nejspíše postaví lineární elektronový urychlovač v Japonsku a dále nastane pravděpodobně delší přestávka. Možná ještě nebude LHC stačit na to, aby nás navedl na správnou cestu k teorii všeho, jak by si přál nejen Stewen Hawking. V každém případě nám však umožní poznat chování přírody na extrémně malých rozměrových měřítcích a v extrémně raných fázích vývoje vesmíru a dá nám důležité nástroje pro poznání a popis světa, ve kterém žijeme.