V dnešním světě nikdo nemá na Velký hadronový srážeč LHC v CERNu. Je to největší, nejvýkonnější, nejdražší a také nejvíc sexy urychlovač částic všech dob. Částice o rekordních energiích by měl srážet do roku 2035. Pak by měl jít do výslužby, i když u podobných zařízení to nikdy není úplně jisté. Kdo ale bude srážet částice po LHC?
Týmy odborníků po světě usilovně pracují na tom, aby spatřila světlo světa nová generace urychlovačů. Připravují jejich design a co je zásadní, shánějí pro ně financování. Jedním z takových slibných designů je lineární srážeč Compact Linear Collider, s elegantní zkratkou CLIC. V nedávném článku na preprintovém serveru arXiv ho popisuje polský fyzik Aleksander Filip Zarnecki z Varšavské univerzity.
Podle online magazínu Live Science je CLIC jako gigantický subatomární railgun, srážeč částic, co by byl ve své nejdelší verzi delší než celý Manhattan. S takovým „railgunem“ by bylo možné pátrat po tajemstvích nedávno objeveného a stále dost záhadného Higgsova bosonu nebo hledat cestu k překročení hranice Standardního modelu.
Design lineárního srážeče částic CLIC je oproti LHC mnohem jednodušší. Také neurychluje hadrony, nýbrž elektrony a jejich antihmotové protějšky pozitrony. Tyto elementární částice by urychloval na dráze dlouhé 11 až 50 kilometrů, podle toho, jako bude vypadat CLIC ve své finální podobě. Srážeč CLIC by měl nastoupit do služby postupně. V roce 2035, tedy v době plánovaného ukončení provozu LHC, by měl být CLIC spuštěný v 1. fázi, kdy bude urychlovat částice na energie do 380 GeV. Až CLIC pojede na plný výkon, tak by měl zvládat energie 3 TeV.
Pozorný čtenář si jistě hned všimne, že i plný výkon srážeče CLIC je několikanásobně nižší, nežli energie, jaké dnes umí LHC. Nicméně, srážeč CLIC by neměl spoléhat na hrubou sílu, nýbrž na důvtip. Když v osmdesátých a devadesátých letech navrhovali LHC, tak nikdo nevěděl, jestli Higgs vůbec existuje a pokud ano, tak jaké má parametry. Proto museli fyzici vymyslet univerzální urychlovač, aby mohl hledat neznámého Higgse rozmanitými způsoby.
Teď už ale víme, že Higgsův boson existuje, a známe jeho některé základní parametry. Proto je možné postavit urychlovače částic, které budou přesně vyladěné na výzkum Higgse. Jinými slovy, lze je postavit tak, aby vyrobily co nejvíc Higgsových bosonů. Fyzici si v té souvislosti oblíbili vykutálený pojem Higgsstrahlung. Je to vtipná obdoba německého výrazu „bremsstrahlung“, což znamená „brzdné záření“, který se používá jako odkaz na tvorbu záření. Higgsstrahlung je, když se srazí elektron s pozitronem za extrémních energií a navzájem se anihilují, čímž dají vzniknout spršce nových částic, mezi nimž je i Z boson v páru s Higgsovým bosonem. CLIC by měl být skvělou „Higgsstrahlung Factory“, čili továrnou na Higgse, již v první verzi o energiích do 380 GeV.
Podobným způsobem by měl srážeč CLIC vyrábět i svrchní, čili t kvarky, které jsou ze všech kvarků nejvzácnější a zatím nejméně známé. A když na to přijde, CLIC by mohl pátrat i po temné hmotě. Zatím to nevypadá, že by ho nějaký experiment připravil o práci a objevil temnou hmotu už teď. Kdo ví, co všechno by „railgun na částice“ CLIC mohl dokázat. Doufejme, že LHC bude mít včas svého důstojného nástupce, ať to bude CLIC, či jiný stroj na zázraky.
Video: CERN CLIC Test Facility
Literatura
Live Science 23. 8. 2019, arXiv:1908.04671.
Fyzici plánují chytat přízračné částice, které utíkají z urychlovače
Autor: Stanislav Mihulka (29.05.2018)
Drak urychlovačů: Čína plánuje mnohem větší a výkonnější protějšek LHC
Autor: Stanislav Mihulka (19.11.2018)
Urychlovače částic na čipu otevírají dveře do budoucnosti
Autor: Stanislav Mihulka (26.11.2018)
Diskuze:
Upřesnění
Vladimír Wagner,2019-08-25 22:12:17
hlavního důvodu, proč u srážeče elektronu a pozitronu stačí pro produkce Higgse nižší energie. Elektron a pozitron jsou (alespoň při daných energiích a z hlediska Standardního modelu) bodové částice, takže produkce Higgse a dalších částic vzniká při srážce elektronu a pozitronu. Naopak proton je velice komplexní objekt, který se skládá z trojice tzv. konstituentních kvarků a dále z pole virtuálních gluonů (nosičů silné interakce) a pole virtuálních párů kvark antikvark. Z hybnosti (energie) urychleného protonu pak nesou přibližně třetinu konstituentní kvarky, třetinu virtuální gluony a třetinu páry kvarku a antikvarku (velmi zjednodušeně). Bodovými částicemi jsou v tomto případě kvarky a gluony, a ty se srážejí. Pro vznik částic (tedy i Higgse) je tak k dispozici maximálně devítina energie protonu v jedné srážce dvojice kvarků (nesou devítinu celkové energie). Tedy v případě maximální energie LHC je v těžišti maximálně energie 1,6 TeV. U CLIC to bude nejdříve 0,76 TeV a později dokonce 6 TeV. Navíc při srážce dvou protonů většinou proběhne více srážek kvarků a gluonů a dostáváme daleko komplikovanější systém se značným pozadím. To je dáno i tím, že jde o silnou interakci.
Naopak při srážce elektronu a pozitronu jde pouze o elektromagnetickou interakci a velmi "čisté" případy. Ideální stav pro studium Higgse.
Nechci nikomu brát naději,
Pavel Nedbal,2019-08-25 13:23:22
ale mám zato, že standardní model plně platí, už desítky let, a dál už nic není - mrzelo by Vás to moc, kdyby se již nic nenašlo a v částicové fyzice byla konečná? Bohužel to je taky důvod, proč nás fyzika odsuzuje k již trvalému setrvání tady na Zemi. Taky mi to vadí, ale pochopil jsem termodynamiku a vím, že ji neobejdeme, a bez toho se nedokážeme pohnout dál. Škoda.
Re: Nechci nikomu brát naději,
Milan Štětina,2019-08-26 15:33:50
Standardní model Vám nikdo nebere. Chybí jen taková drobnost - nepopisuje gravitaci. Tu sice obstojně popisuje teorie relativity, ale jen dokud nezačnete uvažovat kvantové jevy. A pak tu máme problém (sice se standartním modelem nesouvisející, ale s fyzikou ano) nesouladu pozorování pohybu galaxií s platnou teorií gravitace.
Jsme tedy ve velmi podobné situaci jako na začátku 20. století. Tehdy taky ve fyzice už bylo všechno objeveno, kromě drobného problému s nosičem elektromagnetického vlnění (zvaný tehdy ether) a nesouladu mezi měřením a teorií u záření černého tělesa. To první vyřešila teorie relativity a to druhé kvantová fyzika.
Těmito objevy však standardní mechanika nepřestala úplně platit - pořád je to velmi dobrá aproximace pro děje kdy se nepřekročí 3000km/s a objekty jsou větší než 0.001mm; navíc za těchto podmínek výrazně zjednodušuje výpočty.
Mimochodem to, že někdo tvrdí, že všechno už bylo objeveno a vynalezeno, se neustále opakuje (známý je případ amerického patentového úředníka, který z tohoto důvodu požádal o zrušení svého pracovního místa někdy na konci 19. století - nevím, třeba je to hoax), ale pořád se najdou "debilové", kteří to neví a pořád něco objevují a vynalézají.
Re: Re: Nechci nikomu brát naději,
Petr Mikulášek,2019-08-26 20:08:01
"A pak tu máme problém (sice se standartním modelem nesouvisející, ale s fyzikou ano) nesouladu pozorování pohybu galaxií s platnou teorií gravitace."
Myslím, že nemáme. Furt v téhle souvislosti čtu jenom o pár věcech - rozpínání vesmíru, kosmologické konstantě, gravitaci, temné hmotě a temné energii. Ale započítal tam někdo celou známou fyziku?
1. Sluneční (hvězdné) exploze - během 1 miliadry let se exploze 2x ročně se silou 50 atomovek u nějakýho trpaslíka nasčítají. Pokud je hvězda v nějakým elektromag. poli, můžou být soustředěný konkrétním směrem, je to přece jenom koule plazmy.
2. Hvězdný vítr (v podobě proudu elektronů). U jedné hvězdy by šel do všech směrů, ale co se stane v případě, že je opodál další hvězda? Asi se to nahustí jak ekvipotenciální plochy dvou bodových nábojů a divil bych se, kdyby to se stejným nábojem táhlo ty hvězdy k sobě. A když jich bude 50? Nebo 50 000? A bude to působit miliardy let?
3. Proud elektronů, to je vlastně elektrický proud. Když tak teče mezihvězdým prostorem, nemůže se vytvořit i magnetický pole? Může magnetický pole působit i proti gravitaci?
4. Možná znáte Hallův jev v polovodičích. Elektrický proud se vychyluje kolmým magnetickým polem a elektrodách kolmých na oba směry vzniká nějaký napětí. Teoreticky se i vesmír může chovat jako polovodič a vytvářet elektrický pole. To pak může opět soustředit elektrický proud do konkrétního vektoru a i podle 3. Newtonova zákona by to byl dobrý galaktický motor (možná by to vysvětlilo i to, proč je kolem galaxie disk).
5. Nemůžeme vyloučit, že je vesmír v silovým poli. Klidně i známé energie. Jenomže můžeme měřit jenom rozdíly energie. Nevíme, jaký má Země elektrický potenciál, ale dohodli jsme se, že má nulu a měříme proti ní. Globální offset nás nezajímá.
6. Atd.
Takže - až páni vědátoři započítají všechny druhy známých interakcí, hmot a energií a furt jim to nebude štymovat, budu mít teprve důvod přemýšlet, jestli je rychlost světla fakt konstanta, nebo mohla být kdysi dávno o chlup jiná... Anebo jestli fakt nějaká ta temná fujvěc existuje.
Re: Re: Re: Nechci nikomu brát naději,
Milan Štětina,2019-08-27 09:16:19
Jinými slovy tvrdíte, že hvězdy se elektricky nabíjí tím, že odvrhují náboj (buď více protonů nebo více elektronů), čímž se nabíjí a to vyvozuje dodatečné síly, takže nepotřebujeme temnou hmotu. Protože elektrické síly jsou mnohonásobně větší (o několik desítek řádů)než gravitační, stačí odvrhnout jen velmi malou část.
Teplota hvězd je dotatečná, aby se atomy ionizovaly, elektrony jsou mnohem lehčí než protony, takže se v v magnetických polích kolem hvězdy pohybují jinak - takto řečeno to kvalitativně dává smysl.
Jenže když se všechny hvězdy nabijou záporně, budou se přece odpuzovat a astronomům/kosmologům chybí přitažlivá síla. Na druhou stranu ten odvrhnutý kladný náboj se musí někde hromadit - když to bude kolem galaxie, tak se z důvodu malé hmotnosti rychle nasaje zpět do hvězd nebo uletí pryč - podle rychlosti. Jediná šance je, že by se hromadil v centrální černé díře (jenže jak se bude nabíjet, tak bude další náboj odpuzovat - to nevidím reálně). A nebo by se některé hvězdy nabíjely kladně a jiné záporně, ale k tomu není fyzikální důvod - snad jedině normální hvězdy záporně, vyhaslé hvězdy kladně; ale nevidím ten fyzikální mechanismus, jak by vyhaslé hvězdy odvrhávaly elektrony. A sbírat náboj z okolí nejde, protože po prvních "pár" protonech budou další odpuzovány.
Celkově v problematice dokážu sledovat popularizační články, možná i nějaký odbornější, ale nedokážu provézt nějaký výpočet nebo rozpoznat, že výpočet/úvaha je zjevně nesprávná, takže nedokážu udělat ani řádový odhad, kolik by uvedený efekt mohl vygenerovat dodatečné síly. Zkuste to navrhnout nějakému kosmologovi, ať to přepočítá.
Re: Re: Nechci nikomu brát naději,
Pavel Nedbal,2019-08-26 22:06:57
Vážený pane Štětino,
není vůbec důvod, aby standardní model popisoval gravitaci. Představa sloučení gravitace do ostatních inerakcí je jenom přání. Ani Einsteinova, ani Verlindeova teorie to tak neberou, podle nich gravitace vlastně interakcí není. Dokonce ani tvrzení, že na Planckovské délce musí být gravitace kvantována, je jen "horror infinity", podobně, jako byl kdysi "horror vacui", v tomto případě hledáme něco, co by zabránilo kolapsu ČD do bodu. S tím teorie relativity vůbec nepočítá, a obávám se, že obrovské síly na nějaký "minimální délkový rozměr" kašlou.
Kvantování jako takové samozřejmě existuje, to je ale z pohledu Planckovské délky "makrosvět", koneckonců, kdyby kvantování, byť i jen třeba elektronu, neexistovalo, ani bychom zde my nebyli. Vlastně i ta planckovská délka je jen takový konstrukt ze základních konstant, u kterého to vychází rozměrovou analýzou, fyzikální smysl to nedává.
Samozřejmě, že nás ještě nějaké objevy čekají, takže fyziku za ukončenou ještě mít nemusíme, nicméně zázraky bych moc nečekal - za posledních 40 let pokrok minimální (jen neuvěřitelné úlety typu strunových teorií), a třeba o elektronu toho nevíme vůbec nic víc, nežli pan Thompson - hmotnost, náboj, bodovost. Ostatně další "těžké" částice standardního modelu nejsou nic jiného, než ty "lehké", "podšprajcované" energií tak, že vykazují jistou kvazistabilitu a po krátkém čase se rozpadají na ty základní. Je docela dobře možné, že postavíme -li podstatně silnější urychlovače, které dodají ještě větší energie, tak objevíme ještě další takové kvazistabilní, ještě energetičtější (a těžší) částice. Jenže co s nimi, když pomineme extrémní podmínky v neutronových hvězdách, tak je vše kolem nás vytvořeno jen ze stabilních u,d,e, neutrin a příslušných polí a "lepidel" na které se "těžší" částice rozpadají, a ty jsou v praxi nevyužitelné.
Co se nesouladu pohybu galaxií, těles v nich a pod. versus gravitace týče, držím se konzervativně názoru, že skrytá hmota je prostě ta dosud nenalezená, žádní exoti. Obdobně zařazuji "temnou energii".
Re: Re: Re: Nechci nikomu brát naději,
Milan Štětina,2019-08-27 09:56:29
Jak už jsem psal výše, tak v oblastech jako kvantová fyzika, standartní model, teorie relativity, kosmologie a podobné řekněme "pokročilé oblasti fyziky" jsem schopen sledovat popularizační články, možná i nějaký trochu odborný, ale nejsem schopen provádět výpočty a (na jejich základě) rozporovat/dokazovat nějaká tvrzení.
Z této pozice se mi zdá, že kvantová teorie, teorie relativity a standartní model částic posunuly oblast, kde jsme schopni (tedy já ne, ale lidi, co to umí používat) provádět výpočty, určovat jak dopadne experiment a tedy efektivně navrhovat nějaká zařízení (např. bez kvantové fyziky a standartního modelu by nešlo rozumně navrhovat polovodiče a integrované obvody; teda ono by se na to asi přišlo metodou pokus a omyl a byly by nějaké empirické vzorce, ale takto jsme myslím v lepší pozici; i když určitá zkušenost a empirické vzorce jsou stejně potřeba).
Pořád jsou ale oblasti, kde jsou fyzikové bezradní (typicky horizont černé díry) - kvantová fyzika dává nějaký výsledek, teorie relativity jiný a nevíme, co je správně. Možná je špatně celý koncept černé díry - nevím. Přirovnal bych to k situaci, kdy jsme měli korpuskulární a vlnovou teorii světla (tedy pořád máme - v mnoha situacích je to dostatečný model a zjednodušuje výpočty), každá dávala odlišné předpovědi a nebylo jasné, která je dobře. Pak přišel pan Schrodinger se svojí rovnicí a ta zahrnula oba případy. Vysvětluju to zjednodušeně a možná nepřesně, jestli to někdo umí lépe, nechť mě opraví. Nicméně v tomto smyslu předpokládám že se teoretičntí fyzikové snaží o velké sjednocení.
Souhlasím s Vámi, že pokud se nějaké nové objevy v tomto směru podaří, tak na život lidí to velmi pravděpodobně nebude mít zásadní vliv. Ale těžko dělat předpovědi - pokud bude objev opravdu přelomový, tak ani netušíme, jakou bude mít povahu a tedy nelze předpovědět vliv na lidstvo.
Re: Nechci nikomu brát naději,
Vít Výmola,2019-08-26 16:15:06
Doktor Wagner mě možná za tento můj názor (zase) nebude mít rád, ale problém standardního modelu je právě to, že jde o popisný model. Velmi dobře popisuje svět elementárních částic a jejich interakcí, ale nijak nevysvětluje, proč takový je. Já dám příklad: Známe celou řadu kvarků a ty jsou podle našeho současného poznání elementární. Přesto jsou až radikálně odlišné. Dalším elementárními částicemi jsou leptony, opět se zcela jinými vlastnostmi. Všechny tyto částice jsou základním projevem hmoty, přesto jsou naprosto jiné. Jak je to možné?
Pořád mi to trochu připomíná vztah mezi Newtonovou mechanikou a obecnou teorií relativity. Neřešme teď, že OTR je výrazně přesnější. To není ten hlavní důvod, proč je OTR takovým pokrokem. Tím důvodem je, že Newton pouze popisoval silové účinky gravitace, zatímco OTR navíc podává i vysvětlení, co gravitace vlastně je a kde se to silové působení bere.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
