Jedna z událostí vzniku Higgsova bosonu a jeho rozpadu na dva fotony. Courtesy CERN.

Velký hadronový urychlovač (LHC) je vlajkovou lodí na naší cestě do hlubin mikrosvěta. Byl spuštěn před deseti lety a ve srovnání s předchozími hadronovými urychlovači nás v okamžení prudce posunul na škále energií, vzdáleností a intenzit. V roce 2012 na něm byl objeven Higgsův boson – zásadně nová částice, která nám otevřela nové, dlouho očekávané okno do mikrosvěta. Fyzikové si mnuli ruce v předtuše gejzíru objevů: zdálo se, že se ani nenadějeme, a nové částice, jevy, interakce a jiná exotika mikrosvěta se posypou jako z rohu hojnosti.

Růžové představy se však bohužel nenaplnily. Rok od roku se navyšovala luminozita urychlovače, fyzikové vylepšovali zařízení a vyvíjeli stále efektivnější metody analýzy dat – ale výsledkem bylo, že jen stále dokola potvrzovali Standardní model, současnou teorii výstavby mikrosvěta vytvořenou v dávných 70. letech.

V letech 2013–2015 se k radosti teoretiků začaly rýsovat první náznaky odchylek od Standardního modelu. Právě v té době Velký hadronový urychlovač, obnovený a o něco „dospělejší“, začínal svou druhou pracovní sezónu, což znovu probudilo naděje. Nicméně přírodě stačilo několik dobře mířených potměšilých úderů, aby teoretikům zasadila knokaut. Dodnes sice zůstávají nejasnosti ohledně rozpadů B-mezonů, ale fyzikové poučení hořkou zkušeností už je vnímají velmi zdrženlivě.

Původní snaha nalézt odchylky od starého dobrého Standardního modelu přitom ale nikam nezmizela. Fyzikové spolehlivě vědí, že teorie je neúplná. Není v ní prostor pro:

• temnou hmotu

• záhadně malé hmotnosti neutrin

• vysvětlení pozorovaného přebytku hmoty nad antihmotou ve vesmíru.

Ale také v samotné její výstavbě jsou vnitřní rozpory: bůhvíodkud pocházející interakce, symetrie a hodnoty parametrů. Celá ta teoretická struktura, třebaže skvěle odpovídá tisícům měření, zanechává ve vědcích skličující pocity neuspokojenosti. Zdá se, že před sebou máme střípky nějaké symetričtější, skvěle naladěné, hluboké a jednoduché teorie. Nové fyziky.

Nová fyzika v té či oné podobě určitě existuje – a teoretici už si navymýšleli tisíce jejích variant. Jenomže se nám vůbec nedaří nahmatat její projevy v experimentech na urychlovačích. Ó, kolik Nobelových cen, kolik intelektuálního nadšení by nás čekalo, kdybychom získali alespoň jeden přesný, důvěryhodný a nevyvratitelný příklad odchylky pozorování od Standardního modelu! Ale takový příklad se bohužel přes všechno úsilí najít nedaří.

Právě hledání Nové fyziky se stalo v posledních desetiletích hlavním úkolem fyziky elementárních částic. Takový průlom se očekával od Velkého hadronového urychlovače – ale jeho činnost zatím žádné plody v podobě nové fyziky nepřinesla. Bude fungovat ještě dlouho, přibližně do roku 2038, ale do srdcí výzkumníků už se vkrádá tichá obava: co když se na tomto urychlovači nakonec nepodaří objevit nic? Bude to konečný verdikt nebo ne? Jakým směrem se pak vydá urychlovačová fyzika? Vždyť pokud si máme vytyčit cíle na rok 2040 a dál, musíme to udělat už teď a všichni společně.

Především právě to motivovalo CERN ke spuštění široké kampaně, jejímž cílem bylo vypracovat evropské (a ve skutečnosti globální) priority rozvoje částicové fyziky na nejbližší léta a desetiletí.

Celý svět táhne za jeden provaz

Částicová fyzika funguje na hraně technologických možností experimentální vědy. To, co se v ní dalo udělat úsilím malé výzkumné skupiny v rámci stolního experimentu,už je udělané. Dále se můžeme pohybovat buď cestou zvyšování energie, přesnosti a citlivosti současných zařízení, nebo vynalézání zásadně nových přístupů.

Fotografie účastníků kolaborace FCC na každoroční konferenci, 2019. Courtesy CERN.

Jedno i druhé předpokládá společnou práci velkých vědeckých kolektivů a tudíž koordinované úsilí nejen jednotlivých laboratoří, ale i celých zemí. Konec konců sám CERN – Evropská organizace pro jaderný výzkum – vznikl v poválečné Evropě, když začalo být jasné, že evropské země mohou sehraným úsilím získat nesrovnatelně více vědeckých výsledků, než když budou při stejném sumárním rozpočtu jednat každá zvlášť. Ten model se ukázal jako výjimečně úspěšný a stal se příkladem pro další evropské vědecké a technické organizace.

V epoše Velkého hadronového urychlovače získala koordinace snah v oblasti částicové fyziky globální úroveň. CERN dnes není jen centrem přitažlivosti evropských univerzit a ústavů, ale i klíčovým partnerem pro vědecké laboratoře částicové fyziky na celém světě. CERN se nesnaží nahradit národní ústavy, ale vždy je připraven nabídnout spolupráci na realizaci různě rozsáhlých a ambiciózních projektů. Tomu rozumí všichni v Rusku, USA, Číně, Japonsku i všech dalších zemích, které se vážně zabývají částicovou fyzikou. Proto když CERN dává dohromady své plány na nejbližší léta a desetiletí, všichni chápou, že se to dotkne výzkumných programů zemí na celém světě.

Fyzici zkoumají svět elementárních částic především pomocí srážečů – urychlovačů, na kterých se využívají čelní srážky urychlených elementárních částic. Urychlovače částic jsou v podstatě mikroskopy. S jejich pomocí fyzici „pozorují“, jaká je struktura hmoty v tom nejmenším měřítku.

A vlastnosti našeho světa už jsou takové, že čím menší objekty potřebujeme pozorovat, tím větší musí být energie a intenzita urychlovačů, a tím složitější a dražší je tudíž zařízení. Vysokou cenu nových urychlovačů nezpůsobují samotné drahé materiály – je snaha nacházet pokud možno ty dostupné. Urychlovače jsou drahé především proto, že se nesestavují z již hotových součástek. A dokonce se ani neopírají o již existující technologie. Pokud považujeme za nezbytné vytvořit urychlovač nové generace, nemůžeme se obejít bez nových technologií. I proto budování nových urychlovačů s rekordními parametry začíná desítkami let inženýrského hledání a průkopnictví.

A pokud tedy vědecká komunita počítá s novým urychlovačem (nebo urychlovači?) po LHC, musí se aktivně vyvíjet už dnes. A pokud možno už by se mělo přecházet do stádia výroby komponentů.

Problém je v tom, že neexistuje rychlá a jednoznačná odpověď, jakému urychlovačovému projektu by se měla dát přednost. Takových projektů už je několik. Liší se od sebe rozměry, náklady, technologickou zajištěností a ambiciózností vědeckého programu. Stavba některých se plánuje v okolí CERNu, jiných v Číně nebo v Japonsku. Každý z nich bude globálním projektem a velice drahým zařízením: rozsah nákladů se odhaduje od několika do desítek miliard dolarů. Postavit všechno najednou je tudíž nemožné. A jaký projekt se tedy v dnešní situaci jeví pro evropskou fyziku jako nejrozumnější, nejspolehlivější a nejvyrovnanější z hlediska ambiciózních cílů a garantovaných vědeckých výstupů?

Evropská strategie: proces

Záběr ze stavby High Luminosity LHC. Courtesy CERN.

Poprvé byla Evropská strategie zformulována v roce 2006. Vznikala „zdola“: veškeré vědecké společenství v oblasti částicové fyziky během řady speciálně organizovaných setkání stanovovalo priority na nejbližší léta. Strategie byla obnovena v roce 2013, na vlně objevu Higgsova bosonu a optimistických očekávání brzkých výsledků na LHC. Jejím klíčovým bodem je vyždímat maximum vědeckých informací z Velkého hadronového urychlovače a jeho budoucího vylepšení s vysokou luminozitou HL–LHC, na níž se plánuje přejít v letech 2026–2027. Tato část práce je splněna na výbornou: LHC se proměnil v bezprecedentně spolehlivou mašinu, která dodává nová data v rekordních objemech, a přechod na HL–LHC už se také blíží mílovými kroky.

V září 2017, na 186. zasedání Rady CERNu odstartovala nová fáze aktualizace projektu. Zvláštní koordinační orgán zveřejnil v březnu 2018 výzvu všem univerzitám, vědeckým ústavům a laboratořím na světě, aby do konce roku připravily své podložené návrhy toho, kudy by se měla vydat částicová fyzika v letech 2020 až 2026. Ale nebuďte zklamaní, pokud se vám toto sedmileté období zdá „krátké“: v současné situaci je jasné, že plán na nejbližších sedm let může mít význam jenom v globálním vidění toho, jak se má částicová fyzika rozvíjet v příštích 50 letech. To, co se probírá nyní, bude mít dopad i na naše vnuky.

V roce 2019 proběhlo několik zaznamenáníhodných událostí. Zaprvé, v lednu byl představen čtyřdílný projekt budoucího urychlovače (srážeče) s obvodem 100 km FCC (Future Circular Collider), který se může stát příštím megaprojektem (nebo už spíše gigaprojektem) CERNu. Mučivé hledání kompromisu mezi grandiózním vědeckým potenciálem FCC, neurčitostí samotného tohoto potenciálu (epocha garantovaných objevů skončila!) a cenou urychlovače vyústil do následujícího schématu, které je nyní bráno jako prioritní.

• V nejbližším desetiletí začít s hloubením stokilometrového tunelu, v němž bude na konci 30. let umístěna elektrono-pozitronová verze FCC (FCC-ee). Takový urychlovač bude počítat s nízkou energií do 250 GeV a bude fungovat jako „továrna na Higgsovy bosony“ – srážeč/urychlovač, speciálně určený pro masovou výrobu Higgsových bosonů a jejich všestranný výzkum. Náklady na jeho stavbu jsou přibližně 10 miliard švýcarských franků, z nichž polovina padne na samotný tunel (strukturovaný rozpočet je mimo jiné součástí zvláštního dokumentu).

• Poté – 10 až 15 let vědecké práce FCC-ee, přičemž paralelně se budou vyvíjet nové magnety už pro hadronovou verzi FCC (FCC-hh). Bude to protonový urychlovač s dnes nepředstavitelnou energií srážky 100 TeV, která sedmkrát převyšuje rekord LHC, a také s daleko větší luminozitou. Náklady této etapy budou 17 miliard švýcarských franků navíc k tomu, co už bylo investováno do etapy FCC-ee.

• Během 50. let je plánována demontáž FCC-ee a umístění v témže tunelu FCC-hh, který potom bude fungovat ještě 25–30 let, přibližně do 80. let.

Prstenec budoucího FCC v blízkosti již existujícího LHC. Courtesy CERN.

Zadruhé – v březnu 2019, po několika letech debat a odkladů japonská vláda oficiálně oznámila, že zatím není připravená stavět na svém území Mezinárodní lineární urychlovač ILC. Pro vědeckou komunitu to byla těžká rána. Jde o to, že všechny technologie pro ILC už jsou hotové několik let – projekt čekal jen na zelenou od japonské vlády, na jejímž území měl být urychlovač postaven. Z toho však zatím sešlo;Japonsko dalo přednost jiným vědeckým megaprojektům.

Proces přípravy obnovené evropské strategie se mezitím vyvíjel po svém. V květnu 2019, byl na otevřeném sympoziu ve španělské Granadě představen souhrn návrhů, které přišly z různých zemí, laboratoří a také z různých směrů částicové fyziky. Všechny tyto údaje byly shrnuty do jediného textu Physics Briefing Book, jehož preprint byl zpřístupněn veřejnosti v říjnu 2019. Tento text obsahoval už téměř finální verzi obnovené strategie rozvoje, která byla definitivně zformulována v lednu 2020. V březnu byl text představen ke schválení Radě CERNu. Kvůli omezením, způsobeným pandemií COVID-19, bylo schválení programu, původně plánované na květen, o měsíc posunuto a přeneseno do online režimu. A v červnu 2020 Rada CERNu konečně završila tento proces a ohlásila přijetí aktualizované strategie.

Základní body strategie

Možné scénáře stavby a fungování urychlovačů příští generace. S. Bethke / ESPP Symposium, Granada, 2019.

Na základě výsledků tohoto mnohastupňového a širokého posouzení byl vytvořen následující seznam klíčových priorit pro rozvoj částicové fyziky, zveřejněný na webových stránkách CERNu.

Bodem 0 je pokračování práce LHC, včetně přechodu do stádia LHC při vysoké luminozitě. Z tohoto jedinečného zařízení je třeba získat maximum vědeckých informací. Očekává se, že do roku 2038 bude nahromaděno přibližně 20–30 krát více dat, než máme nyní, a není vyloučené, že v nových datech LHC budou ukryta velkolepá překvapení. Pokud k tomu dojde, současné plány na období po LHC se mohou změnit.

Hlavní priorita budoucnosti je zformulována maximálně konkrétně: práce na vytvoření elektron-pozitronové „továrny na Higgsovy bosony“. Nicméně všimněte si: nikdo netvrdí, že ražení tunelu a vytváření urychlovače začne ze dne na den! Krom toho v samotném CERNu jsou dva konkurenční projekty „továrny na Higgsovy bosony“: FCC-ee a CLIC. Jsou založené na různých technologiích, mají různé perspektivy, mimo jiné s ohledem na budoucí hadronový urychlovač. CERN se zatím nerozhodl, kterému projektu dá přednost – k přijetí zodpovědného rozhodnutí je potřeba ještě několik let práce. Předpokládá se, že toto rozhodnutí bude moci padnout ke konci nového funkčního cyklu, kolem roku 2026. Až bude za několik let vědecké společenství znovu aktualizovat plány, bude to klíčová otázka. Prozatím probíhají přípravy.

Nový hadronový urychlovač na energii 100 TeV je zmiňován mezi hlavními prioritami, ale v ještě vzdálenější perspektivě. Jinými slovy, k dnešnímu dni CERN rozhodně neplánuje stavět nový urychlovač FCC rovnou v hadronové variantě. Hlavní důraz se nyní klade na vývoj nových magnetů. Třebaže tato práce už dávno běží na plné obrátky, CERN aktivně vyzývá vědecké společenství, aby se spojilo a intenzivně pracovalo na dalším zdokonalování technologií. Očekává se, že do roku 2026 se také vyjasní perspektivy samotného urychlovače FCC-hh.

Model detektoru FCC pro čelní srážky. Courtesy Polar Media.

Je zajímavé, že na samostatném řádku je v zdrženlivě pozitivním tónu zmíněn i nešťastný projekt Mezinárodního lineárního urychlovače ILC. Pokud Japonsko v co nejkratším termínu začne se stavbou projektu, CERN bude rád spolupracovat, přičemž tato spolupráce nebude v žádném případě překážkou pro rozvoj urychlovačových projektů v samotném CERNu.

Vzhledem k tomu, že je to všechno zformulováno v podmiňovacím způsobu, vzniká dojem, že taková varianta se zdá autorům málo pravděpodobná.

Seznam hlavních priorit končí výzvou k práci na ještě inovativnějších urychlovačových metodikách: mionovém urychlovači, vlnovém urychlovači a dalších zařízeních, která jsou schopná poskytovat daleko silnější urychlovací pole. Žádné termíny pro proměnu těchto perspektivních technologií v reálná zařízení tam uvedené nejsou.

Mimo rámec hlavních priorit jsou vyjmenovány i další směry práce a formy interakce, kterým se CERN v žádném případě nebude vyhýbat. Je to taková účast v experimentech, prováděných jinými laboratořemi po celém světě, na kterou mu budou stačit síly, široký program rozvoje teoretické částicové fyziky ve všech jejích podobách, rozvoj detektorových technologií a související infrastruktury, další rozvoj výpočetních technologií, interakce s přiléhajícími oblastmi (jadernou fyzikou, částicovou astrofyzikou), transfer technologií z vědy do společnosti, nejrůznější vzdělávací, popularizační a další projekty.

Z celého tohoto seznamu stojí za to zdůraznit v podstatě jen jeden moment. Účast CERNu na neutrinových výzkumných programech bude i nadále velmi skromná: do seznamu priorit se nedostala. Hlavními hráči v neutrinové fyzice jsou USA, Asie, a také Rusko, které samo provádí neutrinové experimenty a aktivně se účastní prakticky všech těchto projektů.

Vizualizace tunelu FCC. Courtesy CERN.

Ve svém komentáři věnovaném obnovené strategii cituje časopis Nature Fabiolu Gianotti, současnou generální ředitelku CERNu a také její předchůdce v této funkci. Výpovědi jsou to bezesporu pozitivní: „historický den pro CERN“, „velký krok kupředu“. Přitom ale široké veřejnosti zůstala na rtech viset otázka: a opravdu je potřeba utrácet miliardy za taková zařízení? I když se zaměříme na čistě vědecké úkoly – je to skutečně ten nejlepší způsob využití peněz, když nikdo nemůže zaručit nové převratné objevy?

Tyto otázky nejsou žádnou novinkou; zaznívaly i při spouštění Velkého hadronového urychlovače (viz. odkaz v komentářích). A co víc, podobné pochybnosti se nerodí jen v myslích široké veřejnosti. A třebaže valná většina fyziků chápe důležitost pokračování tohoto výzkumného programu, poučená a vyvážená debata na toto téma je potřeba. Nezávisle na nejrůznějších prohlášeních, která již v souvislosti s obnovenou strategií padla (včetně některých kritických, viz např. článek Sabine Hossenfelder pro Scientific American) bych tu rád vyjmenoval některé důležité okamžiky, které nemusí být pro širokou veřejnost tak úplně očividné.

1. Jsme výzkumníci, stopaři, objevitelé. Pokud jsme se dříve plavili po bezpečných mořích, stavěli jsme urychlovače a opírali se o garantovanou jistotu nových objevů (Higgsův boson byl jedním z nich), nyní jsme vypluli na otevřený oceán. Tam, před námi je neznámo. To neznámo zkoumáme, je to úkol nás, přírodovědců. Paralelně samozřejmě musíme vynalézat i nové způsoby jako zkoumat svět, adaptovat strategii, ale zastavit se nemůžeme. Zabilo by to ducha zkoumání mikrosvěta, přetrhlo by to motivační nit, která svazuje generace výzkumníků.

2. Nehledě na všechny tyto nejasnosti fyzici nejednají naslepo. Higgsovská fabrika jako hlavní příští urychlovačový projekt nebyla vybrána náhodou – poskytne nám zaručené nové znalosti o okolním světě, třebaže možná ne omračující objevy. Vždyť Higgsův boson je novou hranicí našeho světa, kterou jsme objevili teprve před pár lety. Řadu vlastností bosonu – a jeho prostřednictvím našeho světa – známe s přesností nanejvýš 30– 50 %, jiné ještě stále čekají na své potvrzení. Existuje dlouhý seznam otázek, na něž může dát odpověď higgsovská fabrika. Je to výzkum okolního světa v jeho čisté podobě. A ty stovky nových měření už jsou samy o sobě garantovanými výsledky nového urychlovače, a není důležité, zda to budou převratné objevy nebo ne.

3. Nové technologie jsou duší a srdcem budoucích urychlovačových projektů. Když před nové generace fyziků, techniků a inženýrů stavíme grandiózní úkoly, zažeháváme v nich plamen a stimulujeme je, aby vynalézali řešení. Vývoj technologií pro technologie probíhá daleko pomaleji a přináší menší výsledky, než když napomáhá novým vědeckým objevům.

4. Když se nyní vzdáme velkolepých urychlovačových experimentů a spokojíme se se zařízeními, která máme, riskujeme, že se přetrhne technologická kontinuita. Pokud dnešní generace fyziků zabývajících se urychlováním, detekcí a potřebnou elektronikou nepředá mládeži, všechny nepsané zkušenosti, za padesát let bude nesmírně těžké tyto znalosti vzkřísit. Stejně jako se člověk musí vždy udržovat ve fyzické kondici – kdoví, co ho v životě může potkat! – tak i lidstvo musí být připraveno k nečekaným technickým a vědeckým výzvám.

5. Proboha, není třeba přeceňovat miliardy! Projekt výstavby FCC-ee je odhadován na 10 miliard eur. Ale ty náklady nejsou jednorázové, jsou rozložené na dvacet let;obrazně řečeno je to jeden šálek kávy ročně (!) na každého evropského obyvatele. Přitom se ty peníze neprojí a neprošustrují. Využijí rozšiřování řad kompetentních pracovníků, školení vzdělaných a schopných odborníků, na vývoj nových technologií, které mohou nalézt nečekané praktické využití, na podporu vědecky náročné výroby a informačních kampaní, na zasvěcování školáků a širokého obyvatelstva do základů vědy. Je to ten typ útrat, na které může být lidstvo pyšné!

6. A ještě o těch miliardách: netřeba si myslet, že CERN o ty peníze jednostranně požádá své členské země. Vůbec ne. Země budou své členské příspěvky CERNu platit jako doposud, ale jestliže se nyní valná většina příspěvků utrácela na LHC, počínaje 30. lety se bude odpovídající část využívat na stavbu nového urychlovače a splácení úvěrů v bankách (je to tak! CERN se chystá vzít si velkou půjčku v evropských bankách na několik desítek let). No a samozřejmě z hlediska dnešních reálií jsou tyto náklady směšné, když je porovnáme s finančními ztrátami spojenými s velkými válečnými konflikty.

Ať tak či onak, valná většina fyziků v této vědecké oblasti naprosto chápe, proč je potřeba fyzika, proč jsou potřeba urychlovače, proč si před sebou i nadále máme vytyčovat výzvy a budovat unikátní zařízení. Je samozřejmě trochu zvláštní plánovat dnes to, co se bude dělat v 50. nebo 70. letech, ale co se dá dělat, taková už jsou měřítka této sféry lidské činnosti.

Text byl napsán pro internetový portál OSEL a české webové stránky SÚJV Dubna.