Symbolické předání klíče od LHC techniky, kteří se podíleli na jeho rekonstrukci a vylepšení operátorům, kteří budou bdít nad jeho provozem (zdroj CERN).

Dne 15. března 2021 předala Maria Barbareno, zastupující techniky pracující na rekonstrukci a vylepšení systémů urychlovače LHC, symbolická klíč Matteovi Solfarolimu, který reprezentoval operátory začínající nyní pracovat na oživování urychlovače a zahájení třetího běhu experimentování s jeho pomocí.

Předchozí cyklus experimentování skončil 10 prosince 2018 a od té doby proběhla přestávka pro vylepšení urychlovače a experimentů, které jej využívají, pro práci při vyšších energiích a intenzitách svazku. Práce prodloužila pandemie, ale nyní se už celý systém připravuje k zahájení provozu s novými parametry.

K jakým vylepšením došlo?

V druhé dlouhé odstávce se udělala řada změn, které umožní provozovat urychlovač s vyšší intenzitou i energií. Ještě větší kvalitativní skok v parametrech se bude realizovat až v třetí dlouhé odstávce, kdy se urychlovač přebuduje na HL-LHC (High Luminosity – LHC), tedy urychlovač LHC s vysokou luminositou (intenzitou svazku). Ovšem řada prací pro realizaci HL-LHC se udělala už nyní. Vylepšila se zařízení realizující vstříknutí svazku do urychlovače, aby umožnila vyšší efektivitu a intenzitu. Přebudován byl kryogenní systém, který umožňuje udržovat supravodivé magnety na teploty tekutého hélia. Připomeňme, že jejich pracovní teplota je jen 1,9 K nad absolutní nulou. To je nižší, než je teplota ve vesmírném vakuu. Je totiž vyplněno reliktním zářením z počátku našeho vesmíru, které má nyní teplotu 2,7 K. Posílil se výkon heliových chladících jednotek, kterých je celkově osm. Větší intenzita svazku i energie potřebuje posílit chladící výkon hlavně těch, které obsluhují místa s rezonančními urychlovacími trubicemi. Nyní se už dostaly na úroveň potřebnou pro fázi HL-LHC.

Nové turbíny a tepelné výměníky, které byly instalovány do heliových chladících jednotek (zdroj CERN).

Zároveň se instalovaly nové vylepšené kolimátory. Nejdůležitější však byla kontrola, vylepšení a částečná výměna supravodivých magnetů. Vyměnilo se nakonec 22 hlavních magnetů, 19 bylo dipólových, které se používají k udržení svazku na kruhové dráze, tři pak byly kvadrupólové, které se využívají k fokusaci svazku. Celkově má LHC 1232 dipólových magnetů. Ty všechny bylo potřeba zkontrolovat, vyčistit a vylepšit. Hlavní kontrola a testy se týkaly jejich supravodivých propojení a jejich izolace. Na jejich kvalitě hlavně závisí dosažitelné maximum procházejícího proudu a tím i maximální magnetická indukce, kterou magnet poskytne. Nyní by tak měla být dosažitelná maximální energie plánovaná pro LHC, která je 7 TeV. Energie dostupná v těžišti tak bude 14 TeV. Po důkladných testech pak bylo zahájeno ochlazování prvního z osmi sektorů LHC.

Část týmu, který realizoval kontrolu magnetů, a hlavně jejich vodivých propojení, oslavuje dokončení své práce (zdroj CERN).

Během rekonstrukce se opravila a rekonstruovala všechna problematická místa, na která se narazilo během předchozího experimentování. Práce byly pochopitelně ovlivněny koronavirovou pandemií, která zhoršila možnosti příjezdu do laboratoře CERN pro řadu zahraničních odborníků. Došlo tak k jistým zdržením.

Generální rekonstrukcí prošel nejen urychlovač LHC, ale celý systém urychlovačů, které se pro něj využívají jako předurychlovače. Mezi nimi byl i protonový synchrotron PS, který je v současné době nejstarším urychlovačem v laboratoři CERN. Ten se po dva roky trvající intenzivní generálce znovu rozběhl začátkem března 2021. Ionty produkované iontovým zdrojem projdou nejdříve lineárním vysokofrekvenčním urychlovačem LINAC4 a pak si je kruhový synchrotron PSBooster a následuje zmíněný synchrotron PS. Ten je srdcem celé řady experimentů. Kromě urychlovače SPS, který může posílat svazek dále do srážeče LHC nebo pro experimenty s pevným terčem využívající přímo svazek SPS, využívá svazek z PS i zařízení na produkci antiprotonů a jejich zpomalovač. Velmi intenzivně se využívá k experimentům s pevnými terči i přímo svazek urychlovače PS. Zde se kromě primárního svazku produkuje pomocí terčů celá řada různých svazků sekundárních částic. Pomocí nich se realizují i radiační testy elektroniky, detektorů i zařízení pro vesmírné sondy. Komplexní renovace umožnila zvýšení intenzity i energie svazku.

Instalace nového magnetu na urychlovači PS (Protonový Synchrotron) (zdroj CERN).

Celý urychlovačový komplex, a hlavně LHC, by se po náročné rekonstrukci a pečlivém testování měly uvést do provozu na podzim tohoto roku. Měly by se rozběhnout na konci září 2021, což reprezentuje posun oproti původním plánům způsobený pandemií o čtyři měsíce. Začne tak třetí běh experimentování a my se můžeme těšit na další zajímavé výsledky.

Nový malý ale šikovný experiment FASER.

Během této přestávky došlo také k instalaci nového menšího experimentu s označením FASER (Forward Search Experiment). Podobně, jako například v případě experimentu TOTEM, jde o zařízení, které studuje částice letící do velmi malých úhlů vůči původnímu směru svazku. V případě experimentu FASER však půjde o hledání interakcí vysokoenergetických neutrin a hypotetických pouze elektromagneticky a slabě. Některé z těch zmíněných hypotetických částic mají relativně dlouhou dobu života a mohou během ní uletět i stovky metrů, než se rozpadnou. Existenci takových částic předpovídají hypotézy za Standardním modelem hmoty a interakcí a mohly by vysvětlit i původ temné hmoty.

Zařízení FASER je umístěno zhruba 480 metrů od interakčního místa experimentu ATLAS v nevyužívaném tunelu, který kdysi spojoval urychlovač SPS a LEP, který byl v tunelu LHC dříve. Jde o optimální místo pro detekci částic vznikajících v rozpadu zmíněných hypotetických částic. Potřebné rozšíření prostor v tunelu pro umístění detekční sestavy o délce pět metrů se začalo razit v květnu 2020. Během léta se instalovalo první servisní zařízení a zdroje elektřiny. Na podzim pak byly instalovány tři magnety experimentu FASER.

Instalace experimentu FASER (zdroj CERN).

Jde o malý, relativně jednoduchý, ale velmi šikovně udělaný experiment. Využil řadu záložních a přebývajících detekčních systémů a zařízení z velkých experimentů. Sestava začíná dvěma vrstvami scintilačních detektorů, které fungují jako veto pro nabité částice, které vznikly v interakcích v experimentu ATLAS, většinou jde o miony. Ty by totiž vytvářely nežádoucí pozadí, na kterém by se ztrácely produkty rozpadu hledaných hypotetických neutrálních částic. Pak následuje 1,5 m dlouhý dipólový magnet, který definuje prostor, ve kterém se předpokládá rozpad hypotetických neutrálních částic na páry lehkých nabitých částic s opačným nábojem (elektron a pozitron nebo mion a antimion) nebo dvojice fotonů gama. Za tímto prostorem je spektrometr pro nabité částice složený ze dvou jednometrových dipólových magnetů a tři dráhových detekčních stanic umístěných na začátku, mezi magnety a na konci. Detekční stanice jsou složeny z vrstev křemíkových stripových detektorů, které jsou převzaty z experimentu ATLAS. Spektrometr umožní identifikovat páry částic a určit jejich hybnosti. Před spektrometrem a za ním jsou stanice ze scintilačních detektorů, které měří přesné časy průletů částic. Tím získají jejich rychlost. Na konci je elektromagnetický kalorimetr, který určuje celkovou energii nabitých elektronů a pozitronů i fotonů gama. Ten pochází z experimentu LHCb.

Navíc je zde ještě systém detektorů pro zachycení neutrin založený na kombinaci vrstev olova pro interakci neutrina a fólií s emulzí pro detekci jejich produktů. Tento detektor by měl být instalován do konce tohoto roku a pracovat začne v roce 2022. Bude to první detektor, který bude detekovat vysokoenergetická neutrina ve srážkách na LHC. Zatím se informace o neutrinech získávala nepřímo z chybějící energie na základě zákonů zachování energie a hybnosti.

Co nového řekla analýza předchozích dat?

Podrobný rozbor dosavadních výsledků získaných pomocí urychlovače LHC během prvních dvou období experimentování je v článku na Oslovi z dubna minulého roku. V tomto článku je i analýza toho, jak by mohly vypadat následovníci urychlovače LHC. Za poslední rok se podařilo získat nové zajímavé informace, podívejme se na ně podrobněji. I letos se budeme hodně opírat o prezentace přednesené na tradiční každoroční konferenci v Moriondu. Připomeňme, že urychlovač LHC dodává svazky třem velkým detektorům. Největší z nich ATLAS a CMS jsou zaměřeny na hledání nových částic a stojí za objevem higgsova bosonu. Detektor LHCb je zaměřen na studium hadronů obsahující druhý nejtěžší kvark b a hledání rozdílů mezi chováním tohoto kvarku a antikvarku. Zkoumají se tak důležité fyzikální symetrie a zákony zachování, které s nimi souvisí. Experiment ALICE se pak zaměřuje na studium velice horké a husté jaderné hmoty, zvláště vlastností kvark-gluonového plazmatu, ve srážkách jader olova. I když každý z těchto detekčních systémů pochopitelně proniká i do jiných oblastí jaderné a částicové fyziky. V následujícím textu budeme mluvit o Standardním modelu hmoty a interakcí a spoustě různých částic. Kdo si chce zoologii těchto částic připomenout a lépe se v nich vyznat, může nahlédnout do následujícího článku.

Hledání známek nové fyziky

Vlevo je Feynmanův diagram zobrazující základní příspěvek k rozpadu mezonu B+ na K+ mezon a dvojici leptonů. Realizuje se s účastí těžkých virtuální bosonů a kvarků. Napravo je příspěvek, který by šel přes hypotetický leptokvark. Jeho příspěvek by mohl ovlivnit pravděpodobnost vzniku různých dvojic leptonů a dal nám tak informaci o vlastnostech leptokvarku (třeba jeho hmotnosti) a nové fyzice. (Zdroj arXiv:2103.11769v1)

Nejatraktivnější je pochopitelně hledání náznaků nové exotické fyziky za hranicemi Standardního modelu hmoty a interakcí. Hledání nových hypotetických částic vede ke stále detailnější analýze a posunování limitů na jejich hmotnost a další vlastnosti. Je však stále pravděpodobnější, že energie LHC a případných následovníků, které by ji neměly mít dramaticky vyšší, na přímý objev takových částic nestačí. Proto se hledání známek nové fyziky za Standardním modelem hmoty a interakcí soustřeďuje na zkoumání narušení některých zákonů zachování a hledání asymetrií. Dominantně se k tomu hodí rozpady, které jsou realizovány elektromagnetickou nebo slabou interakcí, a navíc hlavně ty, jejichž pravděpodobnost je i dále silně potlačena.

Většinou tak jde i o produkci a rozpady částic, které jsou extrémně vzácné a jejich hledání na obrovském pozadí jiných reakcí a rozpadů je velmi náročné. I to je důvod, proč řada současných nových výsledků v této oblasti potřebovala tak dlouhou a náročnou analýzu dříve získaných dat.

Testování leptonové univerzality

Zatím nejslibnější náznakem odchylky o Standardního modelu hmoty interakcí je nejnověji publikované pozorování získané experimentem LHCb. Ten se zaměřil na analýzu rozpadu mezonu B⁺, který obsahuje druhý nejtěžší kvark b, na podivný mezon K⁺, který obsahuje podivný s kvark, a dvojice elektron a pozitron nebo mion a antimion. Pomocí těchto rozpadů a poměru jejich pravděpodobností se snažil ověřit platnost tzv. leptonové univerzality. Ta je v základech zmíněného standardního modelu a podle ní by na různé typy leptonů (elektrony, miony a tauony) měly interakce, které jsou součástí standardního modelu, působit stejně. Znamená to, že v rozpadech, kde vznikají zmíněné dvojice leptonu a antileptonu, by rozdíl v pravděpodobnosti jejich produkce měl být vyvoláván pouze rozdílem jejich hmotnosti. Při přeměně B⁺ mezonu na K⁺ mezon se kvark b musí přeměnit na s kvark. To lze pouze slabou interakcí a za přítomnosti virtuálních částic standardního modelu s velmi velkou hmotností (například W⁺ a Z bosonů). Pravděpodobnost takové přeměny je velmi silně potlačena, zmíněné rozpady se tak realizují v méně než miliontině případů. Je tak větší šance, že se projeví i přeměny zprostředkované novou fyzikou a jejími částicemi, například hypotetickými leptokvarky.

Ukázka selekčních kritérii pro výběr různé kanály rozpadů B+ mezonů (zdroj prezentace R. D. Mose na konferenci Moriond EW 2021).

V případě rozpad B⁺ mezonu na K⁺ mezon a leptonový pár však tento rozdíl hmotnosti hraje malou roli. Klidová energie (hmotnost) nabitého B mezonu je zhruba 5 280 MeV, je tedy 5,6krát těžší než proton. Hmotnost nabitého K mezonu je 494 MeV. Hmotnost mionu je 106 MeV a elektronu 0,5 MeV. Energie uvolněná při rozpadu nabitého B mezonu na K mezon a mionový pár je tak 4 574 MeV a při vzniku páru elektron a pozitron je 4 785 MeV. Rozdíl je tak pouze okolo 4 %. Připomeňme, že tauon má hmotnost 1776 MeV, takže při rozpadu nabitého B mezonu na K mezon a pár tauon a antitauon by se uvolnila pouze energie 1234 MeV. Pravděpodobnost rozpadu do tohoto kanálu je tak významně potlačena.

Pravděpodobnost rozpadu B⁺ mezonu do kanálu se vznikem páru mion a antimion je o něco menší, než je tomu u rozpadu se vznikem páru elektron a pozitron. Určená hodnota tohoto poměru je 0,846, přičemž systematické nejistoty mají velikost 0,013 a statistické okolo 0,042. Vysoké přesnosti bylo dosaženo i díky tomu, že se pravděpodobnosti přímého rozpadu na leptonové páry mohly normovat k pravděpodobnosti rozpadu na mezony K⁺ a J/ψ. Takový rozpad má řádově vyšší pravděpodobnost a zároveň se neutrální J/ψ mezon rozpadá na páry mionu a antimionu a elektronu a pozitronu.

Invariantní hmotnost rozpadajícího se mezonu B+ získaná z rovnice speciální teorie relativity a energií a hybností vzniklých sekundárních částic. Nahoře jde o případy, kdy přímo vznikla dvojice leptonů a dole pak případy, kdy vznikl napřed mezon J/ψ, a teprve posléze se rozpadl na leptonový pár. Dolní případy byly využito pro normování a kontrolu. (Zdroj arXiv:2103.11769v1)

Je vidět, že rozdíl poměru od jedničky už dosahuje hodnoty tří sigma, což už naznačuje, že by mohlo jít o reálný rozdíl. Rozdíl předpovídaný standardním modelem, který plyne z rozdílu hmotnosti mionu a elektronu, je pouze 0,001. Jde tak zatím o nejslibnější náznak existence nové fyziky. Velice slibné je i to, že statistická nejistota převládá nad systematickou. Se spuštěním rekonstruovaného urychlovače LHC se svazkem s vyšší energií a intenzitou bude možné statistiku daných rozpadů násobně zvýšit a měření významně zpřesnit.

Srovnání výsledků měření poměru produkce páru mionu a antimionů a páru elektronu a pozitronu v rozpadech B+ mezonu na K+ mezon a pár lepton a antilepton z experimentu LHCb a předchozích experimentů Belle (laboratoře KEK Japonsko) a BaBar (urychlovač SLAC v USA). (Zdroj arXiv:2103.11769v1)

Rozdíly v kanálech rozpadu částic obsahující b kvarky, které obsahují pár mionu a antimionu a pár elektronu a pozitronu už byl pozorován v předchozích experimentech. Jedním z nich byla analýza, která se týkala rozpadu baryonu místo mezonu. Zkoumanou částicí byl v tomto případě baryon Λ⁰_b. Jde o neutrální částici s hmotností 5620 MeV, která obsahuje jeden kvark b. Jedním z kanálu jejího rozpadu s podílem méně, než miliontina případů, je rozpad na proton, nabitý mezon K^- a pár leptonů, tedy buď dvojici mion a antimion nebo pár elektronu a pozitronu. V tomto případě je opět pravděpodobnost rozpadu se vznikem páru mion a antimion o trochu nižší, než rozpad s produkcí elektronu a pozitronu. Poměr je v tomto případě 0,85 a statistická nejistota 0,15. I zde je velký potenciál v budoucím zvýšení statistiky a zpřesnění tohoto poměru.

Už v přehledu z minulého roku jsme psali o dalších extrémně vzácných rozpadech, tentokrát neutrální mezonů B_s⁰ a B⁰ na páry mion a antimion (B_s⁰ → μ⁺μ^- a B⁰ → μ⁺μ^-). V tomto roce uveřejnil experiment LHCb upřesněnou analýzu. Ta však hodnotu posunula blíže k předpovědi standardního modelu, od které se neliší více než o jedno sigma. Existují ještě další vzácné rozpady, kde se hledají odchylky od standardního modelu. Pozorují se sice posuny, ale nedosahují ani tří sigma. Zatím tedy zůstává nejslibnějším výsledkem rozpad nabitého B mezonu na nabitý K mezon a pár leptonu a antileptonu. Na závěr této části možná jen připomenutí, že vzácné rozpady se dají studovat i u lehčích mezonů K s využitím menšího urychlovače SPS, který funguje jako předurychlovač LHC. Psali jsme o tom v nedávném článku.

Výrazné zpřesnění mícháni higgse s různými částicemi v experimentu CMS, hlavně u lehkého mionů. (Zdroj prezentace R. Gerosa na konferenci Moriond EW 2021).

Přesné studium vlastností Standardního modelu hmoty a interakcí.

Pokračuje zpřesňování hodnot určení hmotnosti higgse a bosonů W⁺, W^- a Z i dalších jejich vlastností. Zpřesňování se týká i míchání higgse s dalšími částicemi, jehož intenzita roste s hmotností částice. Jak je vidět na grafu, podařilo se velmi zpřesnit hlavně míchání s lehkým mionem a stále přesněji se potvrzuje, že pozorovaný higgs je přesně ten nejjednodušší higgs předpovídaný standardním modelem (viz přerušovaná přímka v daném grafu). Podařilo se pozorovat první náznaky produkce tzv. Dalitzova páru leptonu a antileptonu v rozpadu higgse. Dalitzův pár vzniká prostřednictvím virtuálního fotonu a jde o velmi vzácný typ rozpadu. Stejně cenným úlovkem je pozorování současné produkce tří bozonů najednou v jedné srážce. Snaha o pozorování těchto velice vzácných typů interakcí a rozpadů není samoúčelná. Přispívá k dramatickému poznání elektroslabé interakce a hledání exotické fyziky.

Rozpad higgse na foton (světle zelená) a pár mion a antimion vznikající z Dalitzova rozpadu (dvě červené linky), (zdroj CERN).

Jedním z testů standardního modelu je produkce těch nejtěžších kvarků. Experimentů ATLAS a CMS se poprvé podařilo prokázat společnou produkci čtveřice nejtěžších kvarků t, tedy dvou dvojic kvarku t a antikvarku t. Kvark t je tak těžký, že se rozpadá tak rychle, že nestíhá hadronizovat a přemění se na lehčí kvark dříve, než by se stihl spojit s jinými kvarky do hadronu. Neexistují tak hadrony s kvarkem t.

Velmi vzácný typ srážky, při které v jedné interakci vznikly tři bosony. V daném případě to byla kombinace W, Z a Z. (Zdroj CERN).

Urychlovač umožňuje masivní produkci těžkých kvarků c a b, které na rozdíl od nejtěžšího kvarku t mohou vytvářet hadrony. Experimentům na LHC se zatím podařilo objevit téměř 60 nových hadronů. Kromě mezonů, které se skládají z jednoho kvarku a jednoho antikvarku a baryonů, které se skládají ze tří kvarků, se konečně podařilo prokázat existenci i tetrakvarků složených ze dvou kvarků a dvou antikvarků i pentakvarků složených ze tří kvarků a dvojice kvarku a antikvarku. Situace okolo tetrakvarků a pentakvarků a otázky, zda se jedná o multikvarkový systém nebo „hadronovou molekulu“, jsou rozebrány v nedávném článku.

Pomocí LHC bylo objeveno za deset let činnosti LHC celkově už 59 hadronů obsahující těžké kvarky c a b (lehké kvarky u, d a s jsou označeny jako q). Kromě mesonů a baryonů se podařilo objevit i tetrakvarky a pentakvarky. (Zdroj prezentace S. Mitchell na konferenci Moriond QCD 2021).

Fotony jsou zprostředkující částice elektromagnetické interakce. Přestože stojí za elektrickou interakcí, samotné fotony nenesou elektrický náboj a nemohou tak mezi sebou díky němu interagovat, a tedy i vytvořit vázaný systém fotonů. Naopak gluony nesou náboj silné interakce, který se označuje jako barva. Mohou tak mezi sebou silně interagovat a vytvářet vázané systémy, které se označují jako gluebally. Tři gluony, a další systémy s lichým počtem gluonů, mohou vytvořit objekt z hlediska silné interakce neutrální, podobně jako jsou hadrony. Z hlediska silné interakce neutrální systém tří gluonů se označuje jako odderon a jeho možná existence byla předpovězena v roce 1973. Nalézt alespoň nepřímou evidenci jeho existence je možné v pružných srážkách protonů s velmi vysokou energií. Při nich se protony odchylují jen minimálně od své dráhy. Musí se tak pro jejich detekci a určení průběhu těchto srážek využít speciální sestava detektorů ve velké vzdálenosti od místa srážky a velmi blízko dráze svazku. Takovou má jeden z malých experimentů na LHC, který se označuje jako TOTEM. Podobné pružné srážky studoval při nižších energiích i experiment D0 využívající urychlovač Tevatron v americké laboratoři Fermilab. Společná analýza těchto dat ukázala, že není možné jejich průběh vysvětlit bez existence odderonu. Takže k hadronům, u kterých nyní máme i tetrakvarky a pentakvarky, přistupuje i částice složená ze tří gluonů, tedy glueball ze tří gluonů.

Experiment TOTEM přispěl k objevu systému složeného ze tří glueballů – odderonu (zdroj CERN).

Závěr

Urychlovač LHC se po více než dvouleté přestávce opět probouzí. Jeho předurychlovače už testují urychlování jader protonů. Na podzim se tak můžeme těšit na srážky protonů a později i jader za ještě větších energií, a hlavně s vyšší intenzitou. Zajistí se tak vyšší statistika, což je klíčové pro hledání příznaků nové exotické fyziky za Standardním modelem hmoty a interakcí. Velmi nadějně tak vypadá pozorování narušení leptonové univerzality v rozpadech nabitých B mezonů. V hadronové zoologické zahradě se stále více zabydlují mezony a baryony i s větším počtem těžkých kvarků c a b. Stále více je i tetrakvarků a pentakvarků. Dokonce se podařilo prokázat existenci gluebollu ze tří gluonů – odderonu. S vylepšeným urychlovačem LHC se můžeme na příštích konferencích v Moriondu, a nejen tam, těšit na prezentace opravdu zajímavých objevů.

Populární kreslené video o tom, jak funguje urychlovač: