Logo projektu

Urychlovač LHC (Large Hadron Collider) je v CERN v provozu od roku 2009. Nyní je uprostřed plánované dvouleté odstávky kvůli technické údržbě. Případná otázka: „tak nám LHC běželo tři roky, a už to částicovým fyzikům nestačí?...“ je namístě, jen je poněkud sugestivní. LHC poběží ještě určitě 20 let a během té doby poskytne částicovým, a díky svému přesahu do jiných oblastí, i jiným vědcům mnoho užitečných poznatků. Jenže CERN se teď nachází na pomyslné několikaúrovňové křižovatce.

Quo vadis, CERN?
Respektive jakým směrem se vydáš? Velmi důležitým impulsem k úvahám o budoucím urychlovači v CERN je každým měsícem se zvyšující pravděpodobnost, že mezinárodní lineární urychlovač (ILC) [1] se postaví a poběží v Japonsku. Po delším, pečlivém hodnoticím procesu byla ze dvou kandidátů vybrána lokalita Kitakami na severu Japonska, mezinárodní komunita částicových fyziků s japonskou vůdčí rolí v tomto projektu souhlasí a nyní je celý projekt – po mnohaleté výzkumné a vývojové fázi, jíž se účastnily i české ústavy – ve stadiu dojednávání finančního pokrytí. Akceptovatelná pro všechny strany se jeví varianta 50 % Japonsko, 50 % zbytek světa. Mezinárodní spolupráce je nezbytná. Příslib závazku ze strany japonské vlády ještě nepadl, zdá se však, že v brzké době se tak stane. CERN souběžně pracoval na v podstatě konkurenčním projektu CLIC (Compact Linear Collider). V obou případech jde o urychlování elektronů a positronů po dráze dlouhé asi 31 km (ILC), resp. 48 km (CLIC) na podobné těžišťové energie (kolem 1 TeV), ovšem technologie pro urychlovací soustavy se liší.  I když práce na projektu CLIC nadále pokračují a jak ujistil ředitel CERN, Rolf Heuer, CERN bude vždy i součástí projektu ILC, je očividné, že tak, jak budou šance na postavení ILC v Japonsku stoupat, šance na dokončení projektu CLIC budou klesat. Je tedy potřeba se znovu zamyslet nad budoucností CERN, mezinárodní a prestižní laboratoře, jejíž globální význam je nezpochybnitelný, a vybrat takovou, která jí bude slušet a kterou si její členské země budou moci dovolit. Úvahy tohoto typu a doporučení k tomu, jakým směrem by se měla ubírat částicová fyzika na starém kontinentě, jsou vtěleny do dokumentu, jejž sepsala Rada CERN a nazvala jej Evropská strategie pro částicovou fyziku (ES). Mezi nejdůležitější články tohoto dokumentu patří doporučení vylepšit LHC a rovněž i detektory tak, aby se zdesateronásobila rychlost nabírání dat po 3. dlouhodobé odstávce (v letech 2023-2024), dále pak doporučuje pustit se do vývoje nového urychlovače, a to v globálním měřítku, který se postaví v CERN a nahradí tak LHC po jeho doběhnutí asi za 20 let. Vývoj by se měl soustředit na urychlovací prvky kruhového urychlovače (tedy magnety s vysokým mag. polem) a lineárního urychlovače (urychlovací struktury s vysokým gradientem el. pole). Projekt s cílem zvýšit frekvenci srážek a tím rychlost nabírání dat na LHC je již v plném proudu, nese pracovní název High luminosity upgrade of LHC (HL-LHC) a bude vyžadovat podstatné vylepšení celých systémů starajících se o bezpečné předurychlení protonů dříve, než vstoupí do LHC, tedy systémů injektorů, dodávky el. proudu, kolimátorů, chlazení a podobně.

Zvětšit obrázek

Obr. 1 Urychlovačový komplex v CERN.

Zastřešení současných aktivit
V CERN, ale i jinde na světě se o budoucím kruhovém urychlovači uvažuje již několik let. Mnoho fyziků tedy kromě toho, že se podílejí na nabírání, zpracovávání a interpretaci dat z velkých experimentů, jako jsou ATLAS, CMS, LHCb a ALICE, a z těch menších, jako jsou LHCf a Totem, zároveň přemýšlejí i nad budoucností svých podstatně mladších kolegů. Pokud jde o bezprostřední budoucnost, zmínili jsme již upgrade HL-LHC. 

Projektů vzdálenější budoucnosti je několik. Projekt LEP3 si kladl za cíl studovat možnost využití stávajícího tunelu pro LHC k vybudování elektron-positronového kruhového urychlovače s těžišťovými energiemi kolem 240 GeV. Jde o početnou skupinu lidí, kteří vyrostli na slavných experimentech s tímto druhem srážek, jež byly dodávány urychlovačem LEP (Large Electron Positron) v CERN. Další nemalou skupinu pak tvoří lidé, kteří se účastnili velkých experimentů na urychlovači HERA v DESY Hamburk, kde docházelo k jedinečným srážkám elektronů/positronů s protony (v posledním půlstoletí šlo o jediný takovýto typ urychlovače). Ti studují možnost použití urychlovače LHC ještě za jeho života k takovýmto typům srážek - projekt se nazývá LHeC. Významnější aktivity směrem k budoucím kruhovým urychlovačům se však odehrávají také v Číně a USA. V USA mají vřelý vztah k hadronovým urychlovačům. Před nedávnem s velkou slávou doběhly dva velké experimenty na proton-antiprotonovém urychlovači Tevatron ve Fermilab u Chicaga. V této souvislosti je velmi důležité připomenout zrušený projekt SSC (Superconducting Super Collider). Šlo o v té době ambiciózní cíl postavit kruhový urychlovač o obvodu asi 87 km, v němž se měly srážet protony o energiích 20 TeV. Projekt byl v r. 1985 schválen, ovšem poté, co bylo v texaské poušti vyhloubeno asi 24 km tunelu, byl v r. 1993 kvůli vysokým nákladům zastaven.  Důkladná a pečlivá fáze vývoje však vytvořila pokladnici výsledků, z níž čerpají obdobné projekty dodnes. V Americe se uvažuje i o velmi velkém hadronovém urychlovači (Very Large Hadron Collider - VLHC), jenž by měl mít obvod 233 km a srážely by se v něm protony o energiích 100 TeV. Jde o úvahy spíše teoretické. O budoucím kruhovém urychlovači se sní i v Číně. Tamní elektron-positronový urychlovač BEPC II (Beijing Electron-Positron Collider) doběhne asi za 6 let a již nějakou dobu se tedy studují možnosti, čím ho nahradit. Uvažuje se o dvoufázovém projektu kruhového urychlovače o délce 50 km, kdy by se nejprve srážely elektrony s positrony o energiích 120 GeV (urychlovač by se jmenoval CEPC – Chinese Electron-Positron Collider) a asi po deseti letech by došlo k přestavbě na proton-protonový urychlovač (SppC – Super proton-proton Collider) s těžišťovou energií nejprve 50 TeV, poté 90 TeV.

Za pět let se rozhodne

Zvětšit obrázek

Obr. 2 Dlouho očekávaný objev Higgsova bosonu byl publikován oběma experimenty (ATLAS a CMS) současně.

Po výčtu těchto aktivit oprávněně nabýváme dojmu, že nejpřirozenějším způsobem, jak pokračovat dál, je zastřešit je všechny pod jeden globální projekt, nazvat ho příznačně, například Future Circular Collider (FCC), a umožnit studovat všechny tři typy srážek v rámci jednoho urychlovače. Toho se ujal CERN, laboratoř s tradicí, rozsáhlou a fungující infrastrukturou, s lidmi, kteří vědí a znají, a v neposlední řadě i s geologickou stavbou podzemí vhodnou k ražbě nového tunelu. Projekt, zdá se, má širokou podporu v Evropě, Amerika i Čína chce rozhodně spolupracovat. Je však možné mít tři typy srážek v jednom urychlovači během jeho života? Pravděpodobně ne. Hned na začátku se však vytyčila jasná strategie, jsoucí rovněž v souladu s doporučením ES, že prioritou je program proton-protonových (obecněji hadron-hadronových) srážek (urychlovač nazvěme FCC-hh), jemuž by mohl předcházet program elektron-positronových srážek (FCC-ee). Zkoumat se bude i varianta začlenění elektron-protonových srážek, patrně jako možný doplněk spíše než jako alternativa (FCC-he) (jedním z prozaických důvodů je i fakt, že tato varianta nabízí pouze jeden detektor ke zkoumání produktů srážek, zatímco ty ostatní nabízejí dva, ale spíše čtyři detektory).

Široká obec zájemců o FCC se poprvé sešla v polovině února na ženevské univerzitě. Poznávací setkání se uskutečnilo pod záštitou ECFA (European Committee for Future Accelerators), poradního orgánu Rady CERN. Zahajovací výkop provedl ředitel CERN, který zdůraznil nezbytnost globální spolupráce. Spousta aspektů výzkumu a vývoje jak v oblasti fyziky, tak v oblasti detektorů a urychlovačů není vázána na přítomnost v CERN. Cílem je připravit návrh koncepce FCC tak, aby byl hotov a k ruce pro další klíčové zasedání Rady CERN v roce 2018-2019, jejímž hlavním cílem bude aktualizace evropské strategie pro částicovou fyziku. Ze zkušeností s obdobnými projekty v minulosti (např. LHC) víme, že připravit a vybudovat tak velký projekt zabere nejméně 20 let. Je tedy nejvyšší čas.

Zvětšit obrázek

Obr. 3 Schematický náčrtek pravděpodobné lokality budoucího kruhového urychlovače FCC a jedné z variant, kdy LHC slouží jako předurychlovač (injektor)

Fyzikální motivace
Mnoho výsledků z dat nabraných během tří let (2010-2012), kdy LHC dominantně produkoval srážky s těžišťovými energiemi 7 TeV a 8 TeV, ukázalo, že Standardní model částicové fyziky (SM) funguje neuvěřitelně dobře. Za objev Higgsova bosonu [2,3] (obr. 2), posledního významného chybějícího kamínku do mozaiky SM, byla již dokonce udělena Nobelova cena pánům Higgsovi a Englertovi. Dosavadní měření naznačují, že tato objevená částice se hodně podobá Higgsovu bosonu ze SM, nicméně stoprocentní jistota zatím nepanuje. Může se stále ještě jednat o Higgsův boson jiné, nadčasovější a úplnější teorie (která by SM zahrnovala jako jednu ze svých efektivních teorií), k tomu je ovšem potřeba proměřit důkladněji jeho vlastnosti, např. spin, paritu, rozpadovou šířku, či vazbové parametry pro interakci Higgsova bosonu s jinými částicemi. A k tomu je potřeba prozkoumat mnohem větší vzorky dat, k nimž se dostaneme, jak se věří, zanalyzováním všech událostí získaných až do roku 2018, kdy LHC opět ulehne ke dvouročnímu zimnímu spánku. Anebo mohou existovat ještě další Higgsovy bosony – lehčí nebo mnohem těžší, než je ten náš oblíbený, zachycený na hmotnostním políčku 125,5 GeV. A tady jsme svědky zajímavého paradoxu: na jedné straně se ukazuje, že SM funguje dobře, a to až do energií několik TeV. Na druhé straně SM nedokáže vysvětlit jevy, jako jsou například gravitace, původ hmotnosti částic, neutrinové oscilace, asymetrie hmota-antihmota, povaha temné hmoty a temné energie a v některých aspektech je to teorie tzv. nedostatečně přirozená. Odpovědi na některé z těchto otázek se pokoušejí dát teorie tzv. nové fyziky (například SUSY, strunové teorie, extra-dimenze atp.) zavedením nových částic a nových interakcí, které se projeví až při vyšších energiích. Doposud se však žádný signál nové fyziky na LHC nalézt nepodařilo! Je tedy potřeba jít do vyšších energií. A co když ani nejvyšší těžišťová energie 14 TeV, jež bude dostupná na LHC, nebude stačit? Ukazuje se, že nová fyzika se může projevit i v rozdílech mezi naměřenými a Standardním modelem předpovězenými vazbovými parametry. Tyto rozdíly se očekávají velmi malé, a tak jde o precizní měření, k němuž je zapotřebí velkého množství dat. A nakonec se nová fyzika může přímo projevit i ve velmi vzácných rozpadech. K čemuž je opět potřeba obrovského množství dat. Dostali jsme se tak ke třem hlavním pilířům fyzikální motivace projektu FCC. Zvýšení srážkové energie na LHC až na plánovaných 14 TeV a stejně tak podstatné zrychlení nabírání dat, jak se plánuje v upgrade HL-LHC, pomůže probádat tyto směry a podívat se, zdali nova fyzika není takříkajíc za (tím vzdálenějším) rohem.

Zvětšit obrázek

Peter Higgs, nositel Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2014, na pozadi s LHC v CERN.

Proton-protonové srážky se plánují při energiích 100 TeV a s rychlostí nabírání dat srovnatelnou s HL-LHC, síla FCC-hh tedy bude v dosahu (a zároveň slušné statistice) do neprobádaných oblastí hmotnosti, a to až 50 TeV, tedy desetkrát vyšších než na datech LHC z let 2010-2012. Leptonový urychlovač FCC-ee naproti tomu bude mít čtyři pracovní body, tedy čtyři různé srážkové energie, odpovídající exkluzivní produkci páru jedné z těchto částic: Z-boson, W-boson, Higgsův boson, nebo top kvark. Množství srážek bude značné: za dobu života FCC-hh i FCC-ee se předpokládá nashromáždění takového počtu Higgsových, Z- a W-bosonů, t- a b-kvarků, či tau-leptonů, že o několik řádů předčí ty, jež se očekávají na HL-LHC. Tak velké objemy dat umožní prozkoumávat signály nové fyziky všemi třemi způsoby: na FCC-hh především proměřováním koncových stavů s velkými hmotnostmi, na FCC-ee precizním proměřováním vazeb Higgsova bosonu a sledováním velmi vzácných rozpadů výše zmíněných částic. Výhodou FCC-ee oproti FCC-hh je nesrovnatelně menší pozadí ke studovaným procesům.

Inkubátor populární vědy

Další články začínajících autorů najdete zde.

Základem jsou magnety
Úspěch projektu FCC ovšem leží a padá s úspěšným vývojem supravodivých magnetů. Zde vstupujeme do domény na rozmezí fyziky, chemie a inženýrství. Udržení částice dané energie na orbitě v urychlovači o určitém poloměru vyžaduje dipólový magnet se zcela určitou silou mag. pole, a ta je lineárně závislá na hustotě el. proudu ve vodiči. Chceme-li tedy zvyšovat sílu mag. pole, musíme zvyšovat hustotu el. proudu. To však u supravodivých materiálů nelze donekonečna - omezení pochází z tzv. kritické plochy v prostoru souřadnic {teplota, síla mag. pole, hustota el. proudu}, jež je pro každý materiál jiná. Překročíme-li tuto plochu alespoň v jednom z těchto rozměrů, materiál ztrácí supravodivost. Při překročení kritické hodnoty hustoty el. proudu (při dané teplotě a síle mag. pole) je provoz dipólového magnetu nestabilní, dochází k nadměrnému pnutí uvnitř magnetu a zahřívání.

Nejlepší ochranu velkým supravodivým magnetům tak poskytují vodiče schopné snést vysoké hustoty el. proudu. Dnešní LHC je založen na magnetech (dipóly, kvadrupóly, sextupóly a oktupóly) s vodiči na bázi slitiny NbTi, jež dodávají mag. pole 8,3 T a jsou dobře chráněny, pokud je hustota proudu kolem 1200 A/mm², což se jeví jako optimální hodnota. Jelikož se zvyšujícím se mag. polem hustota proudu tolerovatelná supravodivým materiálem rapidně klesá, je potřeba pro budoucí silnější magnety hledat jiné sloučeniny. Vhodným kandidátem je slitina Nb₃Sn. Ta je schopna pro optimální hustotu proudu dodat mag. pole až 16 T. Pak už je stabilita magnetu neudržitelná a pro vyšší hodnoty mag. pole je potřeba uvažovat o dalším materiálu.  Se slitinou  Nb₃Sn pro vodiče v dipólech a kvadrupólech se počítá v upgrade HL-LHC, pro nějž je potřeba mag. pole o síle 11 T. Ačkoliv vývoj magnetů na bázi  Nb₃Sn s cílem 16 T není zdaleka u konce (pracuje se mj. na optimálním složení a průřezu vodiče), již se pracuje na vývoji magnetů, které by byly schopny při zachování optimální hustoty proudu a rozumné stabilitě dodat 20 T. Slibným kandidátem se jeví tzv. vysokoteplotní supravodič (HTS), a to buďto na bázi slitiny YBCO, nebo Bi-2212. Potěšitelná a velmi slibná je synergie s jinými vědeckými odvětvími, kde je touha po HTS supravodičích taktéž veliká (např. nukleární mag. rezonance). Od těchto krajních hodnot mag. pole a plánované těžišťové energie srážek 100 TeV se pak odvíjejí dva scénáře pro celkový obvod FCC: pokud se podaří vyvinout dipóly dodávající mag. pole 20 T, bude stačit obvod 80 km, pokud se spokojíme se 16 T, bude se hloubit tunel o délce 100 km. Schematický náčrtek je na obr. 3, který naznačuje jednu z uvažovaných variant, tedy současný LHC jakožto injektor pro FCC. V případě FCC-ee je největším limitujícím faktorem synchrotronové záření, jež je o třináct řádů intenzivnější než u FCC-hh, což je dáno závislostí intenzity záření na čtvrté mocnině převrácené hodnoty hmotnosti urychlované částice. Nejvyšší možnou dávku si experti stanovili na 50 MW na svazek (srovnejme s 5 MW na FCC-hh a 6 kW na LHC) a od toho se odvíjejí maximální počty shluků elektronů a tedy celková množství srážek pro každý ze čtyř pracovních bodů.  Největšími výzvami zde bude celkový návrh urychlovače pro tak vysoké proudy částic a poměrně krátká doba života svazku. Samostatným odvětvím jeví se vývoj urychlovacích kavit (dutinových rezonátorů) s celým napájecím systémem – je potřeba vymyslet kavity s ještě větším gradientem napětí, než jsou známé dnes, a s akceptovatelnou spotřebou proudu pro chlazení a stejně tak vyvinout účinnější, levnější a spolehlivější systém přenosu elektrické energie do urychlovacího systému kavit, dnes je tato účinnost na 65 %.

Celý projekt budoucího kruhového urychlovače je na úplném počátku. Velká část obce částicových fyziků je ovšem projektem nadšena, a proto si stanovila nelehké výzvy, k jejichž překonání, jak věří, snad 20 let bude stačit. Česká komunita se k projektu připojuje, protože její podstatná část spojuje svou budoucnost s budoucností CERN. Do pěti let bude sepsán návrh koncepce. Ten bude předložen jak Radě CERN, jež bude aktualizovat evropskou strategii pro částicovou fyziku, tak i výboru ECFA a celé komunitě k prodiskutování. Tou dobou také budeme tušit, objevil-li se signál nové fyziky na LHC.

Poznámka redakce: Marek Taševský, autor článku, je členem experimentu ATLAS a kontaktní osobou za ČR pro projekt FCC. Pracoviště: Fyzikální ústav AVČR, Na Slovance 2, 18221 Praha; tasevsky@fzu.cz

Literatura
 
[1] ILC Collab.: Technical Design Report; dostupné z WWW:  http://www.linearcollider.org/ILC/Publications/Technical-Design-Report
[2] G. Aad a kol. (ATLAS Collab.): Phys. Lett. B 716, 1 (2012)
[3] S. Chatrchyan a kol. (CMS Collab.): Phys. Lett. B 716, 30 (2012).
[4] WWW stránky studie FCC v CERN: https://espace2013.cern.ch/fcc
Psáno pro Československý časopis pro fyziku a osel.cz."