Je třeba připomenout, že první svazek proletěl urychlovačem LHC již 10. září 2008. Poté však došlo k havárii způsobené vadným supravodivým propojením napájení magnetů. Reálné spuštění urychlovače se tak posunulo o více než rok. První srážky protonů s relativně nízkou energií se tak realizovaly 23. listopadu 2009. O týden později se uskutečnily srážky s energií 1,18 TeV, které překonaly do té doby největší energie dosažené na americkém urychlovači Tevatron v laboratoři Fermilab. V březnu 2010 se pak začaly zkoumat neznámé vody srážkami vstřícných svazků protonů urychlených na energií 3,5 TeV. Podrobně bylo možné sledovat jeho zprovoznění i v článcích na Oslovi (zde, zde, zde, zde a zde). Již pár dnů po zahájení provozu se objevily první publikace založené na výsledcích jeho čtyř velkých experimentálních sestav ATLAS, CMS, ALICE a LHCb. Experimenty ATLAS a CMS jsou dominantně zaměřené na nalezení Higgsova bosonu a jeho studium i hledání dalších nových těžkých částic. Experiment ALICE studuje hlavně horkou a hustou jadernou hmotu vznikající ve srážkách jader olova. Poslední z této čtveřice LHCb se soustřeďuje hlavně na zkoumání asymetrie mezi hmotou a antihmotou v produkci a rozpadu mezonů obsahujících těžké kvarky b. Popis urychlovače a jeho experimentů lze na Oslovi také nalézt.

 

Objev higgse a potvrzení i detailní studium Standardního modelu hmoty a interakcí

V roce 2012 se pak podařilo splnit první hlavní úkol a potvrdit existenci zmíněného Higgsova bosonu. O rok později tak dostali Francois Englert a Peter W. Higgs Nobelovu cenu za fyziku. Třetí autor Higgsova mechanismu Robert Brout se bohužel potvrzení existence higgse nedožil, zemřel v květnu 2011 ve věku 82 let. Objev Higgsova bosonu dovršil budování a potvrzování Standardního modelu hmoty a interakcí, který je současnou teorií popisující strukturu hmoty. Její popis a hlavně přehled částic, které jsou její součástí nebo se objevují v hypotézách popisujících exotickou fyziku za Standardním modelem, je v starším článku na Oslovi. Tato teorie je extrémně úspěšná a potvrzovaly ji všechny předchozí experimenty prováděné na urychlovačích částic. Hledání Higgsovy částice, která je nezbytnou komponentou zmíněného Standardního modelu, se věnovaly i předchůdci LHC. Teorie totiž bohužel nepředpovídala jeho hmotnost. Nedalo se tak dopředu říci, jestli na jeho produkci s odpovídající pravděpodobností bude energie daného urychlovače stačit.

 

V případě urychlovače LHC už však jeho maximální energie umožňovala zajistit produkci Higgsova bosonů s hmotností, která by mohla přesáhnout hodnoty znamenající pro klasické verze Standardního modelu problém. Pokud by jej tedy tento urychlovač nedokázal produkovat, znamenalo by to pro tuto teorii problém a signál, že s ní je něco zásadně v nepořádku. Objev higgse se tak dá označit za očekávaný. Tuto část své mise urychlovač LHC a jeho experimenty beze zbytku splnily. Dalším jeho úkolem, kterého se zhostil excelentním způsobem, bylo detailní studium vlastností Standardního modelu. Objev celé řady nových hadronů – částic interagujících silnou interakcí podobných těm známým, například protonu, neutronu nebo mezonům pí, ale těžším, umožňuje upřesňovat naše znalosti silné interakce. Velmi přesná měření hmotností částic, hlavně třeba Z⁰, W⁺ a W^- bosonu, těžkých kvarků i nově objeveného higgse umožnila určit co nejpřesněji řadu parametrů Standardního modelu.

Stejně tak se využívají velice přesná měření produkce a rozpadu různých částic. Pokud by se naměřené hodnoty lišily od předpovědí Standardního modelu, bylo by to známkou projevů exotické fyziky za Standardním modelem. Pozorování takových odchylek by nám umožnilo vybrat správnou cestu k obecnější teorii, která by v sobě obsahovala Standardní model, ale byla by schopná popsat i jevy, které dosavadní teorie struktury hmoty popsat nedokáže. Například asymetrii mezi hmotou a antihmotou, která by vysvětlila důvod, proč je náš vesmír složen z hmoty. Mohla by najít i původ takových fenoménů, jako jsou temná hmota nebo temná energie. A třeba by se i podařilo konečně najít popis kvantové teorie gravitace, sjednotit popis všech interakcí a najít teorii všeho, jak o tom snil i Stephen Hawking.

 

Cesta za exotickou fyzikou – ještě větší urychlovač

Nejjasnějším důkazem pro výběr nové obecnější teorie struktury hmoty by byl objev jí předpovídaných nových částic. I takové částice experimenty ATLAS a CMS hledají. Ovšem, stejně jako u higgse jeho hmotnost Standardní model nepředpovídá, i tyto sjednocující hypotézy nepředpovídají hmotnosti těchto nových částic. Urychlovač LHC ukázal, že jejich hmotnost je mnohem vyšší, než jsme doufali. Na jejich produkci tak tento urychlovač nestačí. To je důvod, proč se už nyní uvažuje o větším pokračovateli urychlovače LHC. O takových zařízeních sní více států, my se však soustředíme na plány v mezinárodní laboratoři CERN.

Zde se uvažuje o dvou různých možnostech. První je lineární srážeč elektronů a pozitronů CLIC (Compact Linear Collider). Zde by šlo o lineární urychlovače elektronů a pozitronů. Jeho výstavba by mohla proběhnout ve dvou fázích a délka by byla mezi 11 a 50 km. Dosažené energie by se mohly zvyšovat až po hodnoty dostupné v těžišti 1,5 TeV a následně až 3 TeV. To je energie nižší, než mají protony urychlené na LHC. Ovšem elektrony a pozitrony jsou z našeho hlediska bodové objekty (mají rozměr mnohem menší, než 10^-18 m = 0,001 fm, což je tisícina rozměru protonu). Interakce dvou bodových částic je velmi čistá s minimálním pozadím.

 

Druhým navrženým projektem je urychlovač FCC (Future Circular Collider). Právě tento návrh doporučila v lednu ve své publikaci padesátka významných částicových fyziků jako vhodnější cestu laboratoře CERN do budoucnosti.

 

Jde o tři možné koncepce kruhového urychlovače, jehož obvod by byl zhruba 100 km. Připomeňme, že obvod urychlovače LHC je 27 km. Ten by sloužil jako jeho předurychlovač. První FCC-hh, podobně jako současný srážeč LHC, bude proti sobě urychlovat protony nebo těžké ionty. Jednalo by se tak o pokračování výzkumů započatých experimenty urychlovače LHC. Jen energie srážky by se zvýšila zhruba o jeden řád. Výsledky z LHC sice naznačují, že ani takový urychlovač nejspíše nebude stačit na hmotnost hypotetických částic předpovídaných hypotézami za Standardním modelem.

Pokud by totiž byla jejich klidová energie, tedy i hmotnost, v jeho dosahu, musela by se jejich existence s největší pravděpodobností projevit při exotických málo pravděpodobných procesech zkoumaných pomocí experimentů urychlovače LHC. Kvantová fyzika prostřednictvím Heisenbergova principu neurčitosti totiž umožňuje průběh některých procesů přes stavy, které jsou z energetického hlediska jinak nerealizovatelné. Například přeměna kvarku při beta rozpadu a přeměna neutronu na proton nebo naopak při současném vyzáření elektronu nebo pozitronu a antineutrina či neutrina se realizuje pomocí vzniku a rozpadu W bosonu, i když jsou dostupné energie v oblasti MeV a klidová energie W bozonu v oblasti 80 GeV. Zatím však žádné odchylky od Standardního modelu u vzácných procesů, které by indikovaly existenci nových těžkých částic, nepozorujeme.

 

Druhou možností FCC-ee by bylo srážení svazků elektronů a pozitronů. V tomto případě by šlo o zařízení podobné urychlovači LEP (Large Electron-Positron collider), který byl ve stejném tunelu před LHC. Už zmíněnou výhodou této varianty je, že elektrony a pozitrony jsou bodovými objekty a vzniká minimální pozadí. Takové zařízení by sice neumožnilo dosáhnout energie, jaké by byly dostupné v předchozí variantě s využitím hadronů. Stalo by se však přímo továrnou na produkci higgsů a extrémně přesné testování Standardního modelu a měření jeho parametrů. Omezení na energii je v tomto případě dáno hlavně tím, že urychlené lehké nabité částice, které se se pohybují po kružnici, vyzařují synchrotronové záření. Intenzita tohoto záření roste z energií urychleného elektronu a pro určitou kritickou energii jsou ztráty takové, že další urychlení znemožňují. To bylo také omezení na dostupnou energii u urychlovače LEP. Čím větší je poloměr urychlovače, tím je menší intenzita synchrotronového záření pro danou energii. Proto by se urychlovač FCC-ee dostal k vyšším energiím, než byly dostupné pro LEP.

 

Třetí varianta FCC-he předpokládá srážení elektronů a protonů. V tomto případě by se jednalo o ideální nástroj pro zkoumání struktury hadronů. Připomeňme, že se jedná o velmi komplikované objekty. Proton i neutron by se měly skládat ze tří tzv. konstituentních kvarků. Mezi nimi je však extrémně silná interakce, která vytváří energetické pole - vakuum. To lze popsat pomocí virtuálních gluonů, což jsou částice zprostředkující silnou interakci, a párů virtuálního kvarku a antikvarku. Toto pole vytváří celkový spin hadronu a bez pochopení jeho struktury nelze porozumět vlastnostem hadronu. A právě pro jejich zkoumání jsou ideálním nástrojem srážky bodového elektronu s protonem. Takovým systémem byl urychlovač HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator) v německé laboratoři DESY v Hamburku. Energie dostupná při srážce v těžišti byla 318 GeV. Pracoval v letech 1992 až 2007 a významně přispěl k pochopení rozložení náboje v hadronu a původu jeho spinu.

 

Kdy takový urychlovač začne pracovat?

V prosinci minulého roku se upřesnil rozvrh práce urychlovače LHC. U něj v současné době probíhá druhá dlouhá přestávka, při které dochází k vylepšení urychlovače i experimentů. Třetí běh experimentování by měl začít v květnu 2021, což je o dva měsíce později, než byly dosavadní plány.

Srážení jader by pak mělo probíhat až do konce roku 2024, tedy o rok déle, než se zatím předpokládalo. Pak bude zahájena třetí dlouhá přestávka, která bude trvat až do konce roku 2027. Při ní se celý urychlovač přebuduje na HL-LHC (High Luminosity LHC). Při této přestavbě se zvýší luminosita, tedy i počet srážek o jeden řád. To dramaticky zvýší možnost studovat velice vzácné procesy probíhající s extrémně malou pravděpodobností. V tomto režimu například urychlovač vyprodukuje ročně 15 milionů higgsů, což je pětkrát více, než jich vyprodukuje ročně v současné době. Částečně se některá vylepšení vedoucí k této verzi s vysokou luminositou realizují již nyní, v druhé dlouhé přestávce.

 

Podívejme se na to, co by mohlo následovat poté, až se možnosti urychlovače vyčerpají. Stejně jako jeho předchůdce urychlovač SPS by pak mohl sloužit jako předurychlovač pro nový větší urychlovač. Elektronový srážeč FCC-ee a hadronový srážeč FCC-hh těžko můžeme mít současně. Proto je nynější doporučení nejdříve realizovat elektronový srážeč a teprve po využití celého jeho potenciálu jej nahradit hadronovým srážečem. Vývoj nových magnetů pro urychlovač FCC už probíhá. Měly by mít intenzitu magnetického pole 16 T. Současné dipólové magnety ohýbající dráhu protonů v urychlovači LHC mají intenzitu magnetického pole 8,33 T. Proto se předpokládá, že by se tyto magnety mohly využít pro přebudování HL-LHC na HE-LHC. V tomto případě by LHC dosáhl dvojnásobné energie dostupné při srážce, tedy 28 TeV.

 

Realizace přípravy urychlování srážení elektronů pak umožňuje realizovat i srážeče elektronů a protonů HE-LHeC a FCC-eh. Pokud by se tedy nejdříve přistoupilo ke zlepšování LHC a následné postupné realizaci elektronového srážeče FCC-ee, nedošlo by k realizaci hadronového srážeče FCC-hh před rokem 2050. Spíše až v pokročilé části druhé poloviny tohoto století. Ovšem celá postupná realizace tohoto projektu velkých kruhových urychlovačů s obvodem 100 km a jejich využívání by mohla být programem laboratoře CERN po celé toto století. Jak bylo zmíněno, je nyní budoucí kruhový urychlovač FCC preferovaným projektem.

 

Je však stále otevřenou otázkou, zda bude Evropa schopna zajistit jeho financování a realizaci. Cena první fáze, ve které by se vybudoval srážeč elektronů, se odhaduje na 9 miliard euro. Druhá by pak podle předběžného odhadu dosáhla 15 miliard euro. O podobných projektech uvažují i jiné státy či mezinárodní spolupráce. Projekt velkého srážeče elektronů a pozitronů CEPC (Circular Electron Positron Collider) má třeba Čína. Jeho obvod by měl také být až 100 km. I zde se uvažuje, že by mohl tunel nakonec obsahovat i srážeč protonů CppC (Circular proton proton Collider). Čína uvažuje, že by tunel mohl obsahovat oba urychlovače současně. Ze čtyř experimentů, které by se na jeho obvodu vybudovaly, by dva byly pro protonový srážeč a dva pro srážeč elektronů a pozitronů. Zahájení výstavby by podle čínských vědců mohlo začít už v první polovině dvacátých let. Je velmi nepravděpodobné, že by se realizovaly oba tak stejné projekty, jako je evropská kombinace FCC-ee a FCC-hh a čínská kombinace CEPC a CppC. Buď se zrealizuje projekt v laboratoři CERN, nebo se čínský projekt stane více mezinárodním. Klíčovým pro realizaci jednoho z nich je vývoj supravodivých magnetů s intenzitou pole 16 T, případně dokonce až 20 T. V této oblasti je intenzivní spolupráce řady institucí. Stejně tak se pracuje na vhodném konceptu detekčních sestav budoucích experimentů.

 

Stejně tak se nejen v Číně uvažuje o lineárním srážeči elektronů a pozitronů podobném zmiňovanému cernskému projektu CLIC. Jde třeba o mezinárodní projekt ILC (International Linear Collider). Ten by měl mít délku 50 km a v první fázi energii srážky 0,5 TeV, později pak až 1 TeV. Všechny tyto projekty jsou finančně velmi náročné, při jejich realizaci se tak bude muset udělat výběr priorit a sdružení prostředků do omezeného počtu realizovaných zařízení.

 

Proč takové urychlovače budovat?

Dominantním nástrojem pro průzkum struktury hmoty je zkoumání srážek částic a jader urychlených na vysoké energie. Kvantová povaha mikrosvěta způsobuje, že každý objekt zde má vlnovou i částicovou povahu. Tzv. de Broglieho vlnová délka částice, která charakterizuje její vlnové vlastnosti, určuje nejistotu v určení její polohy. Velikost de Broglieho vlnové délky klesá nepřímo úměrně s hybností, a tedy i energií, částice. Pokud využijeme urychlenou částici ke zkoumání struktury nějakého objektu, určuje velikost detailu, které můžeme zkoumat, hodnota de Broglieho vlnové délky a tedy i hybnosti. Čím vyšší hybnost, tím menší de Broglieho vlnová délka a tím větší podrobnosti můžeme vidět.

 

Trochu si to můžeme přiblížit představou, co se stane, když se zmenšíme na velkost mikrosvěta a rozhlédneme okolo sebe. Uvidíme letící částice s různou hybností. Obraz každé z nich bude rozmazaný, a to tím více, čím má menší hybnost. Čím bude mít částice větší hybnost, tím méně bude její poloha rozmazaná. A tuto rozostřenost nespraví žádné brýle. Chceme-li studovat stále větší detaily ve struktuře hmoty v mikrosvětě, potřebujeme svazky částic urychlené na stále vyšší hybnosti, a tedy i energie.

 

Speciální teorie relativity říká, že mezi hmotností a energií existuje ekvivalence. Pokud známe klidovou hmotnost částice, víme i její klidovou energii. Kvantová fyzika nám pak umožňuje přeměňovat různé formy energií. Energie srážky se tak může transformovat na klidovou energii konkrétní částice. Pokud máme dostatečnou energii srážejících se částic, můžeme ve srážce vyprodukovat libovolnou částici o hmotnosti odpovídající této energii. Pochopitelně musí být při této přeměně energie a produkci částic splněny kromě zákonu zachování energie i další zákony zachování, třeba náboje. V principu tak můžeme při dostatečné energii vyprodukovat nové částice předpovídané různými teoriemi a hypotézami.

 

Třetí důvod, proč se budují stále větší urychlovače, je možnost vyprodukovat při srážce těžkých jader velmi horkou a hustou jadernou hmotu. Energie urychlených jader se přemění na stlačení a tepelnou energii. Můžeme tak produkovat a studovat hmotu, která byla v našem vesmíru v počátcích jeho existence.

Urychlovače částic na vysoké energie jsou primárně nástroji pro základní výzkum struktury hmoty. Ovšem jejich budování i provoz umožňují i rozvoj řady aplikací. Dramatický pokrok se dosahuje při vývoji supravodivých magnetů, radiačně odolných elektronických prvků i postupů při hromadném zpracování extrémně velkého objemu dat.

 

V předchozím textu jsem se snažil ukázat, že stále vyšší energie srážek částic urychlených na urychlovači jsou klíčové pro získání fundamentálních poznatků o struktuře hmoty. Je pravděpodobné, že v případě pokračování naší technické civilizace, budou tyto poznatky základního výzkumu nutné pro rozvoj řady aplikací. Stejně tak i vývoj nástrojů pro částicové experimenty vede k řadě velice užitečných aplikačních výstupů. Podrobně jsem popsal důvody svého přesvědčení pro nutnost rozvoje této oblasti fyzikálního výzkumu v jednom z dřívějších článků na Oslovi.

 

Již před spuštěním urychlovače LHC jsem zmiňoval, že nejhorší situace pro úsilí prosadit výstavbu jeho většího následníka bude v případě, kdy se podaří objevit Higgsův boson, který bude odpovídat klasické verzi Standardního modelu, a všechny další pozorovaná data budou plně odpovídat předpovědím této teorie. Problém jsem viděl v případě, když se nepodaří objevit nové částice, které by zapadaly do některé z hypotéz za Standardním modelem. A zároveň se nebudou pozorovat odchylky od Standardního modelu, které by ukazovaly na konkrétní hypotézu popisující exotickou fyziku za Standardním modelem. Pokud se neobjeví pozorování, která by ukazovala, že nový urychlovač zaručuje objev procesů či částic, které jsou součástí exotické fyziky.

 

Z tohoto hlediska se bohužel ukazuje, že právě taková situace v této oblasti nastala. Je jasné, že nový urychlovač přinese velmi zajímavé výsledky, extrémně zpřesní popis parametrů Standardního modelu a zvětší šanci najít odchylky od něj, které by byly známkou přítomnosti exotické fyziky za touto teorií. Řada hypotéz popisu této exotické fyziky bude vyloučena a zvýší se pravděpodobnost, že najdeme tu správnou. Ovšem objev nových jevů, které by umožnily nalezení teorie za Standardním modelem, nelze nyní zaručit. A pokud se v třetím běhu nebo v bězích vylepšených variant LHC, kterými jsou HL-LHC i HE-LHC, nepovede odchylky od Standardního modelu najít, bude pozice částicových fyziků při prosazování projektu nového velkého urychlovače ztížená.

 

Výsledky získané pomocí LHC.

Pro posouzení současné situace v hledání nové exotické fyziky se podívejme na výsledky, které se dosud pomocí urychlovače LHC podařilo získat. Soustředíme se na výsledky z druhého běhu urychlovače, který se realizoval v období od června 2015 do listopadu 2018, a detailního zpracování dat z prvního běhu. Při druhém už byla energie svazku 6,5 TeV, čili energie dostupná při srážce byla 13 TeV. Podrobný popis prvních výsledků získaných při prvním běhu experimentování je v článku publikovanému při příležitosti zahájení experimentování při energii srážky 13 TeV. Ve velké míře se budu ve svém rozboru opírat o výsledky prezentované v březnu 2019 na 66. konferenci „Recontres de Moriond“ v Itálii, kde se i nejnovější výsledky získané na urychlovači LHC prezentovaly. Obrázky a grafy tak byly do velké míry převzaty z prezentací na této konferenci.

 

Zkoumání Higgsova bosonu

Už zmíněným hlavním úkolem bylo potvrzení existence Higgsova bosonu. To se podařilo a jde o obrovský úspěch experimentů ATLAS a CMS. Dalším jejich úkolem je co nejpřesnější měření vlastností této částice. Stále podrobnější zpracování dat získaných v prvním běhu experimentování a nová měření realizovaná v druhé běhu umožnila získání velmi přesných hodnot hmotnosti, dobu života a dalších vlastností této částice.

 

První rozpady, ve kterých se podařilo identifikovat higgse, byly rozpady na dvě gama a dva Z bosony (jeden z nich je virtuální). Suma hmotností dvou Z bosonů totiž přesahuje hmotnost higgse. V reálu se tak pozorovaly dvě dvojice leptonů, na které se ty Z bosony rozpadaly. Nejde o nejčastější typy rozpadů, jak je vidět v tabulce. Na dva fotony gama se higgs rozpadá v 0,23 % případů a na čtyři leptony přes dva Z bosony v 2,64 % případů.

 

Důvodem je, že všechny ostatní rozpady jsou na krátce žijící částice, které se rozpadají následnou kaskádou přeměn. Výsledkem je velký počet částic, z nichž některé mohou být i neutrální a problematicky detekovatelné. Takovým příkladem je rozpad na dvojici kvarku a antikvarku b a anti-b. Tento kanál je nejčastější a realizuje se v 58,1 % případů. Poprvé se jej podařilo prokázat a změřit jeho pravděpodobnost po složité a dlouhodobé analýze dat a publikovat v srpnu 2018. Změřená pravděpodobnost této varianty odpovídá předpovědi Standardního modelu. Příklad společné produkce higgse a Z bosonu a rozpadu higgse na dvojici b a anti-b pozorovaný experimentem CMS je na obrázku. Kvarky b a anti-b se přeměňují na hadronové výtrysky (jety).

 

Kanál rozpadu higgse na dvojici tauonů byl pozorován v intenzivní analýze získaných dat a výsledky byly publikovány v březnu 2017. Jeho pozorovaná pravděpodobnost něco málo přes 6 % odpovídá opět předpovědi Standardního modelu

 

Klidová energie, a tedy i klidová hmotnost higgse se určuje právě z rozpadů na dvě gama nebo z rozpadů na čtyři nabité leptony probíhající přes dva Z bosony. Přesnost určení klidové energie se společnou analýzou dat z experimentů ATLAS a CMS dostala pod 0,2 %. Velikost klidové energie higgse je důležitý parametr Standardního modelu a je 125,1 GeV. Přesnost určení tohoto parametru je důležitá pro zpřesňování předpovědí Standardního modelu. Zvyšuje tak šanci na hledání odchylek od něj a známek exotické fyziky.

 

Extrémně důležitá je míchání (vazba) higgse s jinými částicemi. Higgsovo pole je zodpovědné za část hmotnosti částic. Proto je toto míchání tím větší, čím je vyšší hmotnost částic. Projevuje se v tom, že se zvyšuje pravděpodobnost společné produkce higgse a této částice nebo rozpad higgse na tuto částici. Nejtěžší známou částici je kvark t s klidovou energií 175 GeV. Je těžší než higgs, rozpad higgse tak nemůže probíhat za vzniku tohoto kvarku. Proto lze míchání mezi higgsem a t kvarkem studovat pouze na společné produkci higgse a dvojice kvarku a antikvarku t a anti-t.

 

Pokud se velikost míchání částice s higgsem správně nanormuje a naškáluje, je možné velice dobře popsat jeho závislost na hmotnosti této částice. Na grafu v logaritmickém měřítku je vidět, že stále přesnější získaná experimentální data velice dobře odpovídají předpovědím Standardního modelu. Je tak vidět, že objevený higgs je přesně ten předpovězený touto teorií s využitím Higgsova mechanismu. To, že Peter Higgs a Francois Englert dostali Nobelovu cenu, je tak plně na místě.

 

Urychlovač LHC je extrémně výkonným strojem na produkci nejen higgsů, ale i dalších těžkých částic. Umožňuje tak velmi přesně měřit nejen hmotnosti Z a W bosonů i kvarků t a b. Zásadním způsobem se tak zpřesnily hodnoty parametrů Standardního modelu a přesnost jeho předpovědí, které lze porovnávat s pozorovanými veličinami.

 

Studium silné interakce a objevy nových hadronů

Připomeňme, že kromě leptonů jsou základními částicemi hmoty kvarky. Je jich šest u, d, s, c, b a t, stejný počet je i antikvarků. Kvarky se v normálních podmínkách nemohou vyskytovat samostatně, ale musí být vázány silnou interakcí do hadronů. Existují dva základní typy hadronů: baryony (například známý proton a neutron) a mezony (například mezony pí). Každý kvark může mít jeden ze tří nábojů silné interakce, který se označuje jako barva. Antikvarky pak nesou antibarvu. V našem světě mohou za normálních podmínek existovat pouze systémy, které jsou z pohledu náboje silné interakce neutrální. V případě elektrického náboje je neutrální objekt, který má kladný a záporný náboj stejné velikosti. U silné interakce je neutrální objekt, který obsahuje všechny tři barvy (typy nábojů silné interakce) v baryonech nebo barvu a antibarvu v mezonech.

 

Popis baryonů a mezonů umožňuje kvarkový model a kvantová chromodynamika, což je teorie silné interakce. Kromě kvarku t, který je velmi těžký a velice rychle se rozpadá (přeměňuje) na lehčí kvarky. Všech pět ostatních kvarků může tvořit velký počet různých baryonů a mezonů. Hlavně ty těžké, které obsahují nejtěžší kvarky c a b, dokáže produkovat právě jen urychlovač LHC. Jako příklad jsou ukázány například baryony, které obsahují první čtveřicí kvarků, tedy u, d, c a b.

 

To jsou základní stavy hadronů, navíc však může existovat obrovské množství excitovaných stavů těchto hadronů, u kterých jsou kvarky ve stavu se stále rostoucím orbitálním momentem. Urychlovač LHC pomohl doplnit známé baryony obsahující kvark b. Experiment LHCb pozoroval existenci stavu Ξ^*_b⁰ (u, s, b) a dvojice Ξ^´_b^- a Ξ^*_b^- (d, s, b). Podařilo se také prokázat existenci baryonů obsahujících dva těžké kvarky, tedy b nebo c. Význam pozorování takových baryonů spočívá v tom, že lehké kvarky u, d a s mají klidovou energii 2,2 MeV, 4,7 MeV a 96 MeV, těžké kvarky c a b pak mají klidovou energii 1280 MeV a 4180 MeV. Supertěžký kvark t má hmotnost 173,1 GeV. Jestliže jsou například protony a neutrony tvořeny kvarky u a d a jejich hmotnost je okolo 938 MeV, je jasné, že dominující část jeho klidové energie je tvořena polem silné interakce a jen malé procento klidové energie tvoří klidová energie tři konstituentních kvarků. U baryonů obsahujících těžké kvarky je tomu naopak, v jejich klidové energii dominuje klidová energie konstituentních kvarků.

 

Jako příklad může sloužit baryon Ξ_cc⁺⁺ (u,c,c) potvrzený experimentem LHCb v roce 2017, který obsahuje dva těžké půvabné kvarky c a kvark u. V jeho případě tvoří z jeho klidové energie 3,622 GeV klidová energie konstituentních kvarků 71 %. Ještě větší podíl bude u baryonů Ξ_bc⁺⁺ s klidovou energií 6,9 GeV a Ξ_bb⁺⁺ s klidovou energií 10,2 GeV, o jejichž potvrzení se experiment LHCb také snaží. Případy, kdy u hmotnosti hadronu dominuje hmotnost konstituentních kvarků, je možné snadněji a přesněji popsat pomocí kvarkového modelu a kvantové chromodynamiky.

 

Studium takových systémů nám umožňuje testovat a zlepšovat naše pochopení popisu silné interakce a kvarkových systémů. K tomu přispělo nejen přesné změření hmotnosti baryonu Ξ_cc⁺⁺, ale i jeho doby života, která je 0,256 ps. Docela dobře odpovídá předpovědi Standardního modelu, která je mezi 0,2 až 1 ps.

 

Z tohoto hlediska je důležité i studiu mezonů složených z těžkých kvarků, například excitovaných stavů mezonu B_c (c,b) které byly studovány experimenty CMS a LHCb. Mezony složené z těžkých kvarků jsou extrémně důležité i pro studium asymetrie mezi hmotou a antihmotou a narušení zrcadlové P-symetrie (rozdíl mezi světem a světem v zrcadle) a nábojové C-symetrie (rozdíl mezi světem a antisvětem). Hlavně pak pro studium narušení CP-symetrie. Toto narušení bylo poprvé popsáno v rozpadu mezonů K0 a anti-K0 (d,s). Podstata zmíněných symetrií a jejich narušení je popsána v dřívějším článku na Oslovi. Je tam vysvětleno i to, jak je tato narušení možno využít pro vysvětlení mimozemšťanovi na dálku, která ruka je pravá a která levá, i jakému elektrickému náboji jsme přisoudili znaménko plus a kterému mínus.

 

Ještě větší narušení CP-symetrie se pozoruje u mezonů B0 a anti-B0 (d,b). Právě na studium těchto mezonů obsahujících těžké b mezony se zaměřuje experiment LHCb. Tento experiment tak poskytuje velmi přesná data o rozdílu mezi světem a antisvětem z tohoto rozpadu. Narušení zmíněných symetrií obsahuje i Standardní model. Jeho velikost však nestačí k vysvětlení rozdílu mezi hmotou a antihmotou, která vedla v průběhu Velkého třesku k tomu, že vznikl vesmír složený z hmoty. Proto by studium zmíněných asymetrií v rozpadech a produkci částic mohla vést k nalezení signálů exotické fyziky za Standardním modelem.

 

Nově také pozoroval experiment LHCb narušení CP-symetrie i u mezonů D0 a anti-D0 (d, c). V tomto případě je sice narušení malé, ale může být citlivější na vliv fyziky za Standardním modelem. Stejně tak se poprvé pozorovalo narušení CP-symetrie u baryonů, a to v rozpadech baryonu a antibaryonu Λ_b⁰.

 

Pozorování multikvarkových systémů

Neutrální z hlediska barevného náboje silné interakce mohou být i jiné kombinace kvarků a antikvarků, než je u baryonů (trojice kvarků) a antibaryonů (trojice antikvarků) nebo mezonů (kvark a antikvark). Neutrální mohou být i dvě dvojice kvarku a antikvarku, které mohou tvořit tetrakvark, nebo trojice kvarků a dvojice kvarku a antikvarku, ze kterých vznikne pentakvark. Podrobnější popis multikvarkových systémů lze najít v dřívějším článku pro časopis Kozmos.

 

Objevy multikvarkových systémů ohlásily i experimenty na urychlovači LHC. Některé dříve objevené multikvarky popřely a některé potvrdily. Objevily také nové. Je však třeba připomenout, že spolehlivé prokázání, že jde opravdu o tetrakvark nebo pentakvark daného typu je velmi náročné. Jak bylo popsáno v předchozí části, existuje obrovský počet excitovaných stavů baryonů a mezonů. Zároveň má předpověď jejich hmotnosti i dalších vlastností s využitím kvantové chromodynamiky omezenou přesnost. Prokázání, že je pozorovaná částice opravdu tetrakvark nebo pentakvark je tak náročné a do jisté míry stále otevřené. Ještě náročnější je pak přesná interpretace a popis vlastností takových systémů. Jestli jde opravdu o systém čtyř nebo pěti kvarků nebo jde spíše o něco jako molekulu, a tedy vázaný systém dvou mezonů nebo mezonu a baryonu.

 

Zajímavým výsledkem v této oblasti je pozorování tří členů rodiny pentakvarku P_c⁺ (d,u,c,anti-c,u) experimentem LHCb. Jejich klidová energie postupně roste a jde o rezonance P_c⁺(4312), P_c⁺(4380) a P_c⁺(4450). Jejich podrobné studium by v budoucnu mělo přinést informaci o jeho vlastnostech a objasnit, zda jde o principiálně pentakvark nebo vázanou molekulu z baryonu a mezonu. Právě analýza vlastností takových exotických systémů kvarků mohou být klíčové pro zlepšení našich metod pro popis silné interakce kvarků.

 

Kvark-gluonové plazma

Ve srážkách těžkých jader, u urychlovače LHC jsou to jádra olova, se studuje kvark-gluonové plazma. Jde o extrémní stav jaderné hmoty při velmi vysokých teplotách a hustotách. Při takových vysokých teplotách, které přesahují o více než pět řádů teploty v nitru Slunce, jsou kvarky uvolněny z hadronů a navíc vzniklo velké množství gluonů, což jsou částice zprostředkující silnou interakci. Jde o proces podobný tomu, kdy při zvyšování teploty klasické hmoty vázané elektromagnetickou interakcí vzniká velké množství fotonů. A díky tomu hmota se stále vyšší teplotou září s vyšší intenzitou a kratší vlnovou délkou. Fotony jsou částicemi zprostředkující elektromagnetickou interakci. Na rozdíl od fotonů, které nenesou elektrický náboj, gluony nesou barvu, tedy náboj silné interakce.

 

Díky silné interakce s barvou kvarků a ostatních gluonů v kvark-gluonovém plazmatu v něm zůstanou. Kvark-gluonové plazma je tak směs kvarků a gluonů. Podrobnější rozbor průběhu potvrzení existence kvark-gluonového plazmatu, jeho základních vlastností i prvních výsledků zkoumání pomocí urychlovače LHC byly popsány v článku na Oslovi.

 

Na studium velmi horké a husté hmoty pomocí srážek jader olova je zaměřen hlavně experiment ALICE, do kterého jsou zapojeni i čeští fyzikové z našeho Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Stále přesnější analýza získaných dat umožňuje studovat produkci různých částic v těchto srážkách. Ty nesou informaci o průběhu vytvoření kvark-gluonového plazmatu a jeho následného rozpínání a chladnutí. V horké a husté jaderné hmotě lze často využít produkci a destrukci různých částic v závislosti na teplotě k měření této teploty v různých fázích srážky a existence horké zóny. ¨

 

Jedním z typů částic, které jsou k tomu využitelné, jsou těžká kvarkonia. Jde o mezony, které jsou složeny z kvarku a jeho antikvarku. A to těch těžkých c a b. Kvarky vznikají v párech, tedy kvark a stejný antikvark. Při růstu teploty tak roste pravděpodobnost, že takový pár kvarku a antikvarku vznikne. Roste tak i pravděpodobnost, že se tyto dvojice kvarku a antikvarku vzniklých ve stejném místě spojí do kvarkonia. Pokud však vznikne kvark-gluonové plazma, nejsou kvarky vázány do z pohledu náboje silné interakce neutrálních hadronů a barevný náboj volných kvarků a gluonů rozbíjí vznikající i existující dvojice kvarku a antikvarku v kvarkonii. Vznik a disociace kvarkonií silně závisí na teplotě. Různá kvarkonia jsou ovlivněna různým způsobem. Jedním z prvních pozorovaných procesů, které jsou známkou překonání kritické teploty a vzniku kvark-gluonového plazmatu, bylo potlačení kvarkonia J/ψ, který je složen z kvarku c a antikvarku anti-c.

 

Experimenty ALICE a CMS pozorovaly tři členy rodiny kvarkonií s nejtěžším kvarkem, který ještě může tvořit hadrony. Jde o mezony b a anti-b a označují se řeckým písmenem Υ. Kvarkonia Υ(1S), Υ(2S) a Υ(3S) jsou různými excitovanými stavy tohoto kvarkonia. Jejich produkce a hlavně destrukce (disociace) popsanými procesy je velmi citlivá k vytvoření kvark-gluonového plazmatu a jeho teplotě. Jejich množství a hlavně poměr mezi počty pozorovaných případů pro jednotlivé členy této rodiny jsou citlivým teploměrem a sondou do podmínek panujících v horké a husté zóně. Díky možnosti identifikace těchto částic pomocí pečlivé analýzy tak lze detailně studovat vlastnosti této horké a husté jaderné hmoty.

 

Energie srážky dvojic nukleonů urychlených jader olova byla v druhém běhu experimentování LHC již na hodnotě 5,02 TeV. Takto vysoká energie, která se využije nejen na ohřev a stlačení, ale také na produkci nových částic, vede ke vzniku velmi vysokých počtů i velmi těžkých částic obsahujících těžké kvarky. Jak už bylo popsáno, interagují vzniklé kvarky, které mají náboj silné interakce, s barevnými náboji kvarků a gluonů v kvark-gluonovém plazmatu. Pokud se pohybuje elektricky nabitá částice vysokou rychlostí v elektrickém poli, vyzařuje tzv. brzdné záření. Jde o fotony s energií gama. Pokud se pohybuje částice s barevným nábojem v poli silné interakce, vyzařuje brzdné záření v podobě gluonů, tedy částic zprostředkujících silnou interakci. Gluonové brzdné záření podobně jako gama brzdné záření závisí na hmotnosti částice s příslušným nábojem. Těžké kvarky tak ztrácí v kvark-gluonovém plazmatu energii brzdným zářením jinak rychle než lehké kvarky. Proto je důležité pozorovat částice z těchto kvarků. Experimentu ALICE se v této oblasti podařilo poprvé pozorovat ve srážkách těžkých jader baryony Λ_c⁺ a D⁰, které obsahují těžký kvark c. Zmíněné baryony jsou důležitou sondou do vlastností horkého a hustého jaderného media.

 

Velice významným zdrojem informací o vlastnostech horké a husté jaderné hmoty je také asymetrie v emisi různých částic vzhledem k rovině srážky. Známá je zvýšená emise kolmo na rovinu srážky. Přechod k vyšším energiím způsobuje, že se v jedné srážce vyprodukuje tak velké množství částic, že lze pomocí nich studovat podrobnější tvar expanze horké zóny i u jedné konkrétní srážky a studovat i individuální rozdíly mezi jednotlivými srážkami. Stále podrobnější znalosti ve studiu kvark-gluonového plazmatu nám umožňují si přímo sáhnout na hmotu s extrémně raných fází Velkého třesku.

 

Velmi vzácné rozpady – cesta k signálům nové fyziky

Největší pravděpodobnost pozorování odchylek od Standardního modelu, které by nám mohly přinést informace o exotické fyzice, je při studiu extrémně vzácných procesů. Jde většinou o rozpady, jejichž průběh je možný jen díky narušení nějakého zákona zachování a kvůli tomu je velmi silně potlačena jeho pravděpodobnost. Právě kvůli možnosti zkoumání takových procesů je důležité zvyšovat luminositu urychlovače LHC a počet srážek za časovou jednotku.

 

Příkladem takového studia realizovaného pomocí urychlovače LHC jsou rozpady B_s⁰ → μ⁺μ^- a B⁰ → μ⁺μ^-, které tvoří jen extrémně malý podíl v rozpadu zmíněných mezonů. Cílí na ně experimenty CMS i LHCb. Experimentální hodnota podílu rozpadu do kanálu se vznikem dvojice mion a antimion je v prvním případě 2,8∙10^-9, tedy na miliardu rozpadů jdou zhruba jen tři do tohoto kanálu. U druhé reakce je změřená hodnota nižší než 2,1 ∙10^-10.

 

Vzhledem k tomu, že i pravděpodobnost produkce zmíněných mezonů B je velmi nízká, je pozorování takového rozpadu i na LHC velmi málo pravděpodobné. V předchozích bězích se tak podařilo ulovit pouze k jednotkám a desítkám takových rozpadů. Při takto nízké statistice dominuje statistická nejistota. V jejím rámci je experimentální hodnota shodná s předpovědí Standardního modelu. V třetím běhu experimentování, který začne v příštím roce, by se díky vyšší luminositě měla statistická nejistota významně snížit. Ještě více takových rozpadů bude možné získat při vylepšení LHC na HL-LHC. To by mohlo vést k pozorování odchylky od Standardního modelu a projevů exotické fyziky.

 

Hledání částic i procesů založených na fyzice za Standardním modelem

Velmi důležitým úkolem, který ležel před urychlovačem LHC bylo hledání nových částic a procesů, které nepředpovídá Standardní model. Zvláště se zaměřoval na takové, které předpovídají různé teorie sjednocení interakcí. Je třeba připomenout, že se nehledají jen částice, které se dají detekovat nebo se pozorují produkty jejich rozpadů. Pomocí chybějící energie a hybnosti lze identifikovat i částice, které, podobně jako neutrina, naše detektory nezaznamenají.

 

Žádné se však nepodařilo najít. Data z experimentů LHC tak postavila velmi striktní omezení na jejich existenci nebo limity na jejich hmotnost či jiné vlastnosti. Je tak jasné, že například supersymetričtí partneři částic, které předpovídají teorie sjednocení interakcí, musí mít mnohem větší hmotnosti, než jsme očekávali. Tedy v případě, že existují. Připomínám, že tyto částice jsou jedním z kandidátů na vysvětlení temné hmoty. Podrobněji byl fenomén temné hmoty rozebrán v několika článcích na Oslovi.

 

Stejně tak se například nepodařilo zaznamenat mikroskopické černé díry nebo podivnůstky, které byly hlavními hypotetickými kandidáty na vyvolání zkázy světa. Popis těchto objektů, jejich reálných vlastností a důvodů, proč se jich není potřeba obávat, vyšel v článku na Oslovi ještě před spuštěním urychlovače LHC. Mikroskopická černá díra by se měla v okamžiku vypařit Hawkingovým zářením, které bylo emitováno izotropně a mělo by přesně dané spektrum. Byla by tak poměrně dobře identifikovatelná. Její nepozorování tak dává striktní limity na její vlastnosti a vlastnosti gravitační interakce působící na extrémně krátkých vzdálenostech.

 

Bezúspěšné bylo i hledání dalších hypotetických částic a procesů, které nejsou ve Standardním modelu dovoleny. Experimenty využívající urychlovač LHC tak již vyřadily řadu různých hypotéz popisujících sjednocení interakcí. Bohužel se však nepodařilo pozorovat jevy, které by nám umožnily vybrat tu správnou nebo ukázat, že by to určitě dokázal jeho následník v podobě urychlovače FCC.

Závěr

Nový třetí běh experimentování by měl být při zvýšení dostupné energie v těžišti na hranici možnosti současných magnetů, tedy na 14 TeV. Zvýší se také luminosita svazku a počet srážek, které je možné produkovat a dokáží je zanalyzovat i experimenty. Experimenty urychlovače LHC umožnily doplnění Standardního modelu hmoty a interakcí, který je současnou teorií struktury hmoty, o poslední chybějící kámen. Objev Higgsova bosonu, znalost jeho hmotnosti a stále přesnější určení dalších parametrů Standardního modelu umožnily extrémně zpřesnit jeho předpovědi. Stejně tak se prohlubují díky pozorování velkého počtu nových hadronů i multikvarkových systémů naše znalosti a přesnost popisu silné interakce. Intenzivně se tak hledají procesy, kde by se daly najít rozdíly mezi experimentem a předpovědí Standardního modelu. Ty by nám mohly ukázat na správnou obecnější teorii sjednocující popis interakcí za Standardním modelem. Zatím nebyly pozorovány žádné nové částice nezapadající do Standardního modelu a nemáme ani průkazné potvrzení nějaké odchylky od předpovědí této teorie. Data získaná pomocí experimentů na urychlovači LHC jsou otevřeně dostupná a je možné získat a studovat na stránkách laboratoře CERN.

 

Dokončení vylepšení urychlovače i jednotlivých experimentů umožní dosáhnout při třetím běhu experimentování vyšší luminositu, a tedy počet srážek, a pravděpodobně i mírné zvýšení energie. Tím se zvýší statistika produkce velmi řídkých procesů, které mají největší šanci ukázat projevy nové fyziky. Šanci na jejich objevení by mohlo zvýšit plánované přebudování LHC na stroj s velmi vysokou luminositou HL-LHC, případně i výměnou magnetů a zdvojnásobením energie u HE-LHC. Přesto nelze zaručit, že se projevy exotické fyziky podaří prokázat. Standardní model se ukazuje být extrémně úspěšnou teorií.

Pokud LHC a jeho případná vylepšení neumožní pozorování signálů nové fyziky a nebude možné zaručit, že nový větší urychlovač objeví nové částice či procesy, které umožní vybudovat novou teorii za Standardním modelem, bude velmi těžké získat financování tohoto velmi nákladného projektu. Je nesporné, že by byl velmi efektivním a účinným nástrojem pro zkoumání struktury hmoty a měl řadu přínosů. Je však třeba připustit, že jsou i jiné možnosti, jak hledat příznaky nové fyziky. Jde například o velké astrofyzikální přístroje, které umožní objevy v kosmologii nebo fyziky v extrémně intenzivních gravitačních polích u černých děr. Připomeňme třeba velké pozemské i vesmírné teleskopy nebo detektory gravitačních vln. Další možností je zkoumání vlastností neutrin třeba pomocí jejich svazků produkovaných urychlovači. Další možností jsou detektory cílící na částice temné hmoty. Zvláště v době po dopadu pandemie koronaviru bude těžké získávat finance na tyto nákladné projekty a bude se jistě velmi opatrně zvažovat, který se podpoří.

 

Můj osobní názor je, že právě v současné době se ukazuje, jak klíčová je podpora vědy a výzkumu pro vývoj lidské civilizace. A také, jak důležitá je úzká mezinárodní spolupráce. Je sice otázkou, kdy a kde se nakonec velký následovník urychlovače LHC postaví, ale podle mě se kolem poloviny století rozběhne. A pokud to bude v Číně, tak možná i dříve.

 

Video: Antihmota ve vesmíru

Video: Co dnes víme o temné (skryté) hmotě ve vesmíru?

 

 

---