Začalo to všechno (jako vždycky) úplně náhodně. Zhruba před půl rokem jsem při klasickém brouzdání webem a sledování, co je dnes nového, narazil na krátké sdělení: V rámci mezinárodního víkendu vědy pořádá CERN dny otevřených dveří. To by ještě nebylo tak vzrušující. V rámci běžného provozu je možné sjednat si za určitý poplatek prohlídku i s průvodcem. Ale už další věta mě nadzvedla ze židle. V rámci dvouleté odstávky bude mít laická veřejnost možnost dostat se i dolů do podzemí – přímo k detektorům.
Nepamatuji si ten okamžik přesně, ale rozhodnuto bylo okamžité. Na svém „miniblogu“ jsem informaci rozšířil s nápadem, že by mohlo jít o moc zajímavou výpravu kamarádů – takový malý výlet, jaký často lidé podnikají na víkend, když chtějí vypadnout z Čech, ať už za koupáním, sportem či hudebním koncertem. Překvapilo mě, jak nakonec všechno dopadlo. Ve finále se na pražské Ruzyni sešlo v to páteční odpoledne skoro patnáct lidí.
Samotná akce probíhala poslední zářijový víkend,po oba dny od rána do dvacáté hodiny večerní. Samozřejmostí byla online registrace mnoho týdnů dopředu. Každý registrovaný zájemce měl možnost vybrat si pouze jeden podzemní detektor, spousta doprovodných akcí na povrchu byla ovšem volně přístupná. Bylo to pochopitelné – na místech, jako je LHC, je bezpečnost na prvním místě, dokonce i v době, kdy jsou všechny přístroje v provozu a dolů se dostane pouze prověřený personál.
Platí jednoduché pravidlo: lidský život má vždy přednost i za cenu zničení či znehodnocení obřích detektorů nebo jakéhokoli vybavení. Zprvu mě ta „švýcarská přesnost“ trochu rozzlobila, rád bych viděl detektorů víc i třeba za příplatek, ale zpočátku se to jevilo jako naprosto nemožné.
Dokonce jsme to i zkusili, nicméně registrační systém automaticky zrušil jakoukoli snahu o další registraci, když zjistil, že daný zájemce má už osobní záznamy na jiném místě LHC. Nakonec jsme se dostali „do podzemí“ na detektory tři. Dlužno ale napsat, že zdaleka ne kvůli zmatkům v databázi, nějakým opomenutím nebo nedbalostí místních.
Cestu nám tam otevřelo běžné lidské pochopení pracovníků, kteří nám akreditace vydávali. A i když jsme jim tím jen přidělávali starosti (bylo nutno upravovat synchron skupin, které chodily do podzemí), nesetkali jsme se s jakoukoli neochotou nebo klasicky českou replikou „to nejde“. Chtěl bych na tomto místě zvlášť zmínit aspekt lidského přístupu, který nás, mírně řečeno, velmi příjemně překvapil. A to od pomocných brigádníků na povrchu až po samotné průvodce do hlubin podzemních šachet. Ti lidé měli celý den fůru práce, ale když viděli zájem, oči se jim rozsvítily a nadšeně nám vysvětlovali všechna fakta, ale i odpovídali na mnohdy laikům těžko pochopitelně zodpověditelné otázky.
Pro další srozumitelnost textu musím teď udělat malou odbočku. Vy, kteří jste se stavbou a činností LHC obeznámeni, klidně přeskočte tuto část, čeká nás totiž nelehký úkol se jednoduše a jasně na malém prostoru seznámit s funkcí alespoň hlavních částí LHC a principů, na kterých fungují, a přinejmenším krátce s historií organizace CERN.
CERN (Conseil Européen pour la recherche nucléaire) – Evropská organizace pro jaderný výzkum, je mezinárodní organizace se sídlem v Ženevě, založená v roce 1954, částečně jako odpoveď či spíše snaha o status quo v oblasti jaderného výzkumu, který se prudce rozběhl v USA a jenž byl zaměřen na vývoj jaderných zbraní (Projekt Manhattan v Los Alamos pod vedením Roberta Oppenheimera). Cílem organizace byla od začátku spolupráce evropských států v oblasti čistě vědeckého (nevojenského) a základního výzkumu. Z původních dvanácti států, které signovaly zakládající dohodu, se počet členských zemí rozrostl na dvacet. Česká republika patří rovněž od roku 1993 mezi členy organizace.
Sídlo CERNu se nachází nedaleko Ženevy na francouzsko-švýcarském pohraničí, v klidném údolí lemovaném po stranách pohořím Jura – právě tyto hornaté oblasti, před stovkami milionů let tvořící dna moří a podílející se na pestré geologické stavbě evropského kontinentu, propůjčily název střednímu období druhohor, jak jej dodnes nazýváme.
Čím se vědci v CERNu zabývají?
V současné době organizace zaměstnává více než 10 000 vědců z takřka 500 univerzit celého světa a tvoří tak největší pracoviště svého druhu. Převážná většina výzkumu se týká základních otázek existence našeho vesmíru: Co je hmota? Z čeho se skládá? Jak vznikla? Jak vznikl náš vesmír? Jak jsou utvářeny hmotné objekty a jakými silami na sebe částice působí? Co je antihmota a proč je pozorovaný vesmír kolem nás tvořen převážně hmotou a ne antihmotou, i když při vzniku vesmíru byly obě složky zastoupeny takřka stejnoměrně? Co je to temná hmota a temná energie?
Každá nová odpověď přináší zástup dalších otázek a je rovněž potřeba zmínit velký přínos v technologiích budoucnosti, s takovým zařízením se člověk dostává na hranice našich znalostí a pozorování. Je potřeba neustále vyvíjet nová a přesnější zařízení v takovém rozsahu, jaký nemá v dějinách vědy a technologií obdobu. Nejskloňovanější mantrou částicové fyziky je tzv. standardní model, u kterého bych se jen letmo pozastavil, protože je důležitý pro vysvětlení činnosti a funkce LHC.
Standardní model částicové fyziky
Je souborem současných představ a teorií o tom, z čeho je hmota složena. Zahrnuje silnou, slabou a elektromagnetickou interakci a elementární částice, které tvoří veškerou hmotu. Začal se formovat počátkem 70. let minulého století a dá se shrnout do krátké věty: Veškerá známá hmota ve vesmíru se skládá ze šesti druhů kvarků a šesti druhů leptonů a všechny jevy, které ve vesmíru pozorujeme, dovedeme vysvětlit pomocí čtyř druhů interakcí. Standardní model tedy shrnuje současné poznatky částicové fyziky. Zaprvé říká, z jakých elementárních částic (nejmenších a nedělitelných stavebních kamenů z dnešního pohledu) se svět skládá. Zadruhé popisuje a vysvětluje, jak spolu elementární částice interagují a speciálně jak drží atomy a jádra pohromadě. Trochu stranou stojí gravitace. Je sice jednou ze základních interakcí a je naprosto podstatná pro makrosvět, ale uspokojivou kvantovou teorii gravitace dosud nemáme. Ale nezodpovězených otázek je víc (proto současná představa není mnoha vědci považována za konečný model částic a sil). Na některé z nich pomáhají odpovědět právě detektory LHC. Jedním z klíčových problémů standardního modelu byl problém hmotnosti. Proč mají částice hmotnost? Jak ji získávají? To byla donedávna klíčová otázka a předmět mnoha sporů fyziků.
Snad vás malá teoretická odbočka neodradila a můžeme se seznámit se stavbou a strukturou LHC. Plány pro toto zařízení začaly vznikat v roce 1984 a trvalo pětadvacet let, než bylo v roce 2009 spuštěno do zkušebního provozu. Celý projekt vznikl na místě starších a menších urychlovačů, které ale neustále slouží a pomáhají urychlovat částice až na 96 % rychlosti světla – teprve pak jsou svazky nasměrovány do skoro sedmadvacetikilometrového okruhu LHC.
Jako první jsou vodíkové atomy zbaveny elektronů, takže zbydou jen protony (kladně nabité ionty vodíku). Svazky obsahují miliardy protonů v každé dávce. Jejich cesta začíná na lineárním (ne kruhovém) urychlovači Linac2, který dodá protonovým svazkům 31 % rychlosti světla (95 000 km/s). Po dosažení této rychlosti jsou svazky přesměrovány do jednoho ze starších kruhových urychlovačů s názvem Proton Synchrotron Booster. PS Booster urychlí jádra vodíku na 91,6 % rychlosti světla. Tam nějakou dobu obíhají, přičemž s každým dalším cyklem dochází ke zvyšování rychlosti, až dosáhne 99,93 % rychlosti světla. Jak asi tušíte, nastává čas pro ještě větší a silnější urychlovač. Tím je sedmikilometrový Super Proton Synchrotron (SPS, vybudovaný v roce 1976 a mající na svém kontě objev bosonů Z a W, částic slabé jaderné síly, který byl korunován Nobelovou cenou za fyziku). SPS „nakopne“ protony až na 99,998 % rychlosti světla (hodnota energetické úrovně 450 GeV).
Tady mi dovolte opět krátkou odbočku. Někomu by se mohlo zdát, že urychlování svazků je zbytečně komplikované a předimenzované, ale opak je pravdou. Podle slavného vzorečku Einsteinovy teorie relativity E = m*c² nám totiž vyplývá, že čím větší zrychlení se hmotným částicím snažíme dodat, tím větší energii musíme vynaložit. Urychlit protony z oněch 31,4 % na 91,6 % r. s. je mnohem snazší než z 91,6 na 99,93 %. Čím jsme blíž limitní rychlosti světla, roste hmotnost částic a tím větší energii na urychlení musíme vynaložit. Tento paradox se dá připodobnit situaci, kdy sedíte ve sportovním autě a šlapete na plyn. Od určité rychlosti se vám sporťák změní v autobus a na to, abyste nadále zvyšovali rychlost, potřebujete daleko větší množství pohonných látek. Při ještě větších rychlostech se vám autobus promění doslova pod rukama na nákladní vlak, ten pak v letadlovou loď a tak dále…
Kdybychom chtěli hmotnou částici urychlit na rychlost světla, potřebovali bychom nekonečné množství energie. Proto tato rychlost zůstává pro hmotné objekty v našem vesmíru zapovězená. Ale nyní po těchto náročných martyriích jsou protony konečně přesměrovány do cílové destinace – sedmadvacet kilometrů dlouhého prstence LHC. Až tady jsou urychleny na neuvěřitelných 99,9999991 procenta rychlosti světla, pokud zařízení pracuje na své maximální energii 14 TeV. Když jsou protony urychleny na takovou rychlost, má CERN energetickou spotřebu podobnou spotřebě celé sousední Ženevy.
O urychlování svazků se po celé dráze LHC stará 10 000 velkých supravodivých magnetů, které po celou dobu rovněž udržují směr a koncentraci svazků, jež oběhnou celý 27 km dlouhý okruh více než jedenáctitisíckrát za sekundu. Magnety jsou chlazeny více než deseti tisíci tunami kapalného helia na teplotu -271° C (necelé dva stupně Kelvina). Urychlovačem obíhá 100 miliard protonů v každé skupině, kterých je v daném svazku přes dva tisíce. Svazky obíhají protiběžně – jedna skupina po směru hodinových ručiček, druhá proti němu. Po dosažení maximální rychlosti (proces trvá několik desítek minut) jsou svazky navedeny na srážkovou trajektorii – místa, kde se dráhy protiběžných svazků zkříží. Podél tunelu LHC je osm takových míst. Čtyři jsou starší, nás ale budou zajímat čtyři nové, hlavní detektory: ATLAS, CMS, ALICE a LHCb. Ty byly cílem naší výpravy, protože ač byl areál CERNu plný zajímavých doprovodných akcí, upřímně řečeno, většinu toho může člověk při troše snažení vidět, ale dolů k detektorům se zřejmě po dalších patnáct let běžný smrtelník nedostane (pokud nejste zaměstnanec CERNu či součást významné vědecké výpravy). Za tu dobu let totiž skončí současný výzkumný program, změní se systém financování a LHC bude sloužit k menším experimentům, školením mladých vědců a technických pracovníků. Na naši otázku, co bude potom a kam se bude čelní výzkum ubírat, odpověděl jeden z průvodců se zasněným pohledem: „To ještě nikdo neví, budou další, silnější detektory, ale jaké, to ještě taky zatím nikdo neví.“
Už v Čechách jsme se rozhodli před online registrací, že by nebylo špatné se rozdělit na skupiny, z nichž každá by si prošla jeden z detektorů, nafotila ho, zdokumentovala a pak se s ostatními podělila o dojmy. Bohužel to do poslední chvíle vypadalo, že každá fyzická osoba má možnost přístupu pouze na jedno místo do podzemí. Při registraci, která měla hodně divoký průběh (z důvodu prevence přetížení registračního systému byla jednotlivá volná místa uvolněna každý den v jednu konkrétní hodinu v počtu pár set volných míst a na ty nejzajímavější detektory byl pár minut po otevření zaplněný stav do posledního místa), tedy nebyl čas na žádné dlouhé rozmýšlení. Ze čtveřice výše jmenovaných detektorů zůstal námi neobsazen jen jeden. LHCb. Dovolte mi tedy v krátkosti začít u něj (a při popisu všech zařízení odpusťte zjednodušování, které je nezbytné, aby množství textu nezabralo neúnosnou mez).
LHCb (Large Hadron Collider beauty)
Detektor vyhledává rozpady zvláštních druhů částic pojmenovaných B-mezony a analyzuje jejich vlastnosti. Jde o středně těžký druh částic (s rozmezím hmotnosti mezi protonem a elektronem), které se ihned po srážkách rozpadají na lehčí částice. Jejich studiem se vědci snaží vysvětlit převahu hmoty nad antihmotou v našem pozorovaném vesmíru. Podle dosavadních teorií byl nepoměr hmoty a antihmoty neuvěřitelně malý. Na miliardu antičástic připadla miliarda plus jedna částic. Vzájemnou anihilací stejného počtu částic-antičástic zbyla hmota, kterou teď ve vesmíru pozorujeme.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
Něco kolem desetiny pracovního času, který je běžně zaměřen na srážky lehkých jader vodíku, se v tunelech LHC urychlují ionty olova, jednoho z nejtěžších prvků na Zemi, jehož jádra jsou přes 200x těžší než jádra vodíková, je proto obtížnější jim udělit patřičné rychlosti (které jsou o něco pomalejší než u samotných protonů, pořád ale velmi blízké rychlosti světla). Díky větší hmotnosti jsou i energie srážek vyšší a kolize, které měří detektor Alice, jsou někdy nazývány „malým velkým třeskem“.
Na neuvěřitelně malém prostoru díky velké energii srážek vzniká tzv. kvark-gluonové plazma, které vyplňovalo vesmír těsně po velkém třesku, když byl takřka nekonečně hustý a horký. Pár miliontin sekundy po velkém třesku klesly teplota a tlak natolik, že kvarky, předtím volně reagující v oné husté kvarkové polévce, zůstaly uvězněny uvnitř protonů a neutronů, spoutány natolik mocnou silnou jadernou silou, že se nám nikdy nepodařilo jednotlivé kvarky samostatně pozorovat. Původní, nesmírně horké plazma obsahovalo rovněž gluony – částice, jež zprostředkovávají sílu, která váže kvarky dohromady. Pozorováním a měřením tohoto „prapůvodního“ vesmírného plazmatu by se vědci mohli dozvědět víc o vzniku běžné hmoty, která nás obklopuje a z níž jsme sami tvořeni.
Na závěr jsem si nechal dva sice rozdílné dektory, které ale v posledních letech plnily primárně důležitý úkol, pro který byly navrženy – už asi tušíte, že se blížíme naší nobelovské pointě. Je to hledání a nalezení Higgsova bosonu – částice, která byla zdrojem problémů částicových fyziků. Na ní se totiž mělo ověřit, jestli je standardní model „správnou cestou“ či jen šlápnutím vedle a zda bude potřeba nějaké zbrusu nové teorie. Znamenalo by to sice krach více než dvou generací vědeckého bádání, ale i to je někdy potřeba, jak se o tom svět přesvědčil v prvních třech dekádách minulého století s příchodem Einsteinovy teorie relativity a následnou vlnou kvantové fyziky. Dokonce se někteří vědci vsázeli, že Higgsův boson nebude nikdy nalezen. Chudák Stephen Hawking se už poněkolikáté vsadil (údajně o 100 dolarů) a opět prohrál, věřme však, že tím jeho rozpočet utrpěl jen drobnou újmu. V sázce bylo totiž něco daleko důležitějšího než hrdost vědeckých velikánů. Byl tím samotný osud dalšího vývoje nesčetně vědních oborů, ale i našeho alespoň částečně uceleného pohledu na vesmír jako takový.
ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) CMS (Compact Muon Solenoid)
Takový David a Goliáš – ale nenechte se zmýlit velikostí. Detektor ATLAS má rozměry šestipatrové budovy. Je vyroben z relativně lehkých materiálů, přesto váží 7000 tun. Tvoří ho osm magnetických cívek (každá váží přes jednu tunu) ohýbajících dráhy sražených částic v centrální dutině a detektory, jež tvoří 100 milionů obdélníkových plošek (pixelů), umístěných na křemíkových destičkách. Vedle pixelových detektorů jsou součástí ATLASu polohově citlivé polovodičové detektory přechodového záření, opět mi dovolte zjednodušit, podrobný výklad detektoru by vydal za samostatný článek. Když nabitá částice prochází detekčními čidly, uvolní z nich elektrony, které indukují elektrický náboj, signál je následně zdigitalizován a poskytuje vědcům záznam dráhy, rychlosti i hmotnosti částice.
Detektor CMS je takřka dvakrát menší než ATLAS, ale s hmotností 12 500 tun tvoří nejtěžší přístroj vyrobený lidmi. O co menší rozměry má (včetně samotného prostoru pro srážky), o to větší magnetické pole vytváří. Vyjádřeno jednotkami jde o magnetickou indukci o síle čtyř tesla (na zemském povrchu je magnetické pole dvěstětisíckrát slabší). ATLAS vytváří magnetickou indukci přibližně poloviční. Oba detektory byly v 90. letech navrženy hlavně za účelem detekce Higgsova bosonu, rozdílná technická řešení měla zaručit dvě nezávislé cesty detekce. Jedna spočívala v měření krátkých drah částic na menším prostoru, kde by ovšem na srážející se miony (částice, na které se v krátkém čase rozpadá Higgsův boson) působilo silnější magnetické pole (dráhy jsou jeho vlivem výrazněji ohýbány), druhá naopak větší komoru, kde ke srážkám dochází, ovšem se slabším magnetickým polem.
O tom, jak hledání dopadlo, jsme se mohli přesvědčit v úterý 8. října, kdy byla letošní Nobelova cena za fyziku udělena dvojici fyziků Peteru Higgsovi a Francoisi Englertovi. Lví podíl při hledání této chybějící částice standardního modelu měly právě oba detektory. S nadsázkou se dá říct, že ten úžasný víkend nikdo z místních zaměstnanců nemluvil o ničem jiném.
Fotografie z úterního vyhlášení Nobelovy ceny za fyziku. ATLAS propuká v jásot. Zdroj: Archiv autora |
Fotografie z úterního vyhlášení Nobelovy ceny za fyziku. ATLAS propuká v jásot. Zdroj: Archiv autora |
Stěny Central Control Roomu jsou lemovány prázdnými lahvemi (převážně) šampaňského, kterým se bouchá vždy, když se povede experiment či zdolá další energetická nebo rychlostní hranice. Zdroj: Archiv autora |
Na detailu viněty můžeme vidět podrobnosti jednotlivých oslav. Jak podotkl jeden z průvodců: „To všechno jsme opravdu nevypili za jeden večer.“Zdroj: Archiv autora |
Technické zajímavosti
V roce 2010 dosahovalo množství dat zpracovaných v CERNu 17 petabytů. Kdybyste chtěli toto množství vypálit na klasická datová cédéčka a ta následně naskládat na sebe, vytvořili byste sloupec o výšce 20 kilometrů. Toto obrovské množství dat analyzuje dvoustupňový systém více než sta počítačových center, který se nazývá LHC Worldwide Computing Grid.
Rychlost protonů:
Představte si rychlostní závod od Země k Alfě Centauri (naší nejbližší hvězdě). Na startovní čáře máme vedle sebe „nehmotný“ foton (pohybující se rychlostí světla) a urychlený proton z LHC. Tuto trasu k našemu hvězdnému sousedu, dlouhou přes čtyři světelné roky, urazí proton takřka stejně rychle a k Alfě Centauri dorazí se zpožděním pouhých 0,3 sekundy. Kdyby tentýž závod absolvovaly obě částice jen na jednu délku LHC (skoro 27 km), porazil by foton urychlený proton o čtvrtinu milimetru.
Počty protonů v jednotlivých svazcích urychlovaných v LHC dosahují stovek miliard, přesto se na každý den činnosti spotřebují pouhé 2 miliardtiny gramu vodíku. Aby takto spotřebovali vědci v CERNu jeden gram vodíku, musely by experimenty probíhat nepřetržitě po více než milion let.
Teploty kvark-gluonového plazmatu, které zkoumá detektor Alice, dosahovaly bilionů stupňů, což je teplota asi stotisíckrát vyšší než uprostřed Slunce.
Přesná délka tunelů LHC je 26 659 metrů. Zdaleka nejde o nejdelší tunel vyražený ve skále. Rekord drží americký akvadukt ve státě Delaware s délkou 137 km.
Uvnitř protonových trubek je téměř nejdokonalejší vakuum, jakého jsme schopni v pozemských podmínkách dosáhnout – tlak plynu je desetkrát nižší než na povrchu Měsíce. Přesto jde o hustotu částic na jednotku objemu o několik řádů vyšší, než pozorujeme ve vzdáleném kosmickém prostoru.
Centrální část detektoru CMS, obsahující obří elektromagnet, váží skoro 2000 tun, což odpovídá hmotnosti pěti Boeingů 747 Jumbo Jet.
Celková délka kabelů podél tunelu LHC dosahuje 7 570 km. Každý kabel se skládá z 36 pramenů, z nichž každý je spletený ze 6400 vláken niob-tantalové slitiny o průměru 0,007 mm. Celková délka všech vláken činí 1,6 miliardy km, o něco víc, než vzdálenost Slunce/Saturn.
Poděkování: Personálu CERNu, speciálně našim úžasným průvodcům a Amiru Aczelovi za zajímavé technické informace použité v článku.
Foto: Robin Durec, Martin Pětvalský, Filip Kramer, Andrea Kuncová
Psáno pro Kosmonautix a Osel.cz