Na novém urychlovači částic se podílejí i Češi

Na mezinárodním projektu urychlovače částic FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) zabývajícím se výzkumem atomového jádra a antiprotonů se podílí i Česká republika a prostřednictvím skupiny Elevion, jejíž dvě společnosti uspěly v soutěži o dodavatele, také energetická firma ČEZ. Po dokončení se FAIR stane jedním z největších urychlovačů na světě: plán počítá s tunely o celkové délce 3,5 km a osmi urychlovacími a skladovacími okruhy. Systém dokáže urychlit částice všech chemických prvků, od vodíku až po uran, a antiprotony až téměř na rychlost světla a simulovat jejich srážky s jinými atomovými jádry. Na projektu bude pracovat zhruba 3 000 vědců z 50 zemí. Chtějí hledat odpovědi na otázky typu: Jak se vyvinul vesmír? Jak vznikají chemické prvky? Proč někdo váží 70 kg, když všechny elementární částice tvořící celek jeho atomů společně váží pouhých 700 gramů?

Mezinárodní urychlovač FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe) bude novou evropskou výzkumnou infrastrukturou s působností v oblasti jaderné a hadronové fyziky. FAIR-CZ zastřešuje aktivity výzkumných organizací ČR v jaderné a hadronové fyzice a v jaderné astrofyzice ve 3 výzkumných pilířích FAIR-CBM (Compressed Baryonic Matter), PANDA (Anti Proton Annihilation at Darmstadt) a NuSTAR (Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions). Do 4. výzkumného pilíře FAIR-APPA (Atomic, Plasma Physics and Applications) jsou zahrnuty výzkumné aktivity ČR v biofyzice a radiobiologii.

Česká republika je přidruženým členem FAIRu od března 2019.

Nepeněžní příspěvky ČR na výstavbu FAIR budou spočívat v dodávkách klíčového vybavení pro elektromagnetický kalorimetr (detektor) ECAL spektrometru HADES, detektor PSD (Projectile Spectator Detector) spektrometru CBM, elektromagnetický PbWO₄ kalorimetr spektrometru PANDA, modulů detektoru GADAST pro NuSTAR a vakuových komponent pro BIOMAT, který je částí výzkumného programu APPA.

Další podílející se země: Finsko, Francie, Německo, Indie, Polsko, Rumunsko, Rusko, Slovinsko a Švédsko, přidružené je i Spojené Království.

Investice: 3.1 miliardy eur (v cenách roku 2020). Start prvních experimentů: 2025. Konec konstrukčních prací: 2027.

Co z toho ČR bude mít?

Mezi služby, které FAIR-CZ nabízí, patří možnost podílet se na vývoji a konstrukci experimentálního vybavení FAIR a koordinace přístupu k výzkumu na zařízeních FAIR. Díky FAIR-CZ budou mít výzkumní pracovníci z ČR rovněž možnosti využívat nové technologie vyvinuté v rámci projektů, které jsou realizované ve všech 4 výzkumných pilířích FAIR, a také výpočetní centrum Tier3 v hostitelské instituci, které je jedním z národních uzlů sdílených výpočetních sítí GRID. FAIR bude po svém dokončení a uvedení do provozu hrát vedoucí roli v oblasti jaderného a hadronového výzkumu ve světě po několik desetiletí.

Čím bude FAIR zvláštní

FAIR bude jedinečný zejména díky produkci vysoce stlačeného plazmatu pomocí intenzivních svazků relativistických těžkých iontů nebo produkci unikátních svazků antiprotonů v akumulačních prstencích či intenzivních svazků radioaktivních jader. Poskytne tak široké vědecké komunitě světově unikátní podmínky, které umožní dosud nerealizovatelná měření, a to jak v základním, tak aplikovaném výzkumu. Jedním z očekávaných výsledků FAIR je např. ověření jaderně-fyzikálního modelu fúze neutronových hvězd generující tzv. „gravitační vlny“, za jejichž objev byla udělena Nobelova cena za fyziku za rok 2017.

Laboratoř, jejímž jádrem je urychlovač těžkých iontů SIS100, je nově budovanou velkou evropskou výzkumnou infrastrukturou. FAIR s celoevropským významem a působností v oblasti jaderné a hadronové fyziky vzniká v Darmstadtu v návaznosti na výzkum zdejší německé národní laboratoře GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), jejíž kapacity bude rovněž využívat.

FAIR-CBM

Výzkumný program stlačené baryonové hmoty se skládá ze dvou experimentů studujících horkou a hustou jadernou hmotu: HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) a CBM (experiment Compressed Baryonic Matter). Experiment HADES je zaměřen na studium hadronových vlastností v médiu, experiment CBM využije extrémní intenzity svazku těžkých relativistických iontů, a tedy i možnosti studovat vzácné reakce a částice. Čeští vědci přispívají k výzkumu, vývoji a konstrukci elektromagnetického kalorimetru pro spektrometr HADES a detektoru fragmentů PSD (Projectile Spectator Detector) pro spektrometr CBM. Tyto experimenty pomocí vysokoenergetických srážek atomových jader na krátký čas napodobí podmínky uvnitř velmi hmotných a hustých objektů, jakými jsou neutronové hvězdy. HADES zahájil první experimenty již v roce 2019 ve fyzikálním programu FAIR fáze 0, CBM zahájí svůj fyzikální program 2023.

PANDA

Výzkumný program využije antiprotonové svazky nebývalé intenzity a kvality. V interakcích s protonovým terčem budou produkovat různé kompozitní částice, obsahující tzv. „podivné“ a „půvabné“ kvarky. PANDA bude zkoumat interakce antiprotonů s materiály, strukturu protonu a antiprotonu a jejich polarizaci, jakým způsobem vzniká spin (vlastní moment hybnosti) protonu. Čeští vědci přispívají k výzkumu, vývoji a konstrukci elektromagnetického kalorimetru na bázi krystalů PbWO₄ a k detektoru Micro Vertex. Rozvíjí se silná spolupráce s turnovskou firmou CRYTUR na rozvoji výrobních metod a masové produkci unikátních krystalů PbWO₄.

NuSTAR

Výzkumný program je věnován studiu struktury jader a jaderných reakcí. Komunitu NuSTAR tvoří 700 vědců ze 170 institucí celého světa. Používají se svazky různých druhů radioaktivních jader, separovaných a identifikovaných pomocí Superconducting Fragment Separatoru (Super-FRS), ústředního prvku všech experimentů NuSTAR. Experimentální výzkum českých týmů bude zaměřen na hledání nových typů radioaktivity (neutronový rozpad, dvojitý neutronový rozpad aj.). Jedna z českých skupin bude pracovat na čistě teoretickém výzkumu s využitím výstupů reálně proběhlých experimentů. Hodlá studovat a popsat strukturu neutronových hvězd vytvořením jejich počítačových modelů.

APPA

Tento projekt využije vysoce intenzivních svazků stabilních i radioaktivních jader pro širokou škálu studií různých materiálů a biologických vzorků či tkání, cílí ovšem i na nové způsoby zpracování dat. APPA zahrnuje několik experimentálních programů:

• BIOMAT - biologie a věda o materiálech (Biology and Material Science)
• FLAIR - laboratoř pro nízkoenergetický výzkum s antiprotony a těžkými ionty (Facility for Low-Energy Antiproton and Heavy Ion Research)
• HEDgeHOB - hustá vysokoenergetická hmota generovaná svazky těžkých iontů (High Energy Density Matter generated by Heavy Ion Beams)
• SPARC - spolupráce v atomovém výzkumu tzv. nasbíraných částic (Stored Particles Atomic Research Collaboration)
• WDM - zahřátá hustá hmota (Warm Dense Matter)

Čeští vědci pracují v biolékařském výzkumném programu BIOMAT. Zaměří se na optimalizaci iontové léčby rakoviny: redukci nejistot při podávání dávky, zvýšení přesnosti výpočtu dávky a zlepšení porozumění biologické účinnosti iontového svazku. Budou studovány i možnosti využití radioaktivního svazku izotopů uhlíku ¹¹C pro léčbu rakoviny.

 Zdroje:

FAIR-CZ - Ústav jaderné fyziky AV ČR (cas.cz)

Tisková zpráva ČEZ