Ve světě částic

Nejrozsáhlejší mezinárodní výzkumné centrum částicové fyziky, které provozuje největší urychlovač na světě LHC – Large Hadron Collider – oslavilo letos v září 60. výročí. Ačkoli rozhodnutí o založení Evropské organizace pro jaderný výzkum Conseil Européen pour la recherche nucléaire padlo v UNESCO v únoru 1952, CERN byl oficiálně založen 29. září 1954 teprve 22 podpisy zakládajících členů. V České republice připomněla kulaté jubileum interaktivní výstava, kterou uspořádal Výbor pro spolupráci ČR s CERN společně s AV ČR, ČVUT a Univerzitou Karlovou. Přesuňme se nyní na švýcarsko-francouzskou hranici nedaleko od Ženevy, a to přímo do území, které loni „akcelerovalo“ až k Nobelově ceně. Jelikož každé zařízení potřebuje čas od času údržbu, CERN nevyjímaje, podařilo se skupině českých novinářů během odstávky nakouknout až do útrob mezinárodního organismu.

Cernský mikrosvět

Členství v CERN sice nebylo nikdy výslovně vyhrazeno jen evropským státům, ty mimoevropské se na tamním výzkumu různými formami podílely, ale až roku 2010 jej Rada CERN skutečně otevřela všem zemím světa a letošního ledna se 21. řádným členem stal Izrael. Od sedmdesátých let 20. století se tu věnují výzkumu mikrosvěta na subjaderných vzdálenostech, s pomocí urychlovače LHC v současnosti až desettisíckrát menších než je rozměr protonu. Došlo zde ke třem základním objevům, které přispěly k formulaci soudobého standardního modelu mikrosvěta: objev neutrálních proudů (1973), intermediálních vektorových bosonů (1983) a Higgsova bosonu (2012), který stavbu standardního modelu završil.

Jakkoli je těžištěm výzkumu v CERN fyzika částic, ženevské pracoviště je důležité i pro astrofyziky; nachází se zde velín experimentu AMS – Alpha Magnetic Spectometer, který detektorem umístěným na ISS (International Space Station) měří od května 2011 vzácné částice kosmického záření s cílem odhalit podstatu temné hmoty ve vesmíru.

Je zde i experiment příznačně nazvaný CLOUD – Cosmics Leaving Outdoors Droplets, jenž pomocí komory o objemu 20 krychlových metrů zkoumá procesy v atmosféře vedoucí k tvorbě aerosolů a kondenzačních jader mraků a vliv kosmického záření na tyto procesy.

Z výzkumu v CERN profituje vývoj moderních technologií, na jejichž základě se poté rodí inovace i v oblastech značně vzdálených. Vždyť například web vyvinul před čtvrt stoletím Tim Bernes Lee pro potřeby experimentů na urychlovači LEP. Spadá sem také využití drátových proporcionálních komor v lékařské diagnostice, za něž George Charpak získal v roce 1982 Nobelovu cenu.

Magnet na studenty a česká účast v CERN
Zázemí pro pracovníky, kteří se starají o experimenty, sbírají a analyzují data, tvoří infrastruktura zabezpečující chod urychlovačů. Ve skupině odpovědné za radiační ochranu pracoval absolvent Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT dr. Jan Blaha. Dříve, již během studií, se účastnil budování experimentu COMPASS a CMS. Tady navázal kontakt s francouzskou skupinou z Lyonu, s níž se podílel na vývoji elektromagnetického kalorimetru pro experiment CMS. V současné době působí jako fyzik radiační ochrany na urychlovačích v SLAC na Stanfordské univerzitě a s CERN nadále spolupracuje.

Krátká stáž s experimenty na svazcích, které se dělaly s prototypy tohoto detektoru, se Vám protáhla na několik let, doktorát z částicové fyziky jste získal na Univerzitě v Lyonu. Jak jste poután k CERN?

Po obhajobě jsem dostal nabídku pokračovat ve stejné doméně, tj. na vývoji detektoru pro experimenty ve fyzice vysokých energií, konkrétně nového typu hadronového kalorimetru v laboratoři v Annecy, která je součástí CNRS (Centre national de la recherche scientifique). Relativně mladá laboratoř částicové fyziky byla postavena co nejblíže k CERN, s nímž je většina projektu pevně svázána oboustrannou spoluprací.

Abych si rozšířil doménu, jako postgraduální výzkumník jsem zde spoluvyvíjel nový typ detektoru pro budoucí lineární urychlovač, který přibližně v horizontu 15 let bude pokračovat experimenty v částicové fyzice po LHC nebo super LHC. Mimochodem, kromě cernského projektu CLIC (kompaktní lineární srážkovač) existuje ještě druhý velký projekt ILC, tzv. mezinárodní lineární srážkovač. Když mi kontrakt končil, využil jsem nabídky z CERN přejít do sekce radiační ochrany, takže jsem konvertoval do fyziky aplikované. Zdejší sekce má několik podsekcí – dozimetrii, radioaktivní odpad, instrumentaci a kalibraci atd. V té naší se staráme o urychlovače a zodpovídáme také za návrh stínění a radiační ochranu pro budoucí projekty. Zde byl můj úkol – pro nový urychlovač LINAC4, který je nyní v konstrukční fázi a měl by nahradit jeden z nejstarších urychlovačů v CERN, jsem připravoval kompletní radiologické vyhodnocení.

Bavil vás víc základní výzkum, nebo aplikace?

R&D, který obsahuje část teoretickou i část experimentální, mám velmi rád. Dříve jsem si při práci užíval příjemnou rovnováhu, odpovídal jsem nejen za fyzikální studie, které se dějí víceméně výpočtově, ale i za instrumentaci, stavbu vlastního detektoru s použitím nových technologií podle novinek, které přicházejí z inženýrského světa. Jenže člověk musí přemýšlet, co dál. Zvolil jsem cestu aplikací, radiační fyziku, která poskytuje více možností uplatnění. Nejsem vázán jen na výzkumná centra, ale mohu pracovat všude, kde se používají jaderné metody – v medicíně, průmyslu, jaderných elektrárnách atd.

Proč je CERN údajně jedním z radiačně nejbezpečnějších míst?

Systém radiační ochrany je v CERN velmi sofistikovaný a striktnější než v okolních zemích, protože musíme splňovat legislativu švýcarskou i francouzskou, které se vzájemně liší; francouzská více odpovídá legislativnímu rámci Evropské unie, Švýcaři mají vlastní legislativu. Jedna je přísnější v jednom ohledu, druhá v jiném a CERN musí splňovat obě. A přísná pravidla radiační ochrany se týkají nejen budoucích projektů, ale i těch zařízení, která byla postavena před 20-30 lety, kdy platily úplně jiné normy.

Normy se zpřísňují každý rok, jak rychle pravidla obecně zastarávají?

Mezinárodní komise pro radiační ochranu (ICRP) poskytuje přibližně jedenkrát za 10 let tzv. doporučení. Můžeme říci, že se nám zpřísňují limity a podmínky po dekádách. Nejstarší urychlovače v CERN, například lineární injektor nebo protonový synchrotron, běží víc než 30 či dokonce víc než 50 let. Navrženy byly pro jistý výkon, poté v průběhu několika dekád upgradovány. Pro budoucí urychlovače a experimenty máme k dispozici vlastní limity určené pro budoucí projekty, které jsou mnohem přísnější než ty současné, protože počítají se splněním norem i za 20-30 let.

Na jak dlouho dopředu se s experimenty počítá?

Už se uskutečňuje výzkum pro budoucí lineární urychlovač, jehož spuštění se plánovalo v roce 2024, nyní ale spíše později. Přípravná fáze trvá 10 let, stejně tak dlouho konstrukční fáze a dalších 10 let se bude urychlovač provozovat. Není to jako dřív, kdy kolegové zažili několik velkých experimentů – dnes potkáte fyzika, který se za svou kariéru účastnil jediného experimentu; v současnosti se škála pohybuje v dekádách.

Experimenty se mění, ale urychlovače povětšinou zůstávají, protože se z těch starších stanou injektory pro budoucí větší zařízení. Mé studie počítají s dobou provozu okolo 30 let.

Není tajemstvím, že by se zdejší 27kilometrový okruh měl ještě rozšířit. Kam až?

Takové studie zrovna probíhají. O budoucích projektech se hovořilo na loňské konferenci v Šanghaji. V rámci jednoho z nich by měl vzniknout urychlovač s obvodem 80 km. Proti stávajícímu LHC by tedy měl být několikanásobně větší. Existují inženýrské studie pro několik lokalit, nejpravděpodobnější se jeví prstenec pod ženevským jezerem napůl ve Francii a Švýcarsku. Uvažuje se také o projektu velkého lineárního urychlovače, který by mohl mít od 20 do 40 km. Na rozdíl od kruhového urychlovače se urychlené částice srážejí pouze v jednom místě, využívají v danou chvíli pouze jeden detektor. Snahou je mít minimálně dva detektory, které samozřejmě naměří stejnou věc, ale za použití jiných technologií. Detektor by se zasunul do místa, kde se částice srážejí, nabrala by se data a pak by se vystřídal s druhým detektorem. Tyto možnosti otevírají mnoho inženýrských otázek, které jsou při velikosti stávajících detektorů ještě o třídu náročnější než v případě klasického statického detektoru jako u LHC.

Zmínil jste konferenci v Šanghaji. Nepočítá Asie s vybudováním podobného urychlovače, jakým se pyšníte tady?

Urychlovače typu LHC si žádná země nemůže z ekonomických důvodů dovolit. Na budoucím velkém lineárním urychlovači pracuje komunita několika tisíc lidí na vývoji, na přípravě projektu, ale zatím se neví, kde bude. Uvažuje se o třech místech: v Evropě, nejlépe v CERN, aby se zachovala kontinuita, v Americe, kde nyní žádný velký urychlovač není, a úsilí, aby jej získala, vyvíjí také Asie, hlavně Japonsko.

Není seizmicky aktivní Japonsko problematické?

Přesně tak. Ovšem Japonci s tímto faktorem umějí velmi dobře pracovat. Existující studie označují místa, která jsou bezpečná a je možné tam urychlovač vybudovat.

Můj poslední dotaz směřuje na zařízení v Číně.

Byl jsem překvapen, jak velké množství urychlovačů v Číně mají, nejen výzkumných, ale také používaných v medicíně a průmyslu. Nabyl jsem dojmu, že je tato země soběstačná. V Šanghaji jsme navštívili tamní supermoderní synchrotron otevřený v roce 2009, který si Čína vybudovala sama. Nyní uvažují o mezinárodní spolupráci; chtějí si zvát výzkumníky se zajímavými projekty, kteří by na tomto zařízení mohli uskutečnit své experimenty. Jen z Číny pochází asi 4000 zájemců a výzkumných skupin, kteří by tyto experimenty rádi dělali. Množství výzkumných záměrů je v Číně obrovské.

Okruh částicový a cyklistický

Při pohledu do hlubin umělé jeskyně, kdy odstraněné krycí panely obnažily vysunuté gigantické srdce detektorů, se tajil dech. Místo částic krouží kolem kilometrů modrých trubic „údržbáři na kolech“ – o celém areále se vlastně dá říci, že je jedním velkým cyklookruhem; tolik jízdních kol na relativně malém nadnárodním území určitě jinde nenajdete. Bílé velocipédy s modrými nápisy CERN parkují ve venkovních stojanech nebo visí v chodbách na hácích. Čekají i před nenápadnou budovou, kde se částice neurychlují, ale naopak zpomalují.

A někde se i brzdí

Velké zastoupení v CERN má Itálie, v jejíchž barvách pracuje dr. Daniel Krasnický, absolvent Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze, který získal doktorát v Itálii a nyní pokračuje jako postdoktorand v tamním Národním ústavu pro jadernou fyziku v Janově. Italsky něco zašveholí na své kolegy dole u přístrojů, než se vrátí k češtině, aby odpověděl na otázku:

Už podle názvu v tomto okruhu neženete částice až k rychlosti světla, ba právě naopak. Co je smyslem antiprotonového decelerátoru?

Stavíme experiment AEgIS, jehož cílem je změřit gravitační působení na antihmotu. Znamená to, že chceme vyrobit antivodík a poté sledovat, jak padá v gravitačním poli Země. Výzkum se uskutečňuje v CERN, ale v domovských ústavech se vymýšlejí různá vylepšení, staví části experimentu, které se přivezou a na místě zkompletují. Spolupracuje zde asi 10 ústavů z Evropy, také Češi z již zmíněné fakulty, která tu má malé, ale toho času velmi důležité zastoupení. Studujeme antihmotu v atomárním stavu. Antivodík je atom složený z antiprotonu a pozitronu, což jsou antičástice protonu a elektronu, které mají téměř stejné vlastnosti jako částice až na opačný náboj. Setká-li se částice se svou antičásticí, dojde k anihilaci (zániku), při níž se hmota původních částic přemění na energii (podle Einsteinova vzorce E =mc²), kterou odnesou nově vzniklé méně hmotné částice a fotony. Kolegové na experimentech ATLAS nebo ALICE srážejí jádra, aby je zničili a pak pozorovali, z čeho se protony a neutrony skládají a jak mezi sebou jejich subčástice (tzv. kvarky) interagují. My se naopak snažíme vytvořit atomární antihmotu a vidět, jak se chová v porovnání s hmotou normální. K tomu, abychom mohli porovnávat antivodík s vodíkem, potřebujeme nízké energie, jinak by antivodík neexistoval – pozitron (antielektron) by odlétl, nedržely by spolu. Vazební energie elektronu v atomu jsou velmi nízké v porovnání s energiemi, které drží pohromadě jádro, čili neutrony a protony. V experimentu AEgIS využíváme nejnovějších poznatků z mnoha oborů fyziky a za zmínku stojí, že v části experimentu se bude teplota lišit jen o desetinu stupně od absolutní nuly! Antivodík vytváříme, aby byla antihmota neutrální a mohli jsme pozorovat, jak padá nebo letí nahoru. V některých experimentech se vědci snažili sledovat tento efekt na pozitronech (tj. vázaný stav pozitronu a elektronu předtím, než spolu anihilují) nebo na antiprotonech samých, protože by teoreticky vlastně měly stačit – správně by vše mělo padat k zemi (jak již objevil Galileo Galilei). Jenže pak i malé elektrické pole gravitační sílu přemůže a efekt tudíž není vidět. Proto tolik složitostí, abychom antivodík vyrobili, udrželi ho chladný (pomalý) a viděli jeho pád.

Antivodík nemá elektrický náboj, je celkově neutrální, tudíž jej lze méně ovlivnit všude přítomnými elektrickými nebo magnetickými poli. Jak takový experiment probíhá a jak jste daleko?

Jsme ve fázi výstavby a zkoušení některých částí. Nejprve se vyrobí antiprotony, zpomalí se v decelerátoru, nashromáždí se a pak se vypustí jednou za sto sekund asi 10⁷ antiprotonů, které musíme zachytit a ještě snížit jejich energii. Před dvěma roky jsme spustili první část experimentu a dokonce jsme v pastech zachytili rekordní počet antiprotonů (jde to celkem dobře, protože mají náboj). Vyrobit antivodík je složitější. Ostatní experimenty v rámci decelerátoru už pracují delší dobu a antivodík vyrábějí celkem standardně. Převážně americký experiment ATRAP a evropštější kolaborace ALPHA mají za cíl antivodík zachytit a měřit jeho spektrum. Neutrální antivodík má různé elektrické a magnetické momenty, takže se je vědci snaží zadržet přes magnetický moment. V AEgIS máme k dispozici dva supravodivé magnety, které fungují při teplotě tekutého helia. Z jedné strany přicházejí antiprotony z decelerátoru, v prvním 5T magnetu se zachytí, my je „zchladíme“, tj. snížíme jejich energii a transportujeme je do 1T magnetu, kde by mělo dojít k výrobě antivodíku. Chtěli bychom vytvořit antivodíkový svazek, aby se dalo pozorovat, jak svazek padá v gravitačním poli Země na délce přibližně 1,5 metru. Jde o to změřit mikronový posuv antivodíkového svazku. Celé toto složité zařízení spojuje obrovské množství oblastí fyziky a nejnovějších technologií; z jaderné fyziky, fyziky přesnosti měření (měření gravitačního posuvu atomů) a v experimentu je zastoupena i částicová fyzika (detektory částic). Jsou tu kryogenní systémy pro velmi nízké teploty, antivodík chceme dokonce vyrobit při 0,1 stupně Kelvina, tzn. desetinu stupně od absolutní nuly. Máme tu vakuovou techniku, lasery… Takto přesná měření se v CERN většinou nedělají, výstupy z experimentů jsou založeny na vysoké statistice a velmi propracované analýze dat, zatímco experimenty v antiprotonovém decelerátoru jsou jakýmisi kříženci mezi přesnou atomovou fyzikou a částicovou fyzikou s jejími detektory a s malým počtem detegovaných částic.

Částice tedy brzdíte pomocí magnetu. Co se s nimi děje dál a nakolik jste schopni snížit jejich energii?

Srdce experimentu, na kterém pracujeme v Janově, tvoří elektromagnetické pasti a tzv. Penningova past. Vytváříme magnetické pole koaxiální se svazkem, takže udržuje částice, aby neutekly radiálním směrem. Antiprotony tedy nemohou utéct radiálně, ale mohou podél osy, kudy přilétnou, protože tam magnetické pole nefunguje. Na to máme elektrody, impulzním elektrickým polem antiprotony zachytíme. Představte si to jako dolík, na jehož jedné straně by se v kopci otevřel tunel, kterým antiproton prolétne, ale na konci narazí na druhý kopec a odrazí se zpátky; jenže my mezitím tunel zavřeme a antiproton se zase o kopec odrazí – a takto jej elektrickým polem zachytíme. Nyní s úspěchem chytáme antiprotony s energií pod 10 keV (kiloelektronvoltů) a jsme schopni je „zchladit“ na 0,5 eV (elektronvoltu) a níže. Naším cílem je ale dosáhnout energie přibližně 100 µeV (mikroelektronvoltů), takže nám stále chybí ještě tři řády a čeká nás plno práce.

Ocelové díly přístroje pocházejí z Itálie, část je z Anglie – najdeme zde i český vklad?

Češi vyrobili transferline pro pozitrony – to, co jsem pod vedením doc. Vojtěcha Petráčka navrhl v rámci magisterské práce. Transferline slouží k transportu pozitronů z části experimentu, kde je akumulujeme v elektromagnetické pasti, a pak je musíme dostat do hlavních pastí, v nichž se vyrobí antivodík. Způsob, jak je tam dostat, byla moje práce. Katedra fyziky FJFI ČVUT na toto zařízení významně přispěla. Vakuum Praha vyrobilo vakuové komory. Z Čech jsou i cívky kolem vakuové komory.

Hledáte nějakou svou „božskou antičástici“? Máte pocit, že se v decelerátoru dějí věci předvídatelné? Je něco překvapivého, co vám nedá spát?

Název „božská částice“ vymysleli novináři, v našem případě se zas mluví o tom, jak necháme vybuchnout Vatikán… Chceme jen změřit, jestli Einsteinova obecná teorie relativity nepotřebuje „revizi“. V experimentální fyzice a v základním výzkumu obecně není zdaleka vše předvídatelné a právě to je hezké. Většinou tušíme, že antihmota bude padat k zemi stejně jako hmota, ale leckdo taky v koutku duše doufá, že tomu tak úplně nebude – a to by teprve byla pecka! Co se týče spaní a pohody, vše se odvíjí od toho, jestli v experimentu fungují veškerá zařízení, jak mají. V opačném případě bude člověka kromě svědomí budit ve tři ráno i kolega na noční směně, který se snaží plně zprovoznit experiment.

Částice krásné

S českou účastí v CERN je rovněž spojeno jméno doc. Jana Hladkého. Čerstvý osmdesátník – narodil se v říjnu 1934 – nejen participuje na experimentu ALICE, ale už od středoškolských studií experimentuje také na poli uměleckém, a to od kreseb až po hmotné trojrozměrné artefakty ze skla i ze zbytků cernských součástek. Byl také prvním výtvarníkem, který měl v CERN svou výstavu (2011). Expozici pochopitelně dominovalo jeho výtvarné zpodobnění v té době ještě nepotvrzeného Higgsova bosonu.

Podobně jako jiní českoslovenští vědci musel si i doc. Jan Hladký počkat až na pád železné opony, aby rozjel vědeckou kariéru v Hamburku, kde působil do roku 2010, než přešel do CERN. Jeho oblíbeným polem působnosti je popularizace vědy, kdy dokáže své znalosti a zkušenosti využít na všech frontách fyziky mikro- i makrosvěta, částic téměř nehmotných, nepatrných i krásných. A cože jsou to ty krásné částice? Na vyzvídání o inspiračních zdrojích ke svým knižním ilustracím mi s vtipem sobě vlastním doplnil, že si studenti daleko lépe pamatují informace ze skript, kde je „particle physics“ doplněna o částice krásné neboli akty.