Investujme energii do poznání světa

Lidé dnes daleko méně než dříve fyzicky pracují, často vůbec méně pracují. Nemají do čeho investovat svou energii, takže ji maří například ve speciálních strojích ve fitness centrech nebo ještě horším způsobem. Přitom pocit, že není co dělat, je alespoň ve vědě naprosto nepatřičný. Nemusíme mluvit ani o složitých systémech. Stále nám například scházejí některé stavební kameny do obrazu mikrosvěta, jakým je třeba Higgsův boson, který hraje podstatnou roli při vysvětlení hmotností částic.

Energie jako takové zatím produkujeme dostatek. Je tedy možné uvažovat o tom, jaká zařízení s její pomocí můžeme napájet. Jedním z rafinovaných spotřebičů jsou urychlovače částic, které energii „vyždímanou“ z vody, uhlí nebo jádra koncentrují do kinetické energie elementárních částic – např. elektronů a protonů.

Nejmohutnější spotřebič dodá makroskopickou energii mikroskopické částici
Do nedávné doby nejmohutnější urychlovač Tevatron ve Fermiho národní urychlovačové laboratoři (FNAL) v USA urychluje protony a antiprotony na energie téměř 1 TeV = 0,16 µJ (1 eV = 1,6 x 10-19 J). To je energie malá v našem makrosvětě (kinetická energie napitého 5 mg vážícího komára letícího rychlostí jen asi 0,25 m/s), ale na proton slušně velká – je zhruba tisíckrát větší než klidová energie protonu. Takový proton letí rychlostí 0,999 999 5 rychlosti světla.

K čemu nám ale protony s tak vysokou energií jsou? V druhém desetiletí minulého století provedl Ernest Rutherford a jeho kolegové první „částicový experiment“ – α-částice uvolněné při radioaktivním rozpadu atomového jádra radonu prolétaly zlatou fólií a různě se odkláněly díky interakci s atomy zlata. Pravděpodobnost odklonění α-částic do různých úhlů se zdařilo přesně vysvětlit jedině modelem atomu s kladně nabitým malým jádrem a elektrony hemžícími se okolo. Podobný způsob zkoumání mikrosvěta a jeho zákonitostí se v dalších letech nesmírně osvědčil, zvláště když byly vynalezeny urychlovače, které dokázaly projektily (elektrony, protony, atomová jádra) urychlovat na stále vyšší a vyšší energie. Princip experimentů byl jednoduchý – urychlenými částicemi je ostřelován terč (třeba kapalný vodík nebo nějaký kov) a projektily se srážejí s terčovými protony nebo jádry použitého kovu. Vědci pak studují, co všechno vlastně z oblasti srážky vylétne.. Realizace tohoto jednoduchého principu už tak jednoduchá není.

Stačí urychlované částice uvěznit do kruhového prstence a pak je „nakopnout“
Urychlovače využívají působení elektrického a magnetického pole na nabité částice. Když vyrobíme vysoké napětí (U), získá elektrický náboj (Q) při pohybu v elektrickém poli (v důsledku velkého potenciálového rozdílu) energii odpovídající součinu Q a U. Například v televizoru jsou elektrony urychleny napětím desítek kV, elektrony dopadající na obrazovku pak mají energie desítek keV. Relativně snadno lze dosáhnout napětí několika miliónů voltů, nabité částice je takto možné urychlit až na energie v řádu MeV. Větších energií lze dosáhnout například pomocí dlouhé řady elektrod, mezi nimiž se napětí vhodně střídá tak, aby letící nabitou částici stále urychlovalo. Ještě lepší je použití dlouhého vlnovodu, kde se částice nesou „na příboji elektromagnetické vlny“. Už v šedesátých letech urychloval Stanfordský lineární urychlovač (USA) o délce 3 km elektrony na energie přes 20 GeV (40 000 × klidová hmotnost elektronu). Velkých energií lze také dosáhnout opakovaným urychlováním – stačí urychlované částice uvěznit do kruhového prstence, ve kterém magnetické pole zakřiví jejich dráhu, a při každém oběhu je na několika místech elektrickým polem „nakopnout“. Urychlovací pole je zde vytvářeno v dutinových rezonátorech a musí být synchronizováno s příletem jednotlivých shluků urychlovaných částic. Právě tak pracuje již zmíněný Tevatron.

Limitujícím faktorem pro těžké částice je magnetické pole
Urychlování částic na velmi vysoké energie však není bez problémů. Gradienty polí použitých v lineárních urychlovačích nejsou nekonečné a tak si cesta k vyšším energiím vyžaduje delší urychlovače. Kruhové urychlovače potřebují na zahnutí drah částic magnetické pole, které neumíme vyrobit libovolně velké – v supravodivých magnetech lze vyrobit magnetické pole o hodnotě magnetické indukce necelých 10 T (4,4 T v Tevatronu, 8,3 T v LHC), proto i zde vyšší energie znamenají větší rozměry (Tevatron má obvod 6,3 km, nově vybudovaný LHC 27 km). Magnetické pole je limitujícím faktorem pro těžké částice, například protony a jádra. Při urychlování elektronů se objevuje jiný efekt – elektrony pohybující se po kruhové dráze vyzařují elektromagnetické vlny (podobně jako kmitající elektrony v anténě mobilu vyzařují elektromagnetické vlny přenášející naši řeč a elektrony pohybující se ve šroubovicích v magnetronu vyzařují elektromagnetické vlny do prostoru mikrovlnné trouby) a tím se dodávané energie zbavují. Aby se zmenšilo vyzařování elektronů na únosnou míru, je nutné jejich dráhy co nejméně zakřivovat, je tedy nezbytné opět postavit co největší kruhový urychlovač (LEP v ústavu CERN v Ženevě měl obvod 27 km).

Nechte je srazit se
Vedle zmíněného základního principu, tedy urychlenými částicemi ostřelovat terč, byl vymyšlen další „trik“, vedoucí k větším využitelným energiím: namísto ostřelování terče nechat čelně srazit dva proti sobě letící svazky částic (morbidní inspirací k takovémuto uspořádání jsou zkušenosti ze srážek aut i vlaků, racionální argumenty poskytuje odpovídající relativistický výpočet). Pro vstřícné svazky se hodí urychlovat částice skoro stejné, jen s opačným nábojem – pak je může zakřivovat stejné magnetické pole. Tevatron je urychlovač se vstřícnými svazky protonů a antiprotonů, LEP urychloval svazky elektronů a pozitronů.

Účinně stokrát za rok
Při vysokých energiích dosažitelných ve vstřícných svazcích se dostává do popředí důležitý jev – už zdaleka nedochází jenom k tomu, že by se srážející se částice jenom odchýlily, a také (pokud nejde o srážky jader), že by se ve srážce roztříštily na nějaké své další části. S velkou pravděpodobností se rodí částice NOVÉ. Ve srážce dvou protonů se zpravidla narodí spousta pionů (ve starší literatuře označované jako π-mezony), několik dalších protonů a antiprotonů i jiných částic. Chcete-li, aby se narodila nějaká konkrétní částice, je klíčové mít na to ve srážce dostatečnou energii (i s uvážením takových komplikací, že se proton a antiproton vždy rodí jako dvojčata, stejně jako elektrony s pozitrony). Kromě toho, že potřebujete dostatečnou energii, potřebujete dostatečnou frekvenci srážek, svazky musí být dostatečně „husté“, přesněji dostatečně zaostřené v místech srážek. Většina zajímavých událostí ve srážkách se děje s malou pravděpodobností (kterou charakterizujeme tzv. účinným průřezem – veličinou beroucí v potaz rozměr plochy terče, podobně jako pravděpodobnost zásahu míčem můžeme charakterizovat plochou, kterou míči vystavujeme). Abychom málo pravděpodobný děj uvidě-li, musíme sledovat velký počet srážek. Veličina, která charakterizuje výkon urychlovače v tomto smyslu je luminozita (se standardně užívanou jednotkou cm-2 s-1). Počet událostí, které pak můžeme vidět za jednotku času je pak luminozita×účinný průřez. Typická luminozita dnes navrhovaných urychlovačů je 1033 cm-2s-1. Rok práce (s nutnými přestávkami) znamená 107 s, takže zajímá-li nás výsledek srážky s účinným průřezem 10-38 cm2, můžeme v takovém případě očekávat jednu srážku asi za 100 za roků.
Abychom mohli sledovat částice vyletující z míst srážek, potřebujeme nějaké detektory. Jak takové detektory zkonstruovat, to je zajímavá otázka, kterou ale odložíme až na nějaký další článek.

Co se děje v CERN
Zatím jsme se zmínili jen o Tevatronu v daleké laboratoři FNAL (i tam však pracují čeští fyzikové, podílejí se na experimentu D0). Tevatron prodělal v posledních letech omlazovací kůru, která o trochu zvýšila jeho maximální energii a hlavně luminozitu. Na Tevatronu byl v roce 1995 objeven poslední očekávaný kvark („top“) a dnes na něm fyzikové pokračují v bádání. Blíže k nám je mezinárodní laboratoř CERN v Ženevě (Česká republika je členskou zemí této organizace) a německá laboratoř se silnou mezinárodní účastí (opět i českých fyziků) DESY v Hamburku.
V CERN pracoval do roku 2000 urychlovač vstřícných svazků elektronů a pozitronů na energie 100+100 GeV, který přinesl spoustu detailních poznatků upřesňujících současný pohled na mikrosvět – současný „standardní model“. Tento urychlovač je dnes již rozmontován a v jeho tunelu, 100 metrů pod zemí, začal v roce 2008 fungovat nový urychlovač LHC (Large Hadron Collider), jenž urychluje vstřícné svazky protonů s energií 7+7 TeV, později též částic těžších až nakonec i olověných jader. V současnosti se vyrábějí a testují magnety a další komponenty tohoto urychlovače. V CERN ale stále ještě pracuje starší urychlovač SPS, urychlující protony na 400 GeV.

Urychlovač pracuje i v DESY
V DESY v Hamburku pracuje urychlovač vstřícných svazků protonů a elektronů HERA (p:920GeV+e:30GeV), čeští fyzikové se podílejí na experimentu H1. DESY projektuje 33 km dlouhý lineární urychlovač TESLA, kde by se měly srážet elektrony s pozitrony s energií 250+250 GeV či vyšší. Tento projekt ještě není schválen.
Na světě je mnoho dalších urychlovačů, zmínili jsme se jen o těch největších. Z jejich rozměrů vidíte, že jde o monstrózní zařízení. Neméně monstrózní jsou detektory už fungující nebo připravované. Zajímá-li vás tento způsob utrácení energie (ať už v symbolickém nebo konkrétním smyslu), podívejte se na stránky částicové fyziky v ČR: http://www-hep2.fzu.cz/~rames/outreach/castice.html , kde také najdete odkazy na všechny zmíněné laboratoře).
O LHC najdete článek i v Třípólu – viz http://www.3pol.cz/index.asp?clanek&view&718

Použity materiály FNAL, DESY, CERN