LHC – stroj na podivnosti

Poblíž Ženevy na hranicích mezi Francií a Švýcarskem byl Evropskou organizací jaderného výzkumu CERN 10. září 2008 uveden do zkušebního provozu největší urychlovač částic na světě (Large Hadron Collider - LHC). Leží 50 až 175 metrů pod zemí v kruhovém tunelu dlouhém 27 kilometrů. Je vybaven soustavou 9600 velkých supermagnetů chlazených na teplotu kapalného helia, které řídí a urychlují tok částic až téměř k rychlosti světla. Na jeho budování se podílelo více než 10 000 fyziků a na 500 výzkumných institucí a firem z celého světa, včetně českých. Projekt stál zhruba šest miliard švýcarských franků (asi 94 miliard Kč). Jde o dosud vůbec největší zařízení vybudované lidmi.

K čemu to je

Princip experimentů je jednoduchý – urychlenými částicemi ostřelujeme terč (třeba kapalný vodík nebo nějaký kov, tj. projektily se srážejí s terčovými protony nebo jádry použitého kovu) a díváme se, co z oblasti srážky vylétne. Čím vyšší rychlost (tedy i energie) částic, tím zajímavější výsledky. Kromě základního principu ostřelování stojícího terče urychlenými částicemi existuje ještě další varianta, která vede k větší využitelné energii. Tuto variantu představuje čelní srážka dvou proti sobě letících tzv. vstřícných svazků 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 nám stačí jedno magnetické pole na ohýbání drah obou svazků zároveň (viz vysvětlení na konci článku). LHC přitom dokáže urychlit pohyb částic tak, že dosahují téměř rychlosti světla. Částice obletí 27 km dlouhý okruh za jedinou sekundu jedenácttisíckrát. Ve vstřícných svazcích se částice srážejí s energií, která stotisíckrát překoná obvyklou energii částic v jádru Slunce. Na kratičký okamžik tak vzniknou podmínky, které pravděpodobně existovaly těsně po Velkém Třesku, tj. po vzniku vesmíru. LHC tedy může přispět nejen k objasnění vzniku vesmíru, ale také přinést nové poznatky o struktuře hmoty, objevit dosud neznámé částice, nebo podat důkaz o existenci částic dosud hypotetických, jejichž existenci vědci vypočítali, ale zatím je ještě nepozorovali.

Vesmírná archeologie nebo hazard?

Skupina občanů EU se žalobou u soudu domáhá zákazu provozu LHC, protože se obává, že zařízení by mohlo vyprodukovat „černou díru, která by následně pohltila celou zeměkouli“. Vědci skutečně předpokládají, že při vstřícných srážkách se hmota dostane do stavu tzv. kvark-gluonového plasmatu a že vzniknou ty nejpodivnější částice (skutečně se jmenují „strangelets“ = „podivnůstky“ a jsou kandidáty na vysvětlení existence tzv. „temné hmoty“ ve vesmíru) nebo i malé černé díry, které se ale vzápětí „vypaří“. Příroda nás totiž, jako obvykle, trumfla i tady – v přírodě (v kosmickém záření) totiž dochází ke srážkám částic s ještě větší energií, než jakou bude umět LHC.

„Jestli se nestane něco z toho, co očekáváme, a naopak stanou se věci, které jsme nepředvídali, bude to ještě více stimulující, protože by to znamenalo, že přírodě rozumíme méně, než jsme si mysleli,“ říká výstižně britský fyzik Brian Cox.

Detekce srážek

Abychom mohli sledovat částice vyletující z míst srážek, potřebujeme detektory. Konstrukce takových detektorů je další zajímavé téma, které odložíme až na nějaký další samostatný článek. Na vývoji a výstavbě obřích detektorů ATLAS, ALICE a dalších se podíleli i čeští vědci.

Vypukne to až na jaře

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 právě v jeho tunelu pod zemí je umístěn LHC. Krátce po zahájení ověřovacího provozu LHC se vlivem lidské chyby porouchalo několik supravodivých magnetů. Odstraňování závady několik měsíců potrvá, protože nejprve je potřeba supermagnet postupně ohřívat na „normální“ teplotu, aby mohl být opraven, a pak opět postupně ochlazovat na teplotu blízkou absolutní nule, aby mohl být opět spuštěn. Takže ani jeho slavnostní inaugurace nebyla příliš slavnostní. Ale to už je úděl všech nově narozených dětí – nejprve si odbýt dětské nemoci, aby pak vyrostly do krásy a dělaly radost rodičům, v tomto případě vědcům.

Princip vstřícných svazků

Na nabitou částici letící v magnetickém poli působí Lorentzova síla kolmá na magnetické pole i na rychlost náboje; orientace závisí na znaménku jejího náboje. Letí-li tedy částice a antičástice proti sobě, vychyluje je magnetické pole stejným směrem. Totéž pole (zdola nahoru) stáčející proton po kružnici ve směru hodinových ručiček stáčí stejným směrem i silou, a tedy po téže kružnici, antiproton letící stejnou rychlostí proti němu.

---

Jak funguje urychlovač

Urychlovače využívají působení elektrického a magnetického pole na nabité částice. Když vyrobíme vysoké napětí U, stačí náboji Q proběhnout vytvořeným potenciálovým rozdílem a získat energii QU. Například v televizoru jsou elektrony urychleny napětím desítek kV, elektrony dopadající na obrazovku pak mají energie desítek keV (jeden elektronvolt – eV – je energie, kterou získá elektron při průletu potenciálovým rozdílem 1 voltu). Relativně snadno lze dosáhnout napětí několika miliónů voltů, nabité částice je takto možné urychlit na energie řádu MeV. Větší energie dostaneme například pomocí dlouhé řady elektrod, mezi nimiž se napětí vhodně střídá tak, aby letící nabitou částici stále urychlovalo, anebo pomocí 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. Doposud nejmohutnější urychlovač Tevatron ve Fermiho národní urychlovačové laboratoři (FNAL) v USA urychloval protony a antiprotony na energie skoro 1 TeV = 0,16 μJ (1 eV = 1,6x10-19 J).

Z hlediska našich lidských měřítek je to asi totéž jako kinetická energie napitého 5 mg komára letícího rychlostí jen asi 0,25 m/s, ale z hlediska světa elementárních částic je slušně velká – je zhruba tisíckrát větší než klidová energie protonu. Takový proton letí rychlostí 0,9999995 rychlosti světla.

---

Sáhněte si na částice
(HANDS ON PARTICLE PHYSICS)

Chcete si vyzkoušet, jak se srážky částic analyzují? V březnu 2009 budete mít příležitost! Akce pro studenty (i učitele) proběhne v Ústavu jaderné a částicové fyziky v areálu Matematicko-fyzikální fakulty v Praze-Tróji.
Akce je známa též jako European masterclasses. V mezinárodním měřítku ji koordinuje evropská organizace pro propagaci fyziky částic EPPOG. Středoškolští studenti (případně i jejich pedagogové) si při ní mohou vlastníma rukama osahat, co obnáší analýza srážkových experimentů ve fyzice částic. Letos akce proběhla 11. března 2008
Více najdete na:
www.ucjf.troja.mff.cuni.cz/~dolejsi/outreach/masterclasses-cz08.htm