Největší urychlovač LHC v těchto dnech sice stojí, ale svůj aktivní život nemá zdaleka za sebou. Čekají ho ještě dlouhé roky provozu. Přesto se částicoví fyzici vzhledem k „dodacím lhůtám“ velkých experimentů musejí rozmýšlet, co přijde po něm.
Debata trvá roky, v posledních dnech se ovšem posunula o notně významný, byť zatím spíše jen formální krok. Evropská organizace CERN, která je tahounem experimentálního výzkumu v této oblasti i pro zbytek světa, vydala novou strategii pro následující roky. Základní, krátkou verzi dokumentu najdete na této stránce.
Směr v něm vytyčený není překvapivý: částicová fyzika podle něj v budoucnu potřebuje ještě větší urychlovač, než je LHC. Díky tomu by věda měla být schopna v pozemském prostředí pozorovat chování částic v ještě extrémnějších podmínkách (tj. při srážkách s ještě vyššími energiemi), než bylo dosud možné.
Jisté a nejisté
Strategie není úplně závazný dokument, je spíše vyjádřením „přání“ fyzikální komunity. Jde o přípravný dokument, který se zabývá jen koncepcí než například technickými či finančními aspekty projektů, které jsou v něm popsány.
Byť tedy neobsahuje závazné plány, budoucnost několika příštích let může popsat poměrně jistými slovy. Největší událostí několika příštích let bude zvyšování výkonů urychlovače LHC díky tzv. High Luminosity Upgrade, který byl schválen v roce 2016.
Peter Higgs, autor (či přesněji jeden z autorů) teorie, která předpovídá existenci po něm pojmenovaného bosonu, u detektoru ATLAS na urychlovači LHC
V jeho rámci by se měl výrazně zvýšit počet měření, která vědci při provozu urychlovače získávají. Nebude se měnit samotná velikost urychlovače, ten bude stále ve stejném kruhovém tunelu o délce 27 kilometrů, ale „upgradem“ projde jak celá řada zařízení na samotném LHC, tak také na jednotlivých detektorech, ve kterých probíhá samotné měření (a pro jejichž potřeby LHC částice urychluje).
„Vylepšení“ LHC se už připravuje, naplno se na něm začne pracovat v roce 2023, s novým výkonem by měl začít fungovat ke konci roku 2027 (možná později, i kvůli zpoždění způsobenému pandemií viru SARS-CoV-2). Na zařízení se mění vše možné, od měřicích prvků na jednotlivých detektorech přes úpravy v systému urychlování a „vstřikování“ protonových svazků do okruhu až po změnu geometrie svazů těchto částic, aby se optimalizoval počet srážek.
Jednoduše shrnuto: kolize částic v detektorech ve výsledku nebudou probíhat s většími energiemi, bude jich však podstatně více (a detektory je také mají zvládnout rychleji a přesněji měřit). „High Luminosity LHC by měl nasbírat za dobu provozu zhruba desetkrát více dat než původní LHC,“ říká fyzik Tomáš Davídek z Matematicko-fyzikální fakulty v Praze, který se na přípravě evropské strategie částicové fyziky spolupodílel.
Provoz „upgradovaného“ LHC by měl skončit v roce 2038. A v podstatě tímto mezníkem končí konkrétní část nové strategie evropské částicové fyziky. Po tomto datu dokument předkládá několik možných scénářů: „Záměrně úplně úplně nevylučuje žádnou možnost,“ říká Tomáš Davídek. Jaké jsou tedy možnosti?
Úsečka a kruh
Strategie doporučuje rozvíjet různé aspekty částicové fyziky, ale mezi „úkoly s vysokou prioritou“ řadí především stavbu dalších, výkonnějších urychlovačů. Dokument konkrétně zmiňuje čtyři projekty, které lze rozdělit do dvou skupin.
Do první patří dva velké lineární (tj. rovné) urychlovače s délkou řádově několika desítek kilometrů. Ve druhé skupině jsou dva kruhové urychlovače v podzemním tunelu o délce zhruba 100 kilometrů, tedy přibližně čtyřikrát delším než má dnešní LHC. Energie srážek v jednom z nich by měla být až 100 TeV (teraelektronvoltů) proti zhruba 14 TeV u LHC.
My, eVy, MeVy a TeVyElektronvolt (eV) není jednotka hmotnosti, ale jednotka energie. Je roven energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. A protože mezi energií a hmotností existuje pevný vztah (slavné E=mc2), lze jednotku energie použít i k vyjádření hmotnosti. Správně by se mělo v takovém případě psát eV/c² (tedy lomeno druhou mocninou rychlosti světla), podle nepsané fyzikální konvence se ovšem tato část vynechává. Jednotka se používá pro vyjádření hmotnosti jednotlivých částic i proto, že výsledná čísla jsou mnohem lidštější, než kdyby se pracovalo se zlomky kilogramu. Porovnejme si to na příkladu elektronu: ten má hmotnost buď 511 kiloelektronvoltů nebo 9,11x10 -31 kilogramu. A jeden proton má 0,931 gigaelektronvoltu (při rychlém počítání z hlavy to jde zaokrouhlit na jedna). S čím by se vám pracovalo lépe? |
Všeobecně se odhaduje, že „rovný“, lineární urychlovač nakonec v CERNu stát nebude. Zařízení pracovně nazývané ILC (International Linear Collider, tedy Mezinárodní lineární urychlovač) by nakonec mohlo vzniknout v Japonsku za výrazného finančního příspěvku tamní vlády (ale s účastí evropských fyziků). O této možnosti se hovoří již roky, otázka je však zatím otevřená. Podle zatím neoficiálních zpráv z japonské fyzikální komunity by ovšem mohlo být jasno do konce roku.
ILC by měl samozřejmě vícero použití, hodil by se například k důkladnému prověření vlastností Higgsova bosonu. Urychlovač by měl být schopen produkovat srážky s takovou energií, aby těchto částic vznikalo více než v LHC. A protože by měl urychlovat jednodušší a lehčí částice (konkrétně elektrony a pozitrony) než LHC, při srážkách by v něm mělo vznikat méně „odpadu“ a výsledky by mělo jít snáze zaznamenávat a měřit.
Pokud by na sebe Japonsko vzalo významnou část závazku za lineární urychlovače, CERNu by se uvolnily ruce na stavbu velké kruhového urychlovače, který zatím je známý jako FCC (Future Circular Collider, tedy Kruhový urychlovač budoucnosti).
Požadovaný stokilometrový tunel pro něj by nepochybně vznikl v blízkosti laboratoří CERNu, tedy v okolí Ženevy, jakékoliv jiné řešení by bylo výrazně dražší a komplikovanější. Ve stejném tunelu by však postupně stály dva urychlovače, tak jako to bylo v případě 27km tunelu, kde je dnes LHC.
Strategie předpokládá, že by šlo o zařízení, které by se výrazně inspirovalo nejen technickou stránkou, ale také procesem vzniku LHC, bude tedy „podvojné“. V tunelu, kde dnes pracuje LHC, mezi lety 1989 a 2000 fungoval urychlovač LEP (Large Electron-Positron Collider, tedy Velký elektronovo-positronový urychlovač).
Návrh umístění tunelu pro uvažovaný stokilometrový urychlovač částic FCC i s vyznačním jeho menších předobrazů v/pod střediskem CERN. Není to náhoda, jednotlivé urychlovače jsou propojeny, tvoří jakousi kaskádu, ve které se částice urychlují postupně.
Stejně jako v uvažovaných lineárních urychlovačích se v něm srážely elektrony a jejich antihmotové protějšky, tedy pozitrony. V „následnickém“ LHC se sráží výrazně těžší částice (protony), což znamená, že LHC nemá mezi navrhovanými lineárními urychlovači svůj „rovný“ protějšek. Rozdílů mezi oběma typy je celá řada, jeden velmi zjevný je v energii srážek: protonům díky jejich vyšší hmotností dokáže urychlovač dodat o několik řádů vyšší energie.
Předchůdce LHC, urychlovač LEP, například neměl dost energie na to, aby objevil Higgsův boson. Ne, že by nebyl úspěšný, experimentálně ověřil a upřesnil celou řadu fyzikálních znalostí, důkladně se „proměřily“ některé do té doby málo známé částice, ale objev Higgsova bosonu mu o něco málo unikl.
Pokud by se v CERNu stavěla další generace „kruhových urychlovačů“, strategický dokument navrhuje jako jednu z variant, aby se tento postup zopakoval. Nejprve by se v tunelu měl provozovat elektron-pozitronový urychlovač, pak urychlovač těžších částic (tzv. hadronů, které známe z názvu LHC - Large Hadron Collider, tedy Velký hadronový urychlovač).
Elektron-pozitronový urychlovač by podobně jako lineární urychlovač LHC měl sloužit například jako „továrna na Higgsovy bosony“, tedy k přesnějšímu zkoumání této sice již objevené, ale zatím poměrně málo poznané částice. Například k měření toho, jak se „chová“ k jiným částicím (například k tzv. fermionům, tj. například elektronům).
K čemu to bude?
I když tedy minimálně jeden scénář je zopakováním procesu stavby LHC, v jednom důležitém ohledu je situace jiná: dnes si nikdo netroufá předpovědět, zda a jaký objev by nové urychlovače mohly udělat. „Před spuštěním LHC téměř nikdo nepochyboval, že LHC objeví Higgsův boson, který byl předpovězen několik desetiletí předtím,“ vysvětluje Tomáš Davídek.
Co je Higgsův boson a co dělá?Jednoduše řečeno je Higgsův boson částice, která je projevem tzv. Higgsova pole a zprostředkovává působení tohoto pole s okolím. Bez její existence by se Higgsovo pole nijak neprojevovalo. Přitom podle teorie by Higgsovo pole mělo umožňovat některým částicím, aby vůbec měly hmotnost. Týká se to jen některých částic, například elektronů. Z hlediska fyziků je ještě důležitější, že Higgsovo pole by mělo dát hmotnost tzv. "intermediálním vektorovým bosonům". Tyto částice sice nikdy v životě nepotkáte, ale fungují jako "nosiče" jedné ze čtyř základních fyzikálních sil, tzv. slabé síly (častěji se používá výraz slabá interakce). S tou se v životě také osobně mockrát nesetkáte, protože působí na vzdálenosti relevantní maximálně tak v rozměrech jádra atomů. Ale rozhodně existuje a vesmír by bez ní nefungoval tak, jak funguje. Možná se s ní jednou blíže seznámíme, pokud zvládneme výrobu energie jadernou fúzí. Tomuto procesu vládne slabá síla. |
Dnes takový výhled chybí. Objevem Higgsova bosonu se uzavřela teorie známá jako tzv. Standardní model. Ta zjednodušeně řečeno dobře vysvětluje vznik, podobu a chování všech známých částic. Výsledky výpočtů na základě Standardního modelu s velkou přesností odpovídají všem měřením. To ostatně ukázal i objev Higgsova bosonu: teoretici dokázali experimentátorům říci, jak má částice zhruba vypadat, a ti mohli postavit takový urychlovač, který měl šanci ho najít (měli jen naději, protože teorie nedokázala předpovědět to nejdůležitější: jakou má mít Higgsův boson hmotnost).
Jen se Standardním modelem si při snaze o pochopení celého vesmíru nevystačíme. Nevysvětluje například povahu tzv. temné hmoty a ani gravitaci. Je to nepochybně velmi úspěšná teorie, ale přitom je tak dokonale kompletní a uzavřená, že vůbec nenaznačuje, kterým směrem se vydat dále.
Ve fyzice existuje celá řada více či méně „divokých“ hypotéz, které míří obrazně řečeno za Standardní model, úplně pro ně však chybí experimentální důkazy. LHC dokázal celou řadu z těchto „dohadů“ dokázal vyloučit tím, že zatím neobjevil částice či jevy, které tyto hypotézy předvídaly.
Ale úplně chybí důkazy pozitivní důkazy „pro něco navíc“. Velmi dobrou stopou by byl objev nové částice, kterou Standardní model nepředpovídá a která se mu vymyká. Stejně tak dobře by ovšem posloužil objev nějakého nezvyklého a nevysvětlitelného chování již známé částice.
Ve výsledcích LHC zatím nic takového není. „Z fyzikálního hlediska jsme v nesmírně zajímavé situaci, protože v tuto chvíli opravdu nevíme, co bychom mohli v dalších experimentech objevit,“ říká Tomáš Davídek.
Otázkou je, zda vzrušení z nejistoty a zvědavost vědců budou sdílet vlády a veřejnost zemí, které projekt musí zaplatit. Celková cena za velký urychlovač FCC by podle představitelů CERNu měla přesáhnout 20 miliard eur v dnešních cenách. Jde zatím spíše o odhad, podrobná finanční analýza se teprve bude dělat. Jak se k takové nepochybně zajímavé, ale co se týče výsledků nejisté investici postaví potenciální plátci, to se uvidí.
