Příští rok bude zřejmě počátkem převratných změn v našem fyzikálním pojetí vesmíru. Na francouzsko-švýcarské hranici nedaleko Ženevy totiž bude spuštěn nejvýkonnější částicový urychlovač na světě – LHC (Large Hadron Collider) - Velký hadronový (srážkový) urychlovač.
Změny v našem chápání základních fyzikálních zákonů jsou opravdu na spadnutí. Standardní model, fundamentální teorie popisující vlastnosti a chování částic, které tvoří veškerou hmotu okolo nás, je sice velmi úspěšný, přesto sami fyzici přiznávají, že zdaleka není úplný. A proto vkládají do LHC velké naděje a s napětím očekávají jeho uvedení do provozu.
Nejvýkonnější urychlovač světa staví 2000 fyziků
Velký hadronový urychlovač, který v evropském CERNu (Evropská organizace pro jaderný výzkum) staví přes 2000 fyziků a inženýrů ze 34 zemí, univerzit a laboratoří, překonává snad všechny možné superlativy. Nejenom proto, že jde o vůbec nejvýkonnější urychlovač světa (dosud patřilo prvenství RHIC – Relativistickému srážkovému urychlovači těžkých iontů v americkém Long Islandu, provozovanému Brookhavenskou národní laboratoří), nýbrž i v ostatních aspektech vysoce převyšuje podobná zařízení.
Podívejte se:Bez nadsázky lze tvrdit, že jde o nejambicióznější vědecký projekt současnosti. Je největším světovým supravodivým zařízením, v jeho nitru je udržováno nejdokonalejší vakuum, jakého kdy bylo na Zemi dosaženo, bude produkovat miliony srážek protonů za vteřinu, navíc jeho magnety chlazené supratekutým heliem budou pracovat při teplotě -271 °C. V tomto ohledu se tedy jedná o unikátní stroj na hranici našich současných fyzikálních a technických možností. Jeho výstavba zabere sedm let, bude stát miliardy Euro. Měla by být dokončena v příštím roce, plánovaná doba provozu urychlovače se odhaduje na přinejmenším 10 let.
100 metrů pod povrchem ...
Celé zařízení je uloženo ve 27 kilometrů dlouhém tunelu v hloubce asi 100 metrů pod povrchem země. Nad zemí budou pouze pomocné přístroje nezbytné pro jeho provoz. Samotný urychlovač tvoří dvě potrubí, v nichž budou urychleny dva svazky protonů na rychlosti blízké rychlosti světla, každý o energii 7 TeV (Teraelektronvolt), takže výsledná energie při srážce obou svazků bude činit až 14 TeV.
Kromě protonů se budou zkoumat i srážky jader olova. Celková energie kolidujích paprsků se přitom bude rovnat kinetické energii dvou letadlových lodí plujících proti sobě rychlostí 30 námořních mil za hodinu, ovšem koncentrované do prostoru, který by se pohodlně vešel do nuly na padesátihaléřové minci.
Při těchto extrémních energiích může docházet k velmi zajímavým jevům – třeba vzniku miniaturních černých děr, které se ale záhy vlivem Hawkingova záření vypaří, či vynoření částic, které by nám mohly poskytnout důkazy o dodatečných prostorových dimenzích. Nebo se nám díky objevům na LHC konečně podaří rozluštit podstatu temné hmoty a energie, které tvoří 95% nám známého vesmíru. Jak říká Brian Cox z univerzity v Manchestru, který se na projektu aktivně podílí (konkrétně na experimentu ATLAS), „je LHC v jistém smyslu strojem času, který nám dovoluje přenést obří detektory do prvních okamžiků po Velkém třesku a pozorovat vesmír při jeho vývoji.“
Podívejte seJak pokračují práce na urychlovači
Doktor Cox se ze svého obdivu k urychlovači vyznal začátkem září během každoročního setkání Britské společnosti pro pokrok ve vědě v anglickém Norwichi.
„Možná, že objevíme ještě něco mnohem impozantnějšího, než jsou černé díry. Možná celý nový vesmír, vzdálený jen milimetr od našich hlav, jehož dimenze jsou ale kolmé na ty tři naše. Je to skutečná výprava do neznáma.“ Brian Cox věří, že první výsledky budou již v roce 2008.
Odborníci jsou přesvědčeni, že Velký hadronový urychlovač způsobí v našem fyzikálním poznání světa skutečnou revoluci. Ruku v ruce s tím se však objevují i obavy z jeho bezpečnosti. Rizika, že by při tak vysokých koncentracích energie mohlo dojít ke zničení Země či celého vesmíru (vznik stabilní černé díry, změna kvantového stavu vakua), jsou sice směšně malá, ale co kdyby... Zvláště bulvární média se na tom ráda přiživují. Strach z neznáma přece jenom hraje svou nezadbatelnou roli i v životě moderní společnosti. Takové starosti ale Brian Cox vůbec nepřipouští: „pravděpodobnost je asi 10-40.“
Detektory a experimenty plánované pro LHC
Dosud bylo schváleno šest experimentů, jejichž jména jsou v podstatě shodná se jmény detektorů, na kterých poběží: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM A LHCf. ATLAS a CMS jsou obrovské, víceúčelové detektory, které budou vyšetřovat velká množství částic produkovaných při srážkách. Dva střední detektory ALICE a LHCb budou studovat samotné kolize částic, s cílem vytěžit co největší množství informací. Nedávno byly schváleny ještě dva menší experimenty (TOTEM, LHCf), o dalších (MOEDAL) se zatím stále jedná.
ALICE je detektor specializující se na analýzu srážek iontů olova. Bude studovat vlastnosti quark-gluonového plazmatu, stavu hmoty, kdy při velmi vysokých hustotách energie je v prostoru mezi kvarky takové množství gluonů, že se jejich vzájemné silové působení odstíní a výsledkem je směsi volných kvarků a gluonů. Podobné podmínky s největší pravděpodobností panovaly asi miliardtinu vteřiny po Velkém třesku.
ATLAS je víceúčelový detektor, na kterém bude probíhat široká škála experimentů od hledání Higgsova bosonu po supersymetrii až po pátrání po dodatečných prostorových dimenzích. Není to žádný drobeček, zabírá prostor, do kterého by se pohodlně vešla celá chrámová loď pařížského chrámu Notre Dome. Jeho rozměry jsou opravdu úctyhodné, je 46 metrů dlouhý a 25 metrů vysoký.
CMS – další detektor určený k mnohostrannému použití. Cíle experimentu jsou podobné jako u ATLASu, liší se však v technickém řešení a provedení. Je postaven okolo největšího supravodivého solenoidu na světě.
LHCb se zaměří na zkoumání asymetrie mezi hmotou a antihmotou. Očekává se, že úplné objasnění rozdílů mezi hmotou a antihmotou a jejich příčin přinese odpověď na základní otázku: Proč se vesmír, který pozorujeme všude kolem nás, skládá z hmoty a ne z antihmoty?
TOTEM proměří efektivní velikosti protonů.Tento experiment navazuje na dlouholeté úsilí vědců z CERNu (měření účinných průřezů částic, zejména protonů).
LHCf je odlišný typ detektoru, který protony z urychlovače používá k simulaci kosmického záření.
|
Stále mnoho otazníků. Co urychlovač vlastně přinese? |
| Nevyřešených otázek je poměrně dost. Jednou z nich například - proč mají částice hmotnost a proč se jejich hmotnosti tak liší? Zdálo by se, že na tom není nic složitého, ale opak je pravdou. Řešení možná spočívá v myšlenkové koncepci, kterou navrhl již v roce 1964 skotský fyzik Peter Higgs. Podle ní je prostor vyplněn polem, dnes nazývaným Higgsovým, a interakcí s tímto polem získávají částice své hmotnosti. Čím větší interakce, tím těžší částice a naopak. S Higgsovým polem je spojována hypotetická částice - tzv. Higgsův boson, která ostatním částicím „přiděluje“ jejich hmotnost. A právě existence této částice by mohla být na LHC prokázána.
A co čtyři základní síly? Když byl náš vesmír velmi mladý a mnohem mnohem žhavější než dnes, všechny síly se chovaly jako jedna jediná. Při ochlazování vesmíru docházelo k jejich postupnému oddělení. Tak to aspoň předpokládá teorie, sjednocení všech sil do jednotného konceptu je ale prozatím marným úsilím současné fyziky. Dvě z nich, slabá a elektromagnetická, již byly spojeny v jeden celek, zatímco zbylé dvě síly, nejslabší a nejsilnější z nich, tedy síla gravitační a silná interakce, zůstávají stranou, zvláště gravitace pokusům o sjednocení vytrvale odolává. Jako nadějná se v tomto ohledu jeví zejména teorie supersymetrie (SUSY) předpokládající, že ke každé známé částici existuje i její „supersymetrický“ protějšek. A pokud je SUSY správná, pak by měly být tyto částice v LHC objeveny. Tím ale výčet problémů nekončí. Ještě je tu antihmota, o které se kdysi mylně soudilo, že je dokonalým zrcadlovým obrazem hmoty, respektive hádanka jejího značně nevyrovnaného množství vzhledem k „normální“ hmotě v námi pozorovaném vesmíru. A jak je to s dalšími, dodatečnými prostorovými dimenzemi? Skutečně existují? A jestli ano, kolik jich vlastně je? V tom všem nám může Velký hadronový urychlovač pomoci. Na tyto a na spoustu dalších otázek by měly odpovědět plánované experimenty. Z historie ale dobře víme, že největší vědecké objevy přicházejí často neočekávaně, příroda má v zásobě vždy nějaké to překvapení. Jedno je však jisté, LHC určitě změní náš pohled na vesmír a naše místo v něm. K čemu slouží urychlovač? Fyzici urychlují a následně rozbíjejí částice ze dvou hlavních důvodů - jednak chtějí zjistit, co je uvnitř, z čeho se částice skládají, za druhé používají vysoké energie, které se při srážkách uvolňují, k vytváření částic nových. K tomu je třeba částice urychlit na velmi vysoké rychlosti, řádově srovnatelné s rychlostí světla. (Vše podle slavné Einsteinovy rovnice E=mc2, která nám říká, že hmota je vlastně koncentrovaná energie.) Právě k tomu slouží urychlovače. Každou srážku je nutné zaznamenat, to znamená zjistit a vystopovat dráhu, energie a ostatní charakteristiky všech možných částic, které se v průběhu pokusu objeví, a plně zrekonstruovat celý proces. Ale elementární částice jsou velmi, velmi malé. Nespatřili byste je ani pod mikroskopem. Proto jsou nedílnou součástí všech urychlovačů detektory. Tato složitá, specializovaná zařízení jsou schopna rozpoznat a změřit základní vlastnosti částic, jako jsou například náboj, hmotnost a energie. Detektory lze dle funkce rozdělit na dráhové detektory, kalorimetry a mionové detektory. Dráhové detektory se používají ke „zviditelnění“ pohybu částic, vlastně nám tedy ukazují dráhy, po kterých se částice během experimentu pohybují. To nám poskytuje řadu cenných informací (pokud je detektor umístěn v magnetickém poli, můžeme z ohybu částice na jednu nebo druhou stranu zjistit její náboj, nebo je možné ze spirály, kterou při svém pohybu částice opisuje, určit její moment hybnosti). Samozřejmě, že v moderních detektorech se zviditelnění dráhy částice neděje přímo, tak jak bylo obvyklé v minulosti (mlžné a bublikové komory apod.), pro tyto účely se dnes užívají počítače, které zaznamenávají elektrické signály z detektorů. Na LHC budou instalovány plynové a polovodičové detektory dráhy. Kalorimetry měří energie částic, které jimi procházejí. Obvykle jsou navrženy tak, aby většinu částic zcela zastavily a absorbovaly. Skládají se z pasivních (absorbčních) vrstev z materiálů s vysokou hustotou (olovo) prokládaných vrstvami aktivních médií (tekutý argon – ke vzorkování energetických ztrát). Protože máme různé druhy částic, jsou potřeba také různé typy kalorimetrů: elektromagnetické na lehké částice (elektrony, fotony) a hadronové na částice složené z kvarků (protony, neutrony). Avšak ani kalorimetry nepohltí všechny vzniklé částice, typicky z nich unikají miony a neutrina. Miony je obtížné zastavit, ale lze je aspoň detekovat - proto se okolo kalorimetrů rozmisťují ještě mionové detektory. Naproti tomu neutrina nezachytí nic. Ale protože jde o jediné známé částice, které mohou uniknout, můžeme jejich přítomnost odvodit z energetických rovnic. Pro úplnost ještě dodejme, že pro identifikaci jednotlivých druhů částic se používají detektory využívající v principu dvou základních jevů - Čerenkovova a přechodového záření. |
Zdroje: www.cern.ch, symmetrymagazine.org, reuters.com, hp.ujf.cas.cz
