Atomový tunel pod Alpami

CERN, největší světové centrum částicové fyziky, je zkratka francouzského názvu Centre European pour Recherche Nucleare, čili Evropské centrum pro jaderný výzkum, nacházející se na okraji švýcarské Ženevy. Právě za několik dní, 29. října 2004, uplyne 50 let od založení CERNu. Redakce 21. STOLETÍ měla exkluzivní možnost nahlédnout do zákulisí této vědecké instituce a podívat se zblízka do míst, ve kterých se možná rodí budoucnost lidstva.

CERN, největší světové centrum částicové fyziky, je zkratka francouzského názvu Centre European pour Recherche Nucleare, čili Evropské centrum pro jaderný výzkum, nacházející se na okraji švýcarské Ženevy. Právě za několik dní, 29. října 2004, uplyne 50 let od založení CERNu. Redakce 21. STOLETÍ měla exkluzivní možnost nahlédnout do zákulisí  této vědecké instituce a podívat se zblízka do míst, ve kterých se možná rodí budoucnost lidstva.

Před 50 lety se na vzniku CERNu podílelo 12 evropských států. Dnes je členských zemí dvacet a počet spolupracujících se rozšířil i mimo Evropu, protože na řadě dodávek i výzkumných úkolů se podílí celkem 50 států, například i USA, Rusko, Indie, Čína, Pákistán či Japonsko. V nemalé míře se na výstavbě nového urychlovače částic a na přípravě celé řady důležitých experimentů podílejí i čeští vědci.

 

Babylon 21. století

Mými průvodci byli Renilde Vanden Broeck z tiskového oddělení CERNu a doktor Stanislav Němeček z pražského Fyzikálního ústavu AV ČR, který je členem týmu českých vědců, kteří v současné době v CERNu pracují. Před svým příjezdem jsem měl představu, že čeští vědci jsou malým uzavřeným ostrůvkem v místním babylonu, ale všechno je jinak. Nějaké národní týmy či skupinky zde neexistují, existují jen společné projekty, na nichž se podílejí všichni stejnou měrou a vedou je vždy ti nejlepší. Tak je například vedoucím jednoho z týmů, zabývajícího se přípravou experimentu zvaného ATLAS, český vědec Rupert Leitner. I když CERN leží ve francouzském kantonu Švýcarska, běžným dorozumívacím jazykem tisícovek zaměstnanců CERNu je zde angličtina, frekventovaná je samozřejmě francouzština, ale slyšíte i desítky dalších jazyků ze všech končin světa..

 

Do podzemí za urychlovačem

Do hloubky 90 metrů pod zemí, tedy podlaží označeného -02 nás odvezl jeden ze dvou výtahů. Tady začíná 27 kilometrů dlouhý podzemní tunel, umístěný z převážné části na francouzské straně hranic, jehož tři čtvrtiny zasahují až pod nedaleké Jurské Alpy.

Zde ještě donedávna pracoval největší urychlovač na světě LEP ( Large Elektron-Positron Collider), jehož provoz byl ukončen v roce 2000. V současné době zde probíhají práce na montáži nového urychlovače LHC (Large Hadron Collider), ve kterém by se měly realizovat srážky protonů. Spuštění tohoto obrovitého monstra je naplánováno na rok 2007. Pro srovnání výkonu – nové detektory urychlovače LHC budou za jediný den produkovat tolik údajů, kolik jich vytvořily detektory bývalého LEPu za celý rok.

Velký urychlovač je propojen se soustavou menších lineárních a kruhových urychlovačů, v nichž částice nabírají stále větší energii, až se dostanou do velkého urychlovače. Jedním z důležitých výzkumů, které na LHC čekají, bude pátrání po hypotetickém Higgsově bosonu, částici, která je jakýmsi kamenem mudrců a podle fyziků je klíčem k pochopení vzniku hmoty ve vesmíru.

 

Co se děje v urychlovači?

Celý kruhový urychlovač bychom mohli přirovnat k obrovské autodráze. Na ní se téměř rychlostí světla pohybují v elektrickém poli, které jim dodává energii, miniaturní autíčka – protony. Ty prolétají magnetickým polem vytvářeným mohutnými supravodivými magnety, vychylují se a koncentrují do dvou svazků. Svazky pak narážejí v protilehlém směru na sebe a prostřednictvím čtyř mohutných detektorů, z nichž největším bude ATLAS, jsou evidovány částice vzniklé v těchto kolizích.

Jak víme, čím prudší jsou zatáčky na autodráze, tím snadněji dochází ke smyku autíček. Stejně je tomu tak u částic, a aby se podobným „smykům“, které by mohly narušit výsledky experimentů, předešlo, musí mít urychlovač co největší rozměry. Proto oněch 27 kilometrů délky. Částice ve správném směru udržují navíc supravodivé magnety, které obalují celé vnitřní jádro.

Náhodné kolize ještě více omezí v urychlovači ultravysoké vakuum, jaké nebylo ještě nikdy na naší planetě dosaženo (10 na -10 torrovy stupnice). Vakuová technologie navíc prodlouží životnost paprsku částic na dobu několika hodin až dní. Celé zařízení 1700 supravodivých magnetů bude chlazeno tekutým heliem na teplotu –271 °C. LHC tak bude největším supravodivým zařízením na světě.

 Chlazení je věda

Každý ze 1700 supravodivých magnetů o průměru jednoho metru, délce 15 metrů a hmotnosti 35 tun, jejichž jádry procházejí v obou směrech protony, je mimo chladicího média ještě potažen speciální superizolační látkou. Magnety jsou postupně přesouvány z montážních hal do podzemního tunelu, kde se pospojují a vytvoří 27 kilometrů dlouhý prstenec. Cena jednoho mamutího magnetu je asi 1 milion franků. Vinutí magnetů je provedeno z takzvaných filamentů, tedy plochých svazků  třiceti měděných drátků o průměru asi jednoho milimetru, ovšem každý z těchto drátků v sobě skrývá dalších 30 000 mikrodrátků o průměru pouhých dvaceti mikronů. Každý filament, tedy svazek, široký asi jeden centimetr tedy obsahuje téměř jeden milion drátků.

Halou, ve které probíhají testy jednotlivých segmentů obrovského supravodivého magnetu, nás provedl Ing .Vladislav Benda z pražského Fyzikálního ústavu Akademie věd. Každý z obrovských magnetů prochází náročnými testy, při nichž se zkouší těsnost, funkčnost i kompletní chlazení. To proto, že po namontování do sedmadvacetikilometrového tunelu by bylo vyjmutí jednoho nefunkčního magnetu téměř nemožným úkolem.

 Rychlost testování je asi dva magnety za den, takže v testovací hale mají práci ještě na další tři roky do spuštění celého LHC. Běžná teplota helia je 4,2 K, ale při chlazení supravodičů je dosahováno až hodnoty 1,9 K, což je oněch -271 stupňů Celsia.

Proč se používají supravodivé magnety? Především z důvodů úspory energie. Při ochlazení blízkém absolutní nule vymizí odpor a supravodivé magnety jsou tedy nesrovnatelně lepšími vodiči energie než magnety normální. Jen pro představu i při použití supravodivých magnetů je nutné do nich přivádět proud o napětí 13 000 ampér. Dále jsou součástí supermagnetů i tzv. kavyty, které částicím dávají potřebný impuls a urychlují je. Magnetické pole navíc udržuje částice v potřebném směru  a nutí je i zatáčet, což je nutné vzhledem ke kruhovému tvaru celého urychlovače.

 

Největší laboratoř na světě

Hlavním posláním CERNu je základní výzkum, studium srážek částic urychlených téměř na rychlost světla v obrovitých urychlovačích. CERN zabírá obrovskou plochu po obou stranách švýcarsko-francouzské hranice. Na výzkumech a experimentech v CERNu se podílí téměř 10 000 vědců z 350 univerzit a výzkumných institucí celého světa. Fyzikové v CERNu zkoumají nejen chování a vlastnosti nejmenších částic hmoty, ale i základní síly, které mezi těmito částicemi působí.

Vědci zde hledají odpovědi na základní otázky: co je to hmota, zákonitosti jejího vzniku, z jakých stavebních kamenů je stvořen člověk či jaké jsou principy vzniku hvězd i celého vesmíru. Přitom některé jevy, po kterých budou vědci v CERNu pátrat, se vyskytnou jen velmi vzácně.

Informační výstupy z experimentů a jejich zpracování představují další obrovskou složku celého složitého systému jménem CERN. Gigantické množství dat potřebuje pochopitelně i počítače s gigantickými parametry, samostatná informační a výpočetní centra a hustými sítěmi.

 

Výzkum i pro budoucí generace

Špičkové technologie a nejnovější materiály, které nyní nacházejí v CERNu uplatnění, jsou skutečným  obrazem 21. století. Pro experimenty musely být vyvinuty úplně nové druhy optoelektronických vláken a zařízení, nové, dosud neexistující druhy krystalů, zbrusu nová kryogenní (chladicí) technika, supravodivé magnety i elektronika odolná proti radiaci či vysokým hodnotám magnetického pole. Nejen naše současníky, ale i potomky zajímá a bude zajímat, proč je náš vesmír složen téměř výlučně z částic, proč netvoří jednu polovinu hmoty částice a druhou antičástice? A navíc, určitě budou fyzikové dál pátrat po složení oné neznámé hmoty, která tvoří 90 % vesmíru a o níž nevíme vůbec nic!

 

Účinněji na nádory

Jednou z nejčastěji kladených otázek u takovýchto rozsáhlých projektů za desítky miliard je otázka, jak budou prakticky využity jejich výsledky. Jednoznačně můžeme odpovědět, že ve většině oblastí vědy a techniky i praktického života. Nejen že se zde testují špičkové technologie či elektronika, ale ty již nacházejí své uplatnění i v průmyslové výrobě. Důkazem toho jsou například přístroje pro nejmodernější diagnostiku a léčbu nádorových onemocnění, využívající svazků částic. Přístroje, které se zrodily právě v CERNu, disponují přesnější lokalizací místa nádoru, dokáží jej zaregistrovat již v počáteční fázi a mohou nádor mnohem účinněji likvidovat přesněji cílenými aplikacemi záření a to bez poškození okolních tkání. Tak stoupá pravděpodobnost vyléčení u některých nádorů ze 40 až na 90 %.

Další léčebnou metodou vyvíjenou v CERNu je i umístění zdrojů záření ve formě radioizotopu přímo do nádoru. Přitom lze předem přesně spočítat účinnost záření a rozpad radioizotopu, což snižuje možnost nové regenerace nádoru. Důležitý pro praxi je například i výzkum zákonitostí a procesů, týkajících se supravodivosti.

Z CERNu vyšly i nejmodernější supravodivé magnety pro rychlovlaky, vznášející se na magnetickém polštáři. Důležité je i poznání samotné podstaty a struktury hmoty, což vede k vývoji nových materiálů, či práce s nanostrukturami, vedoucí k miniaturizaci v celé řadě odvětví.

 

Velký třesk v CERNu

Termín „velký třesk“ je často citován v souvislosti se vznikem nám známého vesmíru, který podle této teorie vznikl v jednom jediném prchavém okamžiku. Napodobit onen „velký třesk“ se pokoušejí i fyzikové v CERNu. Fyzikové přitom pracují s s miniaturními objekty – elementárními částicemi.

Pokud bychom chtěli z atomů složit tloušťku lidského vlasu, museli bychom jich na sebe položit asi milion. Elementárních částic by však muselo být ještě stotisíckrát více. Proto vědci potřebují mohutné urychlovače, které nám tyto částice, či přesněji řečeno jejich stopy, pomáhají zviditelnit. Mohutné detektory pak zachytí srážky urychlených částic a můžeme napodobovat události, odehrávající se za obrovských rychlostí a teplot, blížících se „velkému třesku“.

V budoucnu by měly urychlovače a detektory umožnit fyzikům získávat informace o stavu Vesmíru v 10 na -43 vteřiny po „velkém třesku“.

 

Monstrum jménem ATLAS

Představte si známou ruskou matrjošku obřích rozměrů o výšce desetipatrového domu, objemu v pase jako dva městské autobusy postavené za sebou a váze 7000 tun. Tak vypadá obří detektor částic ATLAS, na jehož výstavbě se vedle odborníků z dvaceti členských zemí podílejí intenzivně i čeští vědci. Jeho průměr je 22 metrů a délka 44 metrů. Hala, ve které probíhá montáž ATLASU a jeho srdce, hadronového kalorimetru, je vlastně obrovitou jeskyní, jejíž dno leží téměř 100 metrů pod zemí. Výška haly dosahuje 35 metrů.

Právě na ATLAS jsme byli při cestě do podzemí CERNu nejvíce zvědavi. Přirovnání k matrjošce sedí z toho důvodu, že detektor ATLAS je složen z celé řady „slupek“ kovu a elektroniky, připomínajících pověstnou panenku.

Experiment ATLAS je jedním ze špičkových programů světové vědy pro 21. století a vědci od něj čekají, že po svém spuštění v roce 2007 nám přinese nové poznatky o tom, jak je uspořádán náš svět na té nejzákladnější úrovni, i o stavbě či vzniku vesmíru, a objeví i nové, dosud nepoznané částice hmoty. ATLAS bude zaznamenávat údaje o částicích vznikajících při 800 milionech srážek urychlených protonů za sekundu!

A jak vůbec můžeme ony miniaturní částice vidět? Samotné jsou pro nás neviditelné, ale detektor zachytí zbytky po jejich kolizích, kdy po nich zůstanou stopy, podobné těm jaké zanechávají na jasné obloze letadla. Každá částice zanechává odlišnou stopu a pro detektory už není problémem určit, o jaký druh částice šlo. V LHC se očekává na 40 zajímavých kolizí za sekundu.

Zajímavým protikladem je, že čím menší částice hmoty chceme studovat, tím větší energie a zařízení na to potřebujeme. ATLAS, který je dosud největším projektem v oblasti fyzikálního výzkumu v historii lidstva, je toho dokonalým důkazem. Na experimentu se podílí na 2000 fyziků z více než 150 univerzit a laboratoří 34 zemí. Nemalou měrou i Česká republika.

 

České mozky a ruce v CERNu

Na přípravě celé řady experimentů i na vývoji, testování, výrobě a montážích nejrůznějších přístrojů se podílí množství českých odborníků. Například na experimentu ATLAS jich pracuje téměř stovka z různých ústavů Akademie věd, Českého vysokého učení technického, či Univerzity Karlovy.

Významný je český přínos na konstrukci hadronového kalorimetru TILECAL, který bude měřit energii nabitých i neutrálních částic. V elektromagnetickem kalorimetru se zachytí většina gama záření a pozitronů, do další části pronikají hadrony. Přes hadronový kalorimetr se už dostanou jen muony, tedy nejmenší částice podobné elektronu. Jejich vlastnosti vědce nejvíce zajímají a k jejich zachycení a usměrnění slouží osm supravodivých magnetů, umístěných po obvodu kalorimetru.

Čeští odborníci dostali na starost výrobu celé jedné čtvrtiny centrální části kalorimetru – 309 submodulů, každý o váze asi jedné tuny. Celý kalorimetr váží 3000 tun. V Praze bylo vyrobeno rovněž přes 10 000 směšovačů světla, přesných optických hranolů, vyvíjely se zde i zdroje vysokého i nízkého napětí. Ocelové moduly pro cely kalorimetr o délce 12 metrů a průměru 4 metry byly s přesností na 45 mikrometrů vyrobeny ve válcovnách Králův Dvůr a jejich tvarování si vzali na starost v Tatře Kopřivnice.

Ve spolupráci s dalšími zeměmi byly na českých fyzikálních pracovištích vyvinuty i pixelové křemíkové detektory a stripové detektory pro ATLAS. Ty budou prvními detektory, které částice vylétající po srážce protonů potkají, a budou mít za úkol přesné sledování drah nabitých částic a nalezení místa rozpadů krátce existujících nestabilních částic.

 

Čeští fyzikové se rovněž podílejí na instalaci celého detektorového systému v CERNu. V České republice se vyrábějí i komponenty pro kompletní stínění detektoru ATLAS, což jsou speciální litinové odlitky o hmotnosti 700 tun, vznikající ve Škoda Steel Plzen. To jsou jen nejvýznamnější z úkolů na nichž se naši vědci a technici v CERNu podílejí a vedle nich řeší i celou řadu dalších neméně významných projektů.

 

V CERNu se zrodila světová pavučina

Dnes už běžná elektronická komunikace pomocí internetu se zrodila právě v CERNu. Původně šlo o komunikační prostředek pro šíření vědeckých poznatků v oblasti jaderného výzkumu. Internet už byl sice na světě, ale šíření informací jeho prostřednictvím bylo značně těžkopádné. Poměrně jednoduchá služba, které využívali vědci zprvu jen pro textové informace, se ukázala jako značně progresivní nástroj a na stránkách odborných elaborátů se začaly objevovat obrázky, grafy i fotografie. Služba WWW, tedy World Wide Web si velmi rychle našla po internetové síti své uživatele na celém světě a dnes už můžeme jejím prostřednictvím stahovat celé hudební soubory nebo filmy. Dnes se prostřednictvím tzv. browserů, jakýchsi prohlížecích programů, můžeme volně pohybovat po celém světě, vyhledávat důležité informace či posílat milostné e-maily.

 

Rekordní rychlost přenosu

V polovině letošního roku se podařil vědcům z CERNu a Kalifornského technologického institutu (Caltech)v USA husarský kousek. V rámci nového projektu Internet2 dokázali uskutečnit přenos dat na trase 11 000 km dlouhé rychlostí 6.25 (6,25 ??) gigabitů za sekundu, což je asi 10 000krát rychleji, než to dokáže typické domácí širokopásmové spojení. V přípravách na spuštění urychlovače LHC vědci finišují a chtějí dosáhnout v nejbližších měsících pravidelného spojení, postaveného na 10 gigabitech za sekundu. Tím ovšem snahy o co největší objemy a rychlosti v přenosu dat nekončí, protože vysokoenergetická fyzika, astrofyzika, klimatologie, či bioinformatika si vyžadují sítě umožňující přenosy v terabitech za sekundu. Například detektory, jakým je ATLAS, budou zpracovávat tolik informací jako celá evropská telekomunikační síť. Toho by chtěli vědci z CERNu a Caltechu dosáhnout do deseti let.

 

Chronologie projektu LHC

1994 – projekt schválen radou střediska CERN, prototyp řetězce magnetů poprvé vyzkoušen

1996 – stanoveno datum dokončení na rok 2005 (později přesunuto na 2007)

1998 – začátek stavebních prací, zadání hlavních kontraktů pro výrobu supravodivého kabelu a soustavy magnetů

1999 – schválení časového plánu instalací

2000 – začátek rozebírání LEPu a uvolnění prostoru pro instalaci LHC

2005 – konec stavebních prací, kryostanice v provozu

2006 – první injekce paprsku do LHC a studený test magnetů

2007 – první kolize

Rubriky:  Zajímavosti
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

V Asii se objevili lidé již před 2,12 miliony lety

V Asii se objevili lidé již před...

Až do nedávna patřil k nejstarším nálezům objev lidských ostatků na...
Co skrývá záhadný sarkofág nalezený v Egyptě?

Co skrývá záhadný sarkofág...

V Egyptě probíhají výkopové práce prakticky každý den. A tak není překvapením,...
Mužský testosteron: Jeho hladinu ovlivňuje i prostředí, zjistili vědci

Mužský testosteron: Jeho hladinu...

V jakém prostředí jste vyrůstali jako děti? Podle britských vědců to je...
Chystá se pick-up od Tesly?

Chystá se pick-up od Tesly?

Elon Musk nepřestává překvapovat. Přestože na tom Tesla není nejlépe, automobilka...
Legendy se představily v Rakousku

Legendy se představily v Rakousku

V okolí Melku proběhla rallye pod názvem Gr. B RallyeLegenden. Na startu se...
Záhada zebřích pruhů. Vědci vyvrátili, že by zvířatům sloužily k ochlazování

Záhada zebřích pruhů. Vědci vyvrátili,...

Zebří pruhy nedávají vědcům spát už celá léta. Přestože mají mimořádný...
V laboratoři se podařilo vyvinout první hybridní embryo nosorožce

V laboratoři se podařilo vyvinout...

Nosorožci bílí severní jsou na samém pokraji vyhynutí; na světě zbývají už...
V Japonsku budou jezdit autonomní minibusy

V Japonsku budou jezdit...

Mnohé překvapí, že se ale nebude jednat o japonské minibusy. Ty dodá...
Přes 100 let stará studie sexuálního chování tučňáků byla natolik šokující, že narazila na cenzuru

Přes 100 let stará studie sexuálního...

Zpráva účastníků Scottovy výpravy o sexuálních zvycích tučňáků kroužkových na...
Koncept hypersonického letounu od Boeingu je na světě

Koncept hypersonického letounu od...

Společnost Boeing představila minulý týden v rámci konference...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Volvo: Hrom a blesk severského pantheonu

Volvo: Hrom a blesk severského...

Volvo jede. Každoročně rostou prodeje a produkce o desítky...
VIDEO: Informace o 11. září, které bychom měli znát

VIDEO: Informace o 11. září, které...

O útocích z 11. září slyšel asi každý, ale víte, kolik lidí...
Vychytralost kukaček nezná mezí!

Vychytralost kukaček nezná mezí!

Příroda občas prokazuje, že má docela smysl pro černý humor. Vyprávět by o tom mohli...
Britský spisovatel George Orwell: Co ho inspirovalo při tvorbě díla 1984?

Britský spisovatel George Orwell:...

„Neničíme kacíře proto, že nám odporuje; nikdy ho nezničíme, dokud nám...
5 miniaturních a nepříjemných tvorů, které můžete potkat v létě na pláži

5 miniaturních a nepříjemných tvorů,...

Zní vám výlet na pláž jako ideální plán pro letní den? Nemůžete se...
Nepodařený Hitlerův projekt: Vítězný oblouk měl vážit přes 12 000 tun!

Nepodařený Hitlerův projekt: Vítězný...

„Nemám to město rád. Není hezké a lidé jsou tu moc liberální,“ myslí si nacistický...
Smutek za Karla IV: Truchlení za otce vlasti trvalo celých 17 dní

Smutek za Karla IV: Truchlení za...

Pražský hrad, 29. listopadu 1378 tři hodiny po západu slunce. Zpocený...
Selfie: Porucha, či neškodná zábava?

Selfie: Porucha, či neškodná...

Fenomén selfie zasáhl téměř celou planetu. Je jen málo lidí, kteří si...
Prožila Karolína Světlá milostný vztah s Janem Nerudou?

Prožila Karolína Světlá milostný...

Na svět přichází roku 1830 Johana Rottová, dcera z vážené rodiny významného...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

V našem profesionálně sestaveném testu ihned zjistíte přesné výsledky a obdržíte certifikát.