Toto číslo 21. STOLETÍ vychází jen několik dní před plánovaným oficiálním spuštěním největšího urychlovače částic na světě LHC v ženevských laboratořích pro výzkum částic CERN. Spuštění LHC vyvolává mezi veřejností řadu otázek a dokonce i obav z následků experimentů, které budou vědci z celého světa v CERNu provádět. 21. STOLETÍ vám přináší aktuální pohled na největší experiment v dějinách lidstva. 
Existuje celá řada katastrofických scénářů, počínaje ničivou řetězovou reakcí, která by proměnila Zemi v oblak žhavého plazmatu, až po pohlcení naší planety miniaturní černou dírou, uměle vytvořenou právě pomocí urychlovače LHC. Jak tedy takový obří urychlovač pracuje? Co od něj můžeme očekávat a ohrožuje vůbec nějak naši existenci?
Očekávané spuštění LHC 21. října 2008, je spíše slavnostním aktem, protože reálné spouštění začalo vpuštěním prvních protonů do urychlovače již dříve a dosažení předpokládaných parametrů trvá řadu měsíců. Podívejme se tedy zblízka, jak urychlovač vypadá a jaké objevy se od něj očekávají.
Proč právě takový urychlovač?
Pro klidnější spánek všech čtenářů zdůrazňuje 21. STOLETÍ hned na počátku, že podobné fyzikální procesy, jaké chtějí vědci simulovat pomocí experimentů v LHC, probíhají v okolním vesmíru neustále a nijak nás neohrožují. Proč se tedy ale chceme pokoušet o cosi, co probíhá zcela přirozeně? Proč vlastně stavět takový urychlovač?
Zkratka LHC (large hadron collider) v češtině znamená „Velký hadronový srážeč“. Urychlovač bude urychlovat protony, které patří mezi částice složené z kvarků a označované jako hadrony. Proč se staví srážeč, tedy urychlovač, ve kterém jsou protony nebo jádra urychlovány proti sobě? Především proto, že energie, vzniklá při srážce proti sobě letících protonů, je mnohem větší než při jejich nárazu do pevného terče. Můžeme to přirovnat ke dvěma autům, jedoucím proti sobě. Pokud narazí do pevné překážky, je vzniklá kinetická energie samozřejmě mnohem menší. Pokud narazí do sebe, jsou následky katastrofální. Při srážce urychleného protonu s jádrem v pevném terči se daleko méně efektivně využívá energie, kterou urychlený proton má. Podíl energie, která se nedá využít například pro vytvoření nových částic, se zvětšováním energie svazku navíc rychle roste. V případě energie dosažitelné na urychlovači LHC by tak využitelná energie při srážce na pevném terči byla více než stokrát menší než u srážeče.
Energie ukrytá ve svazku
Každý z protonů svazku nese kinetickou energii, která je téměř 7500krát větší, než je energie ukrytá v klidové hmotnosti protonu, a tu lze v případě srážeče plně využít. Občas se kinetická energie jednoho protonu na LHC přirovnává ke kinetické energii letícího komára. To by se mohlo zdát málo. Musíme si však uvědomit, že proton je o dvanáct řádů menší a takových komárů poletí po dosažení plánované maximální intenzity v úzkém svazku LHC až 1014. Dohromady ponesou energii v řádu stovek megajoulů, která by stačila na ohřátí zhruba tisíce litrů vody z pokojové teploty na teplotu varu. Kdyby se takový svazek strefil tam, kam nemá, uvolnila by se tato energie za zhruba 0,1 ms a stačila by k propálení pěkné díry. Proto má urychlovač speciální senzory, které svazek v případě nestability nasměrují do speciálního tunelu. Jedině blok materiálu v něm dokáže pohltit svazek bez následků. I kdyby zásah jinam nezpůsobil žádnou katastrofu, znamenal by přerušení práce urychlovače a nutnost oprav.
Králové mezi magnety
Urychlovač je umístěn v kruhovém tunelu o celkové délce zhruba 27 km. Velké magnety zajišťují, aby se nabitá částice i při té nejvyšší energii, kdy má rychlost jen neznatelně menší, než je rychlost světla, pohybovala po kruhové dráze. K tomu, aby to dokázaly, musí vytvořit intenzitu magnetického pole zhruba o pět řádů větší, než je magnetické pole Země. To už nedokážou normální magnety, ale musí se použít magnety supravodivé. Ty pracují jen při velmi nízké teplotě, a tak se musí magnety pomocí tekutého helia ochlazovat na 1,9 K (-271,3° C). Pro srovnání – nejnižší teplota na Zemi byla naměřena na antarktické stanici Vostok, a to -89,2°C. Proudy napájející magnety přesahuji 10 000 A. Srovnejme to například s proudem 27 A u běžné varné desky na vašem kuchyňském sporáku. Urychlovaným protonům je také třeba dodávat energii. To se děje pomocí urychlovacích elektrod, které se v tunelu střídají s magnety. Důležité je, aby v trubicích, ve kterých se protony pohybují, bylo dokonalé vakuum. Tlak v nich je tak menší než na povrchu Měsíce.
Detektor velký téměř jako petřínská rozhledna?
Abychom se z uskutečněných srážek dozvěděli něco nového, musíme prostudovat jejich průběh. To je možné jenom tak, že místa srážek jsou obklopená velice komplexními sestavami obřích detektorů. Ty se snaží polapit co nejvíce vznikajících částic, kterých bude na tisíce, a určit jejich vlastnosti (energii, hybnost, náboj …).
Na jedné straně musí určovat polohu nabitých částic s přesností na desítky mikrometrů a na druhé straně musí zachytit i částice s nejvyšší energií. Jedná se o čtyři hlavní sestavy detektorů s názvy ATLAS, CMS, LHCb a ALICE. Každý se specializuje na zkoumání jiných jevů. První tři budou studovat srážky protonů a ALICE pak srážky těžkých jader. Představu o celkovém rozměru celé sestavy detektorů si můžeme udělat na příkladu největšího z nich – experimentu ATLAS. Jeho celková délka je 46 m – to je jen o 15 m méně, než je výška petřínské rozhledny v Praze, průměr 25 m, to je skoro jako polovina výšky rozhledny a hmotnost 7000 tun. A zkuste něco takového poskládat v podzemí.
Jak se neutopit v datech?
Každá sestava detektorů má tisícovky nejrůznějších elektronických prvků a při každé srážce se produkují desetitisíce signálů. Proto je velmi důležitou a náročnou součástí celého komplexu sběr, vyhodnocování a ukládání informací. Počet srážek by při maximálních intenzitách svazků mohl dosahovat téměř miliardu za sekundu. Ovšem jen malá část bude těch, které nás zajímají. Proto bude na několika úrovních probíhat velmi složitý výběr těch správných srážek. Umožní to včas zarazit analýzu a zápis srážky, která je pro nás nezajímavá. Sítem výběru projde jen sto opravdu zajímavých případů za sekundu. Jenom jejich data se posílají do farmy počítačů, která zajišťuje jejich zaznamenání. I přesto je třeba zaznamenávat obrovské objemy dat. Představte si, že denně by se musel nahrát neuvěřitelný počet, téměř 20 000 DVD nosičů (s kapacitou 4,7 GB).
Co se od experimentů na LHC očekává?
Co tedy fyzikové od LHC očekávají a na jaké jeho objevy se těší? V první řadě se pochopitelně bude ověřovat standardní model a zjišťovat, do jaké míry platí i pro tuto zatím neprozkoumanou oblast energií. A na pozadí zkoumání toho známého se budou hledat nové jevy a objekty. Jaké tedy budou ty největší vyhlížené „špeky“ a jaké tři oblasti vylepšení poznání našeho světa urychlovač LHC umožňuje?
Bude lovit nové částice
Od doby Alberta Einsteina víme, že energie a hmotnost jsou spojeny. Platí tedy, že čím těžší částici chceme vytvořit, tím větší energii musíme na její produkci dodat. Prvním vylepšením tak je, že můžeme získávat i částice až tisíckrát těžší než proton. Novou částicí, jejíž objev se očekává téměř s jistotou, je Higgsův boson. Tato částice je poslední, která nám chybí v mozaice standardního modelu. A její objev by mohl přinést první Nobelovu cenu pro LHC. Její objev a zkoumání by mohlo vnést světlo do otázky, jak vzniká hmotnost. Daleko hypotetičtější jsou supersymetrické částice. V ranném vesmíru by supersymetrické částice vznikaly ve velkém počtu. Nejlehčí supersymetrická částice by tak mohla stát za temnou hmotou, která tvoří téměř 23 % hmoty ve vesmíru (naše normální hmota tvoří pouhé 4 %, 73 % tvoří tzv. temná energie).
Jemnější detaily a nové rozměry
Druhá oblast vylepšení je spojena s tím, že čím větší je energie urychlené částice, tím drobnější detaily „cítí“. To lze využít pro hledání projevů dodatečných rozměrů našeho světa, které by však měly být svinuty. Pokud nejsou všechny svinuty příliš, mohli bychom pomocí urychlovače LHC pozorovat jejich projevy. Buď v podobě mizející energie, nebo dokonce vznikem mikroskopické černé díry. Ta by se ovšem okamžitě vypařila, ale právě podle takto vzniklých částic bychom ji poznali.
Hmota z počátku vesmíru
Třetí oblast vylepšení je spojena s urychlováním a srážením těžkých jader. Při takové srážce se vytvoří kapička velmi horké a velmi husté hmoty. Hustota je několikanásobkem hustoty atomového jádra (1018 kg/m3) a teplota přesahuje 1012 K (přesahuje stotisíckrát teplotu uvnitř Slunce). V těchto podmínkách už nejsou kvarky vázány v protonech, neutronech či jiných hadronech, ale vytváří se úplně nová forma hmoty, kvark-gluonové plazma. Taková hmota vyplňovala náš vesmír v době, kdy jeho stáří nepřesáhlo deset mikrosekund. V tomto případě lze opravdu říci, že máme v rukou kousky ranného vesmíru a produkujeme spoustu „malých velkých třesků“.
To jsou některé z možných očekávaných objevů. Nejzajímavější však budou objevy, které vůbec nečekáme. V každém případě by však urychlovač LHC měl přinést klíčové poznatky pro naše poznání struktury hmoty a pochopení řady fyzikálních procesů ve vesmíru, dokonce i těch nejranějších fází jeho vývoje.
Může nás urychlovač ohrozit?
Při srážkách na urychlovači LHC chceme produkovat úplně nové jevy a úplně nové částice. Je tedy namístě otázka, jestli nás tyto jevy nemohou ohrozit. Jaké jevy se v souvislosti s možnou katastrofou zmiňují?
Prvním je vznik exotické tzv. podivnůstky (anglicky strangelet). Katastrofické scénáře předpovídají, že po svém vzniku začne tato podivnůstka přeměňovat normální hmotu na podivnou formu kvark-gluonového plazmatu, ze kterého se skládá, a postupně tak přemění celou Zemi.
Druhý katastrofický scénář je spojen se sjednocováním a vydělováním jednotlivých interakcí, tedy vzájemného působení nejrůznějších sil ve vesmíru. To nastalo v těch nejranějších stádiích rozpínání našeho vesmíru při dané teplotě a bylo provázeno fázovým přechodem vakua, který měl velice drastický vliv na vlastnosti celého vesmíru. Co když má dojít k vydělení další interakce právě při teplotě, která je teď? Co když příroda čeká jen na nějaký podnět, kondenzační jádro? No a co když se tím kondenzačním jádrem stane právě srážka protonů na LHC? Třetím oblíbeným katastrofickým scénářem pak jsou už zmíněné mikroskopické černé díry.
Příroda má lepší urychlovače
Všechny zmíněné objekty a jevy jsou pouze hypotetické. Jejich vlastnosti se dají jen těžko předvídat. Jak si tedy vědci mohou být jisti, že nám nebezpečí nehrozí? Jejich základní argument je založen na existenci kosmického záření s velmi vysokými energiemi. Na Zemi i na další objekty ve sluneční soustavě neustále dopadá velké množství protonů i těžších jader, které mají energii i o mnoho řádů vyšší než dokáže připravit urychlovač LHC. Na Zemi i v dalších místech Sluneční soustavy tak dochází ke srážkám, ve kterých se uvolňuje mnohonásobně více energie než u srážek na urychlovači LHC. Mohla by vzniknout otázka, proč pak vlastně urychlovač LHC stavíme? Je to dáno tím, že hustota částic s velmi vysokou energií je velmi malá, takže se pro naše studium nedá využít. Ovšem celková plocha Země a dalších těles sluneční soustavy je obrovská a srážky probíhají už miliony let. Urychlovač LHC tak bude schopen vyprodukovat jen malý zlomeček toho, co lehce provádí příroda. To, že nepozorujeme známky žádných katastrof, ukazuje, že se urychlovače nemusíme obávat.
A co takhle černé díry…
Může však vzniknout otázka, jestli se srážky kosmického záření a srážky na urychlovači LHC nějakým způsobem neliší. Jediná odlišnost je v tom, že při srážce kosmického záření je daleko menší pravděpodobnost, že vznikající objekty budou mít vůči Zemi malou rychlost. V případě vzniku podivnůstky je tento objekt elektricky nabitý a navíc vytváří i silnou interakcí. I při svém vzniku v kosmické srážce se vlivem styku s okolním prostředím velice rychle zpomalí a dostaneme situaci, která je stejná jako u urychlovače LHC. Z pohledu možného fázového přechodu vakua při vydělování nové interakce je důležitá jen energie srážky. Zůstává nám případ černé díry. Ale mikroskopická černá díra není klasická černá díra. Buď tak vzniklý objekt a okolní hmota Země na sebe působí tak slabě, že na ohrožení nestačí ani doba, srovnatelná se stářím vesmíru, nebo je existence kosmického záření velmi vysokých energií a neexistence příznaku katastrof ve sluneční soustavě jasným důkazem bezpečnosti experimentů na urychlovači LHC.
Spouštění urychlovače
Z popisu urychlovače LHC je vidět, že je to velmi složité zařízení. Jak už bylo zmíněno na začátku, bude jeho spouštění probíhat postupně a potrvá řadu měsíců, než dosáhne předpokládaných parametrů. Složitost tohoto procesu je možné demonstrovat i na skutečnosti, že průměr svazku protonů je řádu desítky mikrometrů. Což je průměr velmi jemného lidského vlasu. Takový svazek musí oběhnout mnohotisíckrát po velmi přesně definované dráze těch 27 km v podzemním tunelu a pak se musí dva proti sobě obíhající svazky s průměrem jemného vlasu v přesně daném bodě překřížit. Jen samotné ochlazování magnetů na potřebné teploty tekutého helia trvá mnoho dní. Pokud by se objevil problém na kterémkoliv z magnetů a bylo by třeba jej ohřát, opravit a znovu ochladit, zabralo by to zhruba tři měsíce.
Kdy lze čekat první objevy?
V době psaní článku se předpokládalo, že první protony se do urychlovače vpustí začátkem září. Napřed se odladí vedení svazku, to je třeba provést pro oba směry. Pak je třeba nastavit křížení svazků a získat první srážky pro jednotlivé experimenty a začít s urychlováním. V první fázi se předpokládá urychlování pouze na energii 70 % maximální hodnoty. Dosažení prvních srážek při této energii by mělo trvat zhruba dva měsíce od vpuštění prvních protonů do urychlovače. V listopadu začne zimní přestávka, plánovaná na energeticky nejnáročnější období roku. Spotřeba urychlovače LHC je totiž zhruba 120 MW. Tolik by spotřebovalo například 2300 domácností za celý rok! Příští rok by se mohlo urychlovat už na maximální energii. Vždy se bude začínat jen s velmi malým počtem urychlovaných protonů. Intenzita se bude pomalu zvyšovat a předpokládané parametry dosáhne urychlovač nejdříve v roce 2010. Průběžně také bude třeba okalibrovat a vyladit detektory jednotlivých experimentálních sestav. Pokud budeme mít velké štěstí, může první objev přijít i relativně brzy. S největší pravděpodobností však bude potřeba delší doba pro nabrání dostatečné statistiky a analýzu získaných dat. Proto bude potřeba ještě trocha trpělivosti, než se kýžených objevů dočkáme.
Česká účast na projektu LHC
Už od počátku se na projektech spojených s urychlovačem LHC podílejí i čeští vědci. Podíleli se na přípravě jednotlivých experimentálních zařízení. Některé části dodávaly i české firmy. Vyráběly například stínění, zdroje napětí pro některé detektory, nosnou kolébku pro elektromagnetický kalorimetr a řadu dalších zařízení. I na montáži magnetů LHC se účastnili čeští technici, ale daleko nejvíce je fyziků, kteří se podíleli na přípravě jednotlivých experimentů a budou je využívat. A řada našich studentů právě teď sedí na směnách v laboratořích CERN u kontrolních pultů různých detektorů. Urychlovač LHC ještě sice protony nesráží, ale detektory zaznamenávají kosmické záření, které proniká i hluboko do podzemí, a pomocí něho se detektory testují a kalibrují. Urychlovač LHC bude největším urychlovačem na světě nejméně příští desetiletí. Mladí čtenáři 21. STOLETÍ tak mohou v budoucnu být mezi těmi, kteří se na směny při experimentech v laboratoři CERN dostanou a budou se podílet na objevech udělaných pomocí jednotlivých experimentů na tomto urychlovači.
Při prosévání dat pomůže GRID
Prosévání obrovského objemu dat, která budou jednotlivá zařízení LHC chrlit a hledání „zlatých valounků“ velkých objevů je velice náročné na počítačové vybavení. Ani velké počítačové farmy o tisících procesorech, které v laboratoři CERN jsou, na to samotné nestačí. Proto se bude využívat tzv. systém GRID, což je obrovitý komplex vzájemně propojených počítačů, který umožňuje distribuované počítání a zapojení do této práce řady velkých počítačových farem po celém světě. Mezi nimi je například i česká počítačová farma Goliáš ve Fyzikálním ústavu AVČR.
21. STOLETÍ VYSVĚTLUJE
*Standardní model hmoty a interakcí – je název současné teorie, která popisuje strukturu hmoty. Podle ní existují dva typy částic hmoty kvarky a leptony.
*Z kvarků se skládají hadrony, mezi něž patří například i proton a neutron. Leptony jsou nabité (mezi ně patří třeba elektron) a neutrální, kterými jsou neutrina. Máme šest druhů kvarků a šest druhů leptonů, které se po dvojicích řadí do tří rodin. Každá z těchto částic má svého partnera – antičástici. Mezi nimi působí čtyři druhy interakcí.
*Nejsilnější silná interakce drží kvarky v hadronech a protony a neutrony v atomovém jádře.
*Elektromagnetická interakce působí mezi elektricky nabitými částicemi a drží elektrony v atomu.
*Slabá interakce je zodpovědná například za radioaktivní rozpad beta. Gravitační interakce je tak slabá, že se pro hmotnosti částic v mikrosvětě vůbec neprojevuje. Interakce jsou způsobovány výměnou částic.
*U silné interakce je to osmice gluonů, u elektromagnetické foton a slabé trojice bosonů Z0, W+ a W-.
Gluony jsou elementární částice, zprostředkující silnou interakci mezi kvarky. Důsledkem působení gluonů je možnost vzniku atomového jádra, neboť umožňuje vytvoření vazby mezi protonem a neutronem v atomovém jádře.
Bosony W a Z jsou rovněž elementární částice, které zprostředkovávají slabou interakci. Byly objeveny v CERNu už v roce 1983.
*Poslední částicí, která ještě patří do standardního modelu je Higgsův boson. Jeho existence však zatím čeká na potvrzení. Tyto částice a interakce nám umožňují popsat velice přesně téměř všechny děje v mikrosvět i strukturu našeho světa.
Není černá díra jako černá díra
Vzniklá mikroskopická černá se okamžitě vypaří. To předpovídají všechny teorie. Ale, co když se přece jen nevypaří? V tomto případě si je třeba uvědomit, že mikroskopická černá díra je úplně jiný objekt než klasická černá díra. Všechny destruující schopnosti klasické černé díry jsou spojeny s její velkou hmotností koncentrovanou do relativně malého poloměru a tedy velmi vysokou intenzitou gravitace. Díky této velké gravitační síle, kterou vytváří a působí jí na velkou vzdálenost, dokáže černá díra přitáhnout a roztrhat hvězdu či jiný objekt. Třeba kosmickou loď, i když tu zatím jen v SF filmech. Mikroskopická černá díra má hmotnost 10-21 g a dosah gravitační síly u ní je srovnatelný s tisícinou rozměru jádra atomu. Její interakce je natolik slabá, že její přeměna na klasickou černou díru nemůže nastat ani v čase o mnoho řádů delším než je stáří vesmíru.
21. století dodává
I v Česku se v rámci se v rámci oficiálních oslav spuštění LHC pořádá 21. října celodenní akce určená i pro širokou veřejnost a mládež v pražském planetáriu.
