Troufalé cíle si žádají troufalá řešení, a k takovým bezpochyby projekt budoucího urychlovače částic FCC patří. Odhalení záhad temné hmoty a energie? Hledání nových částic či výroba milionů nepolapitelných Higgsových bosonů?

Takové úkoly z říše fantazie se už možná brzy přesunou do reality – anebo také navždy zůstanou na papíře. .

Velký hadronový urychlovač (LHC), největší a nejvýkonnější urychlovač částic na světě, začal své první subatomární částice srážet v roce 2008. O čtyři roky později se mu povedl majstrštyk. CERN tehdy oznámil objev dlouho hledaného Higgsova bosonu, „božské částice“, která patří k základním pilířům Standardního modelu, ztělesňujícího naši představu o fungování vesmíru.

Tento úspěch už se LHC nepodařilo překonat, nedošlo k objevu dalších elementárních částic, ani dalších dlouho očekávaných objevů. Odhalení povahy částic temné hmoty a energie, které tvoří 95 % vesmíru, či záhada přebytku hmoty nad antihmotou tak patří k otázkám, na jejichž zodpovězení se stále čeká.

Část nadějí se upíná k urychlovačům dosahujících energií, které jsou daleko za možnostmi LHC. Takovým projektem by se mohl stát právě nový kruhový urychlovač Future Circular Collider. „FCC představuje jedinečnou příležitost posunout hranice našeho poznání a odhalit nové fyzikální fenomény, které by mohly zásadně změnit naše chápání vesmíru,“ uvedla generální ředitelka CERNu Fabiola Gianottiová.

Dvougenerační harmonogram

Budoucí urychlovač bude v první řadě potřebovat zbrusu nový tunel. Současný LHC usměrňuje částice na kruhové trase dlouhé 27 km, FCC bude využívat tunel o délce 91–100 km, vyhloubený 180–400 metrů pod povrchem francouzsko-švýcarské hranice.

Protože půjde o běh na dlouhou trať, bude i projekt probíhat ve dvou fázích. Během první dojde k výstavbě infrastruktury a zprovoznění jednoduššího urychlovače, který asi od roku 2045 začne srážet elektrony a jejich antičástice, pozitrony v kolizních energiích v rozmezí 90 GeV-350 GeV. Přezdívaný jako „továrna na Higgsův boson“ se má specializovat především na výrobu velkého množství „božských částic“ a jejich detailního studia.

Poté bude rozebrán, aby za dalších 30 let uvolnil místo hadronovému urychlovači. Ten se, stejně jako současný LHC, už plně soustředí na kolize protonů s protony při energiích 85 teraelektronvoltů (TeV), což je šestkrát více než LHC operující při 14 TeV. Výzkum pokročilých supravodivých materiálů by tuto energii mohl časem zvýšit dokonce až na 120 TeV.

Žádná levná věda

S finálním uvedením FCC do provozu se počítá nejdříve v roce 2072. Takto dlouhá prodleva je dána i vlivem technických výzev, které s sebou projekt přináší. Technologie k dosažení kýžených kolizních energií ještě nejsou na světě, stejně tak bude třeba nejprve vyvinout vysoce výkonné supravodivé magenty.

Nejde přitom o výjimečný postup. Od schválení projektu LHC trvalo dalších 14 let, než byly vyvinuty a instalovány potřebné supravodivé magnety. Jak ale uvedla Gianottiová: „Pokud dojde k jeho schválení, stane se FCC nejmocnějším nástrojem, který byl kdy postaven pro studium přírodních zákonů na nejzákladnější úrovni.“.

Podmiňovací způsob je na místě. Členské státy CERNu, čili 23 evropských zemí a Izrael, mají čas do roku 2028 oficiálně se rozhodnout, zda na projekt uvolní potřebné finanční prostředky. A nepůjde o žádné drobné.

Podle studie proveditelnosti, uveřejněné v březnu letošního roku, spolkne uvedení projektu k životu jen do poloviny 40. let kolem 15–20 miliard eur.

Fyzika na rozcestí

Kontroverze se u podobně technologicky a finančně náročného projektu dají očekávat. Některé kritiky odrazují vyhlídky na realizaci konkurenčních projektů, například čínského SPPC/CEPC s plánovaným obvodem 100 km, jehož výstavba by mohla začít mezi lety 2027–2030. Jiní mají problém s časovým harmonogramem, zvláště když není jasné, zda je FCC tím pravým nástrojem k zodpovězení otázek fyziků:

„Považoval bych za velmi nespravedlivé vnucovat svým vnoučatům fyzikální program,“ uvedl například rakouský fyzik Jochen Schieck, člen Rady CERN. Část kritiky se ovšem týká samotného konceptu nových mega-urychlovačů.

Urychlovače částic jsou v současnosti nejdražšími fyzikálními experimenty. Hlavním důvodem je stagnace ve vývoji technologií – od 90. let 20. století nedošlo k zásadnímu průlomu v oblasti supravodivých magnetů a dalších komponent.

Jediným známým způsobem, jak dosáhnout vyšších energií, tak zůstává výstavba stále větších zařízeních ve stále delších tunelech lemovaných více magnety, obsluhovaných početnějším personálem. Jak poukazuje fyzička Sabine Hossenfelderová z Frankfurtského institutu pro pokročilá studia (FIAS):

„Vysoce energetické srážky nemusí být tím nejlepším způsobem, jak nové částice hledat. […] Existují zcela odlišné typy experimentů, které by mohly přinést průlomové objevy s mnohem nižšími náklady, jako jsou vysoce přesná měření při nízkých energiích nebo experimenty s objekty v kvantových stavech.“ Řada vědců tak volá po inovativnějších přístupech, například v podobě menších a levnějších lineárních urychlovačích.

Experimenty s přesahem

Stále není jisté, zda rozbíjení protonů při vyšších energiích povede k objevu nových částic a jevů. Přesto v něm mnoho vědců spatřuje smysl. Mimo jiné i proto, že čistá věda nikdy nepředstavovala jediný přínos velkých urychlovačů.

Například čipy Medipix, vyvinuté v CERNu pro experimenty na LHC, se dnes v podobě rentgenových snímků s vysokým rozlišením využívání v lékařském zobrazování nebo materiálovém výzkumu. Základní výzkum v oblasti urychlovačů přispěl k rozvoji protonové a iontové terapie coby metody léčby mozkových nádorů.

Potřeba vědců v CERN rychle sdílet data a informace dal také vzniknout webu. V neposlední řadě se CERN vyprofiloval v baštu mírové a efektivní mezinárodní spolupráce, která sdružuje tisíce vědců z desítek zemí.

Podle zastánců projektu by tak realizace FCC mohla představovat nejen investici do vědy, ale také do společného vědění.