Když taky někdy jdou peníze na vědu - mimo jiné na LHC

4. 12. 2009 / Miloš Dokulil

1. Až na prvním místě jsou v tom peníze?

Média si loni na konci léta všimla toho, že byl spuštěn do provozu zatím největší urychlovač částic, jaký kdy byl zkonstruován (10. 9. 2008). Převedeno na dolary: ten "špás" měl posléze stát běžně nepředstavitelných deset miliard ($10 x 109, jenže předtím se uvádělo "jen" $6 x 109; takže raději v britských librách: byly to tehdy pouze necelé čtyři miliardy, přesněji £3.6 x 109). Když pak po desíti dnech ta nákladná aparatura stála najednou nečekaně mimo provoz pro poruchu, málokdo uvažoval o tom, jaké složité zařízení bylo předtím uvedeno do provozu. Nový provoz byl posléze zahájen až málem o 15 měsíců později (24. 11. 2009). V celém tom náročném projektu je angažováno šest tisíc vědců z několika stovek institucí (z 55 zemí). Lze vážně pochybovat o tom, že "veřejnost" přijatelně tuší, o jak významnou investici do "poznání" v tomto případě jde (či "běží").

2. Jak dlouhou historii mají urychlovače již za sebou?

Víceméně bychom se při dotazu na ten obří urychlovač částic zpětnou vazbou od mnohých lidí snad dověděli, že to je nějaké zařízení poblíž Ženevy. Ti nemálo informovanější by možná dodali, že se chystá odhalení "jakéhosi bosonu". (Pozor: výslovnost s "s" ve výrazu "boson"!) Protože věda je již víc jako sto let převážně "esoterická" (a tedy zakletá jen mezi její "zasvěcence"), jen málokdo z nás současníků tuší, co všechno před vědci v CERNu v Ženevě už nějakou dobu se tyčí jako problémy. Ty problémy nevyvstaly až teď. Předcházelo nemálo -- vždy stále náročnějších a složitějších -- urychlovačů částic, z nichž každý tomu dalšímu v časové řadě předal jako dědictví otázky neřešitelné dosavadními aparaturami. (První urychlovač částic pochází z roku 1931 a jeho autorem byl Ernest Lawrence. Od jeho doby se účinnost takového zařízení zvýšila o víc jak osm řádů, stomilionkrát.)

3. Jakou funkci plní urychlovač částic?

Stručně si připomeňme, jakou funkci takový urychlovač částic má. Zařízení kombinuje elektřinu a magnetismus tak, aby ve vzniklém silovém poli mohlo docházet k urychlení především protonů vyslaných do usměrněného systému. Při tom urychlování částic se jim zároveň dodává energie (která se v atomové fyzice měří v elektronvoltech, eV). Protony mají kladný náboj, takže jsou na vzniklé magnetické pole citlivé. V urychlovačích se inscenují vůči urychleným částicím kolize. Nejdříve byl aranžován jen statický cíl, nyní se vysílají urychleným částicím vstříc jiné částice, aby navodily dramatičtější kolize. Dojde-li ke kolizi částic směřujících proti sobě, jejich vzájemné rychlosti se sčítají a účinek střetnutí takto vzájemně orientovaných částic se stoupající rychlostí nemálo roste. Četnost takových kolizí není předem automaticky dána. (V našem běžném zkušenostním světě: narazí-li dvě auta proti sobě, pustošivý účinek střetu je nesrovnatelně horší, než když takové auto narazí jen na nepohyblivou překážku.) Při kolizi vznikají další částice a při dostatečně velkých energiích by se mohla výsledná energie přeměnit v masu.

4. Tzv. "Higgsovo pole" a "supersymetrie"

Právě zmíněným jevem se zabýval již roku 1964 britský fyzik Peter Higgs. Takto ještě dřív než byl přijatelně stabilizován tzv. "standardní model", případným předpokladem o jakémsi zvláštním činiteli (nazvaném pak "Higgsova částice") byl tento výchozí model okamžitě uveden v potenciální zpochybnění jako neúplný. Dnes je ten zvláštní, zcela nový a zatím ještě hypotetický nový model nazýván zkráceně "SUSY" (tj. "supersymetrie"). Je tu důvodný předpoklad, jako kdyby tu nejdřív se pohybovaly částice bez hmotnosti kvantovým polem (zvaným také "Higgsovo pole"), jímž by také pronikaly další částice, z nichž některé by při tom průchodu reagovaly na podmínky tohoto zvláštního pole a získaly přitom hmotnost. (Netýkalo by se to fotonů jako masu nemajících nositelů efektu světla.) "SUSY" předvídá, že každá ze známých částic (kodifikovaných Standardním modelem) má svého "superpartnera". Takový superpartner se ovšem bude rychle rozpadat, pokud vůbec existuje.

5. Pár úchvatných znaků jednoho z detektorů LHC

V rámci programu LHC jeden z detektorů, nazvaný ATLAS, by snad mohl poskytnout v právě sledované problematice -- kéž by -- slibnou odpověď. O jak kolosální zařízení v rámci urychlovače jde (průměrně 100 metrů pod zemí), svědčí také jeho rozměry: délka 46 m, šířka 25 m, výška 25 m; a váha zařízení 7.000 tun. Vědců podílejících se v tomto "oddělení" na výzkumu jsou málem dvě tisícovky (z 35 zemí). --- Detektor ATLAS přitom provede za 1 sekundu celkem 54 miliard operací. Bude detekovat události v nepředstavitelně malých časových úsecích 10-24 vt.! Snad je vidět, že tu je celá řada doprovodných problémů. Systém se nesmí zahltit. Musí mít efektivní metodu k registraci a uchovávání relevantních údajů.

6. Několik veličin k osvěžení představivosti

Výše byla již zmínka, že některé údaje částicové fyziky se udávají v elektronvoltech (eV). Pokud se týká váhových charakteristik v této mikrooblasti reality, masa se také uvádí v eV (i když to je zároveň také jednotka energie). Nestačí k tomu jen dva tři řády (tedy po "kilo"), takže od "mega" (MeV, 106) přecházejí ty charakteristiky na "giga" (GeV, 109), nebo již i na "tera" (TeV, 1012). Zatím se má za to, že by se Higgsovy částice mohly objevovat v rozmezí mezi 140 až 500 GeV. Paradoxně pro běžné naše představy by přitom mohlo být snazší detekovat těžší Higgsovy bosony spíše než ty lehčí. Přitom, aby vůbec byly vytvořeny experimentální podmínky k plánovaným srážkám protonů, pak se počítá s tím že jejich kombinovaná energie před srážkou by měla mít 14 TeV. Na takovou energii nebyl stavěn žádný z předchozích urychlovačů. (Pro srovnání: Ultravysokoenergetické kosmické paprsky jsou jen o sedm řádů výše.) Teplota požadovaná pro fungování celého systému (v supervodičích) vyžaduje ochlazování až na 1,9 kelvina; tedy taková teplota je nižší, než jakou má meziplanetární prostor. (Za takto extrémních teplot nabývají některé prvky zcela zvláštních vlastností.) Dosažené vakuum musí být 10 x větší, než jaké je na Měsíci.

7. Nepředstavitelné nároky (ale i výsledky) aparatur, které jsou v provozu

Předběžně bychom tu měli také paralelně uvést, jak rostou energetické nároky při urychlování částic. (Hned si také připomeňme, že rychlost světla "c" obnáší 299.792,458 km/sec.) Především se získá proton přímo z ovzduší tím, že je atom vodíku zbaven svého elektronového obalu. Nato je uveden -- už jako kladně nabitý proton -- do výchozích 31,4 % rychlosti světla; a to zatím ve výchozím lineárním urychlovači na zemském povrchu. V posilovacím prstenci (v okruhu 200 m) dojde k dalšímu jeho zrychlení na 91,6 % c. Následný protonový synchrotron (mající za sebou již 50 let provozu) urychlí částici již na celých 99,93 % c; to už je k tomu potřebná energie 25 GeV. Zhruba 40 m pod povrchem země je okruh o celkové délce 7 km, a na tomto synchrotronu se částice urychlí o další významný zlomek rychlosti světla, na 99,9998 % c. Má-li se tedy rychlost částice přiblížit rychlosti světla na rozdíl pouhých dvou desetitisícin procenta její mezní rychlosti, už musí být k tomu potřebná energie málem dvacetkrát vyšší vůči předchozímu stadiu, 450 GeV. Teprve pak se dostane urychlovaná částice konečně až na nejspodnější okruh, který má na obvodu přibližně 27 kilometrů, a kde dojde k dalšímu urychlení částice, až na 99,9999991 % c! Zde půjde již o rozdíl pouhých devět desetimiliontin procenta rychlosti světla. Nutná energie k tomu je ovšem již 7 TeV! (Nezapomeňme přitom na důsledky plynoucí pro pohybující se částice při rychlostech hraničících s rychlostí světla.)

Poznámka na závěr

Tento text chtěl jen předběžně upozornit na některé výchozí znaky všeho toho, co vypadá až magicky a vesměs se vymyká přijatelné představivosti. Přitom je třeba očekávat, že jenom třeba srážky protonů nebo kalibrace detektorů zaberou možná minimálně dva měsíce času na dolaďování. Navíc může trvat i několik let, než konečně budou získány zásadní pozitivní nebo negativní výsledky. Pro vědu přitom bude cenný obojí možný výsledek (ať už dojde k detekci Higgsova bosonu, anebo ne); věda aspoň bude vědět, co a jak jako úkol vytýčit dál. Nelze dost docenit, že se tu jedná zároveň o výjimečně závažnou oblast pro další poznávání našeho světa, včetně podmínek, jaké asi existovaly na počátku tzv. "velkého třesku".

srovnej starší příspěvek: ZDE

Vytisknout

Obsah vydání | Pátek 4.12. 2009