Článek
Čtete ukázku z newsletteru TechMIX, ve kterém Pavel Kasík a Matouš Lázňovský každou středu přinášejí hned několik komentářů a postřehů ze světa vědy a nových technologií. Pokud vás TechMIX zaujme, přihlaste se k jeho odběru!
Největší současný urychlovač LHC (Large Hadron Collider, tedy Velký hadronový urychlovač), který se nachází na hranicích Švýcarska a Francie, čekají ještě roky provozu a experimentů. Aktuálně pracuje a sbírá údaje, ale měl by projít další velkou modernizací, po které by měl pracovat až do roku 2041.
Přínosy LHC jsou nesporné, ale zároveň poněkud nečekaně chudé. V roce 2012 na něm byla experimentálně prokázána existence Higgsova bosonu. Tato z praktického hlediska dnes vlastně nezajímavá částice byla důležitým chybějícím dílkem ve velké skládačce našich vědomostí o neviditelných stavebních dílech vesmíru.
Objevem Higgsova bosonu se novinky z LHC bohužel do značné míry vyčerpaly. Všechna následující měření ukazují, že kýžená částice se velmi přesně podobá tomu, co teorie považovala za nejpravděpodobnější – a nic víc. Nemá žádné exotické či překvapivé vlastnosti, které by alespoň naznačily, jak posunout další hranice našeho vědění. Fyzika totiž umí popsat chování jednotlivých částic, ale nedokáže dobře vysvětlit, co vlastně tvoří většinu hmoty v našem vesmíru či jak přesně funguje gravitace.
Fyzikové optimisticky doufali, že na LHC se kromě Higgsova bosonu objeví i nějaké další indicie, díky kterým bychom se tyto otevřené otázky mohli pokusit zodpovědět z nového úhlu. Vesmír ale zatím mlčí, a tak se částicoví fyzikové rozmýšlejí, jak ho rozmluvit.
Existují různé nápady a řešení. Urychlovače částic jsou ovšem postaveny na poměrně jednoduchém principu: Rozbít malé dílky světa na co nejmenší kousky, abychom zjistili, z čeho se skládají. Čím větší silou je dokáže o sebe udeřit, tím „menší“ dílky by z nich mohly vypadnout. Extrémně jednoduše řečeno: Pokud LHC neobjevil nic zásadního, mělo by se postavit ještě výkonnější a větší zařízení, ve kterém se může objevit něco nového.
Mohla by to být třeba úplně nová částice, kterou Standardní model nepředpovídá. Ale stejně dobře by posloužilo i to, kdyby se podařilo zachytit nezvyklé a nevysvětlitelné chování již známé částice.
Ještě větší tunel
Evropská organizace CERN, která je tahounem experimentálního výzkumu v této oblasti i pro zbytek světa, právě proto na takovém projektu už roky pracuje. V roce 2020 vydala svou strategii pro následující roky, které se od té doby drží.
Jejím jádrem – a vlastně prakticky jediným bodem – je obří experiment známý zatím jako FCC (Future Circular Collider, tedy Kruhový urychlovač budoucnosti) budovaný právě v laboratořích CERN na předměstí Ženevy. Jinde ho stavět nemá praktický smysl, protože FCC bude využívat velkou část stávající infrastruktury.
Protože jádrem filozofie je „stejně, ale s větší energií“, nové zařízení má v podstatě být jen zvětšenou obdobou toho, co už v CERN dnes stojí. Znovu by mělo jít o kruhový urychlovač, ve kterém se částicím postupně dodává více a více energie a pak se nechají srazit. Pro představu: Částice „injektované“ do hlavního prstence LHC z předchozích urychlovačů nabírají svou maximální energii po dobu zhruba 20 minut při frekvenci něco přes 11 tisíc otáček za sekundu.
Strategie CERN předpokládá, že by šlo o zařízení, které by se výrazně inspirovalo nejen technickou stránkou, ale také procesem vzniku LHC, bude tedy „podvojné“. Nejprve by v novém tunelu stál urychlovač na lehčí částice, pak na těžší. Úplně stejně tomu bylo v minulosti: Ve stejném 27kilometrovém tunelu stál v letech 1989 až 2000 nejprve LEP, který urychloval elektrony a pozitrony (tj. elektrony z antihmoty), a až po něm přišel LHC, který urychluje protony a případně i ionty (olova).
První z těchto zvažovaných urychlovačů – ten, který by urychloval elektrony – by mohl fyzikům posloužit také jako „továrna na Higgsovy bosony“. Nečekaly by se od něj žádné nové objevy, ale donedávna exotické bosony by v něm vznikaly v ohromném množství. Fyzikové by tak měli výrazně větší šanci odhalit případné „zvláštnosti“ této zatím tak nepřekvapivé částice.
V CERN se už roky pracuje na plánech pro projekt. Průběžné výsledky popisuje průběžná zpráva, která byla oficiálně představena Radě CERN, tedy vrchnímu orgánu organizace, na začátku letošního února. Dokument zatím nebyl uvolněn pro veřejnost, to se má stát v příštím roce.
Plány počítají s tím, že nové zařízení by mělo stát v tunelu dlouhém 91 kilometrů, který by měl ležet částečně pod Švýcarskem a částečně pod Francií (stejně jako 27kilometrový tunel LHC). Rozdíl je kromě rozměrů mimo jiné i v tom, že by měl ležet ve výrazně větší hloubce: Místo zhruba 80 metrů by se měl nacházet 200 metrů pod povrchem.
„Technicky je to velmi zajímavé, je za tím vidět spousta práce,“ říká fyzik Jiří Chýla z Matematicko-fyzikální fakulty, který zprávu už četl. Tunel vzniklá v geologicky poměrně složitém prostředí. Samotné zařízení by mělo být také v řadě ohledů technicky inovativní, byť zároveň sází na osvědčené technologie, takže není pochyb o tom, že by opravdu mohlo být v této podobě postaveno – alespoň tedy ve své zárodečné podobě.
Jak už jsem zmínil, v první fázi by měl vzniknout urychlovač na elektrony a jejich antihmotové protějšky, tedy pozitrony. Energie, se kterou by mělo takové zařízení pracovat, není o mnoho větší než u již dávno vyřazeného urychlovače LEP. V něm částice dosahovaly energie srážek 209 GeV. V FCC by to na začátku provozu mělo být 240 GeV. A až po prvním „upgradu“ by se energie měla zvýšit na 360 GeV.
To je zhruba 35krát méně, než kolik činí energie srážek v dnešním LHC. Ovšem v tomto případě jde o srovnání nesrovnatelného. Lehkým částicím, jako jsou elektrony a pozitrony, nelze ani v kruhovém urychlovači dodávat energii donekonečna. Snaha začne být v jistou chvíli marná v důsledku ztrát kvůli tzv. synchrotronnímu záření čili magnetickému brzdnému záření.
Zjednodušeně řečeno při obíhání kolem urychlovače takové částice neustále „vysílají“ energii směrem ven. Po dosažení určité hranice, která závisí na poloměru urychlovače, obíhající částice veškerou dodanou energii jednoduše vyzáří a samy se už nijak „neurychlí“.
U těžkých částic, jaké urychluje LHC, je tento problém výrazně méně závažný. FCC by se měl po první fázi provozu také změnit na urychlovač hadronů, tedy právě těžkých částic. Podle dnešních odhadů by pak mohla energie srážek dosáhnout hodnot kolem 100 TeV, tedy zhruba sedminásobku hodnoty na dnešním LHC.
Jenže to je hudba velmi vzdálené budoucnosti. Při daném poloměru tunelu by takový urychlovač vyžadoval mimo jiného existenci výrazně silnějších obřích magnetů, než jaké lze vyrobit dnes (cca 16 Tesla místo 8,5 Tesla na LHC).
Kdy a za kolik?
Vědci a inženýři pracující na nových magnetech mají alespoň dost času. Časový harmonogram FCC je podobný jako u LHC – a tedy velmi dlouhý.
Podle dnešního plánu by rozhodnutí o stavbě mělo padnout v roce 2028. Samotná stavba by měla začít v roce 2033. Hotovo by mělo být v roce 2048, kdy by také urychlovač měl i začít pracovat. Ovšem na již zmíněných nižších energiích. K přestavbě na urychlovač těžších částic by mělo dojít až po mnoha letech provozu. A „megaLHC“ by tak měl podle dnešních představ začít fungovat až někdy zhruba za půl století, někdy v 70. letech 21. století.
Pokud se skutečně na LHC v dalších letech s přibývajícím počtem srážek nepodaří objevit nic nového, částicovou fyziku mohou čekat dlouhé roky relativního vědeckého „sucha“. Existují pochopitelně i další přístupy ke zkoumání světa částic, ale posunování hranic energetické hodnoty srážek hrálo v objevech posledních desetiletí zásadní roli.
Vědci z oboru budou muset být nejen trpěliví, ale také přesvědčiví. Nový urychlovač nebude rozhodně levný. To je jasné i z průběžné zprávy, která se přitom otázce ceny do značné míry vyhýbá. „Základní shrnutí závěrů, tedy Executive summary, průběžné zprávy CERN má více než čtyři desítky stran,“ říká Jiří Chýla: „Ale otázce financování se věnuje zhruba jedna stránka.“
Podle dnešních odhadů by se přitom cena urychlovače měla pohybovat někde nad 13 miliardami eur, tedy zhruba 320 miliard korun při dnešním kurzu. To je spodní hranice, kterou tvoří cena za základní urychlovač na energie srážek 240 GeV, tedy jen o něco větší než energie LEP, tedy předchůdce LHC. S „upgradem“ na vyšší energie elektron-pozitronových srážek (na cca 360 GeV) by se cena podle odhadů měla pohybovat snad kolem 15 miliard eur (cca 370 miliard Kč).
Jak bylo řečeno, CERN se otázkou financí příliš nezabývá. Ale i z krátkého výčtu se zdá, že pro tento projekt by organizace musela zřejmě sehnat financování i z jiných zdrojů než vlastního jmění a příspěvků členských států, jako je Česká republika. Pomoci by mohly například nečlenské státy, jako je Japonsko, Spojené státy, ale třeba i Čína.
Jenomže většina z nich má vlastní program rozvoje částicové fyziky a stavby vlastních urychlovačů. Jak budou ochotné podílet se na projektu stojícím v Evropě, dnes není jasné. Rozpočet na částicovou fyziku v USA na příští dekádu s ničím takovým nepočítá. Čína zase dává najevo, že se chce soustředit na stavbu vlastních zařízení.
„To jsou přitom ještě peníze investiční, ještě další otázkou jsou finance na provoz,“ říká Jiří Chýla a dodává: „To je přitom otázka, která se bude muset vyřešit v několika příštích letech, pokud v roce 2028 má padnout rozhodnutí o stavbě.“ Byť je tedy nový projekt v mnoha ohledech natolik opatrný a konzervativní, že by nejspíše bylo možné ho postavit, je vůbec otázkou, zda svou šanci dostane.
A i kdyby ano, otázkou je, kolik z nás se dočká okamžiku, kdy se rozběhne, potažmo chvíle, kdy konečně dosáhne svého plného výkonu. Pokud k tomu dojde, u ovládacích pultů bude stát už jiná generace techniků a fyziků – a psát o tom bude jiná generace vědeckých novinářů.
V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.
