Článek
Pokud vás TechMIX zaujme, přihlaste se k jeho odběru!
V evropském výzkumném středisku CERN byl v pátek 22. dubna znovu zahájen provoz částicového urychlovače LHC. Zařízení bylo znovu zapnuto po více než tříleté odstávce, během které došlo k rozsáhlé údržbě a modernizaci vybraných částí. Upgrade má zvýšit šanci, že LHC přijde s nějakým novým objevem. Potvrzením existence Higgsova bosonu obří urychlovač splnil očekávaný cíl, jinak ovšem jeho práce mnoho nových objevů nepřinesla.
Podařilo se uzavřít teorii známou jako tzv. Standardní model, která dobře vysvětluje vznik, podobu a chování všech známých částic. Pouze se Standardním modelem si ale ve snaze o pochopení celého vesmíru nevystačíme. Nevysvětluje například povahu tzv. temné hmoty ani gravitaci. Je to nepochybně velmi úspěšná teorie, ale přitom je tak dokonale kompletní a uzavřená, že vůbec nenaznačuje, kterým směrem by se fyzika měla vydat dále. A tak nezbývá než hledat dále, nejlépe v místech, kam fyzika zatím nahlédnout nemohla.
Rozjezd modernizovaného LHC probíhal opatrně, jak se na zařízení za miliardy eur patří. První svazky částic v jeho okruhu nebyly ani urychlovány a pohybovaly se s energií, kterou jim udělily urychlovače, které jsou v kaskádě ještě před LHC.
Už 25. dubna ovšem dosáhlo zařízení svého rekordní energie a zároveň světového rekordu, když urychlilo svazek částic na energii 6,8 teraelektronvoltu (TeV). Vysvětlení jednotky není tak důležité, ale řekněme si jen, že se s její pomocí označuje zároveň jak hmotnost částic, tak jejich energie – v souladu s teorií relativity jsou obě ostatně stejnou věcí.
O světový rekord jde proto, že před odstávkou měl LHC maximální výkon pouze 6,5 TeV. To se může zdát málo, ale někdy to je rozdíl mezi velkým objevem a neúspěchem. Jak připomíná český fyzik Jiří Chýla, v případě předchůdce LHC, urychlovače LEP, se něco takového stalo: „K objevu Higgsova bosonu mohlo dojít v roce 2003 (místo 2012, pozn. red.), kdyby se tehdy podařilo zvýšit výkon LEPu o nějakých deset procent.“
Urychlovač se zatím pouze zabíhá. Do plného provozu by se mohl dostat během léta. Až tehdy v něm začne docházet k prvním srážkám svazků částic urychlených na již zmíněných 6,8 TeV.
Jiná doba
Šance na revoluční objev se i po zvýšení výkonu ovšem zdají malé. Higgsův boson byl dopředu předpovězen a málokdo pochyboval, že by ho LHC neobjevil. Roky provozu LHC ovšem neodhalily žádné jasné stopy fyziky „za Standardním modelem“. Zvýšení výkonu o pět procent situaci asi zásadně nezmění: „Nejspíše to k žádnému velkému objevu nepovede, ale mohou se objevit náznaky nové fyziky, i to by byl významný úspěch především s ohledem na další etapu provozu LHC,“ odhaduje Jiří Chýla.
Vědci ovšem nespoléhají jen na jedno malé vylepšení. V rámci předchozí odstávky došlo kromě rozsáhlé generálky LHC také k jeho různým vylepšením. Jedno z nich (stavba nového „předurychlovače“ ještě před samotným LHC) povede například ke zvýšení počtu částic ve svazku. A to zase povede k vyššímu počtu srážek v LHC a tedy větší statistické síle získaných výsledků.
Modernizaci také není konec. Urychlovač bude nyní pracovat zhruba tři roky, pak bude znovu odstaven na další dlouhý shutdown. Až se pak znovu spustí v roce 2029, měl by za sebou mít kompletní tzv. „High Luminosity Upgrade“. Jeho hlavním cílem je zvýšit luminositu, tedy počet srážek a tedy i počet zajímavých měření. Přibýt by jich mělo ve srovnání s původním stavem zhruba sedmkrát (a pětkrát proti situaci po současném restartu).
Na zařízení se mění vše možné, od měřicích prvků na jednotlivých detektorech přes úpravy v systému urychlování a „vstřikování“ protonových svazků do okruhu až po změnu geometrie svazků těchto částic, aby se optimalizoval počet srážek.
Jednoduše shrnuto: Kolize částic v detektorech ve výsledku nebudou probíhat s většími energiemi, bude jich však podstatně více (a detektory je také mají zvládnout rychleji a přesněji měřit). Dat bude podstatně více, a tak bude možné potvrdit či vyvrátit „podivnosti“, které se v datech objevují a které by mohly naznačovat, kudy dál.
Nejslibnějším příkladem takové anomálie je nečekaný výsledek jednoho z detektorů na LHC, tzv. LHCb. Ale její popis je na jiný text, do dnešního by se nevešel. Počkejme si, zda ho nové údaje potvrdí. Zájemcům o fyziku, kteří o této „podivnosti“ ještě neslyšeli a nevydrží pět let počkat, než bude k dispozici analýza nové várky dat z LHC, doporučuji text na webu Fyzikálního ústavu.
V každém případě by měl provoz vylepšeného LHC skončit v roce 2038. Co bude dál? To zatím není zcela jasné.
Kdo přesvědčí japonské MŠMT?
CERN je tahounem experimentálního výzkumu v oblasti částicové fyziky, a tak jeho postoj k budoucnosti udává tón pro celý svět. Proto se věnovala taková pozornost jeho strategii pro další desetiletí (základní, krátkou verzi najdete na této stránce). Jde o přípravný dokument, který je výrazem přání a potřeb vědecké komunity, ne přímo technickým popisem projektů.
Základní směr je jasný: Částicová fyzika bude do budoucna potřebovat ještě větší urychlovač, než je LHC. Věda zatím nemá jinou uznávanou metodu, jak poznat, z čeho se náš svět skládá, než tlouci jeden jeho malý kousek o druhý. Aby se mohlo objevit něco nového, srážky částic musí být s ještě většími energiemi než v LHC, a tak i samotné zařízení musí být výkonnější a větší. Mooreův zákon pro urychlovač bohužel neplatí.
Rýsují se v podstatě dvě možnosti. První jsou velké lineární (tj. rovné) urychlovače s délkou řádově několik desítek kilometrů. Druhou je pak stavba většího LHC, tedy kruhového urychlovače, který by měl ještě delší tunel než LHC. Každé z těchto zařízení by mělo trochu jiné výkony a parametry.
Případný lineární urychlovač pracovně nazývaný ILC (International Linear Collider, tedy Mezinárodní lineární urychlovač) by nedokázal produkovat srážky o ani zdaleka takové energii jako LHC. Dnes se uvažuje, že maximální energie srážek by byla kolem 0,25 až 0,5 TeV, tedy zhruba 1/50 až 1/25 maximálně energie upgradovaného LHC.
V kruhovém urychlovači mohou částice nabírat energie postupně během mnoha oběhů, v případě lineárního urychlovače postupná akcelerace není možná. 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. ILC má podle současných downgradovaných (o tom dále) představ fyziků měřit zhruba 20 kilometrů, ovšem ani tak se s možnostmi kruhové urychlovače nemůže rovnat. (Ve skutečnosti je to trochu komplikovanější, ale tuto komplikaci si nechejme na konec textu.)
Lineární urychlovač by měl být postaven tak, aby sloužil jako „továrna na Higgsovy bosony“. Docházelo by v něm ke srážkám s takovou energií, aby těchto částic vznikalo více než v LHC – právě proto je zvažovaná maximální hodnota srážek 250 GeV, tedy přesně dvojnásobek hmotnosti Higgsova bosonu.
Výsledky by také měly být jasnější a přehlednější. ILC by měl urychlovat jednodušší a lehčí částice (konkrétně elektrony a pozitrony) než LHC, a při srážkách by v něm tak mělo vznikat méně „odpadu“ a výsledky by mělo jít snáze zaznamenávat a měřit.
Otázkou je, zda a kdo ho postaví. Vědecká komunita do jisté míry doufala, že by urychlovač za svůj mohla vzít japonská vláda. Finančně by se na něm podílely i jiné státy, ale asijská země měla nést velkou část nákladů a v podstatě zajistit, aby se urychlovač opravdu postavil. O této možnosti se mluví již roky, tokijské představitele se ale zjevně pro věc získat nepodařilo.
Nedávno to doložila zpráva komise japonského ministerstva školství, kultury, sportu, vědy a technologií. Její závěr říká, že v tuto chvíli není vhodné přípravu výstavby ILC v Japonsku podpořit. Mimo jiné i proto, že některé země, které projevily zájem o účast v projektu, by nakonec mohly mít problémy s jeho financováním. Japonsko, nebo přesněji „japonské MŠMT“, se zjevně v tuto chvíli nechce k takovému projektu zavázat. A to patrně kvůli obavám z budoucího vývoje rozpočtu na vědu a výzkum a zátěži, kterou by pro něj urychlovač představoval.
Komise také de facto radí, aby se zastánci stavby velkého lineárního urychlovače zamysleli nad již zmíněnou druhou možností, tedy stavbou velkého kruhového urychlovače s lepšími výkony než LHC. Pokud jsou mé dohady o motivaci japonských ministerských úředníků správné, takový urychlovač by měl z jejich pohledu jednu velkou výhodu – v Japonsku určitě stát nebude.
Nový tunel
Obří experiment známý zatím jako FCC (Future Circular Collider, tedy Kruhový urychlovač budoucnosti) by totiž nejspíše z nutnosti musel vzniknout v blízkosti laboratoří CERN, tedy v okolí Ženevy. Jiné řešení by bylo ještě výrazně dražší a komplikovanější. Stejně jako LHC i hypotetický FCC by totiž využíval zařízení, která na daném místě už stojí. Budovat je znovu jinde nedává žádný smysl.
Tunel by ovšem musel být zcela nový. Plán totiž odhaduje, že zařízení by vyžadovalo kruh o celkové délce zhruba 100 kilometrů, tedy zhruba čtyřikrát delší než u LHC. Na této dráze by mělo být možné dosáhnout srážek s energií až 100 TeV proti necelým 14 TeV v případě LHC.
Strategie CERNu 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 minulost: 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“. Jinak řečeno, mohl by podle některých odhadů (třeba japonské ministerské komise) posloužit jako náhrada lineárního urychlovače ILC, ke kterému se Tokio ke zklamání fyziků nechce hlásit.
Není to náhrada úplně dokonalá. Kruhové urychlovače sice mají tu výhodu, že mohou částicím dodávat energii dlouho, během mnoha oběhů, ovšem jen do určité míry. V případě lehkých částic, tedy právě elektronů a pozitronů, které by se měly srážet v „továrnách na Higgse“, začne být snaha brzy marná. Je to důsledek existence synchrotronního záření.
Zjednodušeně řečeno při obíhání kolem urychlovače takové částice neustále „vysílají“ energii směrem ven. Po dosažení určité hranice, která závisí na poloměru urychlovače, prostě veškerou dodanou energii vyzáří. Další urychlování pak už ničemu nepomůže. U těžkých částic, jaké urychluje LHC, je tento problém výrazně méně závažný.
Ovšem 100kilometrový urychlovač, navíc vybavený novými „triky“, jak míru nechtěného vyzařování trochu snížit, by mohl i tak dosáhnout zajímavých energií.
Energie srážek by měla dosáhnout až 350 GeV. To je sice 40krát méně než u dnešního LHC, ale energie není vše, jak již bylo řečeno. I při těchto energiích by mělo být možné zkoumat mnohé jevy, které dnes změřit nejdou. Po dalším „upgradu“ na urychlování těžkých částic by se pak energie srážek měla pohybovat až kolem zmíněných 100 TeV.
Velký kruhový urychlovač v CERNu by tedy měl řadu výhod, zároveň ovšem jednu velkou nevýhodu: muselo by se na něj dlouho čekat. V tuto chvíli nejsou dané ani základní termíny, ale jak strategie CERNu připomíná, podle dosavadních zkušeností příprava a stavba podobných velkých urychlovačů zabere kolem třiceti let.
Na přípravě projektu se již pracuje, těžko si ovšem představit, že by zařízení začalo fungovat dříve než v 50. letech tohoto století, a to spíše k jejich konci. V případě lineárního urychlovače se mluví zhruba o pěti letech přípravných prací a zhruba dekádě na samotnou stavbu.
Zda v současné situaci s vysokou mírou inflace a dalšími nepříznivými tlaky zvládnou fyzikové přesvědčit veřejnost a politiky, a to nejen ty japonské, že částicová fyzika nemůže počkat, to se ještě uvidí. Lehké to nejspíše nebude.
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.
