Nejvíce slávy si Velký hadronový srážeč, největší urychlovač částic světa, známý pod zkratkou LHC, užil před několika lety v souvislosti s objevem tzv. Higgsova bosonu. Tím ale jeho úkol rozhodně neskončil. Co se děje pod Ženevou nyní a na jaké další objevy se můžeme těšit?
V urychlovači LHC Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) proti sobě vědci posílají svazky protonů urychlené téměř na rychlost světla a zkoumají jejich srážky. Snaží se tím napodobit podmínky, které ve vesmíru panovaly krátce po Velkém třesku a dozvědět se tak více o vzniku vesmíru a jeho složení.
Protony se v 27kilometrovém tunelu pod Ženevou srážejí ve čtyřech detektorech s názvy ATLAS, CMS, ALICE a LHCb. Vědci pracující na ATLASu a CMS v roce 2012 pomocí těchto srážek nezávisle na sobě objevili Higgsův boson – dlouho předpovězenou částici, která dává hmotnost ostatním částicím tvořícím náš svět. O rok později získali Peter Higgs a François Englert za jeho předpovězení Nobelovu cenu. „Do té doby byl Higgsův boson posledním chybějícím článkem ve standardním modelu částicové fyziky, který popisuje základní stavební kameny vesmíru,“ vysvětluje Jiří Dolejší z Ústavu částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy.
Srážek přibývá – kam s nimi?
Zachytit samotný Higgsův boson je ovšem takřka nemožné. Existuje jen po zlomek sekundy a hned se rozpadá na další částice – právě jejich zkoumáním fyzikové zpětně zjišťují, zda se jim při srážkách skutečně podařilo vytouženou částici vyrobit.
V době objevu se proti sobě svazky protonů srážely s energií do osmi teraelektronvoltů. Pak následovala dvouletá odstávka, během níž se urychlovač zdokonalil, takže dnes se srážejí s energií až 13 TeV. Podařilo se také přesněji zacílit svazky protonů proti sobě, takže jsou srážky častější a vědci mají k dispozici mnohem víc dat než v době objevu. „Samotným objevem Higgsova bosonu práce zdaleka nekončí. Nyní se snažíme zkoumat jeho vlastnosti a chování. Pokud se nebude chovat přesně tak, jak bylo předpovězeno, může nám to otevřít dveře k nové fyzice,“ uvedla profesorka Fabiola Gianotti, generální ředitelka CERN, během své jarní návštěvy Prahy.
Jen v loňském roce podle jejích slov urychlovač LHC pořídil více dat než za celou předchozí dobu. S tím ale přichází paradoxní problém: vědci mají víc informací, než stihnou zpracovat, a čím dál rychleji se plní disky, kam se ukládají data z experimentů.
„Zásoby úložného prostoru se skutečně tenčí, ale má to velice pozitivní příčinu – nad očekávání dobrý výkon urychlovače LHC. Mimo jiné se s rostoucí intenzitou srážek stále zvětšuje velikost každé zapsané zajímavé události,“ komentuje situaci profesor Rupert Leitner z Matematicko-fyzikální fakulty UK, předseda Výboru pro spolupráci ČR s CERN. „Vedení CERN se velice stará, aby bylo možné naplno využít skvělé práce urychlovače a detektorů. Již před několika lety vzniklo výkonné výpočetní centrum v Budapešti přímo napojené na výpočetní centrum CERN a uvažuje se o dalších opatřeních,“ pokračuje Leitner. Stejně jako při předchozí odstávce urychlovače, i při té následující, která je v plánu za dva roky, budou výzkumníci pokračovat v analýzách a zpracování dat. Sami vědci nevylučují, že se v datech, která jsou už shromážděna, ukrývají další přelomové objevy.
Temná hmota i antihmota
Vedle vlastností Higgsova bosonu fyzikové zkoumají i další částice a jevy. „Má to hluboký smysl, protože víme, že jen asi pět procent hmoty a energie ve vesmíru je popsáno současnou teorií – standardním modelem elementárních částic a jejich interakcí,“ připomíná Leitner. Zbytek vesmíru tvoří tzv. temná hmota a temná energie, jejichž podstatu neznáme. „Experimenty na LHC usilují o nalezení odpovědí na tuto a další fundamentální otázky. I záporné výsledky experimentů, tj. nenalezení nových částic, významně posouvají naše znalosti, přestože se tak děje s menší slávou a odezvou u veřejnosti,“ konstatuje profesor Leitner. Kromě toho probíhají v CERN zajímavé experimenty i mimo urychlovač LHC. Nachází se zde například specializované zařízení na výzkum antihmoty a ve spolupráci s USA se chystá nový projekt na výzkum neutrin.
Přestože LHC zdaleka neřekl poslední slovo, už nyní se uvažuje o jeho nástupci. Zatím není jisté, jak bude vypadat. Mluví se o kruhovém urychlovači o průměru až sto kilometrů, ve hře je i lineární koncept. Jaká varianta se nakonec prosadí? „Odpověď bude hledat široký mezinárodní proces upřesnění strategie v částicové fyzice, který bude v následujících dvou letech probíhat právě pod vedením CERN,“ říká Leitner. „Přestože se hovoří o Evropské strategii, bude vlastně celosvětová, protože v částicové fyzice hraje Evropa díky CERN dominantní roli. Bude velice důležité, aby se na přípravě této strategie hlavní měrou podíleli mladí vědci, protože se bude jednat právě o jejich vědecké budoucnosti,“ dodává profesor Leitner.
Lékařství i kolébka WWW
Mohou mít nákladné experimenty v oblasti částicové fyziky praktické využití? „Výsledky hlavních experimentů mají především ambice upřesnit či dokonce změnit fundamentální vědu o elementárních částicích a jejich interakcích,“ konstatuje profesor Leitner. „Cesta k těmto objevům ale využívá špičkových technologií v urychlovačích, detektorech částic či informačních technologiích. Ty samozřejmě mají přímé praktické využití například v lékařství, materiálovém výzkumu a také v dalších vědních oborech. V této souvislosti si dovolím připomenout WWW – World Wide Web, který byl vynalezen právě v CERN pro snazší sdílení informací mezi vědci na celém světě,“ uzavírá Leitner.
Češi a CERN
Na experimentech v CERN pracují zhruba dvě stovky odborníků z vědeckých pracovišť v ČR, z toho třetinu tvoří studenti. Další stovky českých odborníků s CERN spolupracují. Podíleli například na návrhu a konstrukci detektorů ATLAS a ALICE, zabývají se také analýzou dat. „Pro částicovou fyziku v ČR je CERN hlavní výzkumnou infrastrukturou, dává nám možnost podílet se na špičkovém výzkumu a čeští vědci pracující na experimentech v CERN jsou platnými členy mezinárodních týmů, často jsou pověřováni vedením výzkumných týmů,“ podotýká profesor Leitner.
Kromě špičkové vědy přináší podle jeho slov účast v CERN i možnosti pro výchovu studentů a mladých vědců, nabízí kupříkladu programy pro učitele fyziky a v neposlední řadě také zakázky pro dodavatele zařízení z České republiky. Investice, které se touto cestou do Česka vrací, jsou podle generální ředitelky Fabioly Gianotti vyšší, než odpovídá ročnímu příspěvku ČR do rozpočtu CERN, který se ročně pohybuje kolem 250 milionů korun a tvoří zhruba jedno procento celkového rozpočtu této organizace.
„Přestože se stále zvyšuje počet našich zaměstnanců v CERN, myslím, že bychom jich mohli mít více. Možná ne všichni vědí, že vedle zhruba 11 tisíc částicových fyziků, kteří se věnují výzkumu v CERN jako tzv. uživatelé, má CERN asi 2500 zaměstnanců – inženýrů, techniků, IT specialistů, ale také pracovníků v administrativě a řadě dalších profesí. Případní zájemci se dozvědí informace o vypisovaných pozicích na stránkách jobs.web.cern.ch,“ radí Leitner.
Nové částice přibývají
Nedávno se vědcům pracujícím na urychlovači LHC, konkrétně na detektoru LHCb, podařil další objev – částice s názvem Ξcc++. Patří mezi baryony, což jsou částice, jež mají stejnou nebo vyšší hmotnost než protony.
Baryony jsou tvořeny elementárními částicemi – kvarky. „Nová částice je výjimečná svým složením, obsahuje totiž dva půvabné kvarky – anglicky charm, což je označení druhu kvarku, nikoli emotivního názoru fyziků – a jeden horní (up) kvark,“ vysvětluje fyzik Jiří Dolejší. Baryony s jedním půvabným kvarkem již byly objeveny dávno, stejně jako mezony s jedním půvabným kvarkem a třeba také jedním půvabným antikvarkem.
Podobný je baryon Ξcc+, který byl objeven experimentem SELEX ve Fermilabu v USA v roce 2002, s vlastnostmi dost odlišnými od teoretických očekávání. „Bohužel tuto částici žádný jiný experiment nenašel, a tudíž její vlastnosti nepotvrdil. Podrobné studium vlastností nového Ξcc++, který se od dříve objeveného liší jen nábojem a obsahem horního kvarku místo spodního, zřejmě dovolí teorii takových systémů upřesnit,“ konstatuje Dolejší a doplňuje, že nová částice není novým fundamentálním stavebním kamenem hmoty, jakým je v jistém smyslu Higgsův boson, ale možná a očekávaná „konstrukce“ z dávno známých fundamentálních částic.
Zároveň nevylučuje, že se na urychlovači LHC podaří další podobné objevy – buď ještě před plánovanou odstávkou a s ní spojeným upgradem zařízení, ale s větší pravděpodobností po ní.