Největší současný urychlovač světa LHC (large hadron collider, tedy velký hadronový urychlovač) čekají ještě roky provozu a experimentů. Přesto se částicoví fyzici vzhledem k „dodacím lhůtám“ velkých experimentů už rozmýšlejí, co přijde po něm. Jejich plány jsou grandiózní. Otázkou je, zda se je podaří opravdu realizovat.
Největší urychlovač a zatím nejdražší vědecký experiment všech dob, urychlovač LHC, začal pracovat v září roku 2008. Start to nebyl příliš povedený. V polovině téhož měsíce musel být provoz kvůli poruše přerušen. Vinou vadného elektrického vedení došlo k výboji, který narušil chlazení.
Kapalné hélium v potrubí se dostalo do kontaktu se vzduchem a začalo se rychle odpařovat. Zhruba 2 t ho unikly tak prudce, že se v podstatě jednalo o menší výbuch. Poškozeno bylo 53 z 1 800 magnetů na urychlovači, a nezbytné opravy i úpravy konstrukce protáhly odstávku až do listopadu 2009.
Aby se předešlo další podobné události, pracoval od té doby LHC na menší než maximální projektovaný výkon. Energie srážek se pohybovala kolem 8 TeV místo plánovaných 14 TeV [eV je jednotkou práce a energie mimo soustavu SI. Odpovídá kinetické energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím 1 V. Používá se běžně k měření malých množství energie zejména v částicové fyzice, fyzikální chemii apod., protože obvyklá energie jedné částice je v joulech velmi malé číslo. Zároveň je to jednotka technicky výhodná vzhledem k běžným metodám měření energie částic — pozn. red.].
Po prvních problémech ovšem začaly přicházet lepší zprávy. Největší pozornost si urychlovač získal koncem předloňského roku, kdy zachytil takzvaný Higgsův boson, tedy částici, po které vědci pátrali desítky let. To byl největší a zatím v podstatě jediný úspěch zařízení pod Ženevou.
Před tím však muselo dojít k více než 3leté odstávce, během níž došlo k rozsáhlé údržbě a modernizaci vybraných částí. Provoz byl obnoven 22. dubna 2022. Upgrade zvýšil šanci, že LHC přijde s nějakým novým objevem, a potvrzením existence Higgsova bosonu tak urychlovač splnil očekávaný cíl, jinak ovšem jeho práce mnoho nových objevů nepřinesla. Nepomohla ani další neustálá průběžná vylepšování a velmi důkladné upgrady.
| CO DĚLÁ HIGGSŮV BOSON |
| Higgsův boson je částice, která je projevem tzv. Higgsova pole. Podle obecně uznávaného fyzikálního předpokladu „má“ každý druh pole svou částici a naopak. Pokud tedy objevíme částici, potvrdili jsme i existenci pole. A právě o Higgsovo pole jde fyzikům spíše. Důležité je pro ně hlavně to, jak toto pole působí na vlastnosti ostatních částic. Nedokonalou analogií by se dalo říci, že Higgsovo pole je jako mlha, která prostupuje vesmír a dává věcem „bílou barvu“ (hmotnost). Děje se tak přímo, bez zprostředkování Higgsovými bosony. Higgsovo pole by mělo dát hmotnost tzv. intermediálním vektorovým bosonům. Tyto částice sice nikdy v životě nepotkáte, ale fungují jako „nosiče“ jedné ze čtyř základních fyzikálních sil, tzv. slabé síly nebo slabé interakce. [Dva ze dvou oslovených fyziků upozornili na skutečnost, že tento odstavec obsahuje ještě větší zjednodušení než zbytek textu, pro účely článku však postačuje — pozn. red.] Slabá síla působí sice na vzdálenosti relevantní maximálně tak v rozměrech atomových jader, ale rozhodně existuje a vesmír by bez ní nefungoval tak, jak funguje. Neexistoval by bez ní například beta-rozpad atomových jader. Možná se s ní blíže seznámíme, pokud zvládneme výrobu energie jadernou fúzí. Tomuto procesu vládne slabá interakce. |
Silnější a silnější
V podstatě však měla částicová fyzika poměrně velkou smůlu: „K objevu Higgsova bosonu mohlo dojít už v roce 2003 [místo 2012 — pozn. red.], kdyby se tehdy podařilo zvýšit výkon urychlovače LEP [large electron-positron — velký elektron-pozitronový urychlovač byl se svým obvodem 27 km (a stále je) největším elektron-pozitronovým urychlovačem, jaký byl kdy postaven — pozn. red.] v CERNu o nějakých 10 %,“ komentuje historii objevu fyzik Jiří Chýla.
Ukázka plánovaného detektoru na urychlovači FCC . Stejně jako v případě dnešních velkých detektorů na LHC jde o zařízení o délce několika desítek metrů
Další zvyšování výkonu alespoň zatím nic zajímavého nepřineslo, a to se inženýři hodně snažili.
První dlouhá přestávka, tzv. LS1 (long shutdown 1), začala 14. února 2013 a byla vyvolána potřebou konsolidovat propojení magnetů, aby LHC mohl fungovat na navrhovaný výkon 14 TeV ve středu hmoty. Kolem urychlovače se po celou dobu pracovalo na dvě směny. Nešlo přitom ani tak o to, že by urychlovač dostal výkonnější „motor“. Spíše bychom mohli říct, že došlo k odstranění vadných dílů, které omezovaly maximální „rychlost“. Nejdůležitější součástí operace byla náhrada desítky tisíc vodivých spojů u supravodivých magnetů, které nebyly dobře vyřešeny a nemohly bezpečně pracovat s původně plánovaným výkonem (nezvládaly proud cca 10 000 A, který je nutný k urychlení částic na maximální plánovaný výkon). Vylepšený LHC byl spuštěn v roce 2015, v roce 2018 znovu zamířil do odstávky. Během druhé dlouhé odstávky (LS2) došlo k dalšímu vylepšení výkonu samotného urychlovače. Již 25. dubna 2022, tedy tři dny po spuštění, upgradovaný urychlovač srazil částice s větší energií než kdy předtím. V rámci upgradu došlo mj. také k zásadním úpravám detektorů, tedy zařízení, které pak samotné srážky částic zaznamenávají.
V roce 2025 přijde pak další velké kolo modernizace. Až se po něm LHC znovu spustí, snad v roce 2029, měl by za sebou mít kompletní tzv. „high luminosity upgrade“. Jeho hlavním cílem je nadále zvýšit luminositu, tedy počet srážek, a tedy i počet zajímavých měření. Přibýt by jich mělo ve srovnání s původním stavem zhruba 7× (5× proti situaci po aktuálním restartu). Původně se plánoval ještě výrazně nárůst výkonu, zhruba o řád, ale zatím se nezdá, že by to bylo technicky možné. Na zařízení se bude měnit 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, kterým směrem se má fyzika vydat dále. Standardní model Upgradovaný LHC by měl pracovat do roku 2038, ale zatím mnoho nenasvědčuje tomu, že by jeho další roky měly přinést nějakou zásadní změnu.
Takto by měl vypadat tunel budoucího urychlovače FCC
Objevem Higgsova bosonu se uzavřela teorie známá jako tzv. standardní model. Ta zjednodušeně řečeno dobře vysvětluje vznik, podobu a chování všech známých částic. Výsledky výpočtů na základě standardního modelu s velkou přesností odpovídají všem měřením. To ostatně ukázal i objev Higgsova bosonu: teoretici dokázali experimentátorům říci, jak má částice zhruba vypadat, a ti mohli postavit takový urychlovač, který měl šanci ho najít (měli jen naději, protože teorie nedokázala předpovědět to nejdůležitější: jakou má mít Higgsův boson hmotnost).
Jen se standardním modelem si ale při snaze o pochopení celého vesmíru nevystačíme. Je to nepochybně velmi úspěšná teorie, ale přitom je tak dokonale kompletní a uzavřená, že vůbec nenaznačuje, kterým směrem se vydat dále. Ve fyzice existuje celá řada více či méně „divokých“ hypotéz, které míří obrazně řečeno za standardní model, pro ně však úplně chybí experimentální důkazy. LHC celou řadu z těchto „dohadů“ dokázal vyloučit tím, že zatím neobjevil částice či jevy, které tyto hypotézy předvídaly. Pozitivní důkazy chybějí. Velmi dobrou stopou by byl objev nové částice, kterou standardní model nepředpovídá a která se mu vymyká. Stejně tak dobře by ovšem posloužil objev nějakého nezvyklého a nevysvětlitelného chování již známé částice. Standardní model je nepochybně velmi úspěšný. Mimo jiné už před více než půl stoletím předpověděl vlastnosti Higgsova bosonu, byť o nich v té době prakticky nemohlo být nic známo. Ovšem standardní model má též celou řadu nedostatků, které volají po nápravě. Nevysvětluje například povahu tzv. temné hmoty a beze zbytku ani gravitaci. A LHC v tomto ohledu nijak nepomohl.
Co dál?
Fyzikální komunita má poměrně jasný názor na to, co by pomohlo: 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.
Jak přesně by měl vypadat, o tom se vedla debata už roky. Evropská organizace CERN, tahoun experimentálního výzkumu v této oblasti i pro zbytek světa, v roce 2020 vydala novou strategii pro následující roky, které se od té doby drží. V ní se rýsovaly dvě hlavní možnosti:
První jsou velké lineární (tj. rovné) urychlovače s délkou řádově desítek kilometrů.
Druhou je 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. Obecně uvažovaní maximální energie srážek by byla kolem 0,25 až 0,5 TeV, tedy zhruba 1/50 až 1/25 maximální 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 ot/s. ILC má podle současných downgradovaných (o tom dále) představ fyziků měřit zhruba 20 km, ovšem ani tak se s možnostmi kruhového 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.
| PROČ GEV A TEV |
| Elektronvolt (eV) není jednotka hmotnosti, ale jednotka energie. Je roven energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím 1 V. A protože mezi energií a hmotností existuje pevný vztah (slavné E = mc2), lze jednotku energie použít i k vyjádření hmotnosti. Správně by se mělo v takovém případě psát eV/c2 (tedy lomeno druhou mocninou rychlosti světla), podle nepsané fyzikální konvence se ovšem tato část vynechává. Jednotka se používá pro vyjádření hmotnosti jednotlivých částic i proto, že výsledná čísla jsou mnohem lidštější, než kdyby se pracovalo se zlomky kilogramu. Porovnejme si to na příkladu elektronu: ten má hmotnost buď 511 keV, nebo 9,11 × 10-31 kg. A jeden proton váží příjemných 0,931 GeV (při rychlém počítání z hlavy to jde zaokrouhlit na jedna). S čím by se vám pracovalo lépe? |
Výsledky by také měly být jasnější a přehlednější. ILC by měl urychlovat jednodušší a lehčí částice (konkrétně elektrony a pozitrony) než LHC, 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 mluvilo už dlouhé roky, ale zatím se zdá, že tokijské představitele se pro věc nepodařilo plně získat.
V roce 2022 vyšla zpráva komise japonského ministerstva školství, kultury, sportu, vědy a technologií. Její závěr říká, že v současné situaci 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 se patrně nechtělo k takovému projektu zavazovat 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. Z hlediska japonského rozpočtu by takový plán měl velkou výhodu: určitě by nestál v Japonsku.
Plánované umístění tunelu pro urychlovače FCC . Měl by být zhruba 200 m pod úrovní střediska CERN
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 by i hypotetický FCC 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 kolem 100 km, tedy zhruba 4× 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 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 minulost: ve stejném 27km tunelu stál v letech 1989—2000 nejprve (už zmíněný) LEP, který urychloval elektrony a pozitrony (tj. elektrony z antihmoty), a až po něm přišel LHC, který urychluje protony a případně i ionty (olova).
Záznam jedné srážky na urychlovači LHC. Na začátku srážky byly dva proti sobě letící protony s velkou energií. Přes několik mezistupňů z nich jedním byl i Higgsův boson, nakonec vznikly dva fotony miony (zelené čáry)
První z těchto zvažovaných urychlovačů — ten, který by urychloval elektrony — by mohl fyzikům posloužit také jako „továrna na Higgsovy bosony“. Mohl by tak do jisté míry posloužit jako náhrada lineárního urychlovače ILC. Není to však náhrada 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.
Jde o 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 100km urychlovač, navíc vybavený novými „triky“, jak míru nechtěného vyzařování trochu snížit, by mohl i tak dosáhnout zajímavých energií. Energie srážek by mohla dosáhnout až 350 GeV. To je sice 40× 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.
| CO SE MĚLO OBJEVIT A NEOBJEVILO |
| V době, kdy se LHC spouštěl, jednou z velkých nadějí fyziků bylo, že by mohl objevit náznaky SUSY. Pod touto zkratkou se skrývá tzv. teorie supersymetrie. Základní premisou elegantní domněnky, zjednodušeně řečeno, je, že všechny známé částice mají svého symetrického partnera — částici s řadou vlastností stejných, ale s posunutou hodnotou jedné ze základních vlastností, tzv. spinu. Je to asi podobné dělení jako rozdělení na částice a antičástice, jen kritérium je jiné. (Trochu podrobnější vysvětlení je, že v každém symetrickém páru je díky posunu spinu jedna částice boson a druhá fermion. Je to zásadní rozdíl, jak je asi jasné i z toho, že všechnu hmotu tvoří výhradně fermiony. Systémy z bosonů na to nejsou kvůli jejich vlastnostem dost stabilní.) Stejně jako v případě objevu antihmoty i důsledky objevu supersymetrie by byly pro fyziku zásadní, například pro kosmologii. Vědci zabývající se popisem vzniku vesmíru a jeho zákonitostí se totiž už zhruba půl století potýkají s vážným inventárním problémem: ve vesmíru je zřejmě mnohem více hmoty, než kolik jí vidíme. Z pozorování dobře víme, že námi pozorované galaxie se chovají trochu zvláštně. Rotují tak rychle, že by se měly podle všech fyzikálních vědomostí rozlétnout na jednotlivé hvězdy (podrobněji v článku). Něco je evidentně drží pohromadě a většina fyziků se dnes domnívá, že tím záhadným lepidlem je gravitace hmoty, kterou nemůžeme pozorovat. Zatím nejpravděpodobnější vysvětlení, které fyzika nabízí, je přítomnost tzv. temné hmoty, která je běžnými metodami nepozorovatelná. Temná hmota by se zcela běžně měla vyskytovat všude kolem nás, nejen někde daleko ve vesmíru, ale i přímo v našich tělech. Sice jen ve velmi malém množství, ale dohromady by mělo temné hmoty být tolik, že viditelnou hmotu by měla na hmotnost převyšovat zhruba pětinásobně. Co ale tuhle vesmírnou záhadu může tvořit? Nápadů mají teoretičtí fyzikové poměrně dost, ale nejpravděpodobnější je, že by mohlo jít skutečně o nějaké supersymetrické partnery jiných, běžnějších částic. Podle teoretických modelů by mohly být skutečně dostatečně hmotné a přitom „laxní“, aby se nenechaly ovlivňovat většinou fyzikálních sil, právě s výjimkou gravitace. Mohly by tedy bez problémů procházet běžnou hmotou a soustřeďovat se do míst se zvýšenou gravitací, jako jsou třeba středy galaxií. Vysvětlení záhady temné hmoty přitom není to jediné, co by objev supersymetrie mohl přinést, možných přínosů je celá řada. Jenomže — ve výsledcích LHC se neobjevila ani stopa po SUSY. I když to neznamená, že teorie je nutně mylná, řadu jejích lákavých variant to eliminovalo. Nutně totiž vyžadovaly existenci částice, které by na LHC měly být objeveny. Supersymetrie tedy s přispěním největšího urychlovače světa ztratila hodně na své přitažlivosti. |
Neveřejný plán
I když se o projektu mimo komunitu částicových fyziků mnoho nemluví, práce na jeho přípravě pokračují. V únoru letošního roku v CERN proběhlo setkání nad průběžnou přípravnou zprávou, která se zabývala především otázkou, zda je možné vůbec takový projekt zrealizovat a co by to vyžadovalo.
První fáze studie, která se zaměřila na zjištění, kde a jak by bylo možné takový stroj v regionu CERN postavit, neodhalila „žádné technické nebo vědecké překážky“, které by bránily jeho výstavbě, uvedl 5. února na tiskovém brífinku Eliezer Rabinovici, předseda Rady CERN, řídicího orgánu organizace.
Zařízení by podle nového plánu mělo stát v tunelu dlouhém 91 km, který by měl v podstatě přiléhat ke stávajícím tunelům. Rozdíl je kromě rozměrů jiný i v tom, že by měl ležet ve výrazně větší hloubce: místo zhruba 80 m by se měl nacházet 200 m pod povrchem.
Rada se zprávou zabývala 2. února, samotný dokument však nebyl zveřejněn. Studie má být zveřejněna v příštím roce a rozhodnutí o projektu by mělo padnout před rokem 2028. Rozhodnutí zprávu nezveřejnit překvapilo i některé vědce. Například bývalý generální ředitel CERN Chris Llewellyn Smith pro časopis Nature uvedl, že je to pro něj „matoucí“, byť se domnívá, že CERN se bezpochybně vydal správným směrem.
Otázkou je, zda si to myslí zbytek světa. Cena urychlovače se odhaduje zatím na 15 miliard švýcarských franků, tedy zhruba 400 miliard korun. Ovšem detaily financování jsou nejasné. Na zmíněném únorovém tiskovém briefingu padlo, že velká část z celkové sumy bude pokryta ze stávajícího rozpočtu CERN.
Projekt ovšem bude vyžadovat i finanční příspěvky evropských zemí, které jsou řádnými členy CERN, a dalších zemí, jako jsou Spojené státy a Japonsko. Informace o tom, do jaké míry by se na nákladech mohly tyto nečlenské státy podílet, nebyly na briefingu uvedeny a o těchto částkách představitelé CERN nebyli příliš ochotni mluvit.
Ostatně cena je zatím nepochybně jen předběžná. Projekt je to náročný a protáhne se nepochybně na dlouhé roky. Práce by podle zprávy komise CERN mohly začít v roce 2033. Ovšem zmíněná strategie CERN na základě dosavadních zkušeností uvádí, že příprava a stavba podobných velkých urychlovačů zabere kolem 30 let. Je tedy těžké si představit, že by zařízení mohlo fungovat dříve než v 60. letech tohoto století. (Stavba lineárního urychlovače by mohla být jednoduší: uvažuje se kolem pěti let přípravných prací a zhruba 10 let na samotnou stavbu.)
Ve fyzikální komunitě přitom nepanuje shoda, co by urychlovač vlastně mohl objevit. Jak jsme říkali, LHC alespoň zatím ani nenaznačil, co by mohlo ležet za tímto veleúspěšným modelem a jak by se daly vyřešit jeho nedostatky. Někteří fyzikové tak upínají své naděje spíše k novým metodám než stavbě obřích zařízení na srážky částic. Některé tyto typy výzkumu vypadají na pohled slibně, žádný ovšem nemá tak dobře doložené výsledky a historii jako částicové urychlovače. Otázkou je, zda ovšem jejich zastánci dokážou zbytek světa přesvědčit, že takové zařízení lidstvo potřebuje.
Foto: CERN