Malý vesmír v urychlovači

Sotva byl spuštěn, už musel být odpojen. Obří urychlovač částic LHC v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN - vedle vesmírných letů vůbec nejsložitější zařízení, které kdy lidstvo vyrobilo - má potíže.
Pravděpodobně zůstane odpojený až do příštího jara. Technici budou ve středisku nedaleko Ženevy znovu prověřovat všechny systémy. Objevila se totiž porucha na chladicím systému, která prakticky znemožnila pokračovat v experimentech. K tomu, aby se magnety staly supravodivými, a tak nekladly elektrickému proudu odpor, musejí být ochlazeny na teplotu -271,3 °C, tedy na teplotu blízkou absolutní nule. Jenže chladicí systém nebyl schopen teplotu udržet.
Supramagnety, které jsou pro urychlení částic naprosto nezbytné, se "rozladily" a přišly o své supravodivé vlastnosti. Musejí se znovu "naladit", a to bude nějakou dobu trvat. Navíc je třeba zjistit, kde je v chladicím systému chyba.

Nová éra vědy
Škoda. Když byl urychlovač částic 10. září spuštěn a podařilo se poprvé vyvolat srážku dvou svazků částic, celá hala řídicího střediska nadšeně tleskala. Byl to okamžik srovnatelný s krokem Neila Armstronga na povrch Měsíce.
Když se v novém největším urychlovači částic na světě poprvé srazily dvě částice vyslané proti sobě, byl to první krok k poznání, jak vznikl vesmír, jak vypadal Velký třesk, jak fungují černé díry, zda existuje ještě další rozměr prostoru kromě těch dosud známých. Kosmologie (věda o vzniku vesmíru) zatím pracovala pouze s hypotézami a matematickými výpočty. Nyní má k dispozici laboratoř, kde si může hypotézy ověřit a kde může pozorovat ty nejzákladnější částice, z nichž je složen celý svět.
Zařízení zároveň pomůže pochopit, jaké síly mezi nimi působí. Těmi současnými prostředky je člověk schopen pozorovat jenom asi čtyři procenta vesmíru. Zaznamenat a popsat dokáže zhruba dvacet tři procent, která tvoří temná hmota. Ta svým gravitačním polem působí na ostatní hmotu a jen kvůli tomu o ní víme.
Zbytek, tedy celých sedmdesát tři procent vesmíru, tvoří neznámá temná energie či hmota, o níž nevíme vůbec nic. Je to, jako bychom od tušeného domu znali jenom vstupní dveře a podle nich soudili na celou stavbu.

Jako cesta na Neptun
Large Hadron Collider (LHC) by se dal česky přeložit jako velký hadronový srážeč. Hadron je slovo řeckého původu a označuje takzvané "tlusté" částice, jako jsou třeba proton nebo neutron (samozřejmě existují i částice "tenké" - k těm patří například elektron nebo neutrino).
Hlavní úlohou LHC je produkovat srážky dvou proti sobě letících balíků částic. Na jeho návrhu se podílelo přes dva tisíce vědců ze 34 zemí světa, mezi nimi významně i čeští vědci.
Je to velmi impozantní zařízení. Umístěné je v podzemním tunelu v hloubce mezi padesáti až 175 metry, chráněné horninami pohoří Jura, má obvod dvacet sedm kilometrů, to je o kilometr více, než je délka linky B, nejdelší linky pražského metra. Čtyřikrát přestupuje hranice mezi Francií a Švýcarskem. Uvnitř urychlovače je vakuum velmi blízké vzduchoprázdnu, jaké se vyskytuje ve vesmíru.
Vystřelený svazek částic bude udržován na své dráze 1800 mimořádně silnými supravodivými magnety. Každý vyslaný paprsek bude obsahovat okolo 3000 balíků částic. Každý z nich má tloušťku desetiny lidského vlasu a obsahuje přibližně 100 miliard částic. Svazek bude obíhat až deset hodin a za tu dobu urazí dráhu něco přes deset miliard kilometrů. To je délka cesty na planetu Neptun a zpět. Svazky poletí proti sobě a v daném místě se srazí. Vše musí být synchronizováno na miliardtiny vteřiny.
Při stavbě LHC se utratilo více než 160 miliard korun, i když se původně plánovalo, že to bude jen asi čtvrtina. Technické požadavky a obtíže byly nesmírné. Všechny spoje a všechny svary musejí vydržet mimořádně nízkou teplotu. V mimořádně nízké teplotě a v silném radiačním prostředí musí pracovat i elektronika.
Vytvoření vhodného prostředí v urychlovači LHC si vyžádá obrovskou počítačovou kapacitu.
Ještě větší kapacitu bude vyžadovat zpracování výsledků experimentů. Objem dat je totiž neuvěřitelně vysoký. Srážek bude mezi šesti sty miliony až jednou miliardou za sekundu. Všechny zachytí detektory, které budou zároveň registrovat produkty srážky.
Neexistuje výpočetní centrum, které by disponovalo takovou kapacitou. Proto IT pracoviště CERN vypracovalo originální metodu nazvanou GRID. V čem spočívá? Vytvoří se celosvětová síť vzájemně propojených počítačů, přičemž na vyhodnocování se využije jejich volná kapacita.
Metoda GRID se uplatnila již ve fázi výstavby a osvědčila se. Urychlovač LHC tak pomáhaly budovat desetitisíce lidí po celém světě. Z 54 000 účastníků jich 1658 bylo z Česka (Czech National Team se dokonce umístil na čtvrtém místě z více než 3000 týmů, které se na síti podílely). V poměru na počet obyvatel má Český národní tým největší počet účastníků na světě a jeden z největších objemů zpracovaných dat.

Hledá se Higgsův boson
Jakmile se podaří uvést LHC do běžného provozu, měl by se stát dějištěm řady experimentů a počítá se s tím, že by na něm probíhalo pět experimentů. Zřejmě největším je projekt Atlas. Ten bude pátrat po jiných dimenzích a po částicích, které by mohly tvořit temnou hmotu.
Bude také pátrat po takzvaném Higgsově bosonu, jedné z největších záhad moderní fyziky.
Tuto částici předpověděl před více než čtyřiceti lety skotský fyzik Peter Higgs (shodou okolností bývalý pracovník CERN). Její existenci dosud žádný experiment neprokázal, na druhé straně je pro některé teorie naprosto nezbytná. Jinak totiž není možné vysvětlit, jak je možné, že věci mají hmotnost. "Moji kolegové mě považovali za blázna," vzpomínal prý Higgs.
Jestliže Atlas Higgsův boson a jeho pole, které dává částicím hmotnost, prokáže, má Higgs jistou nejen Nobelovu cenu, ale i trvalé místo v učebnicích fyziky. "Experimenty na LHC v mnoha ohledech znamenají razantní krok daleko za současné hranice našeho poznání. Současná teorie očekává objev Higgsova bosonu, supersymetrických částic a podobně. Je však veliký prostor pro naprosto neočekávané objevy, o nichž zatím nemáme možná ani tušení. Proto výsledky z LHC vzbuzují veliká očekávání jak u vědecké, tak u laické veřejnosti, " říká Václav Vrba z Fyzikálního ústavu AV ČR, který má v Česku projekt na starost.

Pohltí nás Alice?
Dalším experimentem, na němž se čeští vědci podílejí, je projekt Alice. V něm se budou srážet olověné ionty, aby se tak vytvořily podmínky podobné stavu při Velkém třesku, kdy vznikl vesmír. Při srážce vznikne teplota stotisíckrát vyšší, než je uvnitř jádra Slunce. Tehdy by se měly roztavit protony a neutrony a měla by vzniknout kvark-gluonová plazma.
Právě tento experiment vyvolává největší diskuse. Při něm by snad mohla vzniknout černá díra. Řada lidí se ale obává, že jí může být Země pohlcena nebo přesunuta do jiného časoprostoru.
K Evropskému soudnímu dvoru i k americkým soudům připutovala řada žalob, v nichž žalující požadují, aby experiment vůbec nebyl zahájen. Bojí se, že zničí svět.
"K ničemu podobnému nemůže dojít," ujišťuje Vojtěch Petráček, vedoucí týmu českých vědců, kteří na Alici pracují, "v urychlovači s velkou pravděpodobností černé díry nebudou vznikat, a kdyby snad nějaká miniaturní černá díra při velmi specifických podmínkách vznikla, asi by se ihned po vzniku vypařila."
Experiment CMS bude zkoumat stejné cíle jako Atlas, pouze jiným způsobem. Cílem je získat výsledky dvojí cestou a mít možnost je porovnat.
Další experiment - LHCb - se zaměří na zkoumání nepatrných rozdílů mezi hmotou a antihmotou. Měl by odpovědět na otázku, proč se zdá, že je celý vesmír složen téměř výhradně z hmoty, a ne z antihmoty.
Podle současných vědeckých poznatků ve vesmíru žádná antihmota neexistuje. Přitom se však předpokládá, že po Velkém třesku bylo antihmoty stejně jako hmoty. Kam se poděla? Na to dnešní fyzikové neznají odpověď.
Posledním experimentem je Totem. Bude zkoumat jevy, které se do ostatních experimentů nevešly. Kromě měření velikosti částic či jejich luminozity (světelné stopy) bude sloužit i jako sběrač dat ze všech ostatních experimentů.

Aleš Bluma

LHC a české firmy
- Databáze dodavatelů pro urychlovač LHC obsahuje 180 firem z českých zemí. "V dodávkách pro CERN jsme mimořádně úspěšní," říká vedoucí pracovník Fyzikálního ústavu AV ČR profesor Jiří Niederle, předseda komise pro spolupráci ČR s CERN.
- Z českého příspěvku do CERN se do země vrátilo v zakázkách okolo 53 procent (průměr členských zemí je okolo 40 procent).
- Čeští fyzikové se budou podílet na několika plánovaných experimentech (například Atlas, který bude zjištovat existenci Higgsova bosonu, nebo Alice, kdy se mají simulovat podmínky podobné Velkému třesku).
- Na vyhodnocování dat z urychlovače metodou GRID se podílelo 1658 účastníků z ČR.

-271,3 °C
Takový mráz musejí vydržet součástky urychlovače.

Současnými prostředky je člověk schopen pozorovat jenom asi čtyři procenta vesmíru.

Stroj Velkého třesku - II. část