Tři..., dva..., jedna...start. Tento povel zazní 10. září z řídicího centra největšího urychlovače částic hmoty na světě. Začíná generální zkouška.
Vkruhové trubici dlouhé 27 kilometrů a uložené v tunelu sto metrů pod zemí proti sobě vyrazí dva svazky protonů letících téměř rychlostí světla. Na kruhové dráze je udržují silné supravodivé magnety. Magnetické pole rovněž formuje částice do úzkého svazku. To je velmi důležité, protože čím je paprsek tenčí, tím větší je pravděpodobnost, že se protony srazí.
Při srážce vzniknou stovky až tisíce nových částic. Fyzikové a další vědci zkoumající vlastnosti hmoty čekají na tento okamžik s velkou nadějí. Large Hadron Collider (LHC), jak se jmenuje největší urychlovač světa postavený v Evropském středisku fyziky částic CERN nedaleko Ženevy, jim totiž má poskytnout data pro zodpovězení několika zásadních otázek.
Například jaké základní zákonitosti platí v mikrosvětě a jaké jsou základní stavební kameny hmoty? Co tvoří vesmír? Nyní dokážeme vysvětlit pouze pět procent hmoty ve vesmíru. Pro zbývajících 95 procent existují nepřímé experimentální důkazy, ale co je podstatou této tzv. temné hmoty a temné energie, je zatím záhadou.
Newtonovo jablko už nestačí V první polovině minulého století nastal v našem chápání vesmíru veliký převrat. Staré klasické fyzikální teorie nahradil nový pohled na svět - kvantová mechanika. Ta je v mnoha ohledech v rozporu s myšlenkami starší mechaniky newtonovské, a hlavně - neodpovídá tomu, co nám říká náš „zdravý rozum“. Na kvantové teorii je nejpodivuhodnější, že dokáže neobyčejně úspěšně předpovídat výsledky chování fyzikálních systémů. Kvantová mechanika nám občas může připadat naprosto nesmyslná, zdá se však, že se příroda jejími pravidly opravdu řídí, a nám nezbývá než její hru přijmout.
Kvantová mechanika původně vznikla k vysvětlení vlastností atomů. Uplatňuje se ovšem úspěšně i při popisu nukleonů, částic tvořících jádro atomu, a kvarků, ze kterých jsou nukleony složeny. Kvantová teorie se tak vydala do říše, kde existují objekty 100tisíckrát menší než celé atomy.
Říše, kde se za všechno platí energií Zatímco lidé platí většinou penězi, ve světě základních částic hmoty je jedinou měnou energie. Tak jako my vyjadřujeme cenu něčeho v korunách nebo v eurech, v říši kvant je platidlem elektronvolt se značkou eV.
Množství energie určuje, jak rychle se bude částice pohybovat a co všechno můžeme při srážkách dvou protonů objevit. Když se produkty srážky rozletí do různých směrů s různě velkou energií, mají fyzici šanci zjistit, o jaké částice se jedná.
Částice mají různé hmotnosti, například mion má hmotnost 105 MeV, top kvark má „v kapse“ měnu o hodnotě téměř 180 GeV.
Klíčovou roli pro vysvětlení původu hmotnosti těchto a ostatních elementárních částic hraje tzv. Higgsův boson. Teoreticky jej předpověděl britský fyzik Peter Higgs v roce 1964, ale doposud nebyla tato částice pozorována. Její hledání bude jedním z hlavních cílů pokusů na LHC.
Jeden z těchto experimentů nese jméno ATLAS. Jeho úkolem je zaznamenat co nejvíce údajů o částicích vznikajících po srážkách protonů a tyto údaje dále zpracovat. Výsledkem analýzy dat může být třeba právě objev Higgsova bosonu. (Podrobněji viz text Detektor z českým mozkem.)
Důkaz o existenci Higgsova bosonu či dalších dosud neznámých částic je pro fyziky podstatný. „Pokud budou objeveny, doplní tzv. standardní model, podle něhož jsou základními stavebními kameny hmoty kvarky a leptony, mezi nimiž působí čtyři síly: gravitační, elektromagnetická, slabá a silná,“ říká Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR.
Přes svou úspěšnost má standardní model některé nedostatky: obsahuje například kolem dvaceti volných parametrů (jako jsou hmotnosti kvarků a leptonů, vazbové konstanty sil a další), které je nutno brát z experimentu, a nezahrnuje gravitaci.
Pokračování na straně 26
Velký třesk v podzemí
Dokončení ze strany 25
Snaha vysvětlit či přímo spočítat hodnoty zmíněných parametrů a „sjednotit“ všechny čtyři síly včetně gravitace je přáním fyziků již od poloviny sedmdesátých let minulého století, kdy formulovali základní kostru standardního modelu. To je vedlo k vytvoření řady hypotéz, jež často vycházejí z čistě teoretických myšlenek a neopírají se o experimentální data. Největší urychlovač částic má šanci takové údaje poskytnout.
Pohled na nejjemnější detaily hmoty fyziky jistě zaujme, ale k čemu budou pokusy v hodnotě miliard eur nám laikům? Podrobný výzkum částic jednou dovolí vytvářet třeba zcela nové látky a materiály pro léčbu lidí a dopravní prostředky pozemní i kosmické.
Cesta k počátku vesmíru Nejvýkonnější urychlovač na světě také vytvoří podmínky blízké těm, které panovaly v nejranějších stadiích vesmíru. Podle plánu se jednou ročně po celý měsíc budou srážet těžká jádra iontů olova či zlata.
Při těchto karambolech vznikne hustá a horká jaderná hmota, kvark-gluonové plazma. Připomíná „polévku“ částic s různě velkou energií. Jak polévka v raném vesmíru chladla, částice se rozdělovaly na lehké s vysokou rychlostí a těžké pomalejší. Aby vědci získali co nejhustější a nejvřelejší „polévku“ a mohli zkoumat její různé fáze, potřebují srážet co nejtěžší jádra urychlená na co největší kinetickou energii. I takové experimenty budou na LHC probíhat.
Příroda může překvapit Oficiálně bude urychlovač spuštěn začátkem října. „První dílčí výsledky očekáváme někdy v lednu únoru příštího roku,“ říká Jiří Chýla.
Za nejlepší situaci by považoval objev něčeho zcela nečekaného. „Nějaké záhady. Těžko si to dnes představujeme, ale může se objevit něco, co zásadně změní náš dosavadní pohled na svět,“ dodává.
A když detektory zachytí něco, co nebude možné identifikovat? „Právě na to fyzikové čekají, to se stane impulzem k dalšímu bádání. Příroda může přinést překvapení a to je nejkrásnější,“ zdůrazňuje Jiří Chýla.
***
Výprava do nitra hmoty a k velkému třesku Jaké jsou základní stavební kameny hmoty? Z čeho se skládá vesmír? Na tyto a další otázky má odpovědět pokus, který připravuje mezinárodní tým odborníků včetně českých vědců v Evropské laboratoři pro fyziku částic (CERN).
Pokus začne 10. září generální zkouškou největšího urychlovače částic hmoty na světě. Na hranicích Francie a Švýcarska poblíž Ženevského jezera v hloubce 50 až 175 metrů postavili odborníci kruhový tunel o délce 27 kilometrů. V jeho tubusu se začnou při generální zkoušce srážet protony téměř rychlostí světla. Při nárazech vzniknou tisíce nových částic hmoty, které budou vědci zkoumat pomocí čtyř obřích detektorů.
Evropská laboratoř pro fyziku částic
detektor CMS pomocí magnetického pole 100 tisíckrát silnějšího než pole Země bude pátrat po nových částicích. detektor LHCb zaměří se na hledání a studium částice zvané kvark b. Její výzkum by měl objasnit, proč ve vesmíru zůstalo více hmoty než antihmoty.
detektor ATLAS bude sledovat, jestli při srážkách protonů nevzniká Higgsův boson. Objev této částice by umožnil upřesnit a doplnit standardní model hmoty. detektor ALICE bude sledovat srážky těžkých jader iontů olova a zlata. Při karambolech vznikne hustá a horká jaderná hmota, jaká se vyskytovala na počátku vesmíru těsně po velkém třesku.
Detektor ATLAS připomíná obrovský digitální fotoaparát o rozměrech 44 krát 22 metrů. Ovšem zatímco fotoaparát dovede snímat obraz přibližně jednou za vteřinu, ATLAS zachytí za stejnou dobu jednu miliardu obrazů, vyvolaných průletem částic, říká Václav Vrba, vedoucí týmu vědců z FÚ AV ČR, který se podílel na vývoji a přípravě tohoto detektoru.
Václav Vrba prohlíží jednu z mnoha destiček, které jsou sdrcem detektoru ATLAS. Na destičce jsou umístěny senzory, pro zaznamenání průletu nových částic, jež vzniknou po srážce protonů.
O autorovi| Josef Matyáš, redaktor LN
