Co chystá CERN do budoucna?

Evropská organizace pro jaderný výzkum je v provozu již od roku 1954. Její součástí je zejména evropská laboratoř pro fyziku částic, která patří k největším výzkumným laboratořím částicové fyziky na světě. Svědčí o tom také počet zaměstnanců, který čítá okolo 9500 vědců, což je polovina všech částicových fyziků na světě.

Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) od začátku provozu nepřestává udivovat zajímavými objevy. Hlavním úkolem vědců je provádění výzkumu hmoty, například z jakých součástí je hmota složena nebo jak tyto součásti spolu interagují pomocí urychlovačů a detektorů částic. Zabývá se také studiem toho, jak jsou utvářeny složité hmotné objekty, jako jsou hvězdy nebo planety.
CERN využívá během měření největších a nejdokonalejších zařízení na světě. Za zmínku stojí kupříkladu detektor L3, navržený pro urychlovač LEP (Large Electron-Positron Collider). V případě modelu L3 se jedná o jeden ze čtyř detektorů na obvodu sedmadvacetikilometrového kruhu LEP. Jen pro zajímavost - každý z nich je velký zhruba jako třípatrový dům a je vybaven složitou elektronikou. LEP a detektory jsou postaveny v tunelu, který se nachází v hloubce 50 až 150 metrů pod zemí.
CERN ovšem nezahálí a připravuje plány nejen pro blízkou, ale i vzdálenější budoucnost.

CO NÁS ČEKÁ A NEMINE

V roce 2014 upřesnili částicoví fyzikové plány na vývoj velkého urychlovače hadronů (složená silně interagující subatomární částice, která je menší než atom), na kterém se pracuje již od 80. let 20. století.
Vědci zaznamenali dokonce již první úspěchy. Přesto bude ještě minimálně patnáct let trvat, než bude urychlovač zcela dokončen. Prioritou je upravit jej tak, aby se zvýšila luminozita, tedy hustota částic ve svazku. Jen tak je možné LHC dostat na úplný vrchol.
HL (High luminozity) LHC umožní v budoucnosti zvýšit počet srážek až na desetinásobek současného stavu.
Dalším plánem je dlouhodobý projekt, který bude zaměřen na kruhový urychlovač nové generace s obvodem 80 až 100 kilometrů. Mělo by se jednat o nástupce již zmíněného přístroje LHC, jenž je schopen zvládnout v současnosti srážky o energiích 14 TeV (jednotka práce a energie mimo soustavu SI, kde zkratka eV označuje elektronvolt). S novým zařízením by bylo možné posunout hranice fyzikálního poznání mnohem dále.

AŽ DESETKRÁT VÝKONNĚJŠÍ

Program Future Cilcural Colliders (FCC) se zaměří zejména na plány hadronového urychlovače, který by měl dosáhnout energií okolo 100 TeV. Podle doporučení v evropské strategii pro částicovou fyziku by měla být vedena studie proveditelnosti tak, aby byla použitelná u většiny projektů CERNu.
FCC bude probíhat souběžně s další studií, která je již v plném proudu, je označena Compact Linear Collider (CLIC) a týká se kompaktního lineárního urychlovače. Ten by měl umožnit další urychlování částic.
Cílem je zejména objasnit potenciál lineárního (přímého) urychlovače, postaveného na principu nové urychlovací technologie. "Prozatím je toho o Higgsově bosonu, hmotné skalární elementární částici ve standardním modelu částic, známo příliš málo. Je nutné i nadále pátrat po temné hmotě a supersymetrii. Nové projekty by mohly v tomto směru výrazně pomoci," doplnil Sergio Bertolucci, ředitel výzkumu a výpočtů v CERN.

STUDIUM ANTIHMOTY JE PRIORITOU

V roce 2017 navíc přišli vědci z CERNu s myšlenkou měření gravitační interakce mezi hmotou a antihmotou. Podle Einsteinovy obecné teorie relativity by měla hmota působit na tělesa z antihmoty totožně jako na tělesa z hmoty.
Právě tuto skutečnost by chtěli odborníci potvrdit, případně vyvrátit. Součástí je princip ekvivalence, podle kterého působení gravitace nezávisí na složení a struktuře hmoty. Objekt z antihmoty by tak v gravitačním poli Země padal stejné rychle jako objekt složený z hmoty. Takový pád na povrchu Země by tak byl dán standardní hodnotou gravitačního zrychlení 9,81 m/s2. Nic však nelze stoprocentně potvrdit.
Existují hypotetické teorie gravitace, ve kterých se může působení gravitace Země na hmotu lišit od vlivu na antihmotu. Díky tomu by byl takový pád antihmoty pomalejší. Zjistit, jak tomu skutečně je, lze jen pomocí studia pádu předmětu z antihmoty v gravitačním poli Země. Jenže otázkou zůstává, kde vůbec antihmotu vzít?

KDE VZÍT ANTIHMOTU?

S jistotou lze říct, že to nebude jednoduché. Na Zemi neexistují žádné doly na antihmotu, která by se dala využít při přípravě antihmotových těles. Pokud navíc vzniklá antihmota narazí na hmotu, zmizí ve výbuchu anihilace - procesu, při kterém dochází k zániku částice a její antičástice při vzájemném setkání. V současné době CERN zvládne produkovat pouze antičástice. Proces udržení složitějších struktur z antihmoty je ovšem na začátku cesty vývoje. Antičástice je možné získávat v rozpadech nebo ve srážkách částic, které jsou urychleny na velmi vysokou kinetickou energii. Produkované antičástice mají dokonce rychlosti blížící se rychlosti světla. Z tohoto důvodu je těžké zkoumat detailně jejich dopad na zemský povrch. S neutrálními částicemi mnoho udělat nejde, nicméně nabité částice je možné zpomalit pomocí elektrických polí v zařízení, které by fungovalo jako svým způsobem obrácený urychlovač.
Ani v tomto případě však není možné gravitační pád zpomalených nabitých antičástic zkoumat. Problémem je, že antiprotony jsou lehké a vzhledem ke své hmotnosti mají relativně vysokou hodnotu elektrického náboje.

CERN A ANTIVODÍK

Elektrická a magnetická pole v materiálech a prostředí na tyto částice působí obrovskou silou, dokonce větší, než má gravitační pole Země. Aby bylo možné prozkoumat gravitační pád antihmoty, potřebují odborníci mít k dispozici elektricky neutrální objekt z antihmoty, ideálně antivodík.
Právě antivodík zvládne produkovat pouze evropská laboratoř CERN díky speciálnímu zařízení - antiprotonovému zpomalovači. Antiprotony se vyrábějí p omocí protonového synchrotronu - urychlovače, jenž protonům dodává kinetickou energii, která je mnohem vyšší než jejich energie klidová. Takové protony se poté vyšlou na velký terč z wolframu. Během interakce protonů s těžkými jádry vznikají dvojice protonu a antiprotonu. Poté se díky systému elektrických a magnetických polí ze vzniklých částic ve srážkách protonů s jádry wolframu vytřídí antiprotony, které se následně předají do antiprotonového zpomalovače. Ten vyrovná jejich rychlosti, a tím dojde k jejich zpomalování.
Jakmile kinetické energie dosáhnou hodnot okolo 5 MeV, což je asi 0,5 % jejich klidové energie, jsou předány k experimentům, kde se studují vlastnosti antihmoty a během kterých dochází k dalšímu zpomalení antiprotonů díky chycení do tzv. magnetické pasti.

CO SE DĚJE V PASTI?

V magnetické pasti se přidají do procesu pozitrony, které jsou získány z beta plus rozpadu radioaktivního izotopu sodíku 22. Magnetické pole pasti má tu výhodu, že udrží plazma složené z nabitých antiprotonů a zmíněných pozitronů, a to se poté začne ochlazovat.
Samotná teplota je výsledkem chaotického pohybu částic. Ochlazováním dochází ke snížení rychlosti. Pokud teplota plazmatu dosáhne určité hranice, začne docházet k zachycení pozitronu antiprotonem a ke vzniku antivodíku, který se stává neutrálním, a není tak schopen udržet se při kontaktu se stěnou nádoby. Tím pádem anihiluje.

JAK UDRŽET ANTIVODÍK?

Pokud by však inženýři chtěli studovat vlastnosti antivodíku, museli by najít způsob, který by jej v nádobě udržel. Antivodík by se tedy nesměl setkat s hmotou a následně anihilovat. I to je možné!
Antivodík nemá sice žádný náboj, ale má magnetický dipólový moment a díky tomu lze s jeho magnetkou pomocí magnetického pole usměrňovat pohyb. Je možné tedy vyvinout magnetickou past, která by udržela jak nabité antiprotony a pozitrony, tak i neutrální antivodíky.
V rámci projektu ALPHA vědci vyvinuli zařízení, které zvládne zachycovat a udržovat antivodíky po dobu až stovek sekund. Lze tak změřit, do jaké míry je vlastně antivodík neutrální, a je-li tedy hodnota velikosti náboje shodná jak u antiprotonu, tak u pozitronu. CERN má za sebou již první testy, kdy se například podařilo provést spektrometrii antivodíku, a srovnat tak přechody v atomech vodíku a antivodíku.
Ke studiu využili specialisté laserové zařízení, které sledovalo přechod z nejnižšího stavu do základního, kdy dochází k viditelnému záření s vlnovou délkou 121,5 nm. Během tohoto cyklu je možné získat informace o tom, zda jsou setrvačné hmotnosti a náboje částic a antičástic shodné.

PRVNÍ ÚSPĚCHY!

Antiprotonový zpomalovač využívají i další projekty. Antihydrogen Experiment Gravity Interferometry Spectroscopy (AEGIS) je prioritně zaměřen na sledování pádu antivodíku v gravitačním poli Země.
Díky možnosti zpomalení rychlosti a chao tického pohybu antiprotonů lze získávat cenné poznatky. Pokud je vázaný systém elektronu a pozitronu ve vysoce excitovaném stavu (Rydbergovo pozitronium), lze snadno předat pozitron antiprotonu, čímž vznikne antivodík v tzv. Rydbergově stavu.
Proud takových antivodíků se pak velice pomalou rychlostí pohybuje do Moirého deflektometru. To je systém za sebou umístěných mřížek, které vytvoří systém paralelních svazků antivodíků. V další fázi po dopadu antivodík anihiluje.
Detektor přesto stačí přesně určit místo, kde k anihilaci došlo. Z obrazu periodické struktury mřížky zjistí průběh pádu a jeho gravitační zrychlení. Magnetické pasti a k tomu potřebná zařízení jsou hotové a lze čekat přísun nových informací z oblasti částicové fyziky. První výsledky se očekávají v nejbližších letech.

ČEŠI V AKCI

Na experimentu AEGIS spolupracují také čeští vědci, přesněji skupina odborníků z oboru experimentální jaderné a částicové fyziky z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Jejich cílem byla simulace pohybu Rydbergových antivodíků v magnetické pasti, kde testovali nejrůznější režimy pohybu antivodíků s různými rychlostmi a simulovali jejich pohyb a udržení v pasti.
Měření prozatím probíhalo s omezenou přesností. Podrobnější měření bude možné až se spuštěním zpomalovacího stupně ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring), který bude k dispozici mezi zpomalovačem antiprotonů a experimenty a měl by zpomalit antiprotony s kinetickou energií 5 MeV na energii 0,1 MeV. Díky tomu budou mít specialisté k prozkoumání větší množství antivodíku a budou moci provést přesnější měření.
Porovnání vlastností hmoty s antihmotou si CERN klade jako prioritu číslo 1. Samotné rozdíly jsou totiž zodpovědné za to, že planeta Země žije. Jen díky tomu totiž zůstal po "velkém třesku" malý přebytek hmoty nad antihmotou a nedošlo tak k anihilaci.

PODAŘILO SE ZACHYTIT DALŠÍ NOVOU ČÁSTICI?

Detektor CMS Velkého hadronového urychlovače podle odborníků narazil na částice s energií 28 GeV, což však neodpovídá standardům modelu částicové fyziky. Stalo se tak při pozorování srážek vysokoenergetických protonů. Během testu zkoumali vědci páry vznikajících mionů (nestabilní elementární částice se záporným elementárním elektrickým nábojem) a během toho se podařilo narazit na existenci částice, která má vlastnosti kolem 28 GeV. To je více než pětina hmotnosti Higgsova bosonu, jenž odpovídá 125 GeV. Když ve srážkách na LHC vznikají těžké částice, jako je třeba právě Higgsův boson, prakticky okamžitě se zase rozpadají, a tím vznikají spršky lehčích částic, které mohou zachytit detektory LHC. Vědci tyto lehčí částice pečlivě analyzují, sledují jejich energie i trajektorie a mohou díky tomu vystopovat původní vzniklé těžké částice. Na to, oč se skutečně jedná, si však budeme muset ještě nějaký čas počkat. *