CERN alebo aj Európska organizácia jadrového výskumu (European Organization for Nuclear Research) je európska organizácia pre základný a aplikovaný výskum najmä v oblasti časticovej fyziky. Ide o najväčšie laboratóriom časticovej fyziky na svete.
Hlavným projektom v CERN-e je Veľký hadrónový urýchľovač (LHC – Large Hadron Collider), ktorý je v prevádzke od 10. septembra 2008. V tomto urýchľovači sa dosahujú najvyššie energie zrážok protónov a tiež najvyššie energie zrážok ťažkých iónov na svete.
Higgsov bozón a top kvark
Higgsov bozón považujeme za portál, ktorý môže viesť k novej fyzike. Najnovšie výsledky z experimentov ATLAS a CMS na LHC ukazujú, ako silno interaguje Higgsov bozón s najťažšou známou elementárnou časticou, top kvarkom. Ide o štúdium produkcie Higgsovho bozónu spolu s párom top kvarkov. Meranie tohto procesu je veľmi náročné, pretože ide o veľmi zriedkavý proces: iba 1 % Higgsových bozónov je produkovaných spolu s dvoma top kvarkami a okrem toho Higgsov bozón a top kvarky sa rozpadajú na iné častice mnohými komplikovanými spôsobmi.
Výsledky oboch experimentov (ATLAS a CMS) sú konzistentné navzájom aj so Štandardným modelom a sú silným indikátorom, že Higgsov bozón má kľúčovú úlohu vo veľkej hmotnosti top kvarku. Tento výsledok prišiel už na začiatku programu LHC. Je to vďaka vynikajúcemu fungovaniu LHC, účinnosti detektorov ATLAS a CMS, použitiu pokročilých metód analýzy a zahrnutiu všetkých možných rozpadových kanálov. Presnosť meraní ponecháva priestor pre novú fyziku. Predpokladá sa, že v ďalších rokoch oba experimenty nazbierajú oveľa viac experimentálnych údajov a zlepšia presnosť, aby sme videli, či Higgsov bozón odhalí prítomnosť fyziky za Štandardným modelom.
Štandardný model je teória, ktorá opisuje naše súčasné poznanie elementárnych častíc, ich silné, slabé a elektromagnetické interakcie. Všetky doterajšie experimenty potvrdzujú predpovede Štandardného modelu. Fyzici sú však presvedčení, že existuje aj fyzika za týmto modelom vo forme nových častíc a interakcií, ktorá vysvetľuje niektoré teoretické nedostatky Štandardného modelu. Svoje nádeje na objavenie nových častíc vkladajú práve do urýchľovača LHC.
LHC vstúpil do novej etapy
Dňa 15. júna 2018 sa začali stavebné práce na vysokoluminozitnom LHC (HL-LHC), čo je nový míľnik v histórii CERN-u. Do roku 2026 táto veľká modernizácia podstatne zlepší výkon LHC zvýšením počtu zrážok vo veľkých experimentoch, čím sa zvýši pravdepodobnosť objavu nových fyzikálnych javov a prehĺbi sa naše poznanie prírodných zákonov. Vnútri 27-kilometrového prstenca LHC cestujú zväzky protónov takmer rýchlosťou svetla a zrážajú sa na štyroch interakčných miestach. Tieto zrážky produkujú častice, ktoré registrujú detektory obkolesujúce interakčné miesta. Kým LHC dokáže vyprodukovať až jednu miliardu protónovo-protónových zrážok za sekundu, HL-LHC zvýši toto číslo, medzi fyzikmi známe ako luminozita, faktorom päť až sedem, čo umožní nazbierať asi desaťkrát viac údajov v rokoch 2026 až 2036. Fyzici budú môcť skúmať zriedkavé javy a robiť presnejšie merania. HL-LHC umožní presnejšie definovať vlastnosti Higgsovho bozónu a zmerať s lepšou presnosťou jeho produkciu, rozpad aj interakcie s inými časticami. Okrem toho sa budú skúmať scenáre za Štandardným modelom vrátane supersymetrie (SUSY), teórií o extra rozmeroch a o kvarkovej štruktúre.
Aby sa dosiahla zvýšená pravdepodobnosť zrážok, HL-LHC potrebuje okrem iného okolo 130 nových magnetov, osobitne 24 supravodivých kvadrupólov, ktoré koncentrujú zväzok, a štyri supravodivé dipóly. Kvadrupóly aj dipóly dosiahnu pole okolo 11,5 T v porovnaní s 8,3 T, ktoré majú dipóly v súčasnom LHC. Toto všetko si vyžaduje veľké stavebné práce na dvoch hlavných miestach vo Švajčiarsku a vo Francúzsku. Ide o stavbu nových budov, šácht, dutín a podzemných galérií. Počas stavebných prác bude LHC naďalej v prevádzke okrem dvoch technických prestávok.
Očakávaný rozpad po šiestich rokoch
Šesť rokov po objavení Higgsovho bozónu vedci konečne pozorovali, ako sa rozpadá na elementárne častice známe ako b (spodné alebo bottom) kvarky. Pozorovania, ktoré prezentovali 28. augusta 2018 v CERN-e fyzici z experimentov ATLAS a CMS na LHC, sú konzistentné s hypotézou, že všadeprítomné kvantové pole spojené s Higgsovým bozónom dáva hmotnosť aj b kvarku.
Štandardný model časticovej fyziky predpovedá, že asi 60 % Higgsových bozónov sa rozpadne na pár b kvarkov, čo sú druhé najťažšie kvarky zo šiestich druhov (angl. flavours). Testovanie tejto predpovede je kriticky dôležité, pretože výsledok je buď v súlade so Štandardným modelom – podľa ktorého Higgsovo pole dáva kvarkom a iným elementárnym časticiam hmotnosť –, alebo rozkýva jeho základy a poukáže na novú fyziku.
Spozorovať tento bežný rozpadový kanál Higgsovho bozónu nie je ľahké, o čom svedčí aj skutočnosť, že to trvalo šesť rokov od jeho objavu. Dôvodom je, že je veľmi veľa iných spôsobov ako vyprodukovať b kvarky v protónovo-protónových zrážkach, a je veľmi náročné odizolovať signál rozpadu Higgsovho bozónu od týchto šumov v pozadí. Vzácnejšie rozpadové kanály Higgsovho bozónu, ktoré sa pozorovali v čase objavu tejto častice, ako napríklad rozpad na pár fotónov, je oveľa ľahšie odizolovať od pozadia. Toto pozorovanie je míľnikom pri výskume Higgsovho bozónu.
S ďalšími údajmi oba experimenty zlepšia presnosť meraní a otestujú rozpad Higgsovho bozónu na pár výrazne ľahších fermiónov známych pod menom mióny. Neustále sa však budú hľadať odchýlky v údajoch, ktoré by mohli poukazovať na fyziku za Štandardným modelom.
Tieto úspechy vedcov podporujú plány na zvýšenie výkonu LHC. Metódy analýzy už dosiahli presnosť požadovanú na preskúmanie celého fyzikálneho priestoru vrátane – dúfajme – aj novej fyziky, ktorá sa zatiaľ dobre ukrýva.
Elektróny v plazmovej vlne
Dňa 29. augusta 2018 vedci z experimentu AWAKE oznámili vôbec prvé úspešné urýchlenie elektrónov s využitím vlny, ktorú generujú protóny rýchlo letiace cez plazmu. Dosiahnuté urýchlenie je na danej vzdialenosti už teraz niekoľkokrát vyššie ako dosahujú konvenčné technológie v súčasných urýchľovačoch. Využitie plazmových vĺn (nazývaných wakefields – brázdové polia) bolo prvýkrát navrhnuté v 70. rokoch minulého storočia. Má potenciál výrazne zmenšiť veľkosť urýchľovačov v ďalších desaťročiach.
AWAKE (Advanced WAKE field Experiment) je projekt dokazujúci princíp fungovania urýchľovača na urýchlenie elektrónov na veľmi veľké energie na krátkych vzdialenostiach. Urýchlenie častíc na vyššie energie na kratších vzdialenostiach je rozhodujúce na dosiahnutie vysokoenergetických zrážok, ktoré fyzici používajú na skúmanie fundamentálnych zákonov prírody, a môže sa ukázať ako dôležité aj v širokom rozsahu priemyselných a lekárskych aplikácií.
Plazma je špeciálne skupenstvo hmoty, ktoré sa dá dosiahnuť ionizáciou plynu – t. j. odtrhnutím elektrónov z atómov alebo molekúl plynu. V experimente AWAKE je zahrievané rubídium, pokým sa nepremení na plyn, a potom je ionizované laserovým zväzkom. Protónový zväzok (nazývaný hnací zväzok) je injektovaný spolu s laserovým pulzom, čo spôsobí oscilácie plazmy vo forme vĺn, podobne ako keď sa loď pohybuje vo vode a generuje oscilácie v brázde za sebou. Zväzok elektrónov sa injektuje pod malým uhlom do oscilujúcej plazmy a je urýchlený plazmovými vlnami.
Experiment AWAKE demonštroval, že dokáže dosiahnuť priemerný gradient okolo 200 MV/m (200 miliónov voltov na meter). Na porovnanie, pokročilé konvenčné technológie, s ktorými sa počíta pre ďalšiu generáciu elektrónových urýchľovačov, sľubujú gradienty v rozsahu len 30 – 100 MV/m. Cieľom experimentu AWAKE je dosiahnuť gradient až 1 000 MV/m.
doc. RNDr. Ivan Melo, PhD.
Katedra fyziky, EF Žilinská univerzita v Žiline
Zástupca SR v Medzinárodnej skupine pre popularizáciu časticovej fyziky a v Európskej sieti pre komunikáciu časticovej fyziky
Foto CERN
Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.
