Urýchľovače elementárnych častíc zohrali a v budúcnosti určite ešte zohrajú kľúčovú úlohu pri objasňovaní podstaty hmoty a energie, a teda aj pôvodu vesmíru.
Nedávno sme využili vzácnu príležitosť navštíviť Európsku organizáciu pre jadrový výskum (CERN), ktorá leží na francúzsko-švajčiarskej hranici medzi Ženevským jazerom a pohorím Jura. Priamo v areáli centra je aj hraničný kameň.
Svetové laboratórium
Európska organizácia pre jadrový výskum pri Ženeve, známa skrátene ako CERN, je najväčšia medzinárodná výskumná organizácia na svete. Skratka CERN je pozostatok názvu pracovného výboru, ktorý organizáciu zakladal – Conseil Européen pour Recherche Nucléaire. Organizácia vznikla v roku 1954 dohodou 12 západoeurópskych krajín. Odvtedy poskytuje priestor na spoluprácu krajín v oblasti mierového jadrového výskumu a elementárnych častíc na vedecké účely. Výsledky experimentálnych a teoretických prác sa uverejňujú alebo inak sprístupňujú verejnosti.
CERN zamestnáva asi 2 600 ľudí a ďalších 1 800 servisných pracovníkov. Väčšina fyzikov, ktorých tu stretnete, je však zamestnaná na niektorej z univerzít, ktoré sa podieľajú na jeho projektoch. Týchto takzvaných používateľov CERN-u je asi 14-tisíc z viac ako 110 krajín. Štatút používateľa má aktuálne 86 Slovákov.
V súčasnosti CERN združuje 23 členských krajín. Slovensko je členom od roku 1993. Ročný rozpočet CERN-u je asi jedna miliarda eur. Skladajú sa naň členské štáty v pomere svojich národných dôchodkov. Príspevok Slovenska predstavuje ročne približne pol percenta rozpočtu.
Na práci a financovaní CERN-u sa menším podielom zúčastňujú aj asociované krajiny a krajiny pridružené k CERN-u ako pozorovatelia. CERN je zároveň ako jediná vedecká organizácia pozorovateľom v OSN.
Najvyšším orgánom je Rada CERN-u, v ktorej má každá krajina dvoch predstaviteľov (politického a vedeckého delegáta). Každý členský štát má jeden hlas.
Úspešná šéfka
Generálneho riaditeľa CERN-u volí rada na päť rokov. Od roku 2016 je na tomto poste talianska fyzička Fabiola Gianottiová, ktorá je nielen historicky prvou ženou vo funkcii riaditeľky tejto inštitúcie, ale aj prvý človek, ktorý svoj mandát obhájil na ďalšie funkčné obdobie. Hoci veľkú časť svojho života venovala experimentu ATLAS na Veľkom hadrónovom urýchľovači, teraz však musí sledovať a zaujímať sa o všetky experimenty. Z mojej pozície musím byť neutrálna, povedala v exkluzívnom rozhovore pre Quark.
Ako nám prezradila, jej víziou je pokračovať v misii CERN-u, ktorou je základný výskum, vývoj technológií, spájanie a vzdelávanie vedcov z celého sveta a oslovenie širokej verejnosti. Podľa nej bude z vedeckého hľadiska dôležitým krokom v budúcnosti pripraviť ďalší veľký urýchľovač. Sú tu dve možnosti. Prvou je lineárny urýchľovač s názvom Compact Linear Collider (CLIC) a druhou kruhový urýchľovač Future Circular Collider (FCC), povedala pre Quark. Úlohou nového urýchľovača bude detailnejšie štúdium a veľmi presné meranie niektorých vlastností Higgsovho bozónu, ako aj hľadanie nových častíc a fenoménov, ktoré by nás mohli doviesť k tajomstvám tmavej hmoty a antihmoty. Za najvýznamnejšie udalosti roku 2019 (aj napriek prebiehajúcej odstávke LHC) F. Gianottiová považuje modernizáciu urýchľovača a detektorov, čo umožní ich fungovanie pri intenzívnejších zrážkach častíc. V súčasnosti sa pracuje na novej generácii supravodivých magnetov s použitím nových materiálov. Tiež sa analyzujú údaje z predchádzajúceho obdobia LHC, ktoré sa skončilo v roku 2018 a poskytuje veľa výsledkov.
Pre väčšinu častíc existujú zodpovedajúce častice antihmoty alebo antičastice. Antihmotu je možné získať počas rádioaktívneho rozpadu, v kolíziách pri kozmickom žiarení v zemskej atmosfére alebo umelo v urýchľovačoch častíc. Častica má rovnakú hmotnosť ako jej antičastica, odlišujú sa iba opačným elektrickým nábojom (a ďalšími nábojmi). Pri stretnutí častice a antičastice zanikajú obidve, pričom vzniká energia vo forme žiarenia (fotónov). Množstvo hmoty a antihmoty bolo podľa súčasných teórií na počiatku existencie vesmíru približne rovnaké, ale v súčasnosti sa zdá, že vesmír je zložený takmer výhradne z hmoty. Experimenty na LHC (napríklad LHCb) sa snažia nájsť drobné rozdiely medzi správaním častíc a antičastíc a objasniť tak, ako a prečo získala hmota dominanciu.
Vlajková loď
CERN poskytuje technickú infraštruktúru predovšetkým na experimenty v oblasti časticovej a jadrovej fyziky. Ide najmä o sústavu urýchľovačov, ktorá umožňuje urýchľovať nabité častice alebo atómové jadrá na rôzne energie. Častice sa v urýchľovačoch buď vzájomne zrážajú (protibežné zväzky), alebo narážajú na nepohyblivé terče mimo urýchľovača, pričom vznikajú nové častice.
Najväčším a najznámejším urýchľovačom je Veľký hadrónový urýchľovač (Large Hadron Collider; LHC). Je to zariadenie, v ktorom sa pomocou elektrického poľa urýchľujú nabité častice. Tie sa pohybujú za pomoci magnetického poľa po približne kruhovej dráhe v trubici, z ktorej je vyčerpaný takmer všetok vzduch. Urýchľovač sa nachádza v hĺbke 50 až 100 metrov pod zemou v 27-kilometrovom tuneli, ktorý tu zostal po predchádzajúcom elektrónovom urýchľovači LEP a v čase prevádzky je v ňom silná radiácia.
K urýchľovaniu častíc dochádza v dvoch vákuových trubiciach v opačných smeroch, aby sa proti sebe letiace zväzky častíc mohli zraziť. Častice sa urýchľujú takmer na rýchlosť svetla, pričom energia jediného zväzku častíc zodpovedá vlaku s hmotnosťou 400 t idúceho rýchlosťou 150 km/h. Po dosiahnutí požadovanej energie (6,5 TeV, plánované maximum je 7 TeV) sa pred zrážkou protibežné zväzky sfokusujú a jemne vychýlia, čím sa ich dráhy prekrížia a častice interagujú.
Továreň na magnety
Optimálnu polohu častíc udržuje sústava supravodivých magnetov. Magnety v tuneli LHC majú teplotu 1,9 K (-271,3 °C), ktorá sa blíži k absolútnej nule a je nižšia ako teplota vo vesmíre. LHC je jedno z najchladnejších a najprázdnejších miest v Galaxii, zdôrazňuje Peter Chochula, ktorý pôsobí v CERN-e ako zástupca koordinátora pre kontrolný systém experimentu ALICE.
Vodiče supravodivých elektromagnetov sú vinuté z nióbovo-titánovej zliatiny. Úhrne má LHC 270-tisíc km prameňov tvorených vláknami s priemerom sedem mikrometrov. Celková dĺžka vláken je päťkrát väčšia než vzdialenosť Zeme od Slnka a späť. Chladiaci systém LHC obsahuje 10-tisíc ton kvapalného dusíka a 120 ton tekutého hélia. Magnety môžu viesť prúd 14-tisíc ampérov. Prúd, ktorý tečie v LHC, stačí na roztopenie 300 kg medi, uvádza Peter Chochula.
Predtým, než magnety idú do podzemia, každý z nich treba najprv dôkladne otestovať. Aby sa ustálili jeho parametre, musí tiež byť určitý čas v prevádzke. Na testovanie a trénovanie magnetov slúži v CERN-e hala SM18.
Po obvode urýchľovača LHC sú štyri miesta, kde sa trubice prepájajú. Práve tu dochádza k spomínanej interakcii dvoch proti sebe letiacich zväzkov častíc. Pri týchto energiách sa častice zrážajú asi 600 miliónov ráz za sekundu. Po zrazení vytvoria teplotu asi 200-tisíckrát vyššiu, ako je teplota v strede Slnka, pričom vznikne spŕška nových častíc.
V križovatkách zrážky protichodných častíc sú umiestnené detektory umožňujúce pozorovať častice, ktoré zrážka vyprodukovala. Detektory sú zoskupené na základe hlavných experimentov LHC, ktoré sú štyri: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb.
Starší súrodenci
CERN okrem LHC prevádzkuje aj iné urýchľovače s nemenej zaujímavým výskumným programom. Viaceré z nich sú zapojené ako predurýchľovače pre LHC, pretože je technicky nemožné urýchliť protóny v LHC z nulovej na najvyššiu energiu.
Urýchľované častice preto začínajú svoju cestu v iónovom zdroji – vodíkovej fľaši. Cez lineárne urýchľovače sa vstrekujú zosilňovača protónového synchotrónu z roku 1972. Odtiaľto pokračujú do protónového synchotrónu (1959) a následne do superprotónového synchrotrónu (SPS; 1976). Až odtiaľto, v prípade protónov urýchlené na energiu 450 GeV, sa injektujú do LHC.
Viaceré z týchto zariadení boli v čase svojho vzniku najsilnejšími urýchľovačmi na svete. Napríklad SPS pracoval od oficiálneho sprevádzkovania v roku 1976 v rôznych režimoch pri rôznych experimentoch. V rokoch 1981 – 1993 sa však používal aj ako zrážač protónov a antiprotónov. A bol to práve SPS, v ktorom roku 1983 došlo k objavu bozónov W a Z, čo sú prenášače slabej interakcie zodpovednej za niektoré jadrové javy, ako je napríklad beta rozklad. O rok neskôr bola za tento objav udelená Nobelova cena Carlovi Rubbiovi a Simonovi van der Meerovi.
Medzi ďalších významných starších súrodencov LHC patrí urýchľovač LEP, vďaka ktorému sa v roku 1989 preukázala existencia troch generácií elementárnych častíc. Urýchľovač LEAR sa zasa v roku 1995 podpísal pod vytvorenie prvých atómov antivodíka, ktorý sa v roku 2011 podarilo udržať bez anihilácie až 20 minút, čo umožnilo začať jeho štúdium.
Skupina vedcov z oddelenia jadrovej fyziky Fyzikálneho ústavu SAV pod vedením Martina Venharta pracuje v CERN-e na zariadení ISOLDE (Isotope Separation On-Line DEvice), ktoré využíva infraštruktúru predurýchľovačov LHC. ISOLDE privádza protóny z urýchľovača na masívny kovový terč, na ktorom produkujú veľké množstvo nestabilných izotopov, odkiaľ putujú k jednotlivým experimentálnym zariadeniam.
Vedci v experimente IS521, historicky prvom slovenskom experimente v CERN-e, študujú pomocou ISOLDE izotopy zlata vyznačujúce sa veľkou deformáciou atómového jadra. Množstvo atómových jadier má vo svojom základnom stave deformovaný tvar a tento fenomén nie je doteraz vysvetlený.
Slovenskí vedci na štúdium tohto javu navrhli a skonštruovali nové zariadenie s oficiálnym názvom spektrometer TATRA. Ide o unikátny transportný páskový systém pracujúci v podmienkach vysokého vákua. Spektrometer má štyri detektory – Gerlach, Kriváň, Chopok a Ďumbier. O jeho využitie už prejavili záujem viaceré svetové laboratóriá.
Lucia Kralovičová
