V kontrolnom stredisku Európskej organizácie pre jadrový výskum (CERN) v Ženeve sa zrak vedcov upiera na veľkoplošné obrazovky. Ich záujem púta predovšetkým jeden údaj. Náhle sa ozve radostný potlesk. V piatok 22. apríla okolo poludnia prekonal Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) ďalší rekord. Prečo je dôležitý?
V súčasnosti najvýkonnejší urýchľovač častíc na svete testujú po najdlhšej odstávke v histórii CERN-u označovanej ako Long Shutdown II. Súčasťou skúšky jeho modernizácie bola zrážka dvoch protónových lúčov. Vedci vyslali každý z nich opačným smerom po zakrivenej dráhe dlhej 27 kilometrov, aby odmerali veľkosť energie uvoľnenej pri ich kolízii.
Rekordná energia
Ide o nesmierne dôležitý okamih. Urýchlené častice dosiahli rekordnú energiu 6,8 teraelektrónvolta (1 TeV = 1012 eV, pozn. red.) na lúč, vysvetľuje vedúci sekcie časticových operácií v LHC Jörg Wenninger. V roku 2009 namerali v ženevskom zariadení hodnotu 1,18 TeV, čím prvýkrát pokorili dovtedajší rekord (1 TeV) urýchľovača Tevatron z amerického výskumného centra Fermilab v Batavii v štáte Illinois.
Prvý tohtoročný vypustený zväzok mal zároveň preveriť aj funkčnosť jednotlivých súčastí zariadenia. Odborníci zisťovali, či všetky pracujú v dokonalom súlade. Tento proces prirovnávajú ku skúške orchestra. Do dráhy vystreleným lúčom vložia prekážku, aby došlo ku kolízii. Zároveň vzniká sekundárna spŕška častíc, ktorú sledujú prostredníctvom detektorov, a analyzujú, či prístroje pracujú na všetkých úrovniach správne a spoľahlivo.
Súčasný rekord nepredstavuje pre vedcov v CERN-e strop, vnímajú ho skôr ako úspešný reštart zariadenia. Zrážky s oveľa vyššou rýchlosťou a energiou chcú vykonať až v lete tohto roku, keď urýchľovač uvedú do ostrej prevádzky. Plány hovoria o energii až 13,6 TeV.
Urýchľovač v novom šate
Veľký hadrónový urýchľovač bol doposiaľ odstavený dvakrát. Od decembra 2018 bol vypnutý z dôvodu údržby a modernizácie. Prevádzková pauza mala v CERN-e pôvodne trvať do konca roku 2021, ale pandémia nového koronavírusu ju predĺžila o takmer šesť mesiacov. Jedinečné zariadenie, ktoré sa nachádza v hĺbke sto metrov pod zemou na francúzsko-švajčiarskej hranici, prešlo v tomto období viacerými zmenami.
Úpravy, ktorými európske výskumné centrum postupne zvyšuje kvalitu prístrojov, vedú čoraz markantnejšie najmä k zvyšovaniu tzv. luminozity urýchľovača. Tieto snahy, ktoré úmerne súvisia s objaviteľským potenciálom pozorovaní, ocenil aj slovenský jadrový fyzik Martin Venhart: Pre budúcnosť je veľmi dôležité, že boli vykonané prvé kroky smerujúce k High Luminosity LHC. To znamená, že urýchľovač by mal byť schopný dodať oveľa intenzívnejší zväzok. Za rovnaký čas tak v detektoroch bude zaznamenaných zhruba desaťkrát viac zrážok častíc. Stovky inžinierov vylepšili v posledných mesiacoch elektrické izolácie diód na viac ako 1 200 magnetoch umiestnených na tele urýchľovača. Práve dipólové magnety, vytvárajúce stabilné magnetické pole a slúžiace na ohýbanie trajektórie urýchlených častíc, tvoria viac ako polovicu celkovej dĺžky LHC. Technici ďalej vymenili 22 supravodivých komponentov, chladiacich jednotiek a umiestnili aj niekoľko absorbátorov na pohlcovanie tzv. zatúlaných častíc. Ide o častice, ktoré by pri odklone zo svojej dráhy mohli vážne poškodiť a ohroziť činnosť citlivých komponentov urýchľovača. Vďaka zásadnej modernizácii injektorov, t. j. vstrekovacieho systému, ktorý dodáva zväzky vysokorýchlostných častíc, bude možné extrahovať počas experimentov výrazne väčší objem dát.
Návrat do práce
Život v meste Meyrin v kantóne Ženeva plynie pokojným tempom. Ľudia navštevujú kiná, fanúšikujú miestnemu futbalovému klubu, nad hlavami im denne preletia desiatky lietadiel z blízkeho letiska a pod nohami zase prúdia protóny dosahujúce takmer rýchlosť svetla. Pôvodne poľnohospodárska oblasť sa zaradila k miestam s vysokou koncentráciou vedcov z celého sveta. V posledných mesiacoch sa sem opäť vrátili, aby mohli oživiť výkonný urýchľovač.
Základnú kostru LHC tvorí trubica obklopená magnetmi rôzneho druhu a veľkosti. Magnety plnia po celom obvode cyklotrónu rozličné funkcie: ohýbajú a presne zaostrujú lúče. Tesne pred zrážkou sa napríklad používa typ magnetu, ktorý častice stlačí bližšie k sebe, aby sa zvýšila pravdepodobnosť kolízie. Ide o presnosť, pri ktorej sa bojuje doslova o nanometre: predstaviť si to môžeme tak, ako keby sme chceli docieliť zrážku špičiek dvoch ihiel vzdialených od seba 10 km.
Bez zásahu človeka
Celý komplex LHC pozostáva zo štyroch veľkých a piatich menších experimentov. V miestach zrážok častíc sa nachádzajú štyri hlavné detektory: ALICE, ATLAS, CMS a LHCb. Ide o zložité zariadenia prešpikované výkonnou elektronikou. Mnohé z nich majú hmotnosť niekoľko tisíc ton, niektoré aj výšku viacposchodovej budovy. ATLAS napríklad váži asi 7 000 ton, čo je približná hmotnosť železnej konštrukcie Eiffelovej veže v Paríži. Valec, v ktorom je uložený, má výšku 45 m a priemer 25 m. To je iba jeden z celej skupiny dôvodov, prečo odstávka celého výskumného centra trvala viac ako tri roky.
Zariadenia v CERN-e musia byť navyše kalibrované tak, aby vydržali v prevádzke niekoľko rokov. Potrebu pravidelných odstávok si žiada najmä neustála amortizácia segmentov cyklotrónu a zároveň aj technologický pokrok. Po sprevádzkovaní pracuje LHC v nepretržitom režime a bez akéhokoľvek zásahu ľudskej ruky. Keď začnú v urýchľovači obiehať častice, v podzemí nie sú prítomní ľudia.
Časovo náročné je aj uvedenie technologického kolosu do plnej prevádzky. Zahŕňa tisíce špecifických krokov a postupov. Aby mohol urýchľovač spoľahlivo fungovať, je napríklad potrebné schladiť všetky dipólové magnety na teplotu -271,3 °C. Ide o teplotu nižšiu než dosahuje prostredie otvoreného vesmíru.
Slovenská stopa v CERN-e
Veľká odstávka ovplyvnila aj rozbehnuté projekty slovenských vedcov pôsobiacich vo výskumnom centre. Slovensko sa v rámci CERN-u spolupodieľa na experimentoch, ktoré sú viazané priamo na detektory ALICE a ATLAS. Slováci taktiež vykonávajú výskum na zariadeniach ISOLDE a NA62, ktoré sú zasa napojené na infraštruktúru tzv. predurýchľovačov LHC.
Tím pod vedením M. Venharta čaká onedlho tretia fáza výskumu s označením IS521, v rámci ktorého študujú izotopy zlata. Pomáha im pri tom jeden z najnebezpečnejších prístrojov, ktorý v CERN-e existuje a aktuálne tiež prechádza modifikáciou. Spektrometer TATRA vyvinuli v Slovenskej akadémii vied, skúma jadrá atómov tesne po ich vzniku, pracuje vo vákuu a vnútri je vysoká radiácia.
Továreň na objavy
Vedci v CERN-e plánujú posunúť hranice skúmania kvantového sveta výrazne ďalej. Po treťom zapnutí urýchľovača sa budú venovať aj pozoruhodným projektom s názvom FASER a SND@LHC. Ich cieľom je skúmať fyziku aj nad rámec štandardného modelu. Vysoký počet zrážok na zmodernizovanom urýchľovači zase umožní medzinárodným tímom fyzikov nazbierať oveľa objemnejšiu štatistiku zrážok častíc a podrobnejšie študovať aj záhadný Higgsov bozón.
Predmetom výskumu bude tiež tzv. kvarkovo-gluónová plazma. Ide o akúsi časticovú polievku, ktorá zodpovedá stavu hmoty niekoľko milióntin sekundy po vzniku vesmíru. Na spomenuté experimenty bude presne vymedzený čas, pretože ďalšia veľká plánovaná odstávka čaká CERN približne o štyri roky.
Kristína Benkovičová
