Po nedávnej dvojročnej odstávke urýchľovača v CERN-e sa takmer dvojnásobne zvýšila energia, pri ktorej sa častice v urýchľovači zrážajú. V ďalšej fáze modernizácie, do roku 2025, sa plánuje desaťnásobne zvýšiť hustotu zrážok častíc.
Zvýšenie výkonu Veľkého hadrónového urýchľovača (Large Hadron Collider – LHC) v CERN-e závisí od dvoch parametrov. Verejnosti je známejší prvý z nich, energia. Objavy nových častíc však nezávisia len od energie, ktorú sme schopní používaným časticiam v urýchľovači udeliť, ale aj od počtu ich zrážok – oba parametre sú rovnako dôležité. Energia LHC sa nedá zvýšiť nad 14 TeV (po odstávke sme sa dostali z 8 na súčasných 13 TeV), ale až 10-násobne sa dá zvýšiť tzv. luminozita. Ide o parameter úmerný počtu zrážok v definovanom časovom intervale. Takéto zvýšenie luminozity znamená investovať do modernizácie LHC prostriedky na úrovni 20 až 25 % jeho terajšej ceny. Budeme tak môcť hľadať nové ťažké častice, ktoré (ak existujú) síce vznikajú aj v doterajších zrážkach na súčasnom LHC, ale nevidíme ich pre malý počet zrážok a nedokážeme ich odlíšiť od pozadia tvoreného známymi časticami. Zvýšenie luminozity umožní fyzikom teda detailnejšie študovať nové javy objavené na LHC ako napr. Higgsov bozón, keďže bude možné vytvoriť až 15 miliónov Higgsových bozónov za rok v porovnaní s 1,2 miliónmi v rokoch 2011 a 2012.
LHC na novej rekordnej energii
Po úspešnom reštarte fyzikálneho programu Veľkého hadrónového urýchľovača začiatkom júna 2015 sa v prvých nasledujúcich mesiacoch zbierali dáta zo zrážok protónov pri novej takmer dvojnásobnej energii. Zrážky protónov pri vyššej energii dávajú vedcom väčšie možnosti objavu nových častíc. V novembri 2015 sa LHC presunul do ďalšej fázy, ktorú predstavovali prvé zrážky iónov olova pri energii, akú doposiaľ nedosiahol žiaden urýchľovač na svete. Predchádzala tomu intenzívna príprava a počas nej sa LHC spolu s celou reťazou urýchľovačov prestaval na zväzky ťažkých iónov.
Modernizácia urýchľovača v CERNe je náročná procedúra, ktorá sa spolieha na vývoj viacerých prelomových technológií.
Kladne nabité ióny olova
Začal sa experiment s kladne nabitými iónmi olova, čo sú atómy olova, ktorým chýbajú elektróny. Zrážky iónov olova umožnia experimentálne študovať hmotu v stave, v ktorom existovala krátko po Veľkom tresku pri teplote niekoľko biliónov stupňov Celzia. Podľa generálneho riaditeľa CERN-u Rolfa Heuera je rok 2015 osobitný, pretože v CERN-e dosiahli novú energiu a začali skúmať hmotu v ešte skoršej fáze vývoja nášho vesmíru než doteraz.
Prvotná polievka z častíc
Veľmi skoro bola vo vývoji nášho vesmíru hmota na niekoľko milióntin sekundy vo veľmi hustom a horúcom stave – akási prvotná polievka z častíc, najmä z kvarkov a gluónov. V súčasnom studenom vesmíre gluóny viažu kvarky do protónov a neutrónov, tvoriacich hmotu okolo nás a tiež hmotu nás samotných. Na novej, vyššej úrovni energie zrážok ťažkých iónov olova sa chceme pozrieť na prípadnú zmenu správania sa kvarkovo-gluónovej plazmy v porovnaní s nižšou energiou.
Správanie kvarkovo-gluónovej plazmy
Zvýšenie energie zrážok zvýši objem a teplotu kvarkovo-gluónovej plazmy, čo umožní významný pokrok v chápaní silno interagujúcej hmoty vytvorenej v zrážkach iónov olova na LHC. Napr. v prvej sezóne LHC experimenty potvrdili, že kvarkovo-gluónová plazma má vlastnosti dokonalej kvapaliny a rovnako potvrdili existenciu tzv. zhášania jetov v zrážkach iónov. Ide o jav, pri ktorom skupiny vysokoenergetických častíc strácajú energiu pri pohybe cez kvarkovo-gluónovú plazmu. Vysoký výskyt tohto javu teraz umožní experimentálne vysvetliť správanie kvarkovo-gluónovej plazmy. Merania pri vyšších energiách jetov tak umožnia nový a detailnejší opis tohto veľmi zaujímavého stavu hmoty.
Aj detektory sa výrazne zdokonalili počas prvej dlhej odstávky LHC. S očakávanou vyššou štatistikou zrážok sa budú môcť fyzici lepšie pozrieť na veľmi zaujímavé signály pozorované už v priebehu prvej sezóny na LHC.
Projekt zvýšenia luminozity do ďalšej fázy
Viac ako 230 vedcov a inžinierov z celého sveta sa v posledný októbrový týždeň v roku 2015 stretlo v CERNe, aby prediskutovali projekt vysokoluminozitného LHC urýchľovača, ktorý zvýši objaviteľský potenciál súčasného LHC od roku 2025. Po štvorročnej štúdii sa projekt posunul do druhej fázy, v ktorej sa budú vyvíjať priemyselné prototypy rôznych častí urýchľovača. Pretože objavy v časticovej fyzike závisia od štatistiky, nie je ťažké predpokladať, že čím väčší počet zrážok sa dá v urýchľovači dosiahnuť, tým väčšiu šancu majú fyzici uvidieť novú časticu alebo nový proces.
Zvýšenie hranice citlivosti
Vysokoluminozitný LHC zvýši luminozitu faktorom 10, čo znamená desaťnásobne viac zrážok v budúcnosti než dodáva terajší LHC za rovnaký čas. Takto umožní presnejšie merania elementárnych častíc a pozorovanie zriedkavých procesov, vyskytujúcich sa pod súčasnou hranicou citlivosti LHC. S novým vylepšením posunie urýchľovač v CERN-e hranice ľudského poznania tým, že fyzikom umožní nájsť nové častice (ak existujú), ktoré štandardný model nepozná a možno vzniknú nové alebo upravené teórie častíc.
Už terajší LHC produkuje protónové zrážky pri najvyššej energii, aká sa kedy dosiahla na urýchľovači. Vysokoluminozitný LHC rozšíri náš potenciál pre objavy a premení LHC na stroj vhodný na presné merania, čo je ďalší prirodzený krok v oblasti výskumu vysokých energií, zdôrazňuje význam tejto inovácie generálny riaditeľ CERN-u Rolf Heuer.
Vývoj prelomových technológií
Vylepšenie LHC je náročná procedúra, ktorá sa spolieha na vývoj viacerých prelomových technológií. Musíme inovovať vo viacerých oblastiach, vyvíjame úplne nové technológie pre magnety, optiku urýchľovača, supravodivé rádiofrekvenčné dutiny a supravodivé spoje, vysvetľuje Lucio Rossi, šéf projektu vysokoluminozitného LHC. Tieto nové technológie nahradia 1,2 km zo súčasnej dĺžky 27 km LHC. Nové supravodivé magnety silne skoncentrujú zväzok lúčov a zvýši sa pravdepodobnosť zrážok. Nové supravodivé rádiofrekvenčné dutiny, tzv. krabie dutiny, sa využijú na orientáciu zväzku pred zrážkou, aby sa tak predĺžila oblasť, v ktorej sa zväzky prekrývajú. Nové prenosové linky elektrickej energie, založené na vysokoteplotných supravodičoch, povedú rekordne vysoké prúdy až do 100 000 ampérov na vzdialenosť viac ako 100 metrov. Tieto inovácie nielenže zvýšia potenciál pre ďalšie objavy, ale poslúžia aj ako dôkaz koncepcie pre budúce urýchľovače. Všetky tieto technológie sa vyvíjajú už od roku 2011 v rámci štúdie HiLumi LHC Design Study – čiastočne financovanou v rámci 7. rámcového programu Európskej komisie. Vysokoluminozitný LHC spojil veľké množstvo laboratórií z členských štátov CERNu, Ruska, Japonska a USA.
Slovensko v CERNe aktívne prispieva k veľkým časticovým experimentom najmä na urýchľovači LHC. Okrem prínosov pre vedu účasť na týchto experimentoch umožňuje Slovensku prenos špičkových technológií, účasť našich firiem na medzinárodných tendroch, spoluúčasť na budovaní európskej počítačovej siete a využitie urýchľovačov v medicíne. Na výskume participujú Univerzita Komenského, Univerzita P.J. Šafárika, Univerzita M. Bela, Žilinská univerzita, Fyzikálny ústav SAV a Ústav experimentálnej fyziky SAV.
doc. RNDr. Ivan Melo, PhD.,
Katedra fyziky, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita
zástupca SR v European Particle Physics Communication Network
zástupca SR v International Particle Physics Outreach Group
Foto CERN, wikipédia/Adam Nieman
