PORT → Fyzika → LHC – „Velký třesk“ se blíží

Je podvečer a my konečně přijíždíme ke břehům Ženevského jezera. Právě zde, nedaleko Ženevy, se dokončuje největší vědecké zařízení v historii světa. Superurychlovač známý mezi fyziky jako LHC. Velký hadronový srážeč. Právě on by měl přinést odpovědi na mnohé otázky kolem mikrosvěta.

Dr. Michael Londesborough, Ph.D.: Ever since the beginning of human thinking we have asked ourselves: ‘What is the world around us made of?’
Neustále od okamžiku, kdy lidé začali přemýšlet, jsme se ptali: Z čeho je svět kolem nás?

Řecký myslitel Empedokles rozdělil svět na čtyři základní elementy: oheň, vzduch, zem a vodu. Celý svět se skládá z těchto čtyř základních částí – ovšem v různém poměru.

Michael: And then in 400 B.C. came another Greek thinker, by the name of Democritus, and he suggested that all matter is made of imperishable, indivisible elements, which he called atoms.
A pak roku 400 před naším letopočtem přišel jiný řecký myslitel jménem Demokritos a vyhlásil, že veškerá hmota je tvořena nezničitelnými, nedělitelnými prvky, které nazval atom.

Celých 2300 let se tento pohled na svět nezměnil. Atom zůstával nejmenší částicí světa.

Michael: The problem being is that people believed that the atom was too small to investigate.
Problém byl v tom, že lidé věřili, že atom je příliš malý, než aby se dal prozkoumat.

V roce 1909 se změnil pohled na svět. Vědec Ernest Rutherford se totiž poprvé podíval do atomu.

Michael: In Rutherford´s experiment a source of alpha particles, which is helium nuclei, was fired toward a target of a thin gold foil. Rutherford detected, that most of the alpha particles penetrated the gold foil. However some were reflected at a very high angles. From this he discerned that the gold atom must contain a very dense and positive centre which he called the nucleus.
V Rutherfordově pokusu ostřeloval zdroj alfa částic, což jsou jádra helia, cíl – tenkou zlatou fólii. Rutherford zaznamenal, že většina alfa částic zlatou fólií pronikla. Některé z nich však byly pod velkým úhlem odraženy. Z toho poznal, že atom zlata musí obsahovat velice husté a kladně nabité centrum, které nazval jádrem.

Rutherford tak zjistil, že atom se dělí na ještě menší částice. Byl to vlastně první pokus částicové fyziky v dějinách.

Ženevské jezero, Ženeva a na jejím okraji CERN – Evropská laboratoř pro částicovou fyziku. Desítky hal na povrchu a v podzemí to hlavní – urychlovače. První tu uvedli do provozu už před půlstoletím. Teď se tu dokončuje ten největší a nejvýkon-nější – LHC. Je umístěn v kruhovém tunelu o průměru devíti a délce dvaceti sedmi kilometrů. Kdyby stejný tunel vedl pod Prahou, zasahoval by pěkně daleko od středu města.

Co vlastně urychlovač LHC urychluje a proč? Jsou to shluky kladně nabitých částic – protonů. Silné elektromagnetické pole je urychluje téměř až na rychlost světla – 300 000 kilometrů za sekundu. Dva takové shluky se pohybují v opačném směru – ovšem odděleně ve dvou sousedních trubicích, z níchž je vyčerpán vzduch. Je tam dokonalé vakuum, aby částice vzduchu protonům nepřekážely.

l8# Protony obíhají po kruhové dráze velkého urychlovače LHC. Jejich dráhu musí zakřivovat velice silné supravodivé magnety. Jeden takový magnet je patnáct metrů dlouhý a váží téměř jako rychlíkový vagón – 35 tun. Je to dokonalý výrobek kryogenní – čili nízkoteplotní – techniky.

Ing. Vladislav Benda, oddělení techniky urychlovače – kryogenika CERN: Toto je kabel pro 13 000 Ampér, ze kterého jsou navinuty magnety pro LHC. Skládá se asi z dvaceti drátů o průměru jednoho milimetru a každý drát obsahuje přibližně 250 000 supravodivých vláken z niob–titanu.

Takto se navíjí supravodivá dráha pro protonové střely letící urychlovačem. Všech tisíc dvě stě supravodivých magnetů se po dokonalém otestování na povrchu muselo spustit přístupovými šachtami sto metrů pod povrch, do tunelu urychlovače.

Teď vás zveme do CERNského podzemí. Koncem letošního května jsme měli možnost prohlédnout si přímo tunel s dokončovaným urychlovačem LHC. Tunel o celkové délce 27 kilometrů prochází dvakrát pod francouzsko-švýcarskou hranicí. Doprovází nás samotný šéf výstavby celého urychlovače, Lyn Evans. Procházíme podél dlouhých válců se supravodivými magnety.

Dr. Lyn Evans vedoucí projektu LHC: Ty musejí být chlazeny na velmi nízkou teplotu mínus 271 stupňů. Je to jen dva stupně nad absolutní nulu. Takže je to větší mráz než v hlubinách vesmíru.

Ing. Vladislav Benda, oddělení techniky urychlovače – kryogenika CERN: Tady ty jednotlivé komíny, co vidíte, to jsou přívody proudu. Tyto veliké přívody proudu jsou na 13 000 Ampér, menší na 6 000 Ampér a tamhle budeme pokračovat – jsou to přívody na 600 a 120 Ampér.

Pro nás nepředstavitelně třeskutý chlad kapalného hélia má svůj dopad na konstrukci urychlovače. Každý metr kovových trubek se po zchlazení zkrátí o tři milimetry. Představte si, o kolik se změní rozměry na mnohakilometrové délce celého urychlovače. Pro vyrovnání se musely použít pružné manžetové spojky.

Ing. Vladislav Benda, oddělení techniky urychlovače – kryogenika CERN: Je také dobře vědět, proč vlastně používáme supravodivé magnety a ne normální. Protože pro ty velké urychlovače dnešní generace, výkonné urychlovače, už není možné používat ty klasické elektromagnety z důvodů, že by se sem v podstatě nevešly.

Dr. Lyn Evans vedoucí projektu LHC: Sám urychlovač žádnou energii nespotřebovává. Proud protéká těmito magnety zcela bez odporu, neztrácí se tedy žádná energie. Pokud je potřeba energie, pak na výrobu kapalného hélia, kterým se magnety chladí.

Osm velkých zkapalňovačů hélia je na povrchu, kapalné helium se vede do tunelu a soustavou potrubí rozvádí na všechna místa. Pro LHC je třeba 120 tun hélia. Toto množství by stačilo k naplnění čtyř největších vzducholodí v historii – Hindenburg. V trubicích urychlovače je vakuum lepší než ve vesmíru, aby se o zbytkové molekuly plynu nebrzdily urychlované protony.

Michael: The balloons above us contain up to 3000 cubic metres of air. That´s still only half the amount the scientists in CERN had to remove from the collision tube 27 km long at CERN. The result being a vacuum greater than that we´ve find in space.
Balóny nad námi mají objem asi 3000 kubických metrů vzduchu. Je to jen polovina množství, které museli vědci z CERNu vyčerpat z 27 kilometrů dlouhé trubice urychlovače. Výsledkem je vakuum větší než jaké bychom našli ve vesmíru.

A proč to všechno? Aby se dva shluky protonů, letící proti sobě, srazily.

Michael: It´s all about collisions at very high velocities.
Všechno se to týká srážek za velice vysokých rychlostí a energií.

Michael: And the higher velocities, the better is the resolution of our image of what is inside the atom.
A čím vyšší rychlosti, tím lepší je rozlišení našeho obrázku toho, co je uvnitř atomu.

Michael: Firstly a ‘fixed target’ collision: The accelerator takes the particle, speeds it up with the electromagnetic fields, and then bashes it into a target.
Nejprve srážka s pevným terčem. Urychlovač bere částici, urychlí ji elektromagnetickým polem a pak s ní udeří do terče.

Michael: The second collision type is that between two beams of particles, accelerated in opposite directions, that allow to collide together.
Druhým typem srážek je srážka dvou svazků částic, urychlených v opačných směrech, což umožní, aby se spolu srazily.

V našem případě jsou to tato dvě vajíčka.

Michael: Both particle beams have significant kinetic energy and they are travelling in the opposite directions. So when they hit each other, the energy is immense, which can create even bigger subatomic particles.
Oba svazky částic mají velikou pohybovou energii a pohybují se v opačných směrech. Když se pak společně srazí, energie je ohromná a mohou vzniknout ještě větší jaderné částice.

Na kruhovém urychlovači LHC jsou čtyři místa, experimenty. Právě tam se shluky protonů srážejí. Každý experiment má své jméno nebo zkratku. Jsou to pokaždé obří supercitlivé detektory, které mají sledovat a zaznamenávat dráhy, charakter a energii částic, nově vznikajících při srážkách protonů.

Název Atlas patří největšímu experimentu. A vy teď máte jedinečnou možnost prohlédnout si jej spolu s námi zblízka. Abychom se na ohromný válec Atlasu podívali shora, vyjíždíme výtahem podél stěny největší umělé jeskyně Evropy do osmého patra. Pod námi je Atlas.

7000 tun kovových konstrukcí a nejcitlivější elektroniky světa, 3000 kilometrů kabelů a 100 miliónů elektronických kanálů. To vše ve válci o průměru 22 metrů a délce 44 metrů.

Když jsme v jeskyni Atlasu natáčeli před třemi lety, byla ještě téměř prázdná. Tehdy v ní právě sestavovali jeden z detektorů Atlasu – hadronový kalorimetr. Na konstrukci a výrobě jeho panelů se podíleli také naši fyzici a technici. Areálem CERNu tehdy projížděly také tahače s rozměrnými cívkami toroidálních supravodivých magnetů. Ty jako součást Atlasu vytvářejí nesmírně silné magnetické pole, nezbytné pro sledování drah částic, které se dostanou až do vnější části Atlasu.

Květen 2007. Za doprovodu hlavního bezpečnostního technika Atlasu teď s námi proniknete až do nitra této rozměrné konstrukce. Na vlastní oči uvidíme místo, kde se už za rok začnou srážet první protony. Všude kolem nás kilometry kabelů. Část z nich pro napájení a ovládání citlivé elektroniky.

Většina však bude sloužit přenosu nepředstavitelně velkého množství dat o nově vznikajících částicích z Atlasu k rozsáhlému počítačovému systému v sousední jeskyni, kde bude probíhat jejich první předběžné třídění. Teprve pak se budou rozesílat do center v řadě zemí celého světa k dalšímu zpracování.V ohromném válci Atlasu jsme už pronikli přímo k jeho srdci – k vnitřnímu detektoru.

Ing. Petr Šícho, oddělení experiment I CERN, Fyzikální ústav AV ČR: Toto je vnitřní detektor, barel vnitřního detektoru. Tady vlastně dochází k těm srážkám. Tady uprostřed.

Právě zde budou vznikat nové částice, které by mohly změnit náš pohled na svět, na celý vesmír. Samotné srdce – vnitřní detektor – jsme však našli na povrchu v jedné z hal CERNu.

Právě procházel závěrečnou montáží pod rukama českých fyziků a jejich evropských kolegů.

Ing. Michal Tomášek, oddělení experiment I CERN, Fyzikální ústav AV ČR: Protonové svazky budou běhat v beryliové trubici, kterou vidíme zde. Kolem ní je vlastní pixelový detektor, tvořený třemi vrstvami ve tvaru souosých válců.

Ing. Petr Šícho, oddělení experiment I CERN, Fyzikální ústav AV ČR: Má nejlepší rozlišení, čili že nám poskytuje nejpřesnější informace ohledně průletu částice. Trajektorie částic, které při srážkách vznikají, se dá zrekonstruovat s největší přesností. Tento detektor má také vynikající radiační odolnost.

Křemíkové destičky pixelového detektoru byly vyrobeny u nás v rožnovské firmě ON Semiconductors, dřívější Tesle Sezam. Odtud směřovaly na testy sem, do křemíkové laboratoře Fyzikálního ústavu Akademie věd.

Václav Vrba, CSc., ved. oddělení experiment I CERN, Fyzikální ústav AV ČR: Tyto detektory byly v této laboratoři měřeny našimi pracovníky, kteří v současné době dokončují aparaturu v CERN, instalují ji v experimentální šachtě Atlas.

Výzkum a vývoj pixelového detektoru probíhal za spolupráce mnoha zahraničních pracovišť právě ve Fyzikálním ústavu. Detektor musí zachytit pět miliard nově vznikajících částic každou sekundu.

Michael: And in today´s Michael´s experiment we should be demonstrating for you at home just how the detectors work and why they are multilayered.
A v dnešním Michaelově experimentu pro vás doma předvedeme, jak detektory pracují a proč mají mnoho vrstev.

Budeme k tomu potřebovat železné piliny, víko od krabice od bot, pak nějaké podložky pod víko, magnetky a nějaký nemagnetický předmět, který bude přibližně stejně velký jako je magnet.

A představte si, že tento magnet je nová částice, která vznikla v urychlovači v CERNu. A my se teď společně podíváme na to, co to udělá s naším detektorem.

Michael: The iron filings trace, that we can see, reveals to us the trajectory of our magnetic object in exactly the same way that the tracking chamber at the detector in CERN tells the physicists the exact trajectory of tiny subatomic particles, such as electrons, protons or muons.
Stopa železných pilin, kterou vidíme, odhaluje dráhu našeho magnetického předmětu přesně stejně, jako detektor v CERNu sdělí fyzikům přesnou dráhu nepatrných částic, menších než atom, jako jsou elektrony, protony nebo miony.

Ale co když naše nová částice nebude mít elektrický náboj? V našem případě nebude magnetická? Co se pak stane s naším detektorem?

Vůbec nic. Piliny se ani nehnou …

Michael: And this is exactly the same problem at CERN. The tracking chamber cannot detect the trajectories of uncharged particles such as neutrons or photons.
A stejný problém mají i v CERNu. Detektor nemůže zjistit dráhy nenabitých částic, jako jsou neutrony nebo fotony.

Jak ale zjistit dráhu naší nemagnetické částice, když není v detektoru vidět? V CERNu si s tím také lámali hlavu a přišli na tom, že stačí vytvořit další vrstvu detektoru.

Michael: And between our two detector layers I have carefully positioned a row of five magnets. So when I fire my non-magnetic particle under the first detector and allow it to strike the magnets in between, we can see the iron file tracing all those other magnets. Now that tells us not only the trajectory of our neutral particle, but it also gives us information about its kinetic energy.
A mezi dvě vrstvy našeho detektoru jsem opatrně umístil řadu pěti magnetů. Když vystřelím svoji nemagnetickou částici pod první detektor a umožním jí, aby se srazila s magnety zde, vidíme, jak železné piliny sledují pohyb všech těch magnetů. Tohle nás nejen informuje o dráze neutrálních částic, ale také o jejich kinetické energii.

A na stejném principu také funguje hadronový kalorimetr v CERNu.V urychlovači LHC proběhne každou sekundu miliarda srážek protonů. Při každé z nich vzniknou desítky až tisíce nových částic. Obří detektory budou neustále chrlit nepředstavitelné množství dat o každé z nich. Hned v sousedství Atlasu v podzemí je první počítačové centrum. Po hrubém výběru se tu zaznamenají data o pouhé stovce zajímavých srážek za sekundu.

Michael: The four new detectors at the LHC collider in CERN will collect an amazing amount of data. Every second up to 100 Megabytes. Now that’s a lot of data. Within 8 seconds that’s enough data that would fill in the entire Yellow Pages book. Or, after 2 hours of collection, enough data to fill in all of these 800 Yellow Pages, that I am sitting on.
Čtyři nové detektory na urychlovači LHC v CERNu budou hromadit ohromné množství dat. Až 100 Megabytů každou sekundu. Je to mnoho dat. Je to tolik dat, že by během osmi sekund zaplnila celý telefonní seznam Žlutých stránek. Anebo dost dat, aby po dvou hodinách záznamu zaplnila všech 800 vydání Žlutých stránek, na kterých sedím.

Vstupujeme do jednoho ze sálů výpočetního centra CERNu. Enormní počet dat z nového urychlovače se zpracovává v síti počítačových center – GRIDu. Hlavní centrum zůstalo v CERNu. Zde se zaznamenávají všechna vybraná cenná data o srážkách. Jejich zpracování tu probíhá paralelně – současně – na tisících výkonných osobních počítačů. To ale zdaleka nestačí. Proto se data rozesílají do desítek velkých výpočetních center v Evropě, ve Spojených státech, Japonsku, Indii, na Tchaiwanu, které GRID tvoří. I mezi specialisty na informační technologie najdeme v CERNu Čechy.

Zdeněk Sekera, oddělení výpočetní techniky, CERN: Tak tohle je nervová síť CERNu. Všechny počítače jsou napojeny na tom, čemu se říká backbone – páteř, což je v podstatě kabel, který běží v CERNu, a všechny kanceláře, všechny počítače všude jsou na něj napojeny. Ta backbone je mnohem rychlejší než normální Ethernet access, a to proto, aby všechny počítače dostaly určitou část z té bandwith, tak aby všichni byli jaksi spokojeni. Aby se nikdo necítil, že běží pomalu vůči tomu druhému.

Pro přenos dat do celého světa slouží výkonné linky s rychlostí 10 Gigabitu za sekundu. GRID umožňuje, aby se v každém okamžiku maximálně využila výpočetní kapacita celé sítě.

Pro každý ze čtveřice detektorů se vybudovala datová a zpracovatelská síť center ve stovkách vědeckých ústavů a univerzit. Jedno takové vzniklo i v pražském Fyzikálním ústavu.

RNDr. Jiří Chudoba, Ph.D., oddělení experiment I CERN, Fyzikální ústav AV ČR: Těch velkých center pro Atlas je deset a my tady budujeme jedno z menších center, která jsou k těm velkým přiřazena.

Pražské centrum teď pracuje na simulaci srážek, v budoucnu bude analyzovat výsledky z CERNu. Výsledky budou posílat do svého nadřazeného centra v německém Karlsruhe.

RNDr. Jiří Chudoba, Ph.D., oddělení experiment I CERN, Fyzikální ústav AV ČR: V minulém roce jsme testovali přenos dat z CERNu do těch Tear 1 center – do deseti z nich. A během těch testů jsme vyexportovali 2 Petabyty dat.

Bylo to 2000krát víc než je současná celosvětová produkce knih. Do spuštění LHC v příštím roce vzroste výpočetní kapacita našeho centra desetinásobně. Na jedinečném projektu superurychlovače LHC a jeho obřích detektorů se podílejí tisíce vědců a dalších specialistů z mnoha desítek zemí celého světa. Jaké postavení má mezi nimi naše země?

Prof. Jiří Niederle, DrSc., předseda Komise pro spolupráci ČR s CERN, Fyzikální ústav AV ČR: Česká republika, která patří k těm malým zemím, se tam uplatňuje dobře. Je to dáno tím, že rozvoj naší země byl vždy spojen s průmyslovou výrobou, takže se tam uplatnila celá řada našich předních firem, které jsou schopny vyrobit běžné věci, tak i věci velice náročné na nějaké technologie.

Odhalíme konečně tajemství temné hmoty a energie? Dosáhnou fyzikové sjednocení čtyř základních sil? Objevíme bájný Higgsův bozon? Co všechno přinese spuštění LHC?

Dr. Leonardo Rossi, ved. projektu vnitřního detektoru, experimentu Atlas, CERN: LHC otvírá okno pro energie, které jsou úplně nové. Jako bychom otvírali okno do nového prostoru. Co je tam venku, zatím nevíme. Může to být velmi zajímavé. Existují teorie, existují hypotézy. Teď se ale velice soustředím na to, abychom využili tenhle stroj, který nám vzal tolik let našeho života, a našli to, po čem pátráme.

Dr. Robert Aymar, generální ředitel CERN: LHC jsme postavili, aby nám přinesl objevy. Ty nám nakonec napoví, jaké budou směry nové fyziky a na co se musíme zaměřit v budoucnosti – po LHC.