Mimořádné nároky subatomové fyziky si vědci začali palčivěji uvědomovat po druhé světové válce, která zrodila tři zlé jaderné džiny – Alamogordo u Los Alamos, Hirošimu a Nagasaki. Výzkum ve fyzice
částic si tehdy mohly dovolit pouze Spojené státy a Sovětský svaz.
Proto v roce 1949 navrhl francouzský fyzik, laureát Nobelovy ceny
Louis de Broglie vytvoření společné evropské vědecké laboratoře.
S podporou dalších věhlasných fyziků, například amerického nositele Nobelovy ceny Isidora Rabiho, a pod záštitou UNESCO založilo v roce 1952 jedenáct evropských států provizorní Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Evropskou radu pro jaderný výzkum, CERN). Rada poprvé zasedala v květnu 1952 v Paříži. v červenci dva roky nato podepsalo dvanáct zakládajících zemí Úmluvu o CERN, kterou pak 29. září 1954 všechny tyto země ratifikovaly. Československo se stalo členem od ledna 1992, samostatné Česko podepsalo přístupovou smlouvu v červenci 1993.
Dosud zřejmě největšího úspěchu CERN dosáhl v roce 1983 objevem tří částic,
které zprostředkovávají tzv. slabou sílu. Použité zařízení tehdy dokázalo urychlovat vstřícné svazky protonů na 270 miliard elektronvoltů. Pokusu se zúčastnily
přes dvě stovky vědců. Jejich vedoucí Carlo Rubbia a Simon van der Meer dostali za objev zmíněných částic hned příštího roku Nobelovu cenu.
Nyní CERN buduje největší urychlovač na světě. Dostal název Large Hadron Collider (LHC), tedy Velký srážeč hadronů (druh částic, na které působí silná síla, např. protony). Nachází se v kruhovém tunelu o délce 27 kilometrů umístěném 50–150 m pod zemí. Vstřícné svazky protonů budou urychlovány na energii 14 bilionů elektronvoltů.
Laboratoř CERN je unikátní z několika důvodů: za prvé s ní spolupracují prvotřídní odborníci, nejen z jejích dvaceti evropských členských zemí, ale i z dalších sedmi tzv. zemí pozorovatelů, k nimž patří například Japonsko, Rusko a USA. Navíc tam působí na základě příslušných dohod o spolupráci celá řada expertů z dalších zemí, například z Číny, Austrálie a Kanady. Lze říci, že dnes spolupracuje s CERN přes 7000 fyziků z 500 univerzit a výzkumných center 47 zemí. Mimochodem, v CERN působilo nebo působí sedm nositelů Nobelovy ceny za fyziku.
Za druhé má CERN špičková zařízení, především urychlovače a detektory částic, které jsou pro fyziky částic tím, co mikroskopy pro biology. Urychlovače, kterých má CERN celý komplex, slouží k vytvoření srážek částic. K zachycení částic vzniklých ve srážce slouží zase detektory a ty musí být stejně kvalitní. Navíc CERN potřebuje i špičkovou výpočtovou techniku, protože s její pomocí rekonstruuje na základě údajů z detektorů dráhy vzniklých částic ve srážce. A srážek v plánovaných experimentech v CERN má vznikat 980 milionů za vteřinu!
Kolik CERN své členy stojí? Kolik stojí naši republiku?
Roční rozpočet CERN je asi jedna miliarda švýcarských franků. Na něm se Česká republika podílí 0,76 %, což je asi 160 milionů Kč. Tento příspěvek hradí naše Ministerstvo zahraničí.
Věda z této obrovské investice získá hlubší poznání o hmotě. Jaký užitek bude mít z výzkumů v CERN svět a jeho obyvatelé?
Za prvé bych oponoval termínu "obrovská investice". Rozpočet CERN je menší než má ženevská univerzita. Jinak řečeno, každá větší univerzita na Západě utratí víc, než CERN. A když uvážíme, že členské země mají dohromady nějakých 450 milionů obyvatel – je to pro ně tak obrovské zatížení mít o jednu univerzitu více? I jiné obory spotřebují srovnatelné finanční částky, jenomže ty neplynou jako v CERN do jednoho místa, ale do řady institucí. Například projekt HUGO, mapování lidského genomu, stál přes pět miliard dolarů.
Ale teď k vlastním výsledkům výzkumu o struktuře hmoty v CERN. Je jich mnoho a můžeme je rozdělit do dvou skupin. Na výsledky, které se týkají vylepšování číselné přesnosti známých veličin – ty připravují nutný materiál pro budoucí výzkumy. Jiné výsledky jsou zcela unikátní a nové. Do této druhé kategorie patří v CERN nejméně pět výsledků: za prvé objev neutrálních proudů ve slabých interakcích v roce 1973, který byl klíčový pro potvrzení nové teorie elektroslabých interakcí, v níž jsou slabé interakce zprostředkovávány výměnou zvláštních částic – intermediálních bosonů; za druhé přímý objev těchto bosonů, t. j. těžkých částic částic W+, W– a Z0, za nějž byla Carlu Rubbiovi a Simonu Van der Meerovi z CERN udělena Nobelova cena za fyziku v roce 1984; za třetí experimentální "důkaz", že příroda je vytvořena pouze třemi rodinami základních částic; dále přesné výsledky určující jemný rozdíl mezi interakcemi hmoty a antihmoty; a konečně originální způsob "masové" přípravy a dlouhodobého uchování antivodíkových atomů, jež poprvé v historii umožní studovat vlastnosti antihmoty a porovnat je s vlastnostmi atomů hmoty. Při pohledu do historie zjistíme, že kdykoli se prohloubily základní přírodovědecké znalosti, dříve nebo později došlo k jejich uplatnění v praktickém životě. Tak je tomu i v CERN. Ze základního výzkumu fyziky částic se zrodily nové diagnostické metody nádorových onemocnění i způsoby jejich efektivní léčby, vyvinuly se nové stavební a strojní konstrukce, materiály neobvyklých vlastností, nesmírně se zrychlilo zpracování informací a jejich komunikace. v CERN vznikla dnes nejpoužívanější počítačová síť WWW a rodí se i nová síť GRID, která má umožnit podstatně efektivnější využití všech počítačů na světě i přístup k informacím obsaženým v knihovnách, archivech a galeriích na celém světě.
Budovaný Large Hadron Collider čili LHC má být největší svého druhu na světě. Co si od něho slibujete?
Domníváme se, že tento obří srážeč částic konečně umožní odpovědět na řadu otázek dosud otevřených, například jak částice získávají svoji hmotnost. Dále patrně umožní objevit supersymetrické partnery některých částic. Podstatně přispěje k vybudování kvantové gravitace a k odhalení jemného rozdílu mezi interakcemi částic hmoty a antihmoty. Umožní vytvoření podmínek, ve kterých se nacházel vesmír hned po Velkém třesku. Přispěje k zjištění, proč 95 % hmoty vesmíru tvoří neznámý druh hmoty nazývaný temná hmota, o které máme jen nepřímá svědectví z její gravitační interakce.
A co experimentální ověření teorie strun?
K tomu může LHC dodat důležité informace. Teorie strun uvažuje v desetirozměrném prostoročasu (M teorie dokonce v jedenáctirozměrném). Předpokládáme, že rozměry navíc nad běžnými 3 + 1 rozměry jsou nesmírně malé, většinou leží pod naší rozlišovací schopností pozorování a přímo je tedy nemůžeme "vidět". Je to něco podobného, jako když se díváme na kropící hadici z velké vzdálenosti. Vidíme ji jako jistou křivku, ale nikoliv jako dvojrozměrnou trubici. Podobná situace je i se strunami, u nich předpokládáme podobnou velikost 10–33 cm. Tuto situaci nový urychlovač v CERN nemůže příliš změnit. v poslední době se však někteří teoretici domnívají, že extradimenze nad běžnými 3 + 1 mohou být i značně velké, většina částic se však v těchto extradimenzích nemůže pohybovat, stejně jako naše měřicí přístroje je nemohou registrovat. v extradimenzích se mohou pohybovat jenom některé částice, například graviton, což by mohlo být klíčem k jejich odhalení. Při srážce elektronu s elektronem může totiž vzniknout zase elektron s elektronem a graviton, který odputuje do extradimenzí a odnese jistou energii. Deficit energie srážky v 3 + 1 dimenzích by tedy mohl být signálem existence extradimenzí.
V CERN se dnes uvažuje o pěti experimentech na LHC, na jednom z nich spolupracuje i Česká republika. Do jaké míry je experiment ATLAS naší věcí?
Česká republika se podílí na dvou experimentech: ATLAS a ALICE. Experiment ATLAS je však větší než ALICE a s větší účastí ČR, takže se zmíním pouze o něm. Detektor experimentu ATLAS je válcovitého tvaru velikosti rozsáhlé osmipatrové budovy (délky 46 m a výšky i šířky po 26 m). Umístěn je v hloubce asi 100 m v největší podzemní hale světa. ve svých čidlech obsahuje deset miliard tranzistorů, které registrují, kde došlo ke srážce částic, jaké částice při srážce vznikly, jak vedou jejich dráhy. ATLAS má cibulovou strukturu, přičemž každou její vrstvu tvoří určitý typ detektorů specializovaný na jistý typ částice nebo na provedení určitého měření. Čeští badatelé a technici se podstatně podílejí na konstrukci a realizaci tří částí detektoru ATLAS. Za prvé na tzv. vnitřním detektoru, který obepíná osu celého detektoru ATLAS, podél níž proti sobě budou přilétat a srážet se svazky urychlených protonů. Vnitřní detektor slouží k velmi přesnému určení místa, kde došlo ke srážce (s přesností mikrometrů). Dále se podstatně podílíme na tzv. hadronovém kalorimetru, který detektuje ve srážkách vzniklé silně interagující částice, a konečně i na návrhu a realizaci radiačního stínění celého detektoru ATLAS. Je potěšitelné konstatovat, že český průmysl pro detektor ATLAS dodal nejen tři tisíce tun přesně upravených desek ze speciálního druhu železa, ale i moderní optoelektroniku a naprosto špičkové čipy.
Kdy Vaše práce skončí? Vždyť hmota se přece nemůže drobit do ultima, někde už ty opravdu nedělitelné "atomy" v démokritovském smyslu být musí…
Ve fyzice částic nejde jen o znalost základních kamenů hmoty – jejich interakcí –, ale i o spoustu dalších věcí: o odhalení struktury 95 % hmoty vesmíru, o níž dosud prakticky nic nevíme, o vznik vesmíru, pochopení jeho současného stavu a vývoje, pochopení jak ze základních stavebních kamenů vznikají tak složité objekty, jako jsou planety, hvězdy i sám člověk. Není vyloučeno, že pochopení složité struktury hmoty na základě znalosti interakcí a vlastností jejích základních stavebních kamenů není principiálně možné. Někteří fyzikové se domnívají, že všechno nelze zredukovat a odvodit z elementárních věcí, že při určitém množství základních stavebních kamenů vznikají úplně nové, "kolektivní" interakce, které samotné elementární objekty vůbec nevykazují, a že teprve tyto nové interakce dávají klíč k pochopení vesmíru. Myslím tedy, že fyzikové částic nebudou hned tak nezaměstnaní!
Mohou se vědci radovat z objevování nového, když pracují v obrovských týmech, experimentu se účastní vlastně jen zprostředkovaně?
Když v 50. letech nastal boom s urychlovači, bylo najednou zapotřebí vytvořit celé týmy se specialisty různého zaměření, jinak to prostě nešlo. Tak je tomu i v experimentu ATLAS, jehož tým má skoro dva tisíce autorů. Je jasné, že ne všichni specialisté hrají stejnou roli, i když každý zodpovídá za nějaké kolečko v soukolí. Vlastní experiment, jaké otázky řešit a jak, vymyslí zpravidla velmi malá skupina lidí, někdy také jen jeden člověk. Nápad a smysl experimentu je to nejcennější, ale bez ostatních, bez technické realizace by zůstaly pouhou myšlenkou. I lidé v týmu se však báječně intelektuálně vyžívají. Vymýšlí například zcela originální výpočtovou metodu jak zpracovat získaná experimentální data elegantně a rychle…
Přál bych vám vidět v akci třeba Carla Rubbiu, to je sopka energie! Jak ten dovede všechny lidi v týmu motivovat! Nikde jinde jsem se nesetkal s tím, že by lidé spontánně chodili do práce v sobotu i v neděli, i když vědí, že nebudou zaplaceni. Jejich platem je uspokojení, že přispívají k něčemu velkému. Vnímají svoje zaměstnání jako poslání!
Před časem jste v Akademickém bulletinu hovořil o tom, že se řada vědců zabývá intervalem času po Velkém třesku, který činí pouhých 10–43 vteřiny. Došlo tady k nějakému vývoji?
Došlo, a dokonce k podstatnému. Dříve se předpokládalo, že Velkým třeskem všechno začalo z nějaké singularity, čas i prostor. Teď se objevil názor, že se můžeme obejít bez singularity a že čas nemusel vznikat Velkým třeskem, ale že zde mohl být i předtím. Gabrielle Veneziano v CERN i další vědci mají k tomu jisté indicie, není to tedy ničím nepodložená hypotéza.
Výsledky fyziky částic se využívají v medicíně. Jaké jsou perspektivy této léčby u nás?
Jedná se o využití detektorů částic a svazku protonů či iontů ke špičkové diagnostice a léčbě nádorových onemocnění v rámci evropského projektu UNLIGHT. Náš projekt toho hodně přejímá z CERN a ze zemí, kde jsou v tomto ohledu dál. Co k realizaci projektu chybí, jsou nezbytné peníze. Projekt by měl stát méně než v Německu, tam začínali s investicí do zařízení v přepočtu asi půldruhé miliardy korun. Vlastní náklady na léčbu jsou pak z tohoto zařízení asi dvakrát vyšší, než při léčbě rentgenovým zářením, ale až třikrát levnější než při léčbě pomocí chemoterapie. Navíc má nová léčba nádorů celou řadu předností, například při některých nádorových onemocnění očí. Léčení rentgenovým zářením vede sice k zničení nádoru, ale za cenu oslepení, zatímco nové metody terapie z fyziky částic léčí z 93 % bez oslepnutí.
Co byste považoval za nejvýznamnější události poválečného rozvoje Vašeho oboru?
To je těžká otázka. Na přelomu 50. a 60. let začala vznikat systematika částic a rezonancí (bylo jich několik set), která mezi částice vnesla řád, neboť všechny částice a rezonance vysvětlila pomocí kvarků, leptonů a jejich interakcí. Později se ukázalo, že jednotlivé druhy sil, působící mezi kvarky a leptony, je možné sjednocovat, neboť jejich teorie jsou vytvářeny pomocí stejného receptu, pouze s jinou počáteční symetrií, a že možná všechny vyplývají z teorie jediné síly, tzv. "prasíly", popsané finální teorií. Dále přicházejí pokusy o grandiózní spojení gravitace s kvantovou teorií, kde klíčovou roli hraje představa, že základní stavební kameny nejsou bodové objekty, ale objekty vícerozměrné – struny, membrány atd. Obrovský pokrok zaznamenala nelineární fyzika. Nebo si představte Maxwellovy rovnice, známé od r. 1864. Mysleli jsme si, že o nich víme všechno. A najednou se ukázalo, že existuje jejich řešení, které se vůbec nedá odvodit z předchozích a které má úplně fantastické vlastnosti. Můžeme jím předávat energii na velké vzdálenosti prakticky bez ztrát! Je to tzv. solitonové řešení. Nevěřili jsme, že je možné, ale je to fakt. v poslední době přinesla mnohá překvapení neutrina a jemný rozdíl interakcí částic hmoty a antihmoty. Myslím, že zvratové objevy s filozofickými důsledky nikdy nepřestanou. Proto jsou přírodní vědy a obzvlášť fyzika tak fascinující.
SYLVA DANÍČKOVÁ,
FRANTIŠEK HOUDEK
English
