Dne 29. září tohoto roku oslavil CERN, Evropská laboratoř fyziky částic, místo, kde se v roce 1989 zrodil web a v roce 2012 byl objeven Higgsův boson, 70 let od svého založení. Popud k němu vyšel od francouzského teoretického fyzika, laureáta Nobelovy ceny za fyziku za rok 1929 Louise de Broglie, jenž v roce 1949 navrhl vytvoření Evropské fyzikální laboratoře, aby se zabránilo odlivu talentovaných fyziků do USA.
Ke dvanácti zakládajícím zemím (Belgii, Dánsku, Francii, Spolkové republice Německo, Řecku, Itálii, Holandsku, Norsku, Švédsku, Švýcarsku, Spojenému království a Jugoslávii) přibylo dalších dvanáct zemí (Rakousko, Španělsko, Portugalsko, Finsko, Polsko, Česká republika, Slovensko, Maďarsko, Bulharsko, Rumunsko, Izrael a Srbsko). Původní a dodnes oficiální název Evropská organizace pro jaderný výzkum již ovšem neodpovídá těžišti činnosti CERN ani jejímu geografickému vymezení. CERN má i vedle řádných členů také asociované členy a Japonsko a Spojené státy mají statut pozorovatelských zemí. Česká republika se stala řádným členem CERN 1. července 1992 jako součást České a Slovenské federativní republiky a pak znovu 1. ledna 1993 jako samostatný stát a podobně Slovensko.
CERN a standardní model
Objev Higgsova bosonu na urychlovači LHC v roce 2012 završil budování tzv. standardního modelu, což je teoretický rámec obsahující základní stavební kameny hmoty a síly mezi nimi působící. Tento model byl budován 80 let od objevu neutronu a pozitronu v roce 1932 a CERN k němu přispěl kromě již zmíněného Higgsova bosonu dvěma dalšími zásadními objevy.
V roce 1973 byly v CERN poprvé pozorovány procesy, při nichž se mionová neutrina rozptylovala ve srážkách s elektrony a jádry pružně tak, jak předpovídala teorie elektroslabých interakcí, za jejíž formulaci získali v roce 1979 Sheldon Glashow, Steven Weinberg a Abdus Salam Nobelovu cenu za fyziku. A o deset let později byla ve srážkách antiprotonů s protony objevena elektricky neutrální částice, označovaná Z, která je za tento proces zodpovědná, a spolu s ní i dvě elektricky nabité částice W+ a W-, které zmíněná teorie rovněž předpovídala a jež představují tzv. nosiče slabých sil.
Za tento zásadní objev získali v roce 1984 Carlo Rubbia a Simon van der Meer Nobelovu cenu za fyziky. Objev ukázal, že základní myšlenka standardního modelu je správná, ale otázka existence Higgsova bosonu, který je ve standardním modelu důležitý pro jeho matematickou konzistenci, zůstávala nezodpověděna. Pro odpověď na tuto otázku sehrál klíčovou roli urychlovač LEP (Large Electron-Positron Collider) v CERN, na němž od roku 1989 do roku 2000 docházelo ke srážkám elektronů s pozitrony při rekordních energiích a v jehož tunelu je dnes urychlovač LHC (Large Hadron Collider), na němž dochází ke srážkám protiběžných svazků protonů nebo těžkých iontů s nejvyššími dosaženými energiemi.
Experimenty na LEP sice Higgsův boson neobjevily, byť byly velmi blízko, ale svými přesnými měřeními výrazně zúžily oblast hmotností, kterou by Higgsův boson standardního modelu měl mít. A experimenty ATLAS a CMS na LHC ho právě na kraji této oblasti našly. To byl triumf pro standardní model i CERN.
Fyzikální ústav v CERN
Pracovníci Fyzikálního ústavu se již od 60. let minulého století aktivně podíleli na experimentech v CERN, byť byla tato spolupráce politicky omezována. Zpočátku šlo o účast jednotlivých fyziků přímo na experimentech v CERN, od konce 70. let pak účast skupin z Fyzikálního ústavu tehdejší Československé akademie věd a Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy na dvou klíčových experimentech v CERN v rámci skupin ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů v Dubně.
Experimentu NA4, jehož iniciátorem byl pozdější ředitel CERN a laureát Nobelovy ceny za fyziku Carlo Rubia, jenž zkoumal v osmdesátých letech strukturu nukleonů pomocí hlubokého nepružného rozptylu mionů na nukleonech, a experimentu DELPHI na již zmíněném urychlovači LEP.
Po roce 1989 se Fyzikální ústav a Univerzita Karlova staly přímým účastníky tohoto experimentu. DELPHI byl jeden ze čtyř experimentů na urychlovači LEP a právě pro efektivní komunikaci uvnitř velkých týmů těchto experimentů vyvinul v roce 1989 Tim Berners-Lee v CERN World Wide Web. Tím, že se v roce 1992 CERN zřekl všech autorských práv a dal je volně k dispozici, došlo k lavinovitému rozšíření tohoto komunikačního nástroje do všech sfér života.
Rychlá cesta do CERN
Pro rychlé přistoupení naší země do CERN hrála klíčovou roli skutečnost, že skupiny z Fyzikálního ústavu AV ČR a Matematicko-fyzikální fakulty UK se již od začátku velmi aktivně podílely na experimentu DELPHI a v menší míře na dalších experimentech, to byla pro přijetí hlavní podmínka dokumentující připravenost země na vstup do CERN.
Druhou rozhodující okolností byla skutečnost, že v prvním polistopadovém přechodném vedení tehdejší Československé akademie věd, tzv. Výboru pro řízení pracovišť ČSAV, byl předsedou Rady pro zahraniční styky pracovník Fyzikálního ústavu profesor Jiří Niederle. Ten přesvědčil tehdejšího místopředsedu ČSAV a místopředsedu federální vlády České a Slovenské federativní republiky pro vědeckotechnický rozvoj Armina Delonga, aby v březnu 1990 v čele vládní delegace navštívil CERN, kde podepsal dohodu o spolupráci.
V lednu 1991 navštívila delegace CERN česká pracoviště, která s ním spolupracovala, a ve své zprávě konstatovala naši plnou připravenost na vstup do CERN. Dne 20. prosince 1991 schválila jednomyslně Rada CERN přistoupení tehdejší ČSFR k CERN s platností od 1. ledna 1992. Ještě předtím 14. srpna 1991 tento krok schválila česká vláda Petra Pitharta a koncem listopadu 1991 navštívil CERN v doprovodu Jiřího Niederle prezident Václav Havel, kde se setkal s tehdejším generálním ředitelem CERN Carlem Rubbiou.
Po rozdělení ČSFR na dvě samostatné republiky přistoupily obě 1. ledna 1993 znovu do CERN a Jiří Niederle byl jmenování předsedou Výboru pro spolupráci České republiky s CERN a jedním ze dvou představitelů České republiky v Radě CERN, nejvyššího orgánu této mezivládní organizace. Obě tyto funkce Jiří Niederle zastával až do jara roku 2010, kdy mu postupující nemoc znemožnila je nadále vykonávat. O uznání, které si Jiří Niederle získal v CERN, svědčí skutečnost, že byl v letech 1995 až 1998 viceprezidentem Rady CERN.
Současnost
V současnosti je CERN vůdčí světovou laboratoří ve fyzice elementárních částic s největším urychlovačem na světě, jímž je LHC (Large Hadron Collider), a velmi rozvinutou síti menších urychlovačů. Experiment ATLAS, na jehož činnosti se v různých fázích podílely a podílí skupiny fyziků a techniků z FZÚ i dalších českých institucí, se v současné době primárně soustřeďuje na hledání signálů „nové fyziky“, tj. jevů a struktur, které nejsou součástí standardního modelu.
Ten je sice matematicky plně konzistentní a kvantitativně popisuje všechny dosud pozorované procesy v mikrosvětě, ale má některé vady na kráse. A především neobsahuje gravitaci a není v něm částice, která by byla kandidátem na temnou hmotu ve vesmíru, jež se zdá být nutná pro pochopení dnešního stavu vesmíru. Proto se již půl století snaží fyzikové formulovat rozšíření standardního modelu o struktury a síly, které by tyto nedostatky odstranily.
Existuje několik směrů, kde a jak na LHC signály nové fyziky hledat, ale všechny vyžadují co největší počet srážek, protože hledáme velmi vzácné jevy. Již nyní dochází na LHC každou vteřinu k miliardě srážek dvou proti sobě letících protonů a stále se nedaří takové signály najít. Přitom urychlovač LHC i detektory experimentu ATLAS i dalších tří experimentů fungují perfektně.
Budoucnost
Pro zajištění střednědobé perspektivy CERN proto již v roce 2016 schválila Rada CERN tzv. HL-LHC Upgrade, projekt zásadní modernizace urychlovače LHC i všech na něm pracujících detektorů s cílem dosáhnout zhruba pětinásobného zvýšení četnosti srážek dvou protonů oproti současnému stavu. Podle posledního scénáře současný běh urychlovače LHC skončí kolem poloviny roku 2026 a poté začne zhruba tříleté období přestavby urychlovače i detektorů na takto zvýšený počet srážek.
Počátkem roku 2030 by měla začít další fáze experimentů, která má trvat nejméně 10 let. Na konci provozu HL-LHC by měl celkový počet zaznamenaných srážek dosáhnout desetinásobku počtu srážek před ním. To dává oprávněnou naději, že během této nové etapy provozu urychlovače LHC a experimentů na něm dojde k objevu, který zásadním způsobem posune naše znalosti struktur a sil v mikrosvětě. Přípravná fáze tohoto projektu již probíhá a FZÚ se na modernizace detektoru ATLAS aktivně podílí.
Protože plánování a stavba mohutných urychlovačů trvá desetiletí, existuje již dnes v CERN k LHC komplementární projekt tzv. Future Circular Collider (FCC), který je zaměřen na velmi podrobné studium vlastností Higgsova bosonu ve srážkách elektronů s pozitrony, které rovněž mohou skrývat informace o nové fyzice. Na potřebě postavit tento urychlovač se shoduje velká většina fyziků elementárních částic, ale tento projekt vyžaduje stavbu zcela nového kruhového urychlovače. Je také nákladný, a jeho realizace by proto vyžadovala značnou účast států mimo CERN. Počátek provozu FCC podle projektu přitom spadá do období kolem roku 2050. Je velmi dobře, že CERN má jasný a schválený střednědobý plán a ambiciózní dlouhodobý plán stavby FCC, jehož realizace bude záviset na tom, zda, resp. jaké, nové jevy objeví experimenty na HL-LHC a také zda bude schválen a jak bude probíhat podobně zaměřený projekt v Číně.
CERN a technologie
CERN ovšem není jen laboratoř fyziky elementárních částic, ale také centrum, kde vznikají nové technologie. Nejen WWW, ale také mnoho dalších špičkových technologií vyvinutých původně pro experimenty v CERN našlo použití v širokém spektru jiných činností.
Brožura: