Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Byla to pátá textová zpráva. Poslední. Víc jich podle pravidel soutěže Pojmenuj superlaser poslat nesměl. A tak vzpomněl na Karla Čapka a napsal KRAKATIT. Onoho 23. listopadu 2015 v 17:14 (na poslední chvíli před koncem soutěže) si pan Ladislav Valerian z Pacova odesláním zmíněného slova zajistil cestu pro dvě osoby do Ženevy a návštěvu světově významné vědecké instituce, CERNu.

S průvodcem, kterým byl český fyzik Stanislav Němeček z Fyzikálního ústavu Akademie věd, se Ladislav Valerián s bratrem vydali do blízkosti zařízení, zkoumajících fyzikální podstatu světa, v němž žijeme. A podal o tom následující svědectví:

CERN je Evropská organizace pro jaderný výzkum, založená v Ženevě roku 1954 dvanácti zakládajícími státy. Česká republika do CERNu přistoupila v roce 1993. Tuto světově unikátní laboratoř v současné době tvoří více vzájemně propojených urychlovačů elementárních částic. Nejdelší z nich jsou hluboko pod zemským povrchem, například LHC s délkou 27 kilometrů se nachází v hloubce kolem 100 metrů (průměrná hloubka 40 metrů pod povrchem) a SPS s délkou 7 kilometrů. Některé menší urychlovače jsou na povrchu, ve velkých halách, obložené kvůli radiaci silnými betonovými bloky. Každý urychlovač má své specifické vlastnosti a urychlené částice v něm sledují nejrůznější detektory. Některé urychlovače fungují samostatně, anebo pomáhají připravit částice pro LHC nebo SPS.

V CERNu trvale pracuje asi 10 až 15 českých vědců. Mezi nejznámější úspěchy výzkumu v CERNu patří: Objevení bosonů W a Z, které jsou zodpovědné za jaderný rozpad. Vytvoření prvních WWW stránek. Vytvoření antivodíku. Objev narušení fundamentálních symetrií v mikrosvětě. Objevení dlouho hledané částice Higgsův boson, která je klíčovou pro vysvětlení klidových hmotnosti ostatních elementárních částic.

Kancelář, kde se zrodila síť sítí – internet.

Při příletu do Ženevy se nás ujal fyzik RNDr. Stanislav Němeček, CSc., který je v CERNu mimo jiné také certifikovaným průvodcem a tuto instituci poprvé navštívil v roce 1985. Společně s českým týmem se účastnil vývoje a stavby hadronového kalorimetru v detektoru ATLAS. V současnosti přímo zodpovídá za napájení tohoto kalorimetru a je členem týmu, koordinujícího správu a provoz této části detektoru.

Po ubytování v CERNském hotelu vedla naše první cesta do expozice Mikrokosmos. Zde se každý návštěvník seznámí s poznatky o stáří a složení vesmíru, jak probíhal velký třesk, kdy začaly vznikat částice, první hvězdy a ostatní nám známý materiál. To vše je vidět na časové ose. Všem se nejvíce líbí mlžná komora s projekcí na podlahu a ukázka detekce různých elektricky nabitých částic. Zajímavý je také řez detektorem ATLAS a lineárním urychlovačem, v němž princip urychlování znázorňují LED diody. Nejpočetnějšími exponáty jsou řezy a složení detektorů, kalorimetrů, jako například pixelový z křemíkových destiček, hadronový z železa a scintilátorů, trubičkový mionový detektor atd.

Další místnost se věnuje supravodivým magnetům a jejich funkci je možné sledovat na LED obrazovkách. Mimo budovu jsou pak vystaveny: Velká vodíková komora s pístem, celá z nerezu, která byla plněna asi 30 tisíci titry kapalného vodíku, velký píst zde vytvářel podtlak těsně pod bodem varu a kolem iontů vzniklých procházejícími částicemi se vytvářely bublinky plynu, vše se zachycovalo na fotografie. Druhá vystavená bublinková komora fungovala podobně, jen místo kapalného vodíku obsahovala freon. Mezi vystavenými exponáty je jeden ze 128 dutinových rezonátorů urychlovače LEP, který byl předchůdcem současného detektoru LHC.

První „rozběh“ protonů zajišťuje lineární urychlovač – dnes vystavený pro návštěvníky. Protony jsou urychlovány a také shlukovány do tzv. „bunchů” v centru radiofrekvenčních kvadrupólů. Lineární urychlovač tak definuje základní parametry svazků LHC. Foto: Ladislav Valerian

Další cesta vedla k prvnímu urychlovači Synchrocyclotron (SC). Byl v provozu mezí roky 1957 a 1990, v pozdějších letech se zaměřením výzkumu na jadernou fyziku. Po odstavení byl dvacet let nepřístupný, ale nyní je zde vynikající 3D laserová animace, promítaná přímo na tělo tohoto urychlovače. Animace ukazuje a postupně odkrývá jednotlivé části stroje, pak znázorní proces urychlování protonu a následně srážku. To vše s kvalitním zvukem a popisem. Na stěnách jsou ukázky nástrojů pro údržbu urychlovače a předměty z padesátých a šedesátých let.

První den jsme ještě stihli návštěvu řídící budovy detektoru ATLAS, umístěného 100 metrů pod povrchem, jehož rozměry jsou impozantní: průměr 25 metrů, délka 46 metrů a hmotnost 7 tisíc tun. Některé části ATLASu se mohou pomocí vzduchových polštářů pohybovat po podélných nosnících. To umožňuje snazší údržbu a výměnu vnitřních detektorů při odstávkách, které bývají koncem roku. Úkolem ATLASu je vytvořit podobné podmínky, jako při velkém třesku, najít dosud neznámé částice a pomoci při hledání temné hmoty. Tento největší detektor, pojmenovaný podle bájného obra držícího nebe, je složený z různých typů detektorů a kalorimetrů poskládaných do vrstev. Obří supravodivé cívky chladí kapalné helium.

CERN věnuje velkou péči své propagaci. Stálá výstavka „Mikrokosmos“ je přístupná hlavní vrátnicí – nedaleko největšího detektoru LHS, který nese název ATLAS. Detektor ATLAS je podobný válci, je dlouhý 46 metrů a má průměr 25 metrů V rámci expozice Mikroskosmos není ale vystaven ATLAS, ale model čtvrtiny druhého univerzálního detektoru LHC, který se jmenuje CMS a je vzdálen 10 kilometrů a jehož rozměry jsou zhruba poloviční – délka necelých 22 metrů a průměr 11 metrů. Díky hře zrcadel návštěvník získá představu o velikosti celého detektoru. ATLAS musí být tak obrovský, protože zahrnuje systém velikých toroidálních magnetů, sloužících k detekci mionů. Foto: Ladislav Valerian

Ke srážkám proti sobě urychlených protonů nebo jader dochází v centru ATLASu při rychlosti blížící se rychlosti světla. Velké rozměry a vrstvené uspořádání zajišťuje detekci co největšího počtu částic. Ty se identifikují podle toho, v které vrstvě je čidla zaznamenají, podle zakřivení jejich dráhy vůči silnému magnetickému poli a také podle toho, ve kterých vrstvách jsou a ve kterých nejsou viditelné. Takto se dá rozpoznat energie protonů, neutronů, kvarků, mionů, neutrin, elektronů atd. Právě na tomto zařízení vědci v roce 2012 zaznamenali velký úspěch – nalezení částice Higgsův boson.

Ačkoli všechny animace ukazují jen dvě jádra letící proti sobě z každé strany, pravda je jiná. Jedná se o velmi malé částice a je nemožné se trefit. Z tohoto důvodu se proti sobě posílají svazky o 100 tisících milionů protonů, jejichž urychlení trvá 15 minut a ke srážkám dochází neustále každých 25 nanosekund, což je asi 600 milionů kolizí za sekundu.

Pokud by v LHC došlo k havárii a vzrůst teploty by rychle změnil kapalné helium na plynné, vzácný plyn zachytí tyto povrchové zásobníky. Foto: Ladislav Valerian

Když je svazek malý, vyvede se z LHC pryč a nastřílí se do terčíků. Cyklus plnění, urychlování, srážení a vyvedení protonů se děje několikrát denně a každý den. To je obrovské množství dat, proto nás další kroky vedly do datového centra, zpracovávajícího asi 15 milionů GB ročně. Počítačové programy musí automaticky třídit příchozí data a některá z nich archivovat. Data jsou prostřednictvím sítí po celém světě snadno přístupná především všem 29 členským státům experimentu ATLAS, které se podílejí se na jeho financování.

Do sálu s počítači nemají návštěvy přímý přístup, je možné je spatřit jen za sklem, ale jsou zde vystaveny staré počítačové komponenty pro uchovávání a přenos dat, jaké se v CERNu dříve používaly – například magnetické pásky, diskety, cartridge, pevné disky atd. Řady serverů jsou chlazeny vzduchem, pro který je v další hale instalovaná sestava čističek s vzduchotechnickým zařízením, které dodává čistý a vlhkosti zbavený vzduch.

Aktuální provoz ve světové síti počítačů monitoruje velká obrazovka – návštěvník dostane myš a může si přiblížit stav v místech, která ho zajímají. Počítačová síť vnikla propojením tisíců počítačů a datových úložišť, nacházejících se ve 170 institucích 41 zemí světa. Je primárně určená pro analýzu srážek z LHC, jenž každoročně vygeneruje přibližně 15 milionů gigabytů dat. Foto: Ladislav Valerian

Svazky částic do urychlovačů se získávají tak, že se z bombičky, obsahující čistý vodík, vypustí přesné množství plynu a vysokofrekvenčním výbojem se „odstřelí“ elektrony. Jádra vodíku, tedy protony, pak procházejí lineárním urychlovačem a odtud do kruhových urychlovačů. V nich nabírají rychlost vysokofrekvenčním střídáním elektrického pole v dutinových rezonátorech. Dráhu a velikost svazku řídí supravodivé elektromagnety, které svazek postupně formují a pěchují, aby byla pravděpodobnost střetu větší. Jsou chlazené kapalným heliem na -271°C. Elektromagnety LHC obsahují dvě vakuové trubice, kterými svazky částic obousměrně prolétají. Podél každé trubice jsou dvě nebo čtyři podélné cívky vyrobené z plochých vodičů, jež vytvářejí magnetické pole. Magnety jsou pospojovány kompenzátory, protože délkové roztažení při počtu 1800 kusů na okruhu 27 kilometrů je asi 25 metrů.

Než se supravodivé elektromagnety spustily do podzemí, bylo nutné vyzkoušet jejich funkčnost. Za tímto účelem byla postavena hala SM18. Zde se magnety připojily, sestavily a testovaly. Převážely je speciální hydraulické vozíky. Hala se dál používá k testování, přičemž v jednom rohu je výstava věnovaná supravodivým magnetům. Jsou zde LCD obrazovky znázorňující činnost magnetů, podélné řezy originálními magnety, ukázka jejich propojení a izolace.

Další detektor, který jsme navštívili, nese jméno LHCb. Stejně jako detektor ATLAS je součástí urychlovače LHC, avšak specializuje se jen na detekci dvou druhů kvarků. Děje se tak díky umístění detektorů v určité vzdálenosti od srážky (první 17 a druhý 26 milimetrů). Měl by hledat rozdíly mezi hmotou a antihmotou. V roce 2015 zde byla objevena nové seskupení kvarků, tedy vlastně nová částice, nazývaná pentakvark.

V budově s názvem ANTIMATTER FACTORY se sestavuje menší třicetimetrový zpomalovač ELENA, který bude zpomalovat antiprotony a zajišťovat jejich existenci po delší dobu. Je zde velké množství nových přístrojů, které se budou teprve instalovat. Výzkum bude zaměřen na studium antihmoty – antivodíku a antihelia; kupříkladu zda gravitace působí stejně na antivodík, jako na vodík atd. Také jsou zde k vidění dvoupólové a čtyřpólové magnety nebo past na antiprotony.

Ve francouzské části CERNu jsme viděli halu vyvedených svazků pro menší experimenty a testování nových aparatur. Kdyby začalo v nějakém níže položeném detektoru unikat helium, jsou v hale LEIRu na stropě zavěšeny obrovské vaky, do nichž se tento drahý plyn bude zachytávat.

Poslední prohlídka byla v řídícím středisku celého CERNu. Je rozděleno do čtyř sekcí a technici nepřetržitě řídí a monitorují provoz. Analyzují závady, chybová hlášení a organizují opravy.

Ve výzkumném středisku CERN jsou ještě další detektory, jako například ALICE, CMS, ale na ty už nám nezbyl čas.

Galerie: