Velký hadronový srážeč, CERN. Kredit: Maximilien Brice/Julien Ordan/CERN.

Pro Velký hadronový srážeč v CERNu jsou denním chlebem protony. To ale neznamená, že by si občas nepochutnal na exotičtějším obsahu. Před pár dny, 25. července 2018, operátoři LHC vložili do systému atomová jádra olova s jediným elektronem, tedy vlastně „atomy“ olova. Byl to test pro připravovaný program Gamma Factory, který je součástí projektu CERNu Physics Beyond Colliders.

Fyzici a inženýři CERNu zkoumají nové nápady, kterými by bylo možné rozšířit současný výzkumný program a infrastrukturu. V této fázi testují, co je vlastně reálné. Během svého normálního provozu LHC sráží jeden pár vysokoenergetických protonů za druhým. Pak také asi čtyři týdny srážejí atomová jádra a přes zimu LHC obvykle vypínají. V nabitém programu se ale vždy najde pár dní za rok, během nichž operátoři LHC vyzkoušejí něco nového. V minulosti například urychlovali jádra atomů xenonu, teď to byly „atomy“ olova s jediným elektronem.

Witold Krasny. Kredit: CERN.

Fyzik Witold Krasny koordinuje skupinu asi 50 vědců, kteří vyvíjejí nový způsob produkce vysokoenergetického gama záření. Součástí jejich výzkumu bylo i zmíněné urychlování „atomů“ olova. Urychlování jader atomů olova s jedním elektronem nebylo nic jednoduchého. Takové částice jsou totiž dost křehké. O jediný zbývající elektron mohou snadno přijít. Když k tomu dojde, tak jádro atomu olova okamžitě narazí do stěny dráhy urychlovače, protože jeho elektrický náboj už není synchronizován s připraveným magnetickým polem v LHC.

Během prvního urychlování takovýchto „atomů“ operátoři nejprve do LHC injektovali 24 svazků „atomů“ olova a ponechali je kroužit asi hodinu v nízkoenergetickém stabilním paprsku. Když pak zvýšili výkon LHC na maximum, tak se po dvou minutách paprsek automaticky vypnul. LHC si hlídá počet částic, které vyletí z kurzu, a když jich je příliš mnoho, tak se automaticky vypne. Systémy LHC tím chrání samy sebe, především magnety. Pak operátoři restartovali LHC a zkusili to znovu, tentokrát se 6 svazky „atomů“. Paprsek udrželi 2 hodiny a pak ho záměrně vypnuli.

Super Proton Synchrotron (SPS). V CERNu se stále intenzivně pracuje a testuje. Kredit: CERN.

Krasny a spol. na základě výsledků experimentu předpovídají, že takový paprsek mohou v LHC udržet až po dobu 40 hodin. Teď budou pracovat na tom, aby dosáhli stejné životnosti paprsku při vyšších energiích. Motivací pro tyto experimenty je snaha vytvořit z LHC výkonnou továrnu na vysokoenergetické gama záření. Fungovalo by to tak, že by paprsek letících „atomů“ olova ostřelovali laserem, který po zásahu způsobí přeskok elektronu do vyšší energetické hladiny. Když se pak elektron zase vrátí zpátky, tak přitom vyzáří foton. Za normálních okolností by takový foton nebyl nijak zázračně energetický. Jenomže v útrobách LHC by „atomy“ olova letěly rychlostí blízkou rychlosti světla. Energie emitovaného fotonu bude v takovém případě ohromující a jeho vlnová délka sražená, kvůli Dopplerovu jevu.

Podle Einsteina jsou energie a hmota vlastně dvě stránky jedné mince. Pokud LHC vyprodukuje extrémně energetické gama záření, tak by se takové fotony mohly překlopit do masivních částic. Když bude fyzikům na LHC přát štěstí, tak se jim zjeví doposud nepoznané částice, které budou představovat nové formy hmoty. A možná se tam objeví i temná hmota. Je to prý ještě nadlouho, ale úspěšné urychlování „atomů“ olova bylo významným počinem na cestě ke Gama továrně (Gamma Factory). 

Video:  What's up at CERN during the "winter shutdown"?


Literatura
CERN 31. 7. 2018.