Samé rekordy
Energie srážky, kterou chce urychlovač LHC dosáhnout je tak extrémní, že značná část jeho komponent je na hranici možností současných technologií. O tom, jak urychlovač vypadá a proč tak vypadá, jsme si už na Oslu vysvětlovali, takže se připomeňme jen některé z hraničních parametrů, kterých urychlovač dosahuje. Každý ze srážejících se protonů bude mít sedmkrát větší energii než má na předchozím největším urychlovači Tevatron. Jejich energie bude tedy 7 TeV = 7000 GeV, bude tedy 7000krát větší než je jejich klidová energie. Podstatné je i, že intenzita svazku protonů bude čtyřicetkrát větší než u Tevatronu. Protony budou rozděleny do zhruba 3000 shluků rozmístěných po zhruba kruhové dráze urychlovače, která má délku 27 km (přesněji 26 659 m). Každý shluk bude obsahovat zhruba sto miliard protonů a bude několik centimetrů dlouhý. Jeho průměr však bude pouze šestnáct mikrometrů. Většina lidských vlasů má průměr větší. Budou urychlovány dva svazky ve dvou trubicích v opačném směru. V místech čtyř experimentu se budou trubice i svazky křížit a budou zde probíhat srážky. Proto musí být dráha svazku určena v těchto místech s přesností, která je lepší než průměr svazku, tedy v řádu mikrometrů. I vedení svazku po celé 27 km dlouhé dráze musí být fantasticky přesné, v řádu desítek až jednotek mikrometrů. To zajišťuje více než 7000 supravodivých magnetů, které jsou chlazeny tekutým héliem na teplotu 1,9 K (-271,3°C). Chlazení probíhá ve dvou stupních. Nejdříve se pomocí něco málo přes 10000 tun tekutého dusíku ochladí na teplotu 80 K (-193,2°C) a následně se pomocí šedesáti tun tekutého helia ochladí na zmíněnou teplotu potřebnou pro provoz supravodivých magnetů. Proudy napájející magnety přesahuji 10000 A.
Magnetické pole o intenzitě až devíti tesla (to je zhruba o pět řádů více než je intenzita magnetického pole Země) musí být zároveň pro velmi přesné vedení svazku nastaveno s velmi vysokou přesností. Aby se mohly urychlované protony pohybovat volně bez interakce s prostředím, musíme dosáhnout v urychlovací trubici co největšího vakua. Tlak je zde o třináct řádů menší než normální tlak atmosféry u hladiny moře a desetkrát menší než na Měsíci (musí být zhruba 10-8 Pa).
Urychlovač je umístěn nedaleko Ženevy a na straně blíže tohoto města je v hloubce okolo 50 m pod povrchem. Protíná hranice Švýcarska a Francie a zabíhá až pod pohoří Jura. V tomto místě je 150 m hluboko. Aby tunel probíhal celý v co možná nejpevnější hornině, není umístěn vodorovně, ale má sklon zhruba 1,4%. V prvních letech provozu se musí inženýři vypořádat i s tím, že těžké magnety budou ještě nějakou dobu stlačovat podloží, a budou tedy v pohybu, než se definitivně usadí. Pohyby podloží způsobuje i Měsíc slapovými silami způsobujícími příliv a odliv.
V případě pevného podloží tunelu LHC to sice bude jen okolo jednoho milimetru. I tak je to vysoko nad požadovanou přesností vedení svazku (to je zmíněných zhruba deset mikrometrů) a je tedy třeba provádět korekce na vliv oběhu Měsíce. To je jen pár ukázek extrémních vlastností, kterých urychlovač dosahuje. Velmi komplikovaný není jen urychlovač, ale i experimenty, které na něm budou pracovat.
I experimenty finišují
Čtyři velké experimenty ATLAS, CMS, ALICE a LHCb jsou také v závěrečných stádiích přípravy. Jedná se o obrovské konstrukce, kdy hlavně v případě velkých magnetů a kalorimetrů se jedná o tuny materiálu.
Vnitřní dráhové detektory, které určují přesnou dráhu částic, nejsou sice tak obrovské. I ty však nejsou nijak malé a navíc musí mít i přes své značné rozměry polohu určenou s přesností okolo padesáti mikrometrů. Podrobný popis detektorů a jejich určení jsme si rozebrali v předchozím povídání, takže bych se teď soustředil na jeden zajímavý problém.
Jde o to, jak vybrat právě ty důležité srážky a nebýt zavalen balastem ostatních. Mezi srážkami jednotlivých shluků protonů uplyne zhruba doba okolo 30 ns a při plné intenzitě dojde při jednom křížení dvojice proti sobě letících shluků průměrně k dvaceti srážkám protonů. V době, kdy vnější detektory budou ještě detekovat částice ze srážek předchozího křížení shluků protonů, bude už probíhat křížení následující. Počet srážek by tak mohl dosahovat téměř miliardu za sekundu. Ovšem jen malá část bude těch, které nás zajímají. Pokud se rozhodne systém zaznamenat výsledek srážky, musí posbírat informace ze všech detektorů, sestavit je do vhodné formy a zapsat. Během této doby systém další sběr informace blokuje. To však trvá dost dlouhou dobu, značně přesahující desítky mikrosekund. Pokud by detektorový systém zaznamenával srážky bez výběru, shromažďoval by většinou pro nás nezajímavá data. Proto bude na několika úrovních probíhat velmi složitý výběr těch správných srážek. Na první úrovni se systém výběru (trigr) soustředí jen na data z některých „rychlých“ detektorů a vybere například případy,ve kterých se objeví několik částic letících prudce kolmo ve směru původního letu protonů svazku. Podle charakteru fyzikálního jevu, který chceme měřit, nebo částice, kterou chceme objevit, se sestaví soubor podobných charakteristik. Musí být navrženy tak, aby byly založeny na informaci rychle pracujících detektorů a rozhodování prováděly logické elektronické obvody. Trigr první úrovně totiž musí být co nejrychlejší, aby rozhodování, zda se má daný případ poslat trigru vyšší úrovně nebo jeho analýza zrušit a celou detektorovou sestavu připravit pro zaznamenání nové srážky, vedlo k co nejmenšímu zdržení. Proto je selekce pomocí softwaru (programů), která je pomalejší, na této úrovni omezeno na minimální míru. Trigr první úrovně pustí do další úrovně pouze okolo 100 000 případů za sekundu, tedy pouze zhruba každý desetitisící.
Trigry vyšší úrovně už pracují s pomocí složitých programů a provádějí řadu výpočtů. Pomocí částečné rekonstrukce srážky pak rozhodují, jestli je daný případ dostatečně zajímavý, aby byl zapsán. Jejich sítem projde jen sto případů za sekundu, tedy dojde ke snížení počtu o tři řády. Jenom ty se posílají do farmy počítačů, která zajišťuje jejich zaznamenání. Dostáváme se tak k počítačům, které se mají postarat o zaznamenání a analýzu obrovského množství dat týkajících se vybraných srážek.
Připravuje se i celosvětová výpočetní síť
Jak bylo řečeno, bude se ukládat řádově stovka případů srážek za sekundu. Velikost informace bude pro jednotlivý případ řádově desítka až stovka MBy. V laboratoři CERN se nespolehli na nějaký superpočítač, ale na farmy složené z velkého počtu propojených běžných počítačů nebo jen procesorů. Takových jednotek má výpočetní centrum v laboratoři CERN (označované Tier 0) tisícovky a ty budou chroustat data z LHC experimentů. Zároveň budou zajišťovat jejich uložení. Zajímavé je, že pro archivování dat, které se bude provádět pomocí speciálního robota, se budou využívat magnetické pásky. To se může zdát jako zastaralé, ale pořád je to cenově i bezpečnostně nejlepší řešení. Z hlavního centra se pak systémem grid budou data pomocí optických kabelů s přenosovou kapacitou 10 gigabitů za sekundu distribuovat do jedenácti velkých počítačových center (označovaných jako Tier 1) v různých místech světa. Zároveň se provádí zálohování dat v několika místech. Internetovou sítí jsou na tato hlavní centra napojeny menší počítačové farmy (jednou z nich je i farma Goliáš v Praze), které jsou označovány jako Tier 2. Všechny tyto farmy budou zapojeny do distribuované analýzy získaných dat, kterou může vědec provádět z libovolného počítače zapojeného na internet a ani nebude vědět, které počítačové farmy na jeho úloze pracovaly.
Analýzy na gridové síti už probíhají. Provádějí se jednak simulace připravovaných experimentů, ale už i prvních dat z detektorů, která byla získána měřením kosmického záření, pronikajícího i do hloubky padesáti metrů pod zemí. Ještě před první srážkou, která na LHC nastane, musí být celý systém gridové sítě pro LHC otestován a vyladěn. Podívejme se nyní, jaká cesta nás do té první srážky protonů na urychlovači LHC ještě čeká.
První částice v urychlovači LHC a oficiální spuštění
Dokončení propojení magnetů proběhlo počátkem listopadu minulého roku a pak se postupně začalo s ochlazováním a testy magnetů. Ochlazování magnetů zabere měsíce. Pokud nastane problém, který vyžaduje ohřátí, opravu a opětné ochlazení magnetů, jedná se o značné zdržení v řádu měsíců. První protony by měly být do urychlovače LHC vstřiknuty v červenci. Následující testování urychlovače a jeho uvádění do provozu bude probíhat velmi opatrně. Z počátku se budou urychlovat protony s energií, kterou obdrží pomocí předchozích urychlovačů, tedy více než o řád menší. Navíc se použije jen velmi nízká intenzita svazku. Jak jsem zmínil, při velké intenzitě by svazek s nesprávnou dráhou mohl propálit a těžce poškodit zařízení. Pokud se ukáže, že jsou technici schopni vést svazek po správné dráze, začnou testovat i dráhu v opačném směru. Po odladění se bude postupně testovat protínání svazků a srážky protonů v místech jednotlivých experimentů.
První se začnou testovat srážky v místě experimentu ALICE. Tento experiment je sice zaměřen hlavně na studium srážek těžkých jader, přesto si fyzikové, kteří na něm pracují, brousí zuby na to, že budou první, kteří uvidí srážky protonů na LHC. Sice půjde zatím jen o srážky při nižší energii, ale přesto by mohli při troše štěstí uveřejnit první článek o měření s pomocí tohoto urychlovače. Postupně se také začne pomalu zvyšovat energie a intenzita svazku. První urychlování při maximální energii bude probíhat pouze s jedním shlukem protonů namísto konečných očekávaných tří tisíc.
Je vidět, že přesný průběh postupného spouštění a testování urychlovače nelze dopředu přesně odhadnout. Pochopitelně, že se může objevit řada neočekávaných zádrhelů, které mohou jednotlivé etapy i značně zdržet. Takové problémy nejsou u nového a takto náročného zařízení neobvyklé. O některých problémech, na které se narazilo dříve, jsem psal v předchozím povídání. Připomenu jen destrukci, která nastala při pevnostních a zátěžových testech trojice magnetů, které vychylují svazek před místy jednotlivých experimentů.
Ta nastala při testu prováděném již v tunelu LHC. V okamžiku, kdy se vypne jen některý z trojice magnetů, začnou na struktury, které je upevňují, působit značné síly. Právě ty způsobily poškození nejen upevňovací konstrukce, ale také propojovacích elektrických kabelů. Bylo nutno změnit a zpevnit příslušné části. To se úspěšně podařilo a po provedených změnách všechny trojice vychylovacích magnety úspěšně prošly všemi následujícími testy.
Je tedy jasné, že lze těžko říci v jakém stádiu bude reálné spouštění 21. října 2008, na kdy se připravuje v laboratoři CERN oficiální oslava a slavnostní otevření urychlovače LHC. V té době se do laboratoře sjedou politici států, které se na jeho budování podílely. Slavnostní akce bude také využita k intenzivnímu oslovení veřejnosti pomocí medií, která na ní budou také přítomna.
V České republice nechceme zůstat stranou těchto slavnostních událostí a připravujeme nejen na toto období řadu akcí, které by měly urychlovač, jednotlivé experimenty a hlavně zajímavé poznatky, které se od nich čekají, představit široké veřejnosti. Od 20. října bude ve výstavním sále v přízemí budovy Akademie věd ČR výstava věnovaná spouštění LHC a na onoho 21. října se připravuje celodenní akce v Pražském planetáriu.
Jaká bude éra LHC a co po něm?
Už v současnosti se v Česku uskutečnilo několik zajímavých akcí, které souvisí s blížícím se spuštěním LHC. Jednou z nich byla návštěva významného teoretického fyzika Johna Ellise, který pracuje právě v laboratoři CERN. Ve Fyzikálním ústavu AVČR přednesl přednášku o budoucnosti laboratoře CERN v době urychlovače LHC a následující. Inspirujme se jeho povídáním a názory a pohleďme na budoucnost částicové fyziky a využití velkých urychlovačů. Vysvětlení řady pojmů ze světa částic, které se budou v dalším výkladu používat, je možné najít v tomto článku.
Když se některého z částicových fyziků zeptáte, co očekává od urychlovače LHC, téměř každý jako první slovo vypustí pojem higgs. Tato jediná dosud nepozorovaná částice současné podoby teorie struktury hmoty a interakcí (standardního modelu) je opravdu tím, co do jisté míry může charakterizovat období, ve kterém se tento obor fyziky před startem urychlovače LHC nachází. Je známkou obrovské šířky našich znalostí daných standardním modelem, který umožňuje pochopit, popsat a předpovídat velmi širokou škálu jevů, které pozorujeme v našem světě v oblasti energií, které jsou dostupné urychlovači před LHC. Prázdným místem v naší mozaice je právě higgsův boson, který potřebuje teorie standardního modelu sjednocující popis elektromagnetické a slabé interakce. Tato částice by měla pomoci při vysvětlení vytváření hmotnosti částic a důvodu, proč má například částice elektromagnetické interakce foton nulovou klidovou hmotnost a částice slabé interakce Z a W bosony klidové hmotnosti tak obrovské. Objevení higgsova bosonu v oblasti energií, které nám LHC zpřístupní, by tak mělo být korunou dovršující standardní model. Urychlovač LHC umožní i další všestranné a velmi intenzivní testování tohoto modelu v nové oblasti velmi vysokých energií.
Urychlovač LHC by však na druhé straně měl být nástrojem, který umožní překročení tohoto modelu a otevře cestu k výběru obecnější teorie, která umožní popsat realitu v oblastí energií, na které už standardní model nestačí. Otevřená otázka existence higgse, počtu těchto částic a jejich vlastností je průzorem do hloubky našich neznalostí. Pokud LHC higgse najde, mělo by nám podrobné zkoumání jeho vlastností otevřít průzor do oblasti nové fyziky. Ještě větší proniknutí do této oblasti by přinesl objev supersymetrických částic, jejichž objev by pomohl vysvětlit řadu symetrií pozorovaných mezi kvarky a leptony, najít správnou teorii sjednocující popis silné a elektroslabé interakce a třeba i vysvětlit, co tvoří temnou hmotu ve vesmíru. To jsou objevy, které lze od urychlovače LHC očekávat s velkou pravděpodobností. Ovšem nelze úplně vyloučit, že se na LHC objeví i projevy sjednocení popisu gravitační interakce a interakcí ostatních, tedy kvantové teorie gravitace. Například v podobě mikroskopických černých děr či projevů dalších rozměrů. Podrobnější soupis objevů, které by se s pomocí LHC mohly udělat a jejich dopadu na kosmologii najdete zde.
Můžeme si položit otázku, co bude následovat po LHC. Už teď technici a fyzikové uvažují o jeho následovníku. Panuje vcelku dobrá shoda, že by to měl být urychlovač, který by srážel elektrony a pozitrony. V tomto případě musí jít o lineární urychlovač, abychom zabránili velkým ztrátám při urychlování vlivem synchrotronového záření. Na LHC srážíme protony, které jsou velmi složitými objekty. Mají komplikovanou strukturu složenou ze tři valenčních kvarků a složitého vakua, daného silnou interakcí. Při využití elektronu a pozitronu srážíme, z pohledu předpokládané energie srážky, jednoduché bodové objekty. Zbavíme se tak nežádoucího pozadí a je pak daleko jednodušší identifikovat a měřit vlastnosti nových částic. Mohla by vzniknout podobná situace, jako nastala v laboratoři CERN v poslední čtvrtině minulého století při přechodu od urychlovače protonů SPS k urychlovači elektronů a positronů LEP. Zatímco pomocí urychlovače SPS byly bosony slabé interakce W a Z objeveny, urychlovač LEP podrobně prostudoval jejich vlastnosti a umožnil extrémní zpřesnění parametrů i předpovědí teorie elektroslabých interakcí. Zda se bude stavět, kdy a jaké budou parametry nového velkého lineárního urychlovače elektronů a pozitronů bude určitě ovlivněno výsledky prvních let práce urychlovače LHC. Například objev relativně lehkých supersymetrických částic bude znamenat, že námi dostupná energetická oblast je zabydlena širokou plejádou těchto nových částic. Podrobný výzkum jejich vlastností by nám pak přinesl detailní pohled na supersymetrickou teorii. Byl by to silný impuls pro postavení tohoto nového stroje, který by pak ani nemusel dosahovat těch nejextrémnějších energií. V každém případě je velmi velká šance, že LHC bude nejen dovršením jedné velmi úspěšné éry částicové fyziky, ale otevře éru novou, stejně zajímavou a plodnou. A hlavně nám umožní daleko lepší pochopení struktury hmoty a nejrannějších počátků historie našeho vesmíru. Na závěr bych se ještě zmínil o jedné akci spojené s Českem a laboratoří CERN. Týká se totiž právě těch, kteří nyní sedí ve školních lavicích, ale právě oni budou pracovat na následovnících urychlovače LHC.
Čeští učitelé v laboratoři CERN
Jedna z akcí, která zpřístupňuje urychlovač LHC, laboratoř CERN a částicovou i jadernou fyziku české veřejnosti a hlavně mládeži, se konala začátkem roku. V březnu, tedy nedlouho před tím, než se podzemí urychlovače LHC nejen pro návštěvy uzavřelo, se do laboratoře CERN vypravil autobus s českými středoškolskými učiteli. Jednalo se o akci, kterou v rámci programů zaměřených na mládež pořádá CERN už druhý rok. Při ní přijíždí do laboratoře na týdenní školení autobus středoškolských učitelů některé z členských zemí. Absolvují řadu přednášek v mateřském jazyce od jejich rodáků, kteří se na experimentech v laboratoři CERN podílejí, a v angličtině od zaměstnanců laboratoře. Zavítají na řadu pracovišť a experimentů.
Dostanou řadu praktických rad, co se dá studentům ukázat. Vyzkouší si postavit mlžnou komoru a pozorují pomocí ní radiaci pozadí. Velkou výhodou je, že jsou celý týden v kontaktu se svými odborníky a mohou s nimi kdykoliv diskutovat o všem, co je napadne.
Vzhledem k tomu, že se zanedlouho podzemí LHC nejen pro veřejnost zavíralo, byli učitelé jedněmi z posledních Čechů (a nejen Čechů) kteří se do tunelu urychlovače a jeskyně experimentu ATLAS dostali.
Čeští učitelé se takové akce zúčastnili poprvé a velký dík za to patří řadě osob. Dovolil bych si jmenovat Jiřího Dolejšího z MFF UK a profesorku z Gymnázia v Žďáru nad Sázavou Evu Novákovou. Značný podíl na možnosti uskutečnit tuto akci měl také kraj Vysočina, který sponzoroval velkou skupinu učitelů z tohoto kraje. Laboratoř CERN si dobře uvědomuje, že prostřednictvím takové akce (této a podobným akcím se věnuje speciální tým a opravdovou duší učitelských týdnů je Mick Storr) neovlivní jen pár desítek učitelů. Jejich prostřednictvím se dostane ke stovkám studentů, které tito učitelé učí a budou učit. Pochopitelně, že za týden se nikdo nenaučí jadernou a částicovou fyziku, nezačne počítat rozpady
Z bozonů či higgsů. Je však obrovský rozdíl, jestli před studenty stojí fyzikář, který má vše jen načtené z knížek, nebo ten, který si na urychlovač, detektory a jiná zařízení sáhl. Pohyboval se mezi odborníky v laboratoři a diskutoval s nimi. Společně si rozuměli a vzájemně si své práce vážili. Ví, že to většinou nejsou žádní exoti nebo geniové, ale obyčejní lidičkové, kteří jsou zapálení pro svůj obor. Zároveň vidí, že evropská spolupráce není jen prázdný pojem a pohybuje se v mezinárodní komunitě. Ten je pak schopen studenta přesvědčit, že pokud se bude snažit, tak může v budoucnu v CERNu nebo na jiném špičkovém pracovišti pracovat i on. A těm studentům, pro které fyzika není žádné hobby, pak zůstane aspoň povědomí, že se v tom CERNu dělá něco, co je zajímavé a užitečné. A to je neméně důležité. A platí to pro každý předmět a každého učitele. Doufám tedy, že autobus s českými učiteli bude jezdit do laboratoře CERN každoročně a že se najde více osvícených hejtmanů, kteří při tom své učitele podpoří. Podrobnosti o akci lze nalézt na těchto stránkách. Pro tento článek jsem jako obrazovou přílohu použil právě fotografie, které pořídili během učitelského týdne v laboratoři CERN Jaroslav Reichl a Jana Vejpustková.