Co čeká částicovou fyziku v příštích 50 letech?  
Kdyby současná Evropská strategie rozvoje fyziky vysokých energií byla přijata před čtyřiceti lety, nevyvolala by žádné otázky. Hlavní prioritou je do budoucna práce na vytvoření elektrono-pozitornového urychlovače o průměru 100 km. Znamená to, že CERN tak jako dříve usiluje o světové prvenství v oblasti gigantických urychlovačů, určených k výzkumu částicové fyziky.

Odborník na urychlovačovou fyziku Anatolij Sidorin (LFVE SÚJV) ve svém komentáři reaguje na již dříve zveřejněnou úvahu Igora Ivanova, v níž teoretický fyzik a ředitele Bajkalské školy částicové fyziky SÚJV posuzuje hlavní body aktualizované Evropské strategie částicové fyziky - tedy klíčové priority, jež si CERN určil nejen na nejbližší léta, ale i na druhou polovinu 21. století. Kredit: SÚJV).
Odborník na urychlovačovou fyziku Anatolij Sidorin (LFVE SÚJV) ve svém komentáři reaguje na dříve  zveřejněnou úvahu Igora Ivanova na OSEL.cz, v níž teoretický fyzik a ředitele Bajkalské školy částicové fyziky SÚJV posuzuje hlavní body aktualizované Evropské strategie částicové fyziky - tedy klíčové priority, jež si CERN určil nejen na nejbližší léta, ale i na druhou polovinu 21. století. Kredit: SÚJV).

Téměř po celou druhou polovinu 20. století bylo sousloví „velký urychlovač“ vnímáno jako synonymum pro „dobrý urychlovač“. Vytváření stále větších a větších urychlovačů bylo dokonce vnímáno jako jeden z prvků geopolitického soupeření. Při volbě maximální energie částic se musely zohledňovat především ekonomické možnosti, ale vcelku platilo: čím více, tím lépe. Rozvoj urychlovačů běžně ilustrovaly grafy, které znázorňovaly, jak za léta exponenciálně roste energie interagujících částic. Situace se radikálně změnila v roce 1993, když americký kongres zastavil financování nejgrandióznějšího urychlovačového projektu v dějinách lidstva – supravodivého urychlovače (SSC). Byl to obrovský urychlovačový komplex, jehož základním zařízením byl urychlovač s průměrem oběžné dráhy 87 km a energií protonů 20 TeV. V roce 1993 už bylo za stavbu utraceno 2 miliardy dolarů (při dnešních cenách by to byla ještě grandióznější suma), pracovalo se na ražení tunelu a instalaci zařízení. Kongres měl tehdy pro své rozhodnutí dva základní důvody. První z nich byl rozpad SSSR, v jehož důsledku již dále nebylo nutné, aby USA dokazovaly svou dominanci v oblasti fyziky vysokých energií (v 80. letech byly v SSSR započaty práce na vytvoření urychlovače o průměru 20 km a energií 3 TeV, sovětský projekt byl definitivně ukončen v roce 1998). A druhá, a daleko vážnější příčina spočívala v tom, že američtí fyzikové hleděli s pesimizmem na vědecký potenciál podobného zařízení a domnívali se, že za takové prostředky je možné realizovat mnoho značně zajímavějších projektů. Skpese teoretiků ke gigantickým urychlovačům vyklíčila již na počátku 80. let, kdy nastal masový „útěk mozků“ z  fyziky vysokých energií do astrofyziky. Například akademik Ruské akademie věd A. N. Sisakjan, který na přelomu století řídil Spojený ústav jaderných výzkumů (SÚJV) v Dubně a dal mu jeho dnešní tvář, ve svých přednáškách o částicové fyzice ilustroval možnosti nových fundamentálních objevů s využitím urychlovačů využívajících supervysoké energie takto: „Rád bych připomenul, že urychlení částic na energii 1015GeV, jež odpovídá ´velkému sjednocení´ silné a elektroslabé interakce by si vyžádalo vybudování urychlovače o velikosti Sluneční soustavy. A kdybychom se chtěli dobrat „plankovské“ energie 1019 GeV (na této hranici jsou pozorovatelné kvantově-gravitační efekty), bylo by třeba vybudovat urychlovač, jehož okruh by měl délku přibližně deseti světelných let.“

 

 

Ilustrační foto, Kredit: CERN.
Postupné spouštění urychlovače LHC po dlouhé odstávce, během které byl
opraven a modernizován, 2015, Kredit: CERN.

Na tomto pozadí mohl být Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu vybudován jen díky shodě řady příznivých okolností. Zaprvé – v CERNu byl hotový tunel o délce 27 km (byl v něm umístěn Velký elektron-pozitronový urychlovač – LEP, a k maximální energii protonů 7 TeV v LHC vedl právě obvod tunelu, a ne výzkumný program). A co je ještě důležitější, projekt se rozjížděl na pozadí aktivního formování Evropské unie v její dnešní podobě. V té době natolik převládaly centroběžné tendence, že byly s nadšením přijímány všechny panevropské projekty. Nebylo proto náhodou, že se zájem masmédií upřel i na LHC – jeho budoucí vědecký program tehdy mezi sebou probíraly všichni včetně hospodyněk. Stavba LHC si vyžádala koncentraci prostředků a způsobila uzavření několika menších laboratoří v různých zemích, ale tuto oběť byli všichni ochotni přinést právě v duchu úkolu CERNu – spojení úsilí celé Evropy, které by umožnilo realizovat programy, jež by vypadaly důstojně na pozadí supervelmocí.

 

Splnil LHC očekávání, která do něj byla vkládána? Ano i ne. Jeho hlavním úkolem bylo objevit Higgsův boson, nebo naopak jednoznačně dokázat, že taková částice v přírodě neexistuje (a existovaly varianty teorie, které s ním nepočítaly). Tento úkol zvládl. Ale kromě úkolů byly ještě sny. Sny, kterým nikdo doopravdy nevěřil. A jedním z nich je objevení supersymetrické částice SUSY, kandidáta na vysvětlení záhady „temné hmoty“. A další sen byl z oblasti „a co když?“. LHC bohužel zničil všechny sny. Žádná „a co když“ se nenaplnila, a platí to až do urychlovače o rozměru Sluneční soustavy.

Bude po této zkušenosti lidstvo stavět nové gigantické urychlovače? Po všem řečeném bude znít odpověď možná zvláštně, ale ano. V nejbližší době alespoň jeden. Bude to elektron-pozitronový urychlovač s energií srážky 250 GeV (maximální energie protonů v LHC je 7 TeV). Právě tolik je potřeba, aby se daly zkoumat vlastnosti Higgsova bosonu. Tady bude na místě vysvětlit rozdíl mezi protonovým a elektron-pozitronovým urychlovačem. Proton je částicese strukturou: tvoří ho tři kvarky a přibližně stejné množství „virtuálních gluonů“, a proto na každou z částic, které jej tvoří, při srážkách připadá přibližně 1/6 celkové energie protonu. Ale co je nejdůležitější, energie jednotlivých součástí protonu se nedá přesně určit, a právě z nich při srážkách vznikají nové částice. Elektron, stejně jako pozitron, jsou bodové částice, proto všechna jejich energie padne na srážku a může být určena s naprostou přesností. Proto se někdy o protonovém urychlovači mluví jako o zařízení určeném pro objevy, a o elektron-pozitronovém – pro výzkum už objeveného. Objev Higgsova bosonu zformuloval úkol pro elektorn-pozitronový urychlovač: získání velkého množství dat a precizní změření vlastností nové částice. O důležitosti tohoto úkolu žádný fyzik nepochybuje a dříve nebo později takové zařízení vznikne (říká se mu „továrna na Higgsovy bosony“).

Na začátku století, když se začínalo pracovat na technickém projektu Mezinárodního lineárního urychlovače (ILC), bylo jasné, že to může být jenom lineární urychlovač: v porovnání s cyklickým zajišťuje vyšší luminozitu (tj. i tempo získávání dat). Od té doby ve fyzice cyklických urychlovačů došlo k revoluci, která díky novým řešením uspořádání místa srážky svazků umožnila zajistit přibližně stonásobné zvýšení luminozity. Dnes jsou lineární a cyklické urychlovače jako možné „továrny na Higgsovy bosony“ z hlediska všech parametrů přibližně rovnocenné: jak z hlediska luminozity, tak pokud jde o investiční a provozní náklady. Jaký z nich postavit je otázka vkusu. Ale je jasné, že v této sféře je na světě místo jenom pro jedno zařízení. A jakmile je někdo začne stavět, všechny ostatní projekty s největší pravděpodobností okamžitě zaniknou. CERN sází na cyklický urychlovač, a pokud začne hloubit tunel dříve než ostatní, nebudou ho už ohoržovat žádní konkurenti. Jiný příklad: kdyby japonská vláda v minulém roce potvrdila své rozhodnutí o umístění ILC v Japonsku (a podle podmínek vyplývajících z dohody země, kde se zařízení bude nacházet, pokrývá nejméně polovinu nákladů), strategie rozvoje CERNu by dnes nejspíše byla jiná. Také v Číně se nyní aktivně pracuje na projektu cyklické „továrny na Higgsovy bosony“, jejíž průměr by měl být podobně jako v CERNu přibližně 100 km. Pokud vláda ČLR začně financovat ražení tunelu, není vyloučené, že se evropský program dostane do vážných problémů.

 

Ilustrační foto, Kredit: CERN.
Určitý počet výsledků srážek na LHC už je přístupný k nahlédnutí a
analýze, 2013, Kredit: CERN.

 

Ale přesto, pokud vedení CERNu správně ocenilo situaci, „továrna na Higgsovy bosony“ bude postavena právě ve Švýcarsku. Co to znamená pro budoucnost této organizace? V současné chvíli se lví podíl rozpočtu utrácí na využití a rozvoj LHC. Budoucí cyklický urychlovač „pozře“ celý rozpočet na dlouhá léta dopředu a na jiné programy zbudou jen drobty. CERN se definitivně promění v laboratoř jednoho zařízení. Pro personál stejně jako pro vědecké spolupráce je takový scénář zcela přijatelný – je to dobrá práce na desítky let. Hlavním rizikem je, že zájem o CERN ztratí jeho účastnické země. A hlavním problémem – naprostá nejistota, co za padesát let přinese osud. Na proton-protonový urychlovač v tunelu „továrny na Higgsovy bosony“ prakticky nikdo nevěří (to je možná příliš osobní pohled na věc).

Vedení CERNu udělalo složitou volbu. Ale než ji budeme odsuzovat nebo vítat, je třeba posoudit jiné možné varianty.

Jednou z nich je proměna centra v laboratoř pracující v režimu otevřeného přístupu, v níž je libovolné skupině vědců, která přijde se zajímavým projektem, vydělena pracovní doba na jednom ze zařízení. Takovou cestou se vydalo několik velkých laboratoří – například DESY v Hamburgu, která byla dlouhá léta jedním z lídrů částicové fyziky. Zařízení PETRA, bývalý elektrono-pozitornový urychlovač (svého času jednička z hlediska energie, na kterém byl objeven gluon), byl přebudován na zdroj synchrotronního záření a v roce 2018 byl v DESY spuštěn rentgenový laser na volných elektronech (XFEL). XFEL je supravodivý lineární urychlovač dlouhý 3,4 km, a i když to samozřejmě není lineární urychlovač, jeho rozměry budí dojem. Laboratoř nyní disponuje unikátní sestavou zařízení, která umožňuje provádět výzkum v oblastech biologie, chemie či výkumu materiálů a funguje na principu otevřeného přístupu. V případě CERNu se o takové cestě nejspíše ani neuvažuje. Za prvé by to znamenalo vzdát se jedinečné role ve světové vědě a zadruhé – jeho sestava experimentálních zařízení je velmi vzdálená potřebám aplikovaného výzukumu.


Další z možných cest je provádění široce rozkročeného výzkumu na větším počtu menších zařízení. Tento přístup se uskutečňuje v SÚJV a stejnou cestou se vydali projektanti mezinárodního zařízení FAIR, které se buduje v Německu, mimo jiné za účasti Ruska.

Také v SÚJV se nyní debatuje o strategickém plánu rozvoje. Jeho projekt zahrnuje všechny směry tradiční pro tuto organizaci: syntézu supertěžkých prvků, neutrinovou fyziku, aplikovaný výzkum s pomocí zdroje neutronů, experimenty v oblasti relativistické jaderné fyziky na urychlovači NICA, výzkum v oblasti radiační biologie či rozvoj informačních technologií. Projekt FAIR začínal z formování čtyř velkých spoluprací, jejichž vědecký zájem sahal od lékařství po astrofyziku. Struktura a parametry zařízení se vybíraly tak, aby se co nejlépe vyšlo vstříc jejich požadavkům. Taková cesta by byla nejspíše možná i v případě CERNu. Každopádně již byla vytvořena skupina, která pracuje na diversifikaci výzkumného programu a připravila materiály njeméně pro deset různých jiných směrů výzkumu, než je fyzika na LHC. V strategii rozvoje je zmíněno, že práce tímto směrem bude pokračovat. Ale na pozadí nákladů na nový urychlovač to působí spíše jako zdvořilostní gesto.

Text byl napsán pro internetový portál OSEL a české webové stránky SÚJV Dubna.

Datum: 19.02.2021
Tisk článku


Diskuze:

Martin Zeithaml,2021-02-22 11:24:16

Evropské výzkumné projekty v poslední době nějakým záhadným způsobem vytváří černé díry a obrovské finanční prostředky nenávratně končí úřednické singularitě. Například ITER v Evropě zaměstnává v různých zemích a Bruselu víc úředníků než kdy bude vůbec zaměstnávat vědců. Už jenom příprava takového projektu spolkne miliardy, půl Amazonského pralesa a to nepočítám pány politiky. U takových projektů je třeba zapomenout na politiku a mít opravdu světovou spolupráci. Pokud Čína je ochotná stavět tak jí nabídnout spolupráci a ne plánovat paralelně stejný projekt v Evropě, aby si politici moli poměřovat koule.

Odpovědět

Děkuji že se i já budu podílet,

Karel Ralský,2021-02-20 14:41:20

jako Evropan na novém plánovaném urychlovači a věřím že to pomůže k vytvoření "nové" fyziky blížící se skutečnosti.

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace