Srážení protonů skončilo 19. května 2026. Následuje příprava urychlování těžkých iontů, (jader olova), které v červnu uzavře celý RUN 3. Následně budou ještě probíhat některé technické testy důležité pro přestavbu zařízení během následujícího zhruba čtyřletého odstavení. I po konci práce LHC budou fungovat některé z předurychlovačů a dodávat až do září svazky některým ze svých experimentů využívajících srážky s pevnými terči.
Poslední přehled nejnovějších analýz dat získaných pomocí experimentů využívajících urychlovač LHC byl na Oslovi publikován na na konci minulého roku v prosinci 2025. Od té doby byla publikována celá řada zajímavých výsledků tohoto zařízení a je užitečné se na některé z nich podívat podrobněji. Připomínám, že dominantně jde stále většinou o stále sofistikovanější zpracování dat z RUN 2 a začátku RUN 3. Při vytváření přehledu využijeme i prezentace z pravidelné konferenci Moriond, která se uskutečnila v druhé polovině března 2026. Prezentace těchto konferencí využívám k přehledům velmi často, například v roce 2020 a 2021.
Využití svazků kyslíku a neonu
Standardně se na LHC urychlují a srážejí svazky protonů a olova. Nejčastěji se tak studují srážky protonu s protonem. Většinou ke konci roku v prosinci se pak srážejí dva svazky olověných iontů. V obou těchto případech je pak těžišťová soustava shodná s laboratorní, ve které probíhá experiment. Výjimečně se realizovaly i srážky protonů s ionty olova. V tomto případě není těžiště v klidu vůči laboratorní soustavě.
Na přelomu června a července 2025, přesněji mezi 29. červnem a 9. červencem se urychlovaly speciální exotické svazky kyslíku a neonu. Srážely se ionty kyslíku s kyslíkem a neonu s neonem, kdy je těžiště vůči laboratoři v klidu, i svazek protonů se svazkem kyslíkových iontů, kdy se těžiště vůči laboratoři pohybuje.
Studium srážek protonů s lehčími jádry při velmi vysokých energiích, případně lehkých iontů, je klíčové pro pochopení reakce extrémně energetických částic kosmického záření s jádry atomů v atmosféře. Kosmické záření vysokých energií tvoří dominantně protony, v daleko menší míře jádra s více nukleony, i když většinou lehčí nebo středně těžká. V atmosféře pak dominují lehká jádra, kyslík, dusík, uhlík. Nově studované srážky tak jsou podobné těm, které probíhají při reakcích kosmického záření vysokých energií v atmosféře.
Nové studie by mohly pomoci vyřešit mionovou hádanku (muon puzzle), která se objevuje při pozorování extragalaktického kosmického záření s extrémně vysokou energií. Spočívá v tom, že při experimentálním pozorování spršek částic, které jádro kosmického záření s extrémní energií vytvoří, zaznamenáváme větší počet mionů, než dostáváme z modelových simulací. Při srážkách jader s vysokou energií vznikají nové částice přeměnou kinetické energie na energii klidovou. Nejlehčími hadrony, částicemi interagujícími silnou interakcí, jsou mezony pí. Těch se tak produkuje nejvíce. Nabité mezony pí se rozpadají na miony a neutrina. Velký počet mionů z kosmického záření tak dopadá na povrch a proniká i poměrně hluboko pod zem.
Modely, které popisují reakce protonů vysokých energií s jádry, se tvoří a ověřují na základě experimentálních dat získaných na svazcích existujících urychlovačů a jejich energie je omezena jejich možnostmi. Je tak pravděpodobné, že nepopisují správně reakce při řádově vyšších energiích. Podrobný rozbor současných znalostí o pozorování kosmického záření velmi vysokých energií, jejich zdrojích i zmíněné mionové hádance byl publikován v dřívějším článku.
Dalším zdrojem vysvětlení rozdílu detekovaných a napočítaných počtu mionů může být nejistota, kterou máme v tom, zda jsou extrémně energetické částice protony nebo těžší jádra. My určíme pouze celkovou energii, může tak jít o kinetickou energii jediného protonu nebo součet kinetických energií nukleonů jádra. Tím může být ovlivněna produkce mionů. Pro relativně nízké energie odpovídá složení kosmického záření výskytu prvků ve vesmíru. Pro extrémně vysoké energie mohou začít v závislosti na mechanismu jejich urychlování převažovat těžší ionty.
Zpřesnění a ověření popisu srážek jader s hmotností podobnou té u kosmického záření umožní ověřit a zpřesnit modely využívané pro popis produkce částic ve sprškách vznikajících interakcí kosmických částic s extrémní energií. Pokud bude popis rozvoje těchto spršek přesný, bude možné z jeho parametrů, například energie, rozvoje spršky a počtu produkovaných mionů, určit, jestli jde o proton nebo těžší iont. To je v současné době klíčový problém, který se při hledání fyzikálních procesů a kosmických zdrojů produkujících to nejenergetičtější záření řeší.
První výsledky z analýzy srážek protonů s ionty kyslíku realizované experimentem ATLAS byly publikovány na začátku dubna 2026. V daném případě byla energie dostupná v těžišti při srážce dvou nukleonů, protonu svazku a nukleonu z jádra kyslíku, 9,62 TeV. V případě, že by šlo o proton kosmického záření a jádro kyslíku v klidu, musel by mít proton pro reakci s odpovídající těžišťovou energií 49 PeV = 49 000 TeV, tedy více než 5000krát větší. To je pořád o pět řádů méně, než je maximální energie pozorovaná u kosmického záření, zde ovšem pořád není jasné, zda jde u této energie o protony nebo těžší jádra. I tak je však jasně vidět, že pořád ještě na přírodní urychlovací procesy ve vesmíru nemáme. Podrobněji jsou studium kosmického záření a naše současné znalosti o něm popsány v nedávném článku.
Kromě určení celkového účinného průřezu, který popisuje pravděpodobnost reakce, se studovala produkce nabitých částic, která vede i k produkci mionů, na které se nabité mezony rozpadají. Jak je vidět na prezentovaných grafech, je získaná hodnota celkového účinného průřezu s uvážením experimentálních nejistot blízká výsledkům různých simulací, které jsou v poměrně širokém rozmezí a spíše u vyšší hodnoty. Dobrá shoda v mezích experimentálních nejistot panuje i s výsledky získanými v experimentech pozorujících srážky kosmického záření v atmosféře.
Rozdělení počtu nabitých částic v jednotlivých srážkách a rozdělení příčných hybností (energie) je uvnitř koridoru vytvářeném rozptylem výsledků simulací. Přesnost experimentálních dat je s výjimkou nejvyšších hodnot v hranicích nízkých jednotek procent. Rozptyl simulací je mnohem větší a dosahuje desítky procent. Získaná experimentální data tak umožní výběr mezi simulacemi a zpřesňování modelů, za kterých vycházejí.
Práce ukazuje přínos použití exotičtějších svazků, je tak pravděpodobné, že se v budoucnu realizují experimenty v dané oblasti s vyšší statistikou i pro další ionty i energie. Zatím se však u produkce nabitých hadronů, dominantně mezonů, nepozorují rozdíly mezi experimentem a simulací, které by mohly vysvětlit zmiňovanou mionovou hádanku.
Nové hadrony
Experimenty urychlovače LHC pokračují v objevování stále těžších hadronů. To jsou částice interagující silnou interakcí a složené z kvarků. Ty nesou barevný náboj silné interakce a kvantová chromodynamika (QCD) nedovoluje, aby se v našich normálních podmínkách vyskytovaly samostatně. Musí být svázány v systémech z pohledu barevného náboje neutrálních. Existují tři různé nábojové barvy, které dohromady vytvoří neutrální (bezbarvý) objekt. Ke každé barvě existuje antibarva. Tři kvarky nesoucí každý jinou barvu vytvoří baryon, který je z pohledu barevného náboje neutrální. Tři antikvarky nesoucí tři různé antibarvy vytvoří barevně neutrální antibaryon. Pokud se spojí kvark s danou barvou a antikvark s odpovídající antibarvou, získáme barevně neutrální mezon. Experimenty LHC umožňují potvrzovat existenci stále těžších baryonů a mezonů. Jak se vyznat nejen v potvrzených, ale také hypotetických částicích je populárně detailněji popsáno v dřívějším článku.
Právě LHC pomohl prokázat existenci dalších hadronů, tetrakvarků a pentakvarků. V případě tetrakvarků jde o systém dvou kvarků s barevnými náboji a dvou antikvarků s odpovídajícími antibarvami, v případě pentakvarků o systém s trojicí kvarků různých barev a dvojicí kvarku a antikvarku s odpovídající antibarvou. I počty těchto hadronů díky experimentům LHC stoupají. Do současné doby objevily experimenty LHC celkově 85 nových hadronů.
Nově objevené částice mají velmi krátkou dobu života. O jejich existenci se tak dozvídáme detekcí částic, na které se rozpadají. Jejich parametry se dozvídáme pomocí zákonu zachování. Součet nábojů produktů rozpadu částice nám dá její elektrický náboj, zákon zachování momentu hybnosti nám umožní zjistit spin (moment hybnosti) původní částice. Zákony zachování parity a nábojové parity umožňuje určit parametry symetrií mateřské částice. Zákony zachování dalších vnitřních kvantových čísel umožní určit jejich hodnoty pro mateřskou částici. Speciální teorie relativity nám poskytuje s využitím zákonů zachování energie a hybnosti určit pomocí energií a hybností dceřiných částic z rozpadu klidovou energii (hmotnost) mateřské částice.
Jedním z nových úlovků experimentu LHCb v oblasti baryonů byl baryon Ξ+cc se spinem 1/2 složený z kvarků c, c a d. Jeho hmotnost je 3620 MeV/c2 a doba života zhruba v oblasti 15 až 160 fs (10-15 s). Rozpadá se slabou interakcí, to zajišťuje poměrně dlouhou dobu života. Jeho objev se realizoval v kanálu Ξ+cc → Λ+c +K- + π+. Baryon se dvěma kvarky c a jedním u označovaný jako Ξ++cc byl objeven v rozpadu Ξ++cc → Λ+c +K- + π+ + π- již v červnu 2017. V mezích experimentálních nejistot mají tyto baryony stejnou hmotnost, jeho doba života je větší, zhruba 250 fs.. Podobně jako má neutron větší hmotnost než proton, měl by být baryon Ξ+cc těžší než Ξ++cc. Rozdíl by měl být okolo 1 MeV/c2, což je v rámci současných experimentálních nejistot určení hmotnosti těchto částic.
Nyní tak chybí pouze baryon Ώ+cc se dvěma kvarky c a jedním s. Právě na začátku června publikoval experiment LHCb předběžnou informaci o pravděpodobném pozorování tohoto baryonu. Pokud se jeho existence potvrdí, bude 85. novým hadronem objeveným pomocí LHC.
V oblasti mezonů je příkladem nového objevu Bc*+, jde o excitovaný stav mezonu Bc+, který se skládá z kvarků c a anti-b. Klidová energie excitovaného stavu je o zhruba 64,5 MeV větší. Připomeňme, že hmotnost mezonu Bc+ je 6274 MeV/c2. I u dalších mezonů i baryonů se daří prokazovat existenci excitovaných stavů s nenulovým orbitálním momentem.
Toponium - ten nejtěžší hadron
Velice zajímavý typ mezonů se skládá z kvarku a jeho antikvarku, v případě, že jde o těžké kvarky. Označujeme je jako kvarkonia. Existují a podrobně se zkoumají charmonia, která se skládají z kvarků c a anti-c, a botomonia, složeného z kvarků b a anti-b. Ve stejných systémech s lehčími kvarky s, případně u a d, které mají velmi malou hmotnost, je dominantní část hmotnosti mezonu v kvantovém poli a dochází k míchání superpozici stavů lehkých dvojic kvarku a odpovídajícího antikvarku z těchto lehkých kvarků.
Mezon J/ψ složený z kvarku c a antikvarku c byla první pozorovanou částicí obsahující kvark c. Nezávisle ji v listopadu 1974 objevily dvě experimentální skupiny v USA.
První vedl Samuel Ting a využívala svazek protonů z urychlovač AGS v BNL (Brookhaven National Laboratory) dopadající na terč z beryllia. V produkci páru elektronu a pozitronu pozorovali pík v invariantní hmotnosti u hodnoty 3,1 GeV/c2, tedy něco přes tři hmotnosti protonu. Pík byl velmi úzký, což znamenalo, že vzniklá částice žije poměrně dlouho. Nejde o rezonanci, která by se při takové hmotnosti čekala. Skupina nové částici dala název J.
Druhá skupina pod vedením Burtona Richtera využívala srážeč elektronů a pozitronů SPEAR v laboratoři SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Fyzici pozorovali pík produkce hadronů při energii okolo 3,1 GeV. I ten byl velmi úzký a ukazoval na relativně dlouhou dobu života částice. Tato skupina dala částici název ψ. Spojením obou navržených názvů se dostalo současné pojmenování mezonu J/ψ.
V tomto případě byl kvark velmi těžký (1,27 GeV/c2) a hmotnost mezonu tvořila dominantně hmotnost spojená s kvarky c a anti-c. Hmotnost spojená s energií vakua vytvářeného silnou interakcí byla ve srovnání s ní malá. Jednou z možností rozpadu J/ψ by mohl v principu být rozpad na nejlehčí kombinace kvarku c a lehkých kvarků, tedy D a anti-D. Přitom kvarky c a anti-c neanihilují a pomocí pole silné interakce a jeho energie si vytvoří partnera v podobě lehkého antikvarku či kvarku u, d a s. Ovšem i nejlehčí z těchto částic mají klidovou energii větší než 1,86 GeV. Dvojice těchto částic tak má hmotnost větší než 3,72 GeV/c2, tedy větší, než je hmotnost J/ψ. Ta se tak na ně rozpadat nemůže.
Rozpad se tak musí realizovat prostřednictvím anihilace kvarku c a anti-c. V tomto případě probíhá prostřednictvím vzniku nejméně tří gluonů, které se vyzáří při anihilaci. Jen v takovém případě se zachovají všechny kvantové vlastnosti, včetně barevného náboje a C-parity (nábojové parity).
C-parita je definována pro neutrální částice, u kterých jsou částice a antičástice stejné. Popisuje chování vlnové funkce pod vlivem nábojového sdružení, tedy při její přeměně na antičástici. To může změnit znaménko vlnové funkce nebo je ponechat nezměněné, C-parita je tak -1 nebo 1. Celková C-parita systému je součin C-parit částic, které jej tvoří.
U mezonu J/ψ mají kvark a antikvark stejnou orientaci spinu a celkový spin je tak 1, C-parita tohoto mezonu je -1. Pro gluony je situace komplikovanější, jeden gluon nemá nábojovou paritu definovanou, nese totiž barevný náboj a antičástice se tak liší od částice tím, že má odpovídající antibarvu. Mezon J/ψ, který nenese neutrální náboj se v anihilaci nemůže přeměnit na jeden gluon, který nese barvu. Definovaná nábojová parita je v případě neutrálního systému více gluonů. Pro systém dvou gluonů, neutrální z pohledu barevného náboje (jeden gluon s barvou a druhý s odpovídající antibarvou) je C-parita +1, pro systém tří gluonů (tři různé barvy nebo tři různé antibarvy) je C-parita -1. Tedy zachování nábojové parity je u mezonu J/ψ možné pouze při vzniku tří gluonů.
Ze vzniklé trojice gluonů pak vzniknou pí mezony složené z lehkých kvarků. Gluony nesou velmi velkou energii a v případě asymptotické volnosti, která platí pro silnou interakci, je v takovém případě konstanta této interakce (s velikostí přenášené energii a hybnosti klesá) velmi malá. Interakce je tak slabá a pravděpodobnost takového procesu je malá, jeho realizace je potlačena o tři řády oproti nemožné anihilaci na dva gluony. O tři řády se prodlouží i jeho života na zhruba 10-20 s. Díky potlačení rozpadu přes silnou interakci, která musí zachovávat všechny zákony zachování, se může projevit ve vyšší míře i rozpad na pár mion a antimion. Ten se částo využívá k identifikaci mezonu.
Jiná je situace s mezonem ηc, to je druhý mezon složený z kvarku c a anti-kvarku c v základním stavu. Ten má hmotnost ještě o něco málo nižší. V tomto případě je opačná orientace spinu kvarků a jeho celkový spin je 0. Jeho nábojová parita je +1 a v tomto případě se při anihilaci může přeměnit se zachováním C-parity na dva gluony. Produkce dvou gluonů je o tři řády pravděpodobnější, než je tomu u produkce tří gluonů. Doba života je tak u něj v řádu 10-23 s.
Velmi podobné vlastnosti jako J/ψ má i ϒ (Upsilon) mezon v základním stavu složený z kvarků b a anti-b, jeho hmotnost je 9,46 GeV (hmotnost kvarku b je 4,78 GeV/c2), spin 1 a C-parita -1. Jeho doba života je ze stejných důvodů, jako je tomu u mezonu J/ψ v řádu 10-20 s. Podobně má mezon ηb hmotnost o něco málo menší, spin 0 a C-paritu +1. Jeho doba života je v řádu 10-23 s.
Studium vlastností a jejich rozdílů u této dvojice mezonů je klíčové pro určení parametrů a pochopení podstaty silné interakce. Ještě zajímavější jsou z tohoto hlediska toponia složená z nejtěžších kvarků t a anti-t. Hmotnost tohoto kvarku je 172,7 GeV/c2, to je téměř o dva řády více než u kvarků c a b. Vede to k dramatickému rozdílu v pravděpodobnosti přeměny, a tedy i v době života.
Zatímco doba života kvarků c a b je v řádu 10-12 s, a tedy o osm řádů delší, než je doba života mezonů J/ψ a ϒ, doba života kvarku t je pouhých 2∙10-25 s. Mezony J/ψ a ϒ se tak rozpadají prostřednictvím popsané anihilace dvojice kvarku a antikvarku, které je tvoří. Doba života případných hadronů, které by tvořily kvarky t a anti-t, by byla dána jejich dobou života.
Volné kvarky nemohou v našem normálním světě existovat, jen ve specifickém prostředí s extrémně vysokou hustotou energie. Vznikají tak při vysokoenergetických srážkách a po svém vzniku dochází k jejich hadronizací, tedy uvěznění v hadronech (baryonech a mezonech), které jsou neutrální z hlediska barevného náboje silné interakce. U kvarku t je situace velmi specifická, ten se po svém vzniku přemění (rozpadne) dříve, než stačí hadronizovat.
Předpokládalo se tak, že nebudou existovat hadrony obsahující kvark t. Před jeho hadronizací totiž dojde k jeho přeměně (rozpadu) na lehčí kvarky. Výjimkou by mohlo být toponium, které vznikne v okamžiku společné produkce páru kvarku t a antikvarku anti-t. Pokud bude jejich relativní vzájemná hybnost (energie) dostatečně malá, můžeme se na ně dívat jako na toponium. A právě pozorováni toponia bylo prezentováno experimentem ATLAS. Navazuje tak na předchozí studie experimentů CMS a ATLAS pozorující produkci provázaných dvojic kvarku t a anti-t.
Pokud je dvojice t a anti-t produkována ve srážce velmi blízko prahu pro produkci tohoto páru, tedy při srážce v těžišti dvojnásobek klidové energie kvarku t, což je zhruba 345 GeV, a jde o pár s barvou a odpovídající orientací spinů, může vzniknout kvazivázaný stav kvarkonia. Ten se nerozpadá anihilací, ale rozpadem kvarků. V grafu invariantní hmotnosti (klidové energie) páru tak nedostaneme velmi úzký pík, jako je tomu u lehčích kvarkonií, ale šířku okolo jednotek GeV.
V oblasti invariantních hmotností tak experiment ATLAS, podobně jako v článku z minulého roku experiment CMS, pozoruje přebytek případů produkce párů kvarků t a anti-t. Ten ukazuje na rezonanci (široký pík) v této oblasti. Ten se dá interpretovat jako nejlehčí z toponií se spinem 0, tedy kvarkonium ηt. Pozorování se realizuje pomocí rozpadu dvojice kvarků t a anti-t na dvojici nabitých leptonů a několik výtrysků spojených s produkcí kvarků. Kvarky t a anti-t se rozpadají na W boson a b kvark (anti-b kvark). Experimenty se zaměřily na případy, kdy se W boson následně rozpadne na nabitý lepton a odpovídající neutrino. Kvarky b následně hadronizují do výtrysku hadronů. Analýza úhlového rozdělení produktů rozpadu umožňuje analyzovat orientaci spinů kvarků t, tedy spin výsledného toponia.
Extrémní hmotnost kvarku t vede k tomu, že díky extrémní přitažlivé silné interakci má toponium velmi malý rozměr. U charmonia je rozměr zhruba 0,4 fm a botomonia 0,2 fm (fm = 10-15 m). U toponia by to mělo být okolo 0,03 fm, jde tak o nejmenší existující hadron. Za dobu života t kvarku, a tedy i toponia, která je 2∙10-25 s, uletí světlo dráhu 0,06 fm. Pořád tak stačí doba života na výměnu několika gluonů a vytvoření vázaného, spíše kvazi-vázaného, systému toponia.
Vlastnosti toponia jsou velice citlivé na vlastnosti silné interakce a parametry kvantové chromodynamiky, která tuto interakci popisuje. Přesná měření hmotnosti, doby života i kanálů rozpadu toponia umožní extrémní zpřesnění kvantové chromodynamiky a popisu silné interakce. Takovým měřením pomůže vyšší statistika produkce kvarků t na budoucím vylepšeném HL-LHC a hlavně na jeho větším následovníku, kde by mělo být možné produkovat toponia ve velkém množství.
Jsou kvarky složené částice?
V Standardním modelu hmoty a interakcí jsou kvarky i leptony bodovými částicemi. Je jasné, že bodovými částicemi ve skutečnosti nejsou, není možná nekonečná hustota hmoty nebo energie. Tyto částice mohou mít strukturu a mohu se v principu skládat z ještě elementárnějších částic. Stejně jako v případě určování rozměru jádra lze i v případě zjišťování velikosti kvarku využít rozptyl. Pokud zaznamenáme odchylku průběhu rozptylu (úhlového rozdělení) částic od předpovědi pro bodové částice, můžeme z jejího průběhu ocenit rozměr a strukturu srážejících se objektů.
V případě určení existence jádra využil Rutheford rozptylu alfa částic na atomech zlata. Ukázalo se, že uvnitř atomu existuje jádro velmi malého rozměru, které obsahuje dominantní část hmotnosti atomu. Postupně se ke studiu začaly využívat protony i elektrony se stále vyšší energií. Ta stačila na to, aby byly vidět odchylky od rozptylu u bodových objektů a začalo se zkoumat rozložení hmoty a náboje v jádře a jeho struktura. Rozptylové experimenty nakonec potvrdily i existenci kvarků.
Pro měření detailů se stále menší velikostí potřebujeme sondu s co nejpřesněji určenou polohou. Vlivem kvantových vlnových vlastností mikroskopických objektů je nejistota určení jejich polohy dána jejich de Broglieho vlnovou délkou. Ta je nepřímo úměrná hybnosti částice. Pokud roste energie, a tedy i hybnost částice, zmenšuje se její charakteristická de Broglieho vlnová délka. Pokud energie protonu nebo elektronu dosáhne desítek a stovek MeV, je jejich vlnová délka menší, než je rozměr jádra, lze tak určit jeho velikost a zkoumat jeho strukturu.
Pro dostatečně velkou energii urychleného protonu už je de Broglieho vlnová délka natolik malá, že se srážejí kvarky a pozorujeme rozptyl kvarku na kvarku. Se zvyšováním energie urychlených protonů tak zmenšujeme velikost de Broglieho vlnovou délku kvarků a v případě analýzy jejich rozptylu a určení jejich shody s rozptylem bodových nábojů můžeme určit limit jejich velikosti.
Energie protonů na LHC je 7 TeV. Ta je rozdělena mez tři konstituentní kvarky a také kvantové pole virtuálních kvarků a gluonů. Energie spojená se srážejícím se kvarkem je tak zhruba o řád nižší, tedy okolo 0,7 TeV = 700 GeV. Tomu odpovídá při srážce kvarku s touto energií s kvarkem v laboratoři v klidu de Broglieho vlnová délka v řádu 10-18 m = 10-3 fm. Lze tak zkoumat tisícinu až deseti tisícinu rozměru jader. V případě urychlovače LHC však máme vstřícné svazky a srážejí se dva proti sobě letící kvarky, každý s uvedenou energií. V tomto případě je podstatná hybnost a energie jednoho kvarku v souřadné soustavě toho druhého. V tomto případě je energie, tím i hybnost, kvarku o tři řády větší, tedy v řádu PeV. To vede k de Broglieho vlnové délce 10-21 m = 10-6 fm. Lze tak zkoumat extrémně malé detaily.
Toho potenciálu se využilo při zkoumání rozměru a případné struktury kvarků. Při srážce dvou kvarků se část jejich kinetické energie přemění na nové kvarky, které hadronizují do mezonů a baryonů, které se pohybují stejným směrem jako původní rozptýlený kvark a vytváří výtrysk hadronů. Analýzou dvojice výtrysku vzniklých rozptylem kvarků lze z jejich úhlového rozdělení zjistit, zda odpovídá předpovědím rozptylu pro bodové náboje, případně na jaké vzdálenosti se začíná od bodového lišit.
Studium rozptylu dvojic kvarků publikoval nedávno experiment CMS, v rozsáhlé analýze hledal projevy fyziky za Standardním modelem hmoty a interakcí. Ukazuje se, že případný rozměr složeného kvarků je menší než 10-20 m = 10-5 fm. Připomeňme, že v rámci strunových teorií se velikost kvarků a leptonů předpokládá v řádu 10-34 m, takové detaily pochopitelně LHC a ani jeho následovník neuvidí. Další zlepšení by mohla přinést komplexní analýza všech dat z RUN3 a také data z budoucího vylepšeného HL-LHC.
Pravděpodobnost výstavby následníka LHC v laboratoři CERN roste
V poslední době se realizovalo několik zásadních kroků, které zvyšují pravděpodobnost, že se bude následník urychlovače LHC realizovat v laboratoři CERN. Jak se psalo v dřívějším článku, jsou dvě reálné možnosti, kde se bude nový největší urychlovač realizovat. První je využít už stojící infrastrukturu v laboratoři CERN a druhou pak postavit novou sestavu urychlovačů v Číně.
Před dvěma lety jsem podrobně rozebíral situaci v soutěži mezi Čínou a Evropou a byl jsem z pohledu evropských šancí velmi skeptický. Pochybnosti u mě vzbuzovala hlavně minimální rozhodnost ve snaze projekt obhájit a realizovat. Místo samotné koncepce a cílů projektu se řešilo, zda bude dostatečně zelený a udržitelný. V posledních dvou letech se situace dramaticky změnila. Během té doby komunita fyziků zaměřených na částicovou fyziku vypracovala doporučení pro rozvoj tohoto oboru.
V oblasti nových urychlovačů se diskutovalo několik možností. První byla výstavby srážeče FCC-ee (Future Circular Collider) o obvodu okolo 91 km, který by urychloval a srážel elektrony a pozitrony. Druhou je stejně velký srážeč FCC-hh protonů s protony, případně těžšími ionty. Zároveň je možné nejdříve postavit srážeč elektronů s pozitrony FCC-ee a pak ve stejném tunelu srážeč protonů a iontů FCC-hh. Připomeňme, že v tunelu LHC byl před ním srážeč elektronů a pozitronů LEP.
Další možnosti je lineární srážeč elektronů a pozitronů, v tomto případě nedochází k vyzařování synchrotronového záření. Velice zajímavou možností je vybudování srážeče mionů. Ty jsou o dva řády těžší než elektrony a jejich vyzařování synchrotronového záření je oproti elektronům zanedbatelné. Jejich nevýhodou je, že miony jsou nestabilní a také jejich produkce je náročná.
Závěr rozsáhlé a velmi pečlivé analýzy v rámci vypracované evropské strategie výzkumu v oblasti částicové fyziky vedl k doporučení využít co nejvíce potenciál LHC a jeho vylepšené varianty HL-LHC. V dlouhodobějším horizontu se vybrala varianta s vybudováním srážeče elektronů a pozitronů, který později ve stejném tunelu nahradí srážeč protonů i iontů. O tomto návrhu panuje velmi široká shoda v celé evropské fyzikální komunitě v dané oblasti a mezi všemi státy, které jsou zapojeny v laboratoři CERN. Realizovala se velmi podrobná studie cílů, proveditelnosti, finančních nákladů a udržitelnosti celého projektu. Zde je důležité pokrytí velmi vysokých energetických nároků provozu zařízení.
Provozování HL-LHC by mělo probíhat až do roku 2041. Jeho následník, plánovaný nový urychlovač FCC-ee by měl být strojem na produkci Higgsových bosonů. Půjde o produkci těchto částic s minimálním pozadím. Elektrony a pozitrony jsou na rozdíl od protonů bodové částice a neinteragují silnou interakcí. Případy produkce i rozpadu Higgsova bosonu tak budou velmi čisté a jejich analýza tak bude řádově jednodušší.
Nový tunel by měl mít obvod 90,7 km (LHC má 26,7 km) a bude v hloubce okolo 200 m. U srážeče FCC-ee by energie v těžišti mohla dosáhnout podle použitých magnetů 90 až 365 GeV. V případě srážeče hadronů FCC-hh by magnety měly mít magnetickou indukci 14 – 20 T (LHC magnety mají magnetickou indukci 8,3 T). U nového urychlovače by mělo být 1000 urychlovacích dutin (LHC jich má pouze 16). Energie srážky v těžišti by měla být 84 až 120 TeV.
Podle současných plánů by měl být nový srážeč elektronů a pozitronů FCC-ee uveden do provozu v roce 2045. Pracovat by měl patnáct let a pak by se měl ve stejném tunelu začít budovat srážeč protonů a iontů FCC-hh, který by měl začít pracovat v roce 2070.
Fyzikální komunita pověřila vedení laboratoře CERN jednáním s veřejností a politiky s cílem získat podporu a financování projektu. Začala veřejná slyšení s obyvateli regionů Francie a Švýcarska, kde se bude stavba realizovat. Ukončení procesu a rozhodnutí nebude dříve než v roce 2028. Z hlediska financování projektu je velmi zajímavá nabídka soukromých dárců, kteří by byli ochotni na projekt zajistit nejméně 860 milionů euro. Je to poprvé, kdy by se taková možnost využila.
Rozhodnutí o financování a realizaci projektu by mělo přijít v nejbližších pár letech. Je to důležité právě pro stanovení, zda se nový urychlovač realizuje v Evropě nebo Číně. Ani u čínského projektu není zatím rozhodnuto o financování, není zařazen do stávajícího plánu financování. Pokud však Evropa brzy nerozhodne o financování svého projektu, může se situace rychle změnit a Čína svůj urychlovač začne budovat.
Čína plánuje výstavbu na zelené louce, musí tak vybudovat i potřebné předurychlovače a veškeré zázemí nové laboratoře. Nejdříve také plánuje realizovat kruhový srážeč elektronů a pozitronů CEPC (China Electron Positron Collider) s obvodem 100 km a s energií v těžišti 240 GeV. Následně by ve stejném tunelu měl fungovat SPPC (Super Proton-Proton Collider), který by měl při využití magnetů s magnetickou indukcí 12 T v těžišti 75 TeV a při využití magnetů s indukcí 20 – 24 T by mohla energie v těžišti dosáhnout 125 až 150 TeV.
Čína vypracovala detailní studii realizace tohoto projektu. V letech 2027 až 2028 se chystá rozhodnout o financování a realizaci projektu. Výstavba by měla začít okamžitě po tomto rozhodnutí a zahájení provozu by mohlo být už v roce 2037. Bylo by to dříve, protože by se nemuselo čekat na konec provozu LHC. V současné době Čína čeká na rozhodnutí Evropy.
Závěr
Urychlovač LHC posunul dramaticky naše znalosti o Standardním modelu hmoty a interakcí, objevem Higgsova bosonu doplnil poslední chybějící částici této teorie. Potvrdil existenci celé řady částic složených z kvarků, hadronů, a to nejen baryonů a mezonů, ale také poprvé bezesporně prokázal i existenci tetrakvarků a pentakvarků.
Stále přesnější analýza i velmi komplikovaných rozpadů umožňuje doplňovat nové a stále těžší systémy kvarků i jejich excitované stavy. Jak je vidět v grafu, počet nově objevených hadronů stále roste. Stále více jsou využívány strojové učení a umělá inteligence, důležitost nasazení těchto nástrojů je klíčové pro HL-LHC s vysokou luminositou srážek. Na rozvoji těchto technologií a jejich přenosu do praxe má CERN nemalý podíl, a to nejen tím, že zajišťuje provoz jednoho z největších evropských datacenter.
Klíčové pro zpřesnění popisu silné interakce pomocí kvantové chromodynamiky je studium hadronů obsahujících velmi těžké kvarky, které jsou v hadronu nerelativistické. Mezi nimi jsou klíčovými částicemi kvarkonia, což jsou mezony složené z těžkého kvarku a odpovídajícího antikvarku. Zde je zásadním pokrokem pozorování existence toponia, kvarkonia z nejtěžšího kvarku t. Jeho vlastnosti jsou extrémně citlivé na parametry kvantové chromodynamiky.
Stále přesnější měření hmotností, dob života, různých i velmi exotických typů rozpadů klíčových částic, jako jsou higgsy, W a Z bosony a nejtěžší kvarky t a b, i jejich interakcí, umožňuje zásadní zpřesňování parametrů Standardního modelu a vylepšování výpočtů a modelování v jeho rámci. Současné zpřesnění modelování s využitím Standardního modelu a experimentálních dat zásadně zvyšuje možnost uvidět projevy exotické fyziky za Standardním modelem.
Účelem experimentálního zařízení je poznat realitu a zlepšit její popis, ať už je jakákoliv. Už při spouštění LHC jsem psal, že „nejhorším“ výsledkem z hlediska propagace výstavby většího urychlovače bude potvrzení existence Higgsova bosonu v nejjednodušší variantě a plné potvrzení Standardního modelu bez pozorování známek exotické fyzika.
A přesně toto se nakonec realizovalo. Nepozorovaly se exotické jevy, jako jsou mikroskopické černé díry, podivnůstky a další, kterých se lidé obávaly. Podrobněji jsem je rozebíral a zdůvodnil, proč nemůže LHC ohrozit svět, v článku publikovaném před spuštěním urychlovače. I výsledky získané pomocí LHC potvrzují, že ani u jeho většího následovníka se nemusíme obávat ohrožení popsanými hypotetickými jevy.
Standardní model popisuje všechna pozorování na LHC extrémně dobře a zatím pouze zpřesňuje limity na projevy exotické fyziky. Je tak extrémně nepravděpodobné, že by nový urychlovač s parametry předpokládanými pro následníka LHC objevil kromě nových hadronů i nějaké hypotetické částice nepopsané Standardním modelem. Na jedné straně nás může těšit, že je Standardní model tak extrémně dobrý a umožňuje nám stále přesněji popisovat strukturu a chování hmoty. Na straně druhé nám chybí při zdůvodnění nutnosti postavit větší zařízení možnost nabídnout finančním dárcům poctu být kmotrem úplně nové částice.
Hlavním úkolem nového urychlovače by mělo být opravdu zásadní zpřesnění parametrů Standardního modelu a popisu interakcí, které by mohlo (opět nemusí) vést k pozorování projevů exotické fyziky. Zatím je sice tak vysoká přesnost popisu klíčová pro řešení fundamentálních fyzikálních problémů, například v kosmologii, časem se však může její potřeba projevit i v praktických aplikacích.
Zásadní praktický přínos realizace nového největšího urychlovače je však ve vývoji technologií, které jsou nyní za hranicí možností. Například nově magnety s extrémní magnetickou indukcí by mohly znamenat zásadní zlom v řadě aplikací, jako je například termojaderná elektrárna. Právě třeba Čína si jasně uvědomuje, že taková špičková zařízení a cesta k nim určuje vědeckou, technologickou a tím i ekonomickou úroveň společnosti. I proto za tímto projektem jde. Evropa zde má díky své tradici a laboratoři CERN obrovskou šanci. Odpověď na to, proč velký urychlovač potřebujeme a proč víme, že nás neohrožuje, jsem psal v době zrodu LHC a úplně stejné platí i pro jeho následníka.
V případě realizace čínského projektu bude zařízení dříve a mám větší šanci se dožít výsledků nejen za srážeče elektronů a pozitronů, ale třeba i srážeče hadronů, v případě evropské cesty se hadronového srážeče nedožiji určitě. Přesto bych si přál, a považuji to i za efektivnější cestu pro lidstvo, aby se realizoval projekt v laboratoři CERN.
Přednáška o novinkách výzkumu pomocí LHC prezentovaná v lednu 2026 pro Kosmologickou sekci ČAS:
Přednáška o významu kvantové fyziky pro astrofyziku a kosmologii přednesena na hvězdárně v Brně:
Přednáška o výsledcích LHC přednesená v době zahájení RUN 3 pro Kosmologickou sekci ČAS:
Kvantová fyzika a poznání vesmíru
Autor: Vladimír Wagner (12.02.2026)
Antihmota cestuje v náklaďáku po Evropě.
Autor: Vladimír Wagner (24.03.2026)
Novinky ve výzkumu gravitačních vln – 3. díl
Autor: Vítězslav Škorpík (23.04.2026)
Diskuze:
