Mal náročnú úlohu - sedieť oproti človeku, ktorý sa vo fyzike nevyzná, a čo najzrozumiteľnejšie vysvetľovať veci, ktorým väčšina ľudí vôbec nerozumie. Mohol namietať, že otázky nie sú odborné, že niektoré sú naivné a ostatné hlúpe. Zvládol to skvele. DUŠAN BRUNCKO.
Vedec, ktorý je v CERNe ako doma, rozpráva pre SME nielen o tamojších experimentoch. Tvrdí, že existujú minimálne dva silné efekty, ktoré potvrdzujú teóriu Veľkého tresku.
Čo je CERN?
Európska organizácia pre jadrový výskum, ktorá sídli v Ženeve a zaoberá sa výskumom elementárnych častíc. Vznikla v polovici 50. rokov minulého storočia, a treba jasne povedať, že v oblasti vedy plne konkuruje USA. Aktuálne v nej pracuje okolo šesťtisíc zamestnancov, z toho asi tretina je spätá so známym urýchľovačom.
Prišli by sme o niečo, keby neexistovala?
Určite. Nešťastní by boli napríklad lekári. Profesor Charpak z CERNu totiž dostal Nobelovu cenu za vývoj a praktické použitie rôznych detektorov, ktorých klony sa používajú v medicíne, napríklad pri tomografii, pri rôznych rádioterapiách a tak ďalej. Aby to bolo úplne jasné: CERN sa venuje len základnému výskumu, praktickú aplikáciu jeho poznatkov majú na starosti iní. Ak sa niekto pýta, načo je dobrý, ide o to isté, akoby ste sa pýtali, načo je dobré vedieť, z čoho sa skladáte.
Prečo bolo potrebné spájať jadrových fyzikov do jednej megainštitúcie? Bolo za tým to, že osamotená krajina nedokáže financovať náročné experimenty?
Najskôr nie, pôvodná myšlienka bola iná. Po druhej svetovej vojne mnoho odborníkov odišlo do USA a bolo treba skoncentrovať tých, čo zostali doma, na Západe. Až neskôr prišli projekty, ktoré by členské krajiny nedokázali financovať individuálne, a preto bolo ich spojenie výhodné.
Sú aj hlasy, že je to zábavka vedcov za veľa peňazí.
Nemyslím si to, dokonca by som povedal, že peniaze, investované do urýchľovača LHC, sa už nepriamo vrátili. Pri jeho stavbe sa totiž bolo potrebné podrobne zaoberať napríklad supravodivými magnetmi, zvárať veci, ktoré sa zvárajú mimoriadne ťažko, naučiť sa pracovať s mimoriadne výkonnou výpočtovou technikou, ktorá s vedeckými projektmi musela držať krok, inak by sa nedala použiť. To všetko a mnohé iné sú veci, ktoré sa postupne využijú aj mimo základného výskumu a budú prínosom pre všetkých. Interval medzi základným výskumom a jeho aplikáciou sa posledné roky prudko skracuje, takže do praxe sa rýchlo dostávajú aj nedávno objavené poznatky.
Urýchliť možno len elektricky nabité a relatívne stabilné častice
Z čoho pozostáva základný výskum v CERNe? Laici počuli najmä o urýchľovaní častíc.
Ide o široké spektrum, takže všetko vymenovať nemožno. Možno by ste neverili, ale urýchliť časticu je rovnako ťažké, ako ju spomaliť. Na spomalení preto pracuje značná skupina vedcov, ktorá sa tak snaží vyrobiť napríklad antivodík. CERN ale dominantne študuje zrážky častíc a iónov, ktoré sa urýchľujú v jeho urýchľovačoch.
Potrebujeme to?
Iste. Je to o základnom štúdiu vlastností matérie. Či sa to bude dať využiť v praxi? To ukáže až aplikačný výskum. Základný totiž také ambície nemá. Typickým príkladom je WWW, teda World Wide Web. Vznikol v CERNe z dôvodu potreby sprístupniť množstvo dokumentov mnohým ľuďom v rôznych častiach sveta, a dnes ho používajú de facto všetci. V začiatkoch pritom nikto netušil, čo sa z neho vyvinie. Základný výskum skúma základné veci, netúži zarobiť na produkte, ktorý z nich raz možno vznikne.
Čo sa dozvieme, ak častice urýchlime a oni sa medzi sebou zrážajú?
Vytvára sa tým, obrazne povedané, akási lupa do mikrosveta, teda vidíme to, čo sa normálne nedá pozorovať. Platí, že čím väčšia je energia zrážky častíc, tým viac z mikrosveta vidíme a spoznávame.
Nosným produktom CERNu je LHC, Large Hadron Collider, teda veľký hadrónový zrážač. Čo sa v ňom deje?
LHC bude urýchľovať hlavne protóny, ktoré sa posielajú v zväzkoch proti sebe práve preto, aby sa zrážali. Mal aj svojich predchodcov - v nich sa proti sebe urýchľovali napríklad elektróny s pozitrónmi, či protóny alebo ionty olova.
Ako viete, ktoré častice treba urýchľovať a zrážať?
Urýchliť možno v podstate len častice, ktoré sú elektricky nabité a relatívne stabilné aspoň taký čas, aby malo zmysel sa nimi zaoberať. Tie, ktoré sa rýchlo rozpadnú, majú smolu. Ďalšou podmienkou procesu je, že musíme mať k dispozícii rozumný a lacný zdroj takýchto častíc.
Napríklad?
Dobrým zdrojom elektrónov je trebárs wolfrámová žiarovka, respektívne jej vlákno.
Dráhový detektor TPC v slušivej modrej farbe, dôležitá súčasť experimentu ALICE. Obsahuje súčasti vyrobené na Univerzite Komenského v Bratislave.
Každých 25 nanosekúnd nastane v priemere 22 protón-protónových zrážok
Ako funguje princíp urýchľovania?
Na princípe elektromagnetizmu, teda na priťahovaní sa kladného a záporného elektrického náboja. Častica sa urýchli, ak vletí do oblasti s poľom, ktoré je správne nábojovo orientované.
Na urýchľovači sa aktuálne robí šesť experimentov. Na koľkých sa podieľajú Slováci?
Na dvoch - ATLAS a ALICE. Nosnými experimentmi CERNu sú pritom ATLAS a CMS. Ten prvý je doslova gigantický, oveľa väčší, ako ľubovoľný doterajší experiment kdekoľvek na svete a v akomkoľvek odbore. Mnohí sa inak mýlia a myslia si, že experimentom je samotný urýchľovač. Ten je však len prístrojom, vďaka ktorému môžeme skúmať, čo potrebujeme. Experimenty sú zariadenia umiestnené na ňom.
Aký veľký je jeho okruh?
Dvadsaťsedem kilometrov s tým, že v ňom možno urýchľovať nielen protóny, ale aj ióny, napríklad olova. Má dve trubice, v ktorých sa proti sebe pohybujú protóny, respektíve ióny. Plánuje sa, že energia protónov v každej trubici bude 7 TeV (teraelektrónvolty, pozn. autora). Elektrónvolt je energia, ktorú získa elektrón pro prechode rozdielu jedného voltu, čiže si viete predstaviť, o aké veľké číslo ide pri hodnotách tera - predpona tera totiž označuje 1000 miliárd. Kvôli technickým ťažkostiam sa však ukazuje, že urýchľovač nepôjde na plánované parametre minimálne rok a celková energia zrážky bude 10 TeV, teda 5 plus 5 TeV, a nie 7 plus 7 TeV.
Koľko zrážok častíc bude vznikať?
V každej zrážke zhluku urýchľovaných protónov, ku ktorému bude dochádzať každých 25 nanosekúnd, nastane v priemere 22 protón-protónových zrážok. Hovoríme teda pomaly o pikosekundovej fyzike, čo nie je žiadna sranda. Upozorňujem pritom, že to, čo sa dnes v CERNe realizuje, nie sú žiadne nové myšlienky, akurát sme ich doteraz nevedeli technicky uskutočniť.
Pracujú v CERNe len odborné špičky?
Samozrejme, poviem príklad z vlastnej praxe. Dlhé roky som pracoval v Hamburgu, kde bol postavený urýchľovač pre zrážanie sa protibežných zväzkov protónov s elektrónmi alebo pozitrónmi. Keď sa tam menili magnety za kvalitnejšie, trvalo skoro rok, kým sa to celé podarilo. LHC v CERNe sa spustil v septembri minulého roku a už o hodinu a štvrť bolo dosiahnuté, že zväzok lietal v urýchľovacej trubici urýchľovača. To sú údaje, dokazujúce, že v Ženeve je skutočne koncentrovaná vedecká špička.
Médiá informovali, že sa vďaka urýchľovaču dostaneme niekam do oblasti Veľkého tresku. Je to pravda?
Ak Veľký tresk naozaj bol, stále sme v nejakej jeho oblasti. Asi máte na mysli skôr to, či sa LHC dostane veľmi blízko k jeho začiatku. Nie. V skutočnosti je to tak, že vďaka urýchľovaču možno budeme vedieť určiť isté charakteristiky niekoľkých okamihov v čase pár mikrosekúnd po Veľkom tresku, čo je z pohľadu na tento fenomén veľmi dlhá doba.
Priemer disku koncových miónových komôr experimentu ATLAS je 25 m. Jeho stredom bude prechádzat trubica urýchľovača.
O existencii kvarkov sú tisíce dôkazov
Kvark je termín, ktorý sa v médiách častejšie spomína od minulého roka. Má to byť akási základná čiastočka hmoty. O čo ide?
V 60. rokoch sa začalo dariť systematicky zadeľovať častice do istých skupín. Tejto systematike pomohlo zavedenie nových častíc - kvarkov. Vznikla tak skupina leptónov a hadrónov, teda častíc, ktoré sú menšie ako atóm. Medzi leptóny patrí napríklad elektrón, pozitrón, mión a tak ďalej, teda častice bez vnútornej štruktúry. Medzi hadróny zase patria častice s vnútornou štruktúrou, napríklad neutrón alebo protón.
Ukazuje sa, že vnútorná štruktúra hadrónov je mimoriadne komplikovaná. Práve spomenuté kvarky pomohli pri ich systematizovaní. Experimenty ukázali, že kvarky tvoria tri takzvané generácie, alebo ak chcete rodiny. Máme šesť kvarkov - „u", „d", „s", „c", „b" a „t". Z týchto kvarkov je skutočne možné „poskladať" každý nám známy hadrón. Napríklad protón sa skladá z dvoch „u" kvarkov a z jedného „d" kvarku. Zistilo sa tiež, že kvarky medzi sebou „komunikujú" výmenou ďalších častíc - gluónov. Tieto fakty sú dnes základom popisu silnej interakcie, ktorú dnes za všeobecného súhlasu popisuje kvantová chromodynamika.
To je hypotéza?
Nie, máme v podstate istotu, že je to tak.
Nikto ich nevidel.
To je síce pravda, ale o ich existencii máme tisíce reálnych dôkazov. Prišlo sa na ne experimentmi, pri ktorých sme mohli sledovať javy, ktoré by sa bez kvarkov, ale aj gluónov, jednoducho nedali vysvetliť.
Čiže vedci majú rovnicu s nejakou neznámou, a aby im sedela, dosadili si na jej miesto kvark?
Ak to priveľmi zjednoduším, tak áno. Vedci sú totiž dosť ohraničení existujúcou technikou, preto nemôžu vidieť isté veci, hoci naozaj existujú. Navyše je možné, že niektoré javy možno v princípe nikdy neuvidíme priamo, trebárs voľné kvarky.
Čo možno pozorovať, keď sa zrazia hadróny?
Napríklad dve trysky, respektíve dva výrony častíc. Slovenčina na ne ani nemá svoj výraz, anglicky sa tomu hovorí jet. Keď potom zvýšite energiu, vidíte ich aj tri, a tak ďalej. Prípady, keď sa pozorujú dva jety, sa dajú ľahko vysvetliť existenciou kvarkov, ich priamou interakciou, tretí je nepriamym dôkazom existencie gluónov.
Nikdy ich teda neuvidíme?
To sa asi nikdy nepodarí. Roky sme na tom pracovali, ale pretože to nevyšlo, vypracovali sme teóriu, prečo ich vidieť nemôžeme.
Nie je to tak trochu alibizmus?
Určite nie, má to svoju hlavu aj pätu, trvalo roky, kým sa to celé vysvetlilo a zdôvodnilo. Toto je v podstate len odraz našej dnešnej úrovne poznania.
Pohľad do detektora ATLAS. Lesklý kruh v strede skrýva koncový kalorimeter, na vývoji a stavbe ktorého sa podieľali vedci a inžinieri z košického Ústavu experimentálnej fyziky SAV (ÚEF SAV).
Budeme sledovať „vesmír na Zemi"
Prejdime si jednotlivé experimenty.
TOTEM je jeden z dvoch najmenších. Jeho cieľom je štúdium rozptylu zrážok protónov na malé uhly. Ide totiž o procesy, ktoré sa dodnes vymykajú z dnes všeobecne akceptovaného popisu takzvanej silnej interakcie, teda kvantovej chromodynamiky. Nateraz poznáme štyri sily - gravitačnú, ktorá je zodpovedná napríklad za náš pád zo stoličky. To, že sa zastaví na podlahe, na ktorej je stolička, spôsobuje elektromagnetická sila. Že v našom svete prevláda hmota oproti antihmote, spôsobuje s najväčšou pravdepodobnosťou sila slabá a dôsledkom našej existencie, ktorá je hlavne daná väzbou neutrónov s protónmi, je sila silná.
LHCf je tiež relatívne malým experimentom. Realizuje sa v rovnakých priestoroch podzemia ako ATLAS, kým TOTEM leží v podzemnom priestore vedľa experimentu CMS. Snahou LHCf je sledovať „vesmír na Zemi". Na našu Zem dopadá kozmické žiarenie, ktoré má široké energetické spektrum. Je pritom o osem rádov väčšie, ako bude energia zrážok na LHC. Fyzikálnym trikom sa dá ukázať, že keď sa prejde do vhodnej sústavy zrážky, v ktorej jedna častica bude stáť a druhá do nej nalietavať, dosiahne sa energia 1017 elektrónvoltov. To je energia, pohybujúca sa zhruba v strednom pásme kozmického žiarenia.
Akú najvyššiu energiu dosahuje kozmické žiarenie ?
Až 1022 elektrónvoltov. Oproti kozmickému žiareniu má tento experiment tú výhodu, že všetko je pod kontrolou.
Prečo to nemôžeme robiť priamo vo vesmíre?
Je to nemožné, lebo protón, ktorý predstavuje najväčšiu časť kozmického žiarenia, prosto letí k nám, pričom my vôbec nepoznáme jeho presnú energiu v čase zrážky. V CERNe budeme môcť sledovať všetko, čo nás zaujíma. Takáto kontrola správania sa kozmického žiarenia je dôležitá vec.
Dotyk s človekom z antičastíc by znamenal explóziu
Ďalším experimentom je LHCb.
Poviem to zjednodušene - má za cieľ zaoberať sa príčinou, prečo je okolo nás potlačená antihmota, teda de facto slabou interakciou. Tá má na svedomí rad narušení symetrií, jednou z nich je napríklad v matematickom objekte, opisujúcom daný fyzikálny stav, narušenie jeho symetrie voči zámene znamienka elektrického náboja alebo voči súčasnej zámene elektrického náboja a zrkadlovému pootočeniu. Veríme, že hlavne posledne spomínané narušenie symetrie je zodpovedné za pozorovanú prevahu hmoty oproti antihmote.
Len pre zaujímavosť - ako by vyzeral človek, zložený z antičastíc?
Rovnako ako vy, akurát by bol opačne elektricky nabitý. Dotyk s ním by teda znamenal explóziu. Aj preto je svet zložený z hmoty a antihmoty je o 1010 menej.
Kedy bude možnosť vidieť antihmotu kdesi na výstave?
(smiech) To bude zložité. Vedci ju už možno v kozme pozorujú, aspoň si to niektorí z nich myslia. My ju ale bežne vidíme v interakciách častíc medzi sebou. Ide však len o časové úseky zlomkov zo zlomkov sekúnd. Napríklad každú sekundu dopadá z kozmu na zem žiarenie, ktoré má veľmi široké energetické spektrum. Ako som už povedal, zväčša ide o protóny, ktoré narážajú na atmosféru, zloženú z protónov a neutrónov. Ich zrážkami vznikajú aj antičastice, ktoré sa vzápätí ďalšími interakciami menia na častice.
Vráťme sa k cieľu experimentu. Čo konkrétne sa bude skúmať?
Budú sa študovať de facto veľmi ťažké kvarky „c" a „b", ktoré vykazujú vyššie spomenuté vlastnosti.
Pracovník ÚEF SAV Pavol Striženec na zmene v riadiacej
miestnosti experimentu ATLAS.
Experimenty teóriu Veľkého tresku podporujú
Čo ALICE?
Orientuje sa na získanie dôkazov o takzvanej kvark-gluónovej plazme. Už z názvu je jasné, že by sa mala skladať z kvarkov a gluónov. Otázne však je, či ju uvidíme. Vyskytovala sa už v čase, keď vesmír existoval len chvíľočku po svojom vzniku. Veľká väčšina fyzikov z tejto oblasti tvrdí, že ju už pozorovali, existuje dokonca oficiálna správa, že sa to podarilo aj v CERNe v rámci iných experimentov. Osobne tomu neverím a nie som sám. Keď však získame skutočne nespochybniteľné dôkazy o jej existencii, budeme vedieť, ako to vyzeralo pár okamihov po Veľkom tresku. Prestane to byť len hypotézou a teóriou.
V prípade, ak sa Veľký tresk udial.
Pred dvomi rokmi bola udelená Nobelova cena za experimenty, ktoré teóriu Veľkého tresku podporujú.
Konkrétne?
Pokiaľ viem, existujú minimálne dva silné efekty, ktoré to potvrdzujú. Jedným z nich je reliktové žiarenie, druhým je pozorovaná jeho veľmi slabá anizotropia(jav, respektíve nerovnomernosť, spočívajúca v tom, že fyzikálne vlastnosti látky sa menia podľa smeru, v ktorom tieto vlastnosti meriame, pozn. autora). Poviem príklad - keby ste mali malú guličku, v ktorej by boli praskliny, trebárs špendlíkovú hlavičku, a za nekonečne krátky čas, trebárs za 10-55 sekundy, by ste ju nafúkli na rozmer 1056 metra, čo zhruba odpovedá tomu, ako keby ste ju chceli za ten čas dostať zo Zeme niekam za Pluto, mikroskopické praskliny by sa stali makroskopické.
K čomu smerujete?
Keby sa to podarilo, videli by sme efekty mikrosveta v makroskopickom merítku, čo by teóriu Veľkého tresku silne podporilo.
Verím, že uvidíme aj veci, ktoré neočakávame
Posledné dva experimenty sú CMS a ATLAS.
V podstate sú rovnaké, ale treba povedať, že CMS je z technického hľadiska menší. Oba sú unikátne. Používa sa v nich top svetová technológia a elektronika. Primárnym cieľom je štúdium protón-protónových zrážok a snaha zistiť existenciu takzvanej Higgsovej častice, respektíve častíc. Máme model, hovoríme mu Štandardný, ktorý aj keď má voľných 17 parametrov, vysvetľuje úplne všetko, čo nateraz pozorujeme. Vyžaduje si však existenciu práve Higgsovej častice, ktorá by mala byť zodpovedná za hmotnosť častíc ako takých. Protón je napríklad od elektrónu ťažší až 1856-násobne, otázkou je, prečo. Niektoré teórie napríklad hovoria, že Higgsova častica nie je len jedna, ale je ich minimálne päť. Urýchľovač by ich mal detekovať, prípadne povedať, že žiadna taká častica neexistuje.
Higgsova častica je teda pre vedcov stále veľkou neznámou?
Nie. Problémom a veľkou neznámou je skôr existencia zvláštnej vlastnosti, ktorej sa hovorí supersymetria. V rámci Štandardného modelu sa dá radikálna zmena vo fyzike očakávať až pri zvýšení energie zrážky o 13 rádov oproti dnes dosahovanej. Inak povedané, ukazuje sa, že svet akoby 13 rádov nemal žiadnu význačnú energetickú hladinu. Zjednodušene to znamená, akoby sme s rastom energie zrážok nepozorovali zásadný rozdiel medzi svetom pri našej energii (do jedného TeV) a svetom s energiou 1013 TeV, kedy by sa mohla zjednocovať slabá, elektromagnetická a silná interakcia v interakciu jednu.
Prečo je to zvláštne?
Lebo to znamená, že nami pozorované interakcie sa v tomto energetickom intervale navzájom dokonale eliminujú a my pozorujeme len vákuum. Naším problémom je, že tento fakt nevieme matematicky opísať a nateraz jedinou cestou je zavedenie novej, ale oveľa ťažšej častice ku každej dnes pozorovanej častici v Štandardnom modeli.
Ťažšej?
Áno. Ťažšej preto, lebo ju nepozorujeme, a nepozorujeme ju práve preto, že je ťažká, nedostupná pri energiách, ktoré dosahujú dnešné urýchľovače. Práve tu je, aspoň podľa mňa, asi najväčší objaviteľský potenciál LHC. Budeme tiež môcť sledovať zrážky, ktorá nám umožnia študovať strašne zriedkavé veci, trebárs vlastnosti nateraz najťažšieho „t" kvarku, alebo tau-leptónu. Najkrajšia na týchto experimentoch je však asi fyzika nepoznaného. Uvidíme totiž zrejme aj veci, a ja tomu verím, ktoré vôbec neočakávame.
Napríklad?
Môže tam patriť extradimenzia, mikroskopické čierne diery, prípadne niečo ešte zaujímavejšie. Čas ukáže.
Rozhovor bol autorizovaný, Dušan Bruncko v prepise nič nezmenil.
Medzititulky: Redakcia
Všetky predchádzajúce rozhovory si môžete prečítať tu.
