Stojíme v priestore kdesi na hraniciach medzi Švajčiarskom a Francúzskom, kúsok od Ženevy a drobnej francúzskej obce Thoiry. Presúvame sa medzi jednotlivými krajinami, no viac než cezhraničná spolupráca je zaujímavý dôvod, prečo tak robíme.
Pod zemou, zhruba v stometrovej hĺbke by ste narazili na rozsiahly, dvadsaťsedemkilometrový tunel. A na štyroch miestach v tomto tuneli by vašu prípadnú prechádzku zastavili obrovské, desiatky metrov vysoké jaskyne.
V týchto jaskyniach stúpajú od podlahy až nahor ohromné kovové konštrukcie, kilometre káblov a nosníkov, plochy a plošiny, po ktorých sa môžu vybrať na kontrolu inžinieri či fyzici.
Sú to srdcia modernej časticovej fyziky, experimenty, v ktorých sa pretínajú zväzky častíc, zrazia sa a vo výslednej spŕške vedci hľadajú odpovede na základné tajomstvá vesmíru. To najslávnejšie donedávna bolo, prečo všetky veci okolo nás vôbec majú hmotnosť.
Sme v podzemí Európskej organizácie pre jadrový výskum (CERN) a celý príbeh o tisíctonových časticových detektoroch sa v skutočnosti začína fľašou s vodíkom.
Ozrutný stroj
Prvým krokom sú atómy vodíka. Z fliaš vedci získajú jednotlivé atómy a zlúpu z nich elektróny. Zostanú protóny a tie pošlú do zariadenia so záhadným názvom PS Booster. V podstate je to prvý zo série urýchľovačov, ktorý protónom dodá energiu 1,4 gigaelektrónvoltov.
Potom sa častice presúvajú, najskôr do Proton Synchrotronu, kde sa urýchlia na 25 GeV a neskôr do jeho superdvojčaťa, asi sedemkilometrového urýchľovača Super Proton Synchrotron.
Tam inžinieri a obsluhujúci technici vytiahnu protóny až na 450 GeV, a až potom putujú do tunela Veľkého hadrónového urýchľovača (LHC), kde sa dostanú na rekordné energie a jedenásťtisíckrát za sekundu prekonávajú celú jeho vzdialenosť.
Z pohľadu fyziky je však viac než samotný technologický postup zaujímavý jeho koniec. Tam sú totiž netrpezliví fyzici a ich obrovské experimenty.
V detektoroch sa protóny alebo ióny olova zrazia a výsledkom po zrážkach býva spŕška ďalších častíc, ktoré sa rýchlo rozpadávajú na iné kúsky. Práve takto vedci objavili aj Higgsov bozón.
„Tá zrážka napodobňuje systém, kde je teplota stomiliónkrát väčšia ako vnútri Slnka,“ vysvetľuje Stanislav Tokár z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského. Je jedným z takmer stovky Slovákov, ktorí nejakým spôsobom spolupracujú s CERN-om. „Energie sú to obrovské, a preto potrebujeme aj obrovské detektory.“
Sme hlboko pod zemou, kam nás odviezol výťah len s tlačidlami nula, mínus jedna a mínus dva. A vidíme pred sebou rozobratý experiment ATLAS.
Je taký veľký, že ho jediným pohľadom ani neobsiahnete. Keďže fyzici majú práve dvojročnú odstávku, vytiahli niektoré z jeho vnútorností a pripravujú ich na vyššie energie. Presnejšie, na dvojnásobok oproti tým, ktorými sa zväzky častíc v hadrónovom urýchľovači zrážali až dosiaľ.
Celý, takmer päťdesiatmetrový detektor má výšku viac ako dvadsať metrov. A ako je človek oproti sedemtisíctonovému zariadeniu maličký, uvidíte v okamihu, keď na plošine k tejto ozrutnej fyzikálnej skladačke začnú stúpať inžinieri. Sú naozaj drobní.
„Ono je to v podstate gigantický mikroskop,“ dodáva Tokár. „Jeho rozlišovacia schopnosť je asi miliardkrát lepšia ako najlepšie elektrónové mikroskopy.“
Človek si to lepšie predstaví v nejakých pomeroch. Povedzme, že protón je teraz častica, ktorá má z pohľadu LHC asi desať metrov. Atómové jadro má, zhruba sto metrov. Samotný atóm má v takomto prípade asi tisíc kilometrov.
Ak urýchľovač po odstávke nabehne na svoj sľubovaný výkon, atóm by sa preň javil ako Jupiter.
Detektor ATLAS. Na jeho výstavbe sa podieľali aj Slováci.
Vybrať iba zaujímavé
Tie prilietavajúce častice sú v pohybe. Presnejšie, tisíce zväzkov, pričom v každom je zhruba sto miliárd protónov. Pretnú sa práve v experimente, kde fyzici sledujú následky. Len v ATLAS-e nastáva zhruba miliarda zrážok každú sekundu. Fyzici si však vyberajú.
„Nie všetky zrážky sú rovnako zaujímavé,“ hovorí Karel Šafařík, ktorý vedie fyziku ďalšieho z detektorov, ALICE. „Ani nemáme možnosť zapísať si dáta o všetkom. A tak filtrujeme.“
Takéto filtre, na fyzickej i softvérovej úrovni, pomáhajú vedcom zamerať sa na udalosti, ktoré sú naozaj zaujímavé. Napríklad na stopovanie Higgsovho bozónu.
Pritom samotní takíto stopári, veľké detektory pripomínajú matriošky. Napríklad ATLAS má niekoľko vrstiev.
V strede je akési jadro, vnútorný detektor, ktorý meria moment každej nabitej častice. Nad ním vrstva kalorimetrov, z ktorých niektoré na viacerých zariadeniach vznikli dokonca na Slovensku. Práve na ATLAS-e pracovala aj skupina Dušana Bruncka z Ústavu experimentálnej fyziky SAV.
Kalorimeter meria energie jednotlivých častíc. Veľké magnety zase ohýbajú nabité častice tak, aby mohli odmerať ich moment. A na konci sú spektrometre, ktoré chytajú a merajú takzvané mióny, akýchsi hmotnejších bratrancov elektrónov.
„Ak máte miliardu zrážok za sekundu a pri každej sto miliónov čísiel, ide o nepredstaviteľné toky,“ opakuje aj Tokár. „Musíte mať systémy, ktoré to dokážu spracovať. Navyše, my si z tej miliardy zapisujeme zhruba len tristo zrážok. A to sú tie zaujímavé.“
Zaujímavé tak bolo aj hľadanie dôkazu, že akési tajomné pole, ktoré dáva ostatným časticiam hmotnosť, sa prejavuje aj vo forme objaviteľnej častice.
Trvalo to štyri desaťročia a predchádzajúce urýchľovače aspoň naznačili oblasť, kde by mali časticoví fyzici hľadať.
Ale až minulý rok vedci zaznamenali objav a tento rok ho CERN potvrdil. Práve na ATLAS-e a detektore CMS fyzici narazili na slávny Higgsov bozón. Peter Higgs a Francois Englert zaň tento rok dostali Nobelovu cenu za fyziku.
Detektor ALICE. Jeho fyziku vedie Karel Šafařík.
Len taká zoológia
ALICE je výrazne menší a vlastne aj trošku krajší detektor ako ATLAS na švajčiarskej strane hraníc. A dominujú mu veľké červené železné dvere. Sú otvorené, keďže protóny teraz neprúdia. Počas plnej prevádzky do seba dva bloky zapadnú a celé vnútro detektora ukryjú.
Tu sú experti na taký mladý vesmír, že naň nedosiahnu ani astronómovia. Fyzika jednoducho nepustí, pomocou teleskopu sa síce môžete zahľadieť do poriadnej diaľky - a čím sa pozeráte ďalej, pozeráte sa aj hlbšie do minulosti. No aj keď budete mať akokoľvek výkonný ďalekohľad, neprekročíte nielen rýchlosť svetla. Ale ani inú základnú hranicu, ktorá nastala ani nie 400-tisíc rokov po veľkom tresku.
Až vtedy začali elektróny obiehať okolo jadier a vznikli prvé stabilné atómy. A až vtedy sa vesmír stal priehľadným. Ak sa preto chcete dostať k veľkému tresku bližšie, do obdobia v mikrosekundách po tejto udalosti, potrebujete urýchľovače a detektory.
„Vieme si tu urobiť malý veľký tresk,“ usmieva sa Šafařík, keď vysvetľuje, na čo sú vlastne na ALICE špecialisti. „Naším problémom je, že môžeme hmotu zahriať len na teplotu, aká panovala niekoľko mikrosekúnd po veľkom tresku. Ale to sa veľmi rýchlo rozpadne a my detekujeme produkty tohto rozpadu. Až z toho počítame, čo sa vlastne stalo.“
Hovorí o kvarkovo-gluónovej plazme. Zohriata hmota s extrémnou hustotou jestvovala práve krátko po veľkom tresku. Lenže zároveň je kľúčom k vesmíru, tak ako ho dnes poznáme, a možnou odpoveďou na mnohé otázky - napríklad, prečo je svet vôbec hmotný.
Pritom celú podstatu tejto práce si môžete predstaviť ako situáciu, keď proti sebe hodíte dve skladačky z lega. Presnejšie, veľmi veľa skladačiek z legových kociek a pozeráte sa, čo vám po ich zrážke zostane.
Obzvlášť zaujímavé sú prípady, keď kocky do seba náhodou – aj keď v tomto prípade to nie je náhoda, ale fyzikálne zákony – zapadnú a vytvoria čosi nové.
„Podľa štandardného modelu máme tehličky,“ pripomína Šafařík. „A z týchto tehličiek môžeme poskladať prakticky neobmedzené množstvo častíc. Nie je to totiž iba kombinácia tehličiek, ale aj ich kvantovo-mechanických vlastností. A čím ideme do vyšších hmotností, je tých častíc viac a viac.“
Dnes poznáme viac než tisíc takýchto častíc. Lenže fyzici zdôrazňujú, že mnohé z nich už nezaujímajú nielen širokú verejnosť, ale ani odborníkov. Pretože systém funguje presne tak, ako hovoria naše teórie.
„To je už len taká zoológia. Pretože všetky zapadajú do systému, ktorý už poznáme.“
Tunel Veľkého hadrónového urýchľovača.
Nová fyzika
Ak znovu prejdete hranicami a prídete na recepciu CERN-u a budete sledovať čiernu čiaru nakreslenú na podlahe, dostanete sa napríklad do veľkej jedálne. Keď si však urobíte krátku odbočku, môžete si pozrieť miesto, kde prakticky vznikol internet v takej podobe, v akej ho dnes všetci poznáme.
Počas preplneného obeda však možno budete mať šťastie a nájdete si pohodlné miesto, usadíte sa a budete sa so svojimi susedmi rozprávať trebárs o časticiach, ktoré sa do tunela pod zemou vrátia o dva roky. Alebo odhadovať, kto z ľudí v miestnosti je z ktorej krajiny a prípadne, či niekto z nich už má Nobelovu cenu.
Práve tu sa dejú rozhovory, ktorých výsledkom sú spolupráce. A výsledkom spoluprác nápady, ktoré ak sa schvália, pokračujú vedeckým výskumom. Tým, ktorý prebieha prakticky pod vašimi nohami.
Tam sa za normálnej prevádzky zrážajú zväzky protónov či ióny olova, vďaka týmto zrážkam sa hľadajú odpovede na otázku, prečo je svet z hmoty a nie z antihmoty, kde sa stále ukrýva tmavá hmota a energia, a čo je za štandardným modelom.
Objav Higgsovho bozónu je len najviditeľnejším znakom tohto úsilia. A najpopulárnejším.
„Keď Peter Higgs dostal Nobelovu cenu, tu sa oslavovalo,“ priznáva na záver Stanislav Tokár. „Bolo dobré, že sa našiel i že mal tie vlastnosti, ktoré sme očakávali. Zúžil sa totiž priestor pre teoretikov.“
Experimentálnym fyzikom to však trochu skomplikovalo prácu. No ak sa v najbližších rokoch objaví nová fyzika, práve Veľký hadrónový urýchľovač bude tým najpravdepodobnejším miestom, kde na ňu časticoví fyzici narazia.
Cestu spolufinancoval CERN.
Autor: Tomáš Prokopčák I FOTO SME - Vladimír Šimíček
