Velký urychlovač hadronů: hledání "božské částice" a dalších věcí (1)

„Jsme si absolutně a totálně jistí, stejně jako vloni, že LHC je dokonale bezpečný. V žádném případě se neobávám, že bude zničen svou vlastní budoucností!“
Lyndon Evans PhD., fyzik a manažer, konstrukce LHC

„Jsme si opravdu jistí, že s LHC najdeme Higgsův boson nebo něco podobného, co nám pomůže vysvětlit, co se děje ve vesmíru.“
Steven Goldfarb PhD., spektometr mezonů LHC, experiment ATLAS

Přímý pohled na část 27 km dlouhého kruhového akcelerátoru Large Hadron Collider (Velký urychlovač hadronů – LHC). Obrázek poskytl CERN LHC.

Podle některých teorií mohou být při srážkách částic vytvořeny mikroskopické černé díry, které se objevují, když velmi vysokoenergetické kosmické paprsky narazí do částic v naší atmosféře. Tyto mikroskopické černé díry se během malého zlomku vteřiny rozpadnou do běžných částic a je velmi obtížné je v naší atmosféře pozorovat. Experiment ATLAS nabízí vzrušující možnost studovat je v laboratoři (pokud skutečně existují).

Na obrázku výše je vyobrazená simulovaná srážka z pohledu podél trubice s paprsky. Při této události byla vytvořena mikroskopická černá díra při srážce dvou protonů (neukázáno). Mikroskopická černá díra se okamžitě rozpadla na mnoho částic. Barvy drah znázorňují různé typy částic vzniklých ze srážky (ve středu). Počítačovou grafiku a skutečný obrázek Velkého urychlovače hadronů uvedený níže poskytl CERN LHC.

Tento počítačem vytvořený obrázek znázorňuje umístění 27 km dlouhého tunelu LHC (modře) asi 91 m pod zemí na švýcarsko-francouzské hranici. Čtyři hlavní experimenty (ATLAS, CMS, ALICE a LHCb) jsou umístěny v podzemních dutinách spojených s povrchem 50 až 150 metrovými šachtami. Část předakceleračního řetězce je znázorněna šedou barvou. Obrázek poskytl CERN LHC.

19. listopadu 2009, CERN Ženeva, Švýcarsko – Od pátku 20. listopadu 2009 se na hranici mezi Švýcarskem a Francií nedaleko Ženevy, 91 metrů pod zemí, lidé opět pokusí zahájit vyrábění subatomových energií podobajících se těm při velkém třesku. V časných hodinách sobotního rána by měl ve 27 km dlouhém podzemním kruhu LHC kolovat jedním směrem první svazek částic. Pak by měl krátce poté začít v protisměru kolovat druhý svazek. Ale první nízkoenergetická srážka nenastane dřív než přibližně o týden později.

Cílem je porozumět tomu, jak je vesmír tvořen na subatomové úrovni, která vytváří naše hmotné světy spolu se záhadnou temnou hmotou, porozumět temné energii a kvantové teorii supersymetrie. Evropská organizace pro jaderný výzkum, známá pod zkratkou CERN, vybudovala největší laboratoř částicové fyziky na světě, zvanou Large Hadron Collider, neboli LHC. Hadrony jsou částice tvořené kvarky udržovanými pohromadě velkou silou. Srážky protonů v urychlovači blížící se rychlosti světla by mohly konečně odhalit jiné částice a extra dimenze, o kterých moderní fyzici teorizují.

Před rokem, 10. září 2008, když byl LHC nastartován k testům protonových srážek, způsobila vadná kabeláž a slabé svařované spoje díru do stěny urychlovače, roztavení několika velkých supravodivých magnetů a únik kapalného hélia do tunelu.

Po celém roku mnoha oprav a vylepšení se vědci a inženýři z CERN připravují na skutečné protonové srážky. To, co by mohlo z vysokoenergetických srážek vzniknout je chimérický Higgsův boson, který ještě nebyl nikdy předtím zjištěn, ale o kterém se vědci domnívají, že je zodpovědný za hmotu každé částice a je klíčem ke konstrukci vesmíru. Proto je láskyplně nazýván „božskou částicí“. Nedávno fyzici institutu Niels Bohr vytvořili hypotézu, že Příroda jako taková zasahuje do objevení Higgsova bosonu využitím budoucnosti k sabotování Large Hadron Collideru. Navíc se vloni objevila nepodložená fáma, že LHC může vytvořit miniaturní černé díry, které mohou zničit Zemi.

Ale CERN tvoří šedesát členských evropských států zastupujících 500 univerzit. Nejméně 10.000 fyziků netrpělivě očekávají fungování LHC a nikdo z nich se neobává miniaturních černých děr nebo zásahu z budoucnosti. Pokud půjde všechno dobře, bude LHC do Vánoc provádět 2,2 trilion elektronvoltové testy. Následný plán pak je, že do února 2010 se zvýší výkon LHC nejméně na trojnásobek maximální energie Fermiho laboratoře v Chicagu, Illinois. Fermiho laboratoř soutěží s fyziky LHC o to, aby byla první, kdo objeví Higgsův boson.

Ve skutečnosti se výzkumný fyzik Michiganské univerzity a odborník na mezony, Steven Goldfarb PhD., vsadil s jedním ze svých kolegů z CERNu, že jeho spektrometr mezonů v experimentu ATLAS, jednom ze čtyř, které budou v LHC fungovat, bude první, který objeví Higgsův boson.

Nedávno jsem s ním mluvila o LHC, které se vrací ke své činnosti v prostředí nervozity veřejnosti a médií týkající se miniaturních černých děr a sabotáže z budoucnosti.

Steven Goldfarb PhD., výzkumník mezonového spektrometru LHC, experiment ATLAS a výzkumný fyzik, Michiganská univerzita, před „Velkým kolem“ LHC, Ženeva, Švýcarsko. Obrázek poskytl Steven Goldfarb.

Rozhovor

Steven Goldfarb PhD., výzkumník mezonového spektrometru, experiment ATLAS, CERN a Michiganská univerzita, Ženeva, Švýcarsko:

Když se dostaneme k první srážce, která bude při 1 TeV – což je tisíc miliard elektronvoltů (eV) – až se tam dostaneme a uskutečníme srážky, bude skutečná energie těchto srážek podobná mouše mávajícími křídly. Takže z lidského hlediska je to extrémně nízká energie. Z našeho hlediska a naší schopnosti vytvořit hutné srážky tohoto druhu, je to vyšší energie, než jakou jsme doposud vytvořili.

PROTOŽE TOTO JE JEDEN Z NEJNERVÓZNĚJI OČEKÁVANÝCH EXPERIMENTŮ VŠECH DOB DÍKY SKUTEČNOSTI, ŽE PŘED ROKEM DOŠLO K ROZTAVENÍ NĚKOLIKA OBROVSKÝCH SUPRAVODIVÝCH MAGNETŮ, BYLY ZDE POKUSY O ÚPLNÉ ZASTAVENÍ CELÉHO VELKÉHO URYCHLOVAČE HADRONŮ KVŮLI OBAVĚ, ŽE BY MOHLY BÝT VYTVOŘENY MINIATURNÍ ČERNÉ DÍRY A MOHLO BY TO SKONČIT NIČENÍM ZEMĚ – TO BYLA JEDNA VĚC.

A DRUHÁ VĚC, VZNESENÁ TEĎ KE KONCI ROKU 2009, PŘIŠLA Z TEORETICKÉ PRÁCE HOLGERA NIELSENA (NEILS BOHR INSTITUTE), VE KTERÉ TVRDÍ, ŽE SAMOTNÝ POKUS O NALEZENÍ HIGGSOVA BOSONU MOHL JAKÝMSI ZPŮSOBEM VYPROVOKOVAT VESMÍR Z BUDOUCNOSTI K TOMU, ABY ZASTAVIL VELKÝ URYCHLOVAČ HADRONŮ.

MOHL BYSTE SE K TĚMTO VĚCEM VYJÁDŘIT JAKO FYZIK, KTERÝ TAM PRÁVĚ TEĎ PRACUJE S MEZONY?

Moc rád. Je velmi zábavné, když mají lidé velkou představivost a zcela jistě nás to uvrhlo do světla reflektorů. Ale dovolte mi začít komentářem k první záležitosti, která se objevila léta předtím, než jsme začali s projektem LHC – a to, že vytvoříme miniaturní černé díry a zničíme Zemi. Ti, kteří takto protestovali, nebyli vědci! Nebyli absolutně žádní vědci, kteří by řekli, že existuje jakákoliv možnost způsobení škody.

Dovolte mi vysvětlit, proč si jsem tak jistý, že je to ve skutečnosti mylná představa. Toto se nemůže stát (vytvoření černých děr, které by pohltily Zemi). Zeptejte se kteréhokoliv fyzika a on vám to řekne. Důvodem je, že to, co v LHC – i když budujeme největší urychlovač, jaký kdy byl postaven, pracující s největší energií – vytvoříme při srážkách v jeho středu, provedla již dávno matka příroda deseti tisíckrát a to mluvím jen o naší sluneční soustavě, například.

Ve vesmíru existují kosmické paprsky velmi vysoké energie a je jich hodně. Během našeho rozhovoru projdou skrz každého, kdo jej poslouchá, mezony mnohosetkrát. Takže tyto věci se již dějí a vše, co v LHC děláme je, že svádíme tyto částice dohromady na jednom místě pod něčím, co bych nazval obrovskými mikroskopy. Naše detektory jsou v podstatě mikroskopy navržené k tomu, aby se dívaly na nejmenší kousíčky přírody. LHC urychlovač pouze zkoncentruje všechny tyto částice dohromady na místo, kde je můžeme měřit.

A protože matka příroda to už udělala nesčetněkrát a svět tu pořád je – nebyly černé díry vytvořeny díky těmto procesům. Takže můžete s celkem dobrou jistotou říct, že nebudeme schopni tohoto dosáhnout (vytvořit černé díry). (Bože, závidím vědcům tu neochvějnou sebejistotu. Jen se obávám, že člověk není "matka příroda", pozn. J.Ch.).

Důvod, proč se ve hře vůbec objevilo slovo „černá díra“ je, že existovala velice fascinující teorie předložená jedním studentem Harvardské univerzity, který se ptal: „Co když jsou tam venku další dimenze?“

Nemůžeme jednoduše tyto další dimenze postřehnout, a přesto tam jsou. A mohlo by být možné, že když se podíváme na hustotu energie srážek, které máme v LHC, mohlo by být možné, že se nám na ně naskytne malý pohled. Mohlo by to například vysvětlit, proč je gravitace tak slabá – proč v naší dimenzi vidíme pouze malou část gravitace.

Jeden z pohledů, které máme, je, že pokud bychom byli schopni toto změřit, viděli bychom to, co je nazýváno „miniaturními černými dírami“. Byly by to věci, které se v okamžiku objeví a zmizí a to, co by nám po nich zbylo, by byl houf částic, které vystřelují. Viděli bychom houf částic, které z nich vystřelují, a to je vše! Nebudeme svědky zmizení Země, ale uvidíme něco nového. V technickém smyslu je to černá díra. Ne v tom smyslu, v jakém každý zná černé díry, které jsou vytvářeny obrovskými masami, obrovskými hvězdami, které zestárly, dosvítily a zbortily se do sebe. A ve vesmíru je ohromné množství masy, která je tvoří. V LHC jsme daleko na druhé straně škály!

Takže cokoliv, co stvoříme, okamžitě zmizí a poskytne nám nějaké malé stopy. Bylo by vzrušující to vidět.

BYLO BY VZRUŠUJÍCÍ, KDYBYSTE SKUTEČNĚ ZACHYTILI DŮKAZY O VYTVOŘENÍ MINIATURNÍ ČERNÉ DÍRY.

Ano, byli bychom nadšeni! Dalo by nám to nový obrázek, proč existuje tak široké spektrum sil a poskytlo by nám to představu o tom, kde hledat v budoucnosti novou fyziku.