Tisíce vědců po celém světě se dočkaly. Tento týden v evropské laboratoři jaderného výzkumu CERN totiž spustili největší urychlovač částic dosavadních dob. Dvacet sedm kilometrů dlouhý tunel urychlovače je umístěn až téměř dvě stě metrů pod zemským povrchem. Na jeho výstavbě se podílelo desetitisíce vědců z celého světa, také z České republiky. Z experimentů na něm prováděných se možná dozvíme, z čeho je tvořen vesmír, jak vznikl a jestli existuje ještě další rozměr prostoru kromě toho dosud známého. Nebo se nedozvíme nic. O ženevském urychlovači a výzkumu na něm prováděném hovořil Jiří Niederle, teoretický fyzik, vedoucí vědecký pracovník Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky a předseda komise pro spolupráci České republiky s CERN. V Interview ČT24 z 12. září ho přivítal František Lutonský.
„Urychlovač je pro fyziky něco jako mikroskop pro biology,“ říká fyzik Jiří Niederle
Informací o obřím urychlovači bylo tento týden opravdu mnoho. Je to obrovský, zhruba sedmadvacet kilometrů dlouhý tunel umístěný v hloubce asi dvě stě metrů. Co dál?
Je to nejsložitější zařízení, které lidé doposavad vybudovali. Jakési srovnání by snad mohlo být, když se vytvářela atomová puma za druhé světové války a pak snad jen let na Měsíc. Ovšem toto je ještě mnohonásobně komplikovanější záležitost.
Nejde o to, že byl ve středu v deset dvacet osm urychlovač nastartován, nejde o to, že někdo zmáčknul nějaký knoflík. Jde o to, že se muselo podařit synchronizovat tisíce a tisíce součástek s přesností synchronizace na miliardtiny za vteřinu.
Také velikosti a všelijaké citlivosti tohoto zařízení jsou neočekávané. Stačí třeba, aby v Ženevě pršelo, a už se to projeví. Stoupne totiž trochu hladina v Ženevském jezeře, to zatlačí na geologické vrstvy a trochu změní i oblast, ve které je umístěn urychlovač. To se pak už musí kompenzovat, protože jinak by urychlovač přestal fungovat. Také je to citlivé na Měsíc. Jako jsou přílivy a odlivy, tak i tento kruhový tunel se deformuje polohou měsíce.
Teď možná hloupá otázka. Může to vůbec někdy běžet?
Jak vidíte, už to bylo nastartováno, ale neběží to v pracovním režimu. Tento urychlovač je takzvaný srážeč. To jsou dva urychlovače, kde svazky částic, které se urychlují, běží proti sobě a v určitých místech je zařízení, které způsobí, že se srazí.
Takže se to zatím podařilo nastartovat tak, že svazky proběhly jednotlivé dráhy, jak mají. Svazky totiž musíte zahýbat, protože to je kruhový tunel, a za druhé je musíte co možná nejvíce ztenčit. Tím dosáhnete toho, že je větší pravděpodobnost při srážce, protože je tam větší hustota.
K čemu je to vlastně celé dobré? Co vědci zjistí, co je tím primárním cílem?
Primární cíl celého oboru fyzika částic je poznat nejelementárnější bloky materie, z kterých je celé naše okolí sestaveno, a síly, které mezi těmito bloky působí. A pak vysvětlit to, jak vznikl vesmír a v něm galaxie, hvězdy a nejsložitější objekt, což je člověk, který je schopen myslet, přemýšlet o sobě atd.
To všechno má spoustu otevřených otázek, a proto se lidé snaží prohloubit naše poznatky o vesmíru a celém okolí. Urychlovač je potom vlastně pro fyziky zařízení, jako jsou pro biology mikroskopy nebo pro astronomy dalekohledy a teleskopy.
Není možné nasimulovat podmínky, které při vzniku vesmíru byly? Přiblížit se jim s velkou pravděpodobností?
Ano, simuluje se to. Až bude dosažena pracovní energie (14 TeV), svazky částic se budou srážet s energií, jakou má superevropský vlak, který jede stopadesátikilometrovou rychlostí. Svazek částic je přitom tenčí než lidský vlas.
Jak je vůbec možné dosáhnout toho, že se na trase dlouhé sedmadvacet kilometrů srazí?
Přesnost, která je dosažena, je taková, že kdybyste vypustil dvě jehly z obou protilehlých konců Letenského tunelu, docílil byste toho, že by se uprostřed srazily.
Jak částici dostanu do urychlovacího zařízení? Jak ji rozhýbu, jak docílím trasy?
Na elektricky nabité částice působí jak elektrické, tak magnetické pole. Nejdřív se proto vyrobí částice, jako jsou třeba protony, které jsou součást jádra atomu. Ty jsou pak pomocí elektrických pulsů nebo radiové vlny strženy a unášeny jako oblaka a urychlovány.
V CERN je zajímavé, že využívají celý komplex urychlovačů, takže mají předurychlovací stupně. Do dalšího stupně určitého urychlovače už se proto dostávají předurychlené protony, které se pohybují skoro rychlostí světla (od rychlosti světla ve vakuu se liší až na desáté cifře).
Když se svazky částic srazí, dojde k imitaci toho, co se dělo v raných etapách po takzvaném velkém třesku. Od velkého třesku jsme přitom jen malé zlomky vteřiny - jsme velmi blízko úplného počátku všeho, co nás obklopuje, včetně nás.
To je potřeba nějakým způsobem zaznamenat…
Ano. Proto nemáme jen urychlovač, ale i detektor, který je schopen zaregistrovat, co vzniklo při srážce. Během ní totiž vznikne stovky až tisíce částic. Detektor má válcovitý tvar, v jeho ose proudí urychlované svazky částic, které se sráží uprostřed detektoru. Ten je proto vytvořen jako cibule ve vrstvách, kdy každá vrstva zaznamenává jistý typ částice. Nakonec tak máte obrovské množství dat.
Takže nepřekvapí, že CERN je dobrý nejenom ve fyzice, ale musí být dobrý i ve zpracování informací a výpočetní technice. Je to proto také laboratoř, kde vznikl world wibe web (www) už z dřívějších požadavků právě na ohromné množství zpracování dat. Ovšem nových dat, která budou vznikat, až bude urychlovač plně fungovat, bude tolik, že CERN nebude mít takovou výpočetní kapacitu.
Posbíraná data z detektoru bude potřeba někam umístit…
Při experimentech je použito zhruba sto čtyřicet milionů senzorů. CERN je schopen zpracovat zhruba čtyřicet milionů informací za vteřinu. Jenže informací bude mnohem víc, protože srážek bude vznikat skoro miliarda za vteřinu. Proto musejí hledat nové řešení, jak zpracovat toto ohromné množství.
Spočívá to v tom, že se použije takzvaný Grid. To je nová výpočtová síť, která má dvě funkce. Jednak jsou na ni napojené všechny možné archivy dat. Takže pokud jste napojen na tuto síť, můžete se dostat prakticky k jakékoliv informaci na světě. Za druhé máte propojené obrovské množství všech počítačů. Zjistilo se totiž, že většina počítačů je využívána jen chvílemi a zbytek času jsou nevyužity…
Vedlejší efekt toho, že začal fungovat urychlovač, bude jakýsi internet číslo dvě?
Nazval bych to jako jeden obrovský světový počítač. Tato síť spojí všechny možné počítače: když máte nějaký problém, zadáte ho do sítě (kdy nevíte, který z volných počítačů v daném okamžiku to počítá) a dá vám to výsledek.
Na svém domácím počítači budu tedy pomáhat zpracovat výsledky z urychlovače v Ženevě?
Zatím je na Gridu napojeno sto čtyřicet výpočtových center. I naše republika má napojení (i když samozřejmě nijak kapacitně ohromné). Vtip je ale právě v tom, že využíváte spoustu počítačů, které najednou v daném okamžiku zahálejí, což vám dává ohromné množství zpracování.
Grid není úplně doladěn a dodělán, ale už přinesl ohromný užitek v aplikaci: Před pár lety vznikla takzvaná ptačí chřipka, H5N1 se tomu říkalo. Hrozila pandemie, což se ani lidem příliš neříkalo, aby nevznikla panika. Bylo to však skutečně velké ohrožení celého lidstva, kdy se počítalo s tím, že až sedmdesát procent lidí na zeměkouli zahyne. Grid však umožnil hledat účinný lék proti této nemoci. Díky gridovému systému totiž prozkoumal pět set tisíc různých molekul a z nich našel skutečně fantastický lék.
Podle známých sledování tvoří pozorovatelná hmota, jako jsou galaxie, plyn, hvězdy, planety, jenom čtyři procenta vesmíru. Třiadvacet procent je temná hmota, která se projevuje gravitačním působením. Pak je temná energie. To je třiasedmdesát procent pro vědce absolutně neprobádaných. Jsou nějaké předpoklady, co by mělo urychlovací zařízení odhalit? Z čeho je temná energie a temná hmota?
Obě jsou záhadné a jejich strukturu úplně neznáme. Jsou na to různé hypotézy. Například že by to mohlo být tvořeno částicemi, které jsme zatím nepozorovali. Máme určitou představu, že ke každé známé částici by měli existovat takzvaní supersymetričtí partneři. Tyto partnery jsme ale dosud neobjevili.
Nyní se zdá, že máme k dispozici mnohem větší energie a tak i vytvoření mnohem těžších objektů, takže je veliká naděje, že se podaří tyto partnery nějak objevit. Tím by se potvrdilo, že naše domněnky jsou podloženy a nasměrovány správným směrem.
Ale samotné vakuum temná energie být asi nemůže?
Temná energie souvisí s tím, že najednou ke svému údivu zjišťujeme, že se vesmír stále víc a víc, větší a větší rychlostí rozpíná. Třeba síly spojené s radioaktivitou by vlastně měly vymírat s tím, jak se látky rozpadnou. Pak by měla začít převládat nejslabší síla, která ovšem působí do ohromných vzdáleností, a to je gravitační síla.
Gravitační sílu známe jenom jako přitažlivou. Ovšem tím, že dochází k rozpínání vesmíru, se zdá, že musí existovat antigravitační síla, která by naopak způsobovala rozpínání. A právě vysvětlit, jak to působí atd., je spojeno s takzvanou temnou energií.
Dokážete si to vůbec představit?
Určitě, protože teorie jsou už konstruovány a přemýšlím o tom. Ale při všem se lidé dopouštějí také omylů, takže se musí věci korigovat. A protože je fyzika nakonec empirická záležitost, musí to být potvrzeno pozorováním. To je čím dál tím těžší, protože experimentování je méně a méně dostupné. Takže často o některých těch věcech můžeme mít zatím jen nepřímý poznatek, který naše teorie potvrzuje.
Sice se dopouštíte jakéhosi experimentu, který možná něco potvrdí, ale může taky postavit fyziku na hlavu? Je tam strach i z tohoto?
Jistě. Všechny naše myšlenky a představy o tom, jak příroda funguje, se korigují a upřesňují, jsou stále hlubší. A právě spuštění urychlovače komentovaly vědecké kapacity tak, že je to skoro jistě začátek nové revoluce. Očekává se, že právě tento urychlovač dá první signály o tom, co zatím neznáme a o čemž máme jenom jakési představy a domněnky.
Je pravděpodobnost, že se budeme učit jiné složení atomu, že bude jiný prostor?
Když celá příroda vznikala, tak podle našich představ vznikala hmota a antihmota ve stejném množství. Přitom když se podíváte kolem sebe, propojuje nás jen hmota. Antihmotu jsme nějak uměle připravili nebo sem občas dostali z interkosmu nějakou interakcí při zrodu. Ovšem rozhodně tam chybí.
To nabádá k tomu, že to asi není úplně stejné jako při vzniku. Příroda také preferuje víc hmotu než antihmotu. Toto máme trošku možnost pochopit díky tomuto urychlovači. Očekává se, že jeden speciální experiment na urychlovači LHC (Large Hadron Collider) by měl být věnován právě této otázce.
Na urychlovači bude nakonec prováděno šest druhů experimentů?
Zatím jich je pět. Čtyři jsou veliké, jeden je menší, ale velmi důležitý. Šestý ještě není připraven ani jako projekt, kdežto ostatní už jsou ve výstavbě. Čtyři největší experimenty mají své detektory, které už jsou umístěny. Také se očekává, že detektory budou časem doplněny, aby měly lepší určité vlastnosti.
Experiment je potřeba nějakým způsobem zaznamenat. Co je pak potřeba k analýze?
Detektory mají magnetické pole. V magnetickém poli se částice, jestli je nabitá kladně nebo záporně, pohybuje po zakřivené dráze řekněme doprava nebo doleva. Takže tak se dozvíte o náboji. Pak jsou tam detektory, které mohou změřit, jakou to mělo energii, z čehož lze spočítat hmotnost částice apod.
My se tak dozvíme a umíme s velkou přesností identifikovat, jaké částice tam vznikly a jaké mají vlastnosti. Z toho pak dedukujeme, jak vypadají bloky, z kterých je vytvořena veškerá materie kolem nás, a jak tyto bloky na sebe působí, jakými silami a jakými vlastnostmi.
Podle některých se objeví i nové zdroje energie. Objeví se podle vás?
U těchto objevů rozhodně můžete získat také nové představy o energii. Některé věci, které využívají hmoty a antihmoty apod., jsou trochu science fiction. Ovšem odhad na začátku, kam až to povede, byl později vždy určitým způsobem korigován. Proto nemůžeme napřed říct, že určitě ne. Jistě nám to ale dá spoustu nových představ.
Kdybych vzal jen jadernou energetiku, tak třeba v CERN se vyrábějí nové typy izotopů, které v přírodě neexistují a které mají některé velice šikovné vlastnosti. Pokročil také výzkum u zbavování se jaderného odpadu: Máme dnes k dispozici nové metody, dokonce vyzkoušené na různých reaktorech (fungovaly spíš ve vojenské sféře, kde se nekouká tolik na finanční aspekty). Díky nim budeme umět vyrobit a využít jaderné energie bez jaderného odpadu, který nás velice trápí.