Před deseti lety vědci v CERNu napodobili podmínky panující při Velkém třesku

Velký urychlovač částic LHC, který je ukrytý v podzemí na švýcarsko-francouzské hranici, pomáhá vědcům odkrývat tajemství vesmíru. Už krátce po jeho spuštění 30. března 2010 fyzikové z Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) dosáhli prvního velkého úspěchu. Podařilo se jim srazit protonové paprsky a napodobit tak – byť jen ve velmi malém měřítku – podmínky, která panovaly ve vesmíru těsně po takzvaném Velkém třesku.

„Je to vyvrcholení desítky let trvající práce tisícovek lidí a počátek nové éry částicové fyziky,“ radoval se tehdy výzkumný ředitel hamburského centra pro výzkum částic Joachim Mnich. Spolu s dalšími vědci krátce po jedné hodině odpoledne sledoval výsledky jednoho z nejambicióznějších vědeckých experimentů všech dob.

Podařil se ovšem až napodruhé, na první pokus se svazky protonů ztratily. Elektrická závada na jednom magnetu totiž spustila bezpečnostní systém, který částice automaticky odklonil z okruhu LHC.

Urychlovač tvoří kruhový tunel umístěný v hloubce 50 až 150 metrů pod zemí. Nachází se na území mezi pohořím Jura ve Francii a Ženevským jezerem ve Švýcarsku. Za téměř tři miliardy eur (v přepočtu zhruba 74 miliard korun) ho vybudovala Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) s cílem zkoumat elementární částice, z nichž se skládá nám známý svět.

Jednou z cest k tomuto poznání je simulovat podmínky, jaké panovaly ve vesmíru bezprostředně po jeho zrodu. A právě to je úkolem obřího urychlovače. Principem svého fungování připomíná obří centrifugu, která dokáže pomocí silného magnetického pole udělit vysokou rychlost tenkému svazku iontů olova či protonů. Přesněji řečeno jde obvykle o dva svazky, z nichž každý obíhá opačným směrem.

Video První srážka částic v urychlovači
video

První srážka částic v urychlovači

Po získání potřebné rychlosti se paprsky čelně srazí, přičemž vznikne sprška nových částic, mezi nimiž vědci hledají důkazy svědčící o existenci dosud pouze předpokládaných, či dokonce zcela neznámých entit.

Hra s náhodou

Kinetická energie každého svazku protonů v urychlovači má hodnotu sedmi teraelektronvoltů (TeV). Pro představu: kinetická energie letícího komára dosahuje přibližně jednoho TeV. Na první pohled tedy není energie udělená částicím v urychlovači nijak velká. Rozdíl je v tom, že proton je o 12 řádů menší než komár a tomu odpovídají i důsledky, které pro něj srážka má.

Vzhledem k zanedbatelným rozměrům protonů je pravděpodobnost jejich srážky mimořádně malá. Vědci ji přirovnávají k pravděpodobnosti, že se dvě jehly vystřelené ze vzdálenosti deset kilometrů proti sobě střetnou uprostřed letu.

Urychlení částic a jejich stlačení do co možná nejtenčího svazku má na starosti soustava zhruba 9600 supravodivých elektromagnetů několika typů. Ty ke svému fungování potřebují teplotu minus 271 stupňů celsia. S jistou nadsázkou tak lze LHC označit za největší mrazák na světě.

Pracovník urychlovače částic
Zdroj: lhc.web.cern.ch

Tak složité technické zařízení, jakým urychlovač je, se čas od času nevyhne problémům. Už krátce po zahájení zkušebního provozu v září 2008 způsobila chyba na jednom z elektromagnetů vážnou poruchu LHC. Její odstranění trvalo technikům 14 měsíců.

V roce 2013 bylo zařízení odstaveno kvůli modernizaci a zvýšení výkonu, vylepšený urychlovač byl opět spuštěn o dva roky později. Vědci pak oznámili, že se v zařízení podařilo uskutečnit srážky částic o rekordní síle 13 teraelektronvoltů (TeV), což je dvojnásobek výkonu před výlukou.

Důležitost standardního modelu

Hlavním posláním LHC bylo potvrdit existenci Higgsova bosonu. Jde o součást takzvaného standardního modelu částicové fyziky, která podle řady vědců hraje klíčovou roli ve vysvětlení původu hmotnosti ostatních elementárních částic.

A hon na „božskou částici“ už přinesl výsledky. V létě 2012 vědci oznámili, že zachytili částici, která se svými charakteristikami Higgsovu bosonu podobá. A v březnu 2013 objev na základě dalších experimentů potvrdili.

Vloni v srpnu pak CERN oznámil, že se v urychlovači podařilo dokázat rozpad Higgsova bosonu na dva takzvané kvarky b neboli spodní kvarky.

Poněkud ve stínu hledání Higgsova bosonu zůstávají výsledky dalších experimentů. V prosinci 2011 oznámili vědci, že se jim právě díky tomuto zařízení podařilo zachytit do té doby nezpozorovanou částici zvanou Chi_b (3P).

Větší pozornost ale vyvolal experiment provedený v září 2011. Z něj zdálnivě vyplynulo, že elementární částice zvaná neutrino je schopna překonat rychlost světla, považovanou dle Einsteinovy teorie relativity za nepřekročitelnou. Senzace však skončila blamáží. Ukázalo se, že výsledek pokusu zásadně zkreslila chyba měření.

V červenci 2015 pak vědci oznámili objev pentakvarku, což byla dosud pouze předpokládaná subatomární částice, a loni v červenci ohlásili nález nové subatomární částice (jednalo se o typ baryonu), od níž si slibovali lepší pochopení soudržnosti hmoty.