Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jakkoli to tak může působit, žádný z fundamentálních objevů ve skutečnosti nám nespadl šťastnou náhodou do klína. Lidé musí něco objevit. Dalšího stupně poznání můžeme dosáhnout pouze a jedině podporou těch, kteří opravdu chtějí experimentovat a nadále pokoušet přírodu. Naštěstí jsme se touto cestou již vydali. Tisíce vědců po celém světě včetně všech posluchačů mé přednášky plánují, budují, modernizují a provozují další experimenty, malé i velké.
Jednoho dne je jejich vlastní neukojitelná zvědavost zavede až na samou hranici možného a nemožného a pak pravděpodobně ještě dál.
Pro mnohé z nové generace navrhovaných experimentů se volí stejný přístup založený na rozsáhlých kolaborativních kolektivech jako třeba v CERNu a jsou pro to dobré důvody.
Neklademe si totiž zrovna malé cíle. Jaká je povaha temné hmoty a energie? Proč došlo ve vesmíru k asymetrii hmoty a antihmoty? Dokážeme přijít s velkou sjednocující teorií, která ve fyzice nakonec popíše vše? To jsou otázky, na které jednotlivec ani malý izolovaný tým odpovědět pravděpodobně nedokáže. Na to jsou až příliš komplikované. Je tedy přirozené předpokládat, že i experimenty, které budeme potřebovat, budou podobně rozsáhlé a složité.
Profesorka Daniela Bortolettová, vedoucí katedry částicové fyziky na Oxfordské univerzitě, stručně shrnuje stav našeho poznání takto: „Z hlediska hmoty a energie tvoří částice standardního modelu jen asi 5 % celého vesmíru. Zbývajících 95 % temné hmoty a temné energie neznáme. Jelikož zatím nemáme v ruce žádná experimentální data, která by nám temný sektor nějak osvětlila, mám za to, že nejlepší způsob, jak nějakého pokroku dosáhnout, je precizní studium Higgsova bosonu.“
Bortolettová se s kolegy snaží bližším zkoumáním jeho povahy ověřit, zda boson třeba neporušuje některá známá pravidla, která předpokládá standardní model. Možná je těch Higgsů více než jeden a každý z nich se chová trochu jinak. Pokud ano nebo pokud se Higgsův boson rozpadá či interaguje nějak jinak, než lze očekávat, byl by model chybný, nebo v lepším případě neúplný.
Fyzika se už dávno neptá, zda „existuje temná hmota“ (myslí si zkrátka, že ano), ale „jaká je její podstata“. Takový pokrok vyžaduje vždy jak teorii, tak experiment, a temná hmota z tohoto hlediska představuje naprosto jedinečnou výzvu. Nedá se úplně říci, že by modelů a teorií temné hmoty byl dneska nedostatek, to spíše naopak, jenomže jediné, co o ní víme empiricky, je, že příliš neinteraguje. Můžeme ji tedy hledat nejenom jako to, co je, ale i jako to, co naopak chybí, jako „chybějící energii“, a to buď přímo na LHC, nebo na budoucích urychlovačích. Připomíná to tak trochu dávnou záhadu beta rozpadu a způsob, kterým nás nakonec přivedla až k předpovědi neutrin. To ale byla přece jen ještě vcelku jednoduchá teorie a experimentátorům řekla přímo, kde neutrina hledat, a tam je pak také našli. S temnou hmotou je to trochu jiné, teorie sice v zásobě jsou, nevyplývá z nich ale jasný směr, kudy se vydat, takže ten paradoxně determinují jenom data. Jestli je u toho v sázce popis až 95 % vesmíru, tak to rozhodně na triviální problém nevypadá.
Vydáme-li se cestou jako Bortolettová, chce to „továrnu na Higgse“, tedy urychlovač částic, který jich bude produkovat tisíce a tisíce. A k tomu se hodí také přesnější detektory, nové generace detekčních technologií, na které je profesorka odbornicí. Bohužel to vypadá, že z LHC všechny odpovědi ohledně povahy Higgsova bosonu nezískáme. Proto se většina lidí z oboru shoduje na tom, že onou higgsovskou továrnou by měl být urychlovač-srážeč elektronů a pozitronů o vysokých energiích někde co nejblíže 1 TeV. Zatím se diskutuje, bude-li lineární, či spíše kruhový, a dosud také není jasné, na jaké technologii by měl být založen. Velmi pravděpodobně se jich nebude pro srážky elektronů a pozitronů stavět více, takže je nutné zvolit tu správnou variantu co nejdříve.
V Japonsku je připraven k výstavbě 30 km dlouhý Mezinárodní lineární urychlovač ILC, jen se na tom musí dohodnout zúčastněné vlády. Jeho takzvaná „předlaboratorní“ fáze byla posvěcena už roku 2021. Další možností je také Kompaktní lineární urychlovač CLiC, na kterém se v CERNu pracuje už asi dvacet let. Oba projekty navíc sdružuje mezinárodní organizace Spolupráce na lineárních urychlovačích LCC pod vedením bývalého šéfa projektu LHC Lyna Evanse. Dalšími obřími zařízeními, o kterých se uvažuje, jsou urychlovače s obvodem 100 km, kde by se z vysokoenergetických svazků obíhajících dokola produkovalo kromě srážek elektronů s pozitrony
i neuvěřitelných 50 MW synchrotronového záření, podobně jako jsme viděli v kapitole 7. V úvahu přicházejí Kruhový elektron-pozitronový urychlovač CEPC v Číně a jedna z několika variant budoucího kruhového urychlovače v CERNu. Je nutné je navrhnout a předpřipravit už dnes, aby výzkum plynule navázal, až se bude LHC okolo roku 2036 vyřazovat z provozu.
Ředitel Institutu pro urychlovačový výzkum Johna Adamse profesor Philip Burrows se domnívá, že lineární koncept, a zejména ILC, je v tuto chvíli nejvyzrálejší ze všech, a proto s ním pravděpodobně nejrychleji získáme továrnu na Higgsovy bosony. Na rozdíl od kruhových urychlovačů se ty lineární dají navíc modernizovat jednoduchým prodloužením. Takže jeho energii půjde kdykoli v budoucnu zvýšit, až začnou z měření vykukovat částice temné hmoty, sypersymetrické částice (některé teorie předpovídají, že každá z částic má ještě svého těžkého „supersymetrického“ partnera) nebo cokoli jiného mimo standardní model. Bortolettová ale upozorňuje, že by to zase znemožnilo jej později upgradovat na proton-protonový synchrotron, zatímco kruhový tunel lze použít i vícekrát, podobně jako dnešní LHC zdědilo své prostory po LEPu. Do konečného rozhodnutí nicméně nepromluví jenom fyzika, ale také politika, ekonomické náklady a vedlejší celospolečenské aspekty. Ať už to však bude kterýkoli z nich, Bortolettová i Burrows (případně tou dobou jejich studenti!) budou svorně odhodláni jej zprovoznit a následně s ním experimentovat.
Navzdory pokrokům se supravodivými magnety i s vysokofrekvenčními technologiemi jsou z dlouhodobého hlediska pro vyšší energie opět zapotřebí větší urychlovače. Zatímco někteří už navrhují přesouvat naše experimenty na Měsíc nebo do vesmíru, inovace ve fyzice plazmatu by mohly pomoci urychlovače naopak zmenšit, a to až tisíckrát. Materiály, ze kterých se vyrábí vysokofrekvenční urychlovací kavity, tedy měď a supravodivé slitiny, vydrží jen do určité intenzity elektrického pole, než na nich dojde k výboji nebo se rozbijí.
To představuje fyzikální limit toho, jak moc lze částice tlačit, a tedy jak musí být pro danou energii urychlovač dlouhý, respektive po jak dlouhé dráze musí částice urychlovat. Na Oxfordské univerzitě a na Imperial College London mám kolegy, kteří se ještě s mnoha dalšími z celého světa místo toho snaží vyvinout takzvané plazmové urychlovače.
Myšlenka spočívá ve využití laseru nebo třeba jiného částicové svazku, k výrobě plazmatu, tedy stavu hmoty, v němž jsou atomy ionizovány. V něm lze pak udržovat obrovská elektrická pole, po nichž už nám známým způsobem elektrony nebo jiné částice surfují a získávají tak energii. Princip urychlování už se úspěšně testoval, ale ještě se bude muset doladit spousta drobností, než půjde tímto způsobem experimentovat i v částicové fyzice, kde jsou zapotřebí svazky s dokonale kontrolovatelnými vlastnostmi. To asi ještě pár let zabere.
Jakkoli je na plazmové urychlovače ještě brzy, jsou rozhodně vzrušující a, jak sama říkám svým studentům, jen co dostatečně pokročí, ráda se na ně vrhnu a uplatním je pro své vlastní pokusy. Prozatím se domnívám, že se budou v nejbližší budoucnosti používat spíše bok po boku těch řekněme konvenčnějších než jako jejich přímá náhrada, takže já osobně už přemýšlím, jak obě technologie co nejlépe zkombinovat.
úryvek z knihy
Suzie Sheehyová
Podstata všeho
Dvanáct experimentů, které změnily svět
Argo a Dokořán 2025
O knize na stránkách vydavatele
