Bližšie k veľkému tresku

V kontrolnom stredisku Európskej organizácie pre jadrový výskum (CERN) v Ženeve sa zrak vedcov upiera na veľkoplošné obrazovky. Ich záujem púta predovšetkým jeden údaj. Náhle sa ozve radostný potlesk. V piatok 22. apríla okolo poludnia prekonal Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) ďalší rekord. Prečo je dôležitý?

3D rez dipólového magnetu Veľkého hadrónového urýchľovača, foto © CERN

V súčasnosti najvýkonnejší urýchľovač častíc na svete testujú po najdlhšej odstávke v histórii CERN-u označovanej ako Long Shutdown II. Súčasťou skúšky jeho modernizácie bola zrážka dvoch protónových lúčov. Vedci vyslali každý z nich opačným smerom po zakrivenej dráhe dlhej 27 kilometrov, aby odmerali veľkosť energie uvoľnenej pri ich kolízii.

Rekordná energia

Ide o nesmierne dôležitý okamih. Urýchlené častice dosiahli rekordnú energiu 6,8 teraelektrónvolta (1 TeV = 1012 eV, pozn. red.) na lúč, vysvetľuje vedúci sekcie časticových operácií v LHC Jörg Wenninger. V roku 2009 namerali v ženevskom zariadení hodnotu 1,18 TeV, čím prvýkrát pokorili dovtedajší rekord (1 TeV) urýchľovača Tevatron z amerického výskumného centra Fermilab v Batavii v štáte Illinois.
Prvý tohtoročný vypustený zväzok mal zároveň preveriť aj funkčnosť jednotlivých súčastí zariadenia. Odborníci zisťovali, či všetky pracujú v dokonalom súlade. Tento proces prirovnávajú ku skúške orchestra. Do dráhy vystreleným lúčom vložia prekážku, aby došlo ku kolízii. Zároveň vzniká sekundárna spŕška častíc, ktorú sledujú prostredníctvom detektorov, a analyzujú, či prístroje pracujú na všetkých úrovniach správne a spoľahlivo.
Súčasný rekord nepredstavuje pre vedcov v CERN-e strop, vnímajú ho skôr ako úspešný reštart zariadenia. Zrážky s oveľa vyššou rýchlosťou a energiou chcú vykonať až v lete tohto roku, keď urýchľovač uvedú do ostrej prevádzky. Plány hovoria o energii až 13,6 TeV.

Urýchľovač v novom šate

Vedci dohliadajú na reštart LHC 22. apríla 2022, foto © CERN

Veľký hadrónový urýchľovač bol doposiaľ odstavený dvakrát. Od decembra 2018 bol vypnutý z dôvodu údržby a modernizácie. Prevádzková pauza mala v CERN-e pôvodne trvať do konca roku 2021, ale pandémia nového koronavírusu ju predĺžila o takmer šesť mesiacov. Jedinečné zariadenie, ktoré sa nachádza v hĺbke sto metrov pod zemou na francúzsko-švajčiarskej hranici, prešlo v tomto období viacerými zmenami.
Úpravy, ktorými európske výskumné centrum postupne zvyšuje kvalitu prístrojov, vedú čoraz markantnejšie najmä k zvyšovaniu tzv. luminozity urýchľovača. Tieto snahy, ktoré úmerne súvisia s objaviteľským potenciálom pozorovaní, ocenil aj slovenský jadrový fyzik Martin Venhart: Pre budúcnosť je veľmi dôležité, že boli vykonané prvé kroky smerujúce k High Luminosity LHC. To znamená, že urýchľovač by mal byť schopný dodať oveľa intenzívnejší zväzok. Za rovnaký čas tak v detektoroch bude zaznamenaných zhruba desaťkrát viac zrážok častíc. Stovky inžinierov vylepšili v posledných mesiacoch elektrické izolácie diód na viac ako 1 200 magnetoch umiestnených na tele urýchľovača. Práve dipólové magnety, vytvárajúce stabilné magnetické pole a slúžiace na ohýbanie trajektórie urýchlených častíc, tvoria viac ako polovicu celkovej dĺžky LHC. Technici ďalej vymenili 22 supravodivých komponentov, chladiacich jednotiek a umiestnili aj niekoľko absorbátorov na pohlcovanie tzv. zatúlaných častíc. Ide o častice, ktoré by pri odklone zo svojej dráhy mohli vážne poškodiť a ohroziť činnosť citlivých komponentov urýchľovača. Vďaka zásadnej modernizácii injektorov, t. j. vstrekovacieho systému, ktorý dodáva zväzky vysokorýchlostných častíc, bude možné extrahovať počas experimentov výrazne väčší objem dát.

Detektor ALICE v období modernizácie, foto © CERN

Návrat do práce

Život v meste Meyrin v kantóne Ženeva plynie pokojným tempom. Ľudia navštevujú kiná, fanúšikujú miestnemu futbalovému klubu, nad hlavami im denne preletia desiatky lietadiel z blízkeho letiska a pod nohami zase prúdia protóny dosahujúce takmer rýchlosť svetla. Pôvodne poľnohospodárska oblasť sa zaradila k miestam s vysokou koncentráciou vedcov z celého sveta. V posledných mesiacoch sa sem opäť vrátili, aby mohli oživiť výkonný urýchľovač.
Základnú kostru LHC tvorí trubica obklopená magnetmi rôzneho druhu a veľkosti. Magnety plnia po celom obvode cyklotrónu rozličné funkcie: ohýbajú a presne zaostrujú lúče. Tesne pred zrážkou sa napríklad používa typ magnetu, ktorý častice stlačí bližšie k sebe, aby sa zvýšila pravdepodobnosť kolízie. Ide o presnosť, pri ktorej sa bojuje doslova o nanometre: predstaviť si to môžeme tak, ako keby sme chceli docieliť zrážku špičiek dvoch ihiel vzdialených od seba 10 km.

Bez zásahu človeka

Záverečné práce detektore ATLAS, foto © CERN

Celý komplex LHC pozostáva zo štyroch veľkých a piatich menších experimentov. V miestach zrážok častíc sa nachádzajú štyri hlavné detektory: ALICE, ATLAS, CMS a LHCb. Ide o zložité zariadenia prešpikované výkonnou elektronikou. Mnohé z nich majú hmotnosť niekoľko tisíc ton, niektoré aj výšku viacposchodovej budovy. ATLAS napríklad váži asi 7 000 ton, čo je približná hmotnosť železnej konštrukcie Eiffelovej veže v Paríži. Valec, v ktorom je uložený, má výšku 45 m a priemer 25 m. To je iba jeden z celej skupiny dôvodov, prečo odstávka celého výskumného centra trvala viac ako tri roky.
Zariadenia v CERN-e musia byť navyše kalibrované tak, aby vydržali v prevádzke niekoľko rokov. Potrebu pravidelných odstávok si žiada najmä neustála amortizácia segmentov cyklotrónu a zároveň aj technologický pokrok. Po sprevádzkovaní pracuje LHC v nepretržitom režime a bez akéhokoľvek zásahu ľudskej ruky. Keď začnú v urýchľovači obiehať častice, v podzemí nie sú prítomní ľudia.
Časovo náročné je aj uvedenie technologického kolosu do plnej prevádzky. Zahŕňa tisíce špecifických krokov a postupov. Aby mohol urýchľovač spoľahlivo fungovať, je napríklad potrebné schladiť všetky dipólové magnety na teplotu -271,3 °C. Ide o teplotu nižšiu než dosahuje prostredie otvoreného vesmíru.

Otvorený detektor CMS počas odstávky Long Shutdown II, foto © CERN

Slovenská stopa v CERN-e

Veľká odstávka ovplyvnila aj rozbehnuté projekty slovenských vedcov pôsobiacich vo výskumnom centre. Slovensko sa v rámci CERN-u spolupodieľa na experimentoch, ktoré sú viazané priamo na detektory ALICE a ATLAS. Slováci taktiež vykonávajú výskum na zariadeniach ISOLDE a NA62, ktoré sú zasa napojené na infraštruktúru tzv. predurýchľovačov LHC.
Tím pod vedením M. Venharta čaká onedlho tretia fáza výskumu s označením IS521, v rámci ktorého študujú izotopy zlata. Pomáha im pri tom jeden z najnebezpečnejších prístrojov, ktorý v CERN-e existuje a aktuálne tiež prechádza modifikáciou. Spektrometer TATRA vyvinuli v Slovenskej akadémii vied, skúma jadrá atómov tesne po ich vzniku, pracuje vo vákuu a vnútri je vysoká radiácia.

Továreň na objavy

Vedci v CERN-e plánujú posunúť hranice skúmania kvantového sveta výrazne ďalej. Po treťom zapnutí urýchľovača sa budú venovať aj pozoruhodným projektom s názvom FASER a SND@LHC. Ich cieľom je skúmať fyziku aj nad rámec štandardného modelu. Vysoký počet zrážok na zmodernizovanom urýchľovači zase umožní medzinárodným tímom fyzikov nazbierať oveľa objemnejšiu štatistiku zrážok častíc a podrobnejšie študovať aj záhadný Higgsov bozón.
Predmetom výskumu bude tiež tzv. kvarkovo-gluónová plazma. Ide o akúsi časticovú polievku, ktorá zodpovedá stavu hmoty niekoľko milióntin sekundy po vzniku vesmíru. Na spomenuté experimenty bude presne vymedzený čas, pretože ďalšia veľká plánovaná odstávka čaká CERN približne o štyri roky.

Kristína Benkovičová

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 6/2022. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre