Urychlovač LHC v otázkách a odpovědích

V úterý se v urychlovači částic LHC poprvé střetly svazky protonů urychlené na energii třiapůlkrát převyšující dosavadní rekord. Fyzikové mluví o začátku největšího a nejúžasnějšího experimentu všech dob. Proč jsou nějaké srážky protonů tak důležité? A co je na LHC tak výjimečného?

Proč fyzikové používají urychlovače částic?
Částice urychlené téměř na rychlost světla (v LHC při plném výkonu na 99,9999991 procenta) mají velkou kinetickou energii. Při jejich srážkách se uvolňují další elementární částice. Studium charakteru těchto srážek fyzikům umožňuje dozvědět se leccos o charakteru základních stavebních prvků hmoty a zprostředkovaně o nejrůznějších dějích probíhajících na Zemi i ve vesmíru.

Co zkratka LHC znamená?
Large Hadron Collider, tedy Velký srážeč hadronů. Je skutečně velký - obvod prstence, jímž částice krouží a srážejí se, je 27 kilometrů. Hadrony jsou částice složené ze tří kvarků nebo z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Příkladem jsou protony a neutrony (ne však elektrony). V LHC se srážejí protony a v budoucích experimentech také ionty olova (vlastně jádra atomů olova tvořená protony a neutrony).

ČTĚTE TAKÉ: Stroj času startuje, urychlovač napodobuje Velký třesk

Komu LHC patří a kolik jeho stavba stála?
LHC vybudovala a provozuje Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN), jejímiž členy je dvacet evropských zemí včetně České republiky. Do rozpočtu přispívají největší měrou Německo, Francie, Velká Británie a Itálie, český podíl loni činil 1,15 procenta. Vybudování LHC si vyžádalo přibližně tři miliardy eur, další náklady jsou spojeny s vybavením nutným pro jednotlivé experimenty. Na nich se kromě CERN podílejí i další vědecké organizace z celého světa.

Čím je LHC tak výjimečný?
Je to nejvýkonnější urychlovač částic na světě. Jeho nejbližší konkurent, Tevatron u Chicaga, umí částice urychlit na energii 1 TeV (teraelektronvoltu), LHC jim nyní dokáže dodat energii 3,5 TeV, takže celková energie srážky je 7 TeV. Po úpravách plánovaných přibližně za dva roky budou protony urychleny až na 7 TeV a srážet se budou s celkovou energií 14 TeV. Ionty olova jsou mnohem hmotnější než samotné protony, energie jejich srážek proto bude až 1150 TeV. Čím větší energie, tím více podrobností je možno studiem srážek zjistit.

Proč se energie udává v elektronvoltech?
Protože jiné běžně používané jednotky jsou pro potřeby částicové fyziky příliš velké. Jeden elektronvolt (eV) odpovídá kinetické energii elektronu urychleného ve vakuu napětím jednoho voltu. Teraelektronvolt (TeV) je bilion (10¹²) elektronvoltů, přesto jde stále řádově jen o 0,0000001 (10^-7) joulu, což zhruba odpovídá kinetické energii letícího komára.

Takže energie je tak směšně malá?
Energie je v absolutních číslech sice malá, je však extrémně koncentrovaná - do jediného protonu. Svazek protonů je v urychlovači v místě srážky "zmáčknut" na průměr 0,16 milimetru a jsou v něm řádově stovky miliard protonů. Jejich celkový objem je nepatrný. Kdyby se v LHC měly urychlit protony z jednoho gramu vodíku, trvalo by to asi jeden milion let. Při plném provozu budou mít dva protonové svazky letící proti sobě podobnou energii jako čtyřsettunový vlak řítící se rychlostí 150 kilometrů za hodinu.

Může LHC zničit planetu?
Katastrofisté tvrdí, že ano. Může prý například vzniknout černá díra, která pohltí celou Zemi. Fyzikové však takové teorie odmítají. Z toho, co o podstatě energie a hmoty víme, vyplývá, že mikroskopické černé díry, které skutečně mohou v LHC teoreticky vznikat, by se ve zlomku sekundy vypařily a nemohly by napáchat žádné škody. Kromě toho kosmické záření, které neustále dopadá do horních vrstev atmosféry a bombarduje i další planety, nese částice o mnohem vyšší energii, přesto k žádným katastrofám nedochází.

ČTĚTE TAKÉ: LHC neohrozí bezpečnost planety, rozhodl německý soud

Proč jsou některé části LHC ochlazeny na -271 °C?
Supravodivé elektromagnety sloužící k usměrňování protonů mohou fungovat jen při teplotě blízké absolutní nule, jinak své jedinečné vlastnosti ztratí. LHC je však zařízení plné extrémů. Srážka dvou protonů lokálně zvýší teplotu na hodnotu stotisíckrát vyšší než ve středu Slunce.

Co se fyzikové chtějí díky LHC dozvědět a jak budou srážky částic studovat?
Srážky částic budou v LHC studovány v rámci čtyř hlavních experimentů. Každý z nich využívá mohutné detektory umístěné v těch místech okruhu, kde se oba protiběžné svazky částic kříží. Experimety ATLAS a CMS budou pátrat po Higgsově bosonu, skrytých rozměrech a temné hmotě, LHCb se zaměří na antihmotu a ALICE na studium velkého třesku.

Co je to Higgsův boson a proč fyziky tak zajímá?
Současná fyzikální teorie říká, že Higgsův boson dává ostatním částicím jejich hmotnost. Přesný mechanismus odborníci zatím neznají a není ani jisté, zda tato částice vůbec existuje. Londýnský fyzik David Miller jeho působení vysvětluje na metafoře: Představte si, že vstoupíte do prázdné místnosti, u jejíž zadní stěny stojí na stole sklenka vína. Chcete se napít, takže jednoduše projdete místností a sklenici si vezmete. Nyní si ale představte, že místnost je plná lidí. Míříte ke sklence, ale každý z lidí si s vámi chce potřást rukou a prohodit pár slov. K vínu se tak dostanete mnohem obtížněji - prostředí vám klade odpor. Lidé shlukující se kolem vás jsou jako Higgsovo pole působící na částici. Vy se už nepohybujete rychlostí světla, což musí částice s nulovou hmotností, ale pomaleji. Máte tedy nenulovou hmotnost.

Jaký je rozdíl mezi temnou hmotou a temnou energií?
Veškerá pozorovatelná hmota tvoří jen čtyři procenta vesmíru. Podíl temné hmoty činí asi 23 procent. Zbytek fyzikové přisuzují temné energii. O podstatě temné hmoty se fyzikové dosud jen dohadují, projevuje se pouze gravitačním působením. Temná energie je teoretický koncept, jehož pomocí se vysvětluje zrychlující se rozpínání vesmíru. Zůstává zatím velkou záhadou. Někteří fyzikové vytvářejí kosmologické teorie, které se bez temné energie obejdou.

Foto: CERN