Malý velký třesk

Odtajní nám největší experiment v lidských dějinách vesmír?

V pondělí 8. září seděl Ben, mladý Australan z Adelaide, v ženevském pubu Lady Godiva´s a usrkával svého guinnesse. Pak přidal i plzeň. Chlapík z hedgeového fondu, jehož tři přátelé pracují v laboratořích Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN), se při povídání dostal i k aktuálnímu tématu příjezerního města. Za dva dny měl být spuštěn obří urychlovač částic Large Hadron Collider (LHC), v němž do sebe narážejí protony 99,999999 procenty rychlosti světla a na kratičký okamžik napodobují podmínky bezprostředně po velkém třesku. „Kámoši z CERNu sami říkají, že přesně nevědí, co se stane. Ani nemohou. Je to prvně. Snad ne naposled. Zkrátka zmáčknou knoflík a uvidí,“ dumal Ben fatalisticky. Tomu, že se zde chystá start zřejmě nejzásadnějšího pokusu v historii, který má ozřejmit, jak vznikl vesmír, co je temná hmota a zda existují předpovězené Higgsovy bosony, nenapovídal ani klid před střediskem CERN. Pár dnů před spuštěním LHC byl po vystoupení z autobusové linky číslo 56 široko daleko jen hlídač v budce. To hlavní se dělo sto metrů pod zemí…

5, 4, 3, 2, 1... Big Bang!

Den D, který fascinoval fyziky a děsil škarohlídy, nastal minulou středu 10. září. Dopoledne, v 9 hodin 28 minut, byly do obřího akcelerátoru LHC vpuštěny paprsky částic a začal zkušební provoz. Svazek sta miliard protonů neboli bunch („buřtík“) úspěšně oběhl po směru hodinových ručiček 27kilometrový okruh. Odborníci, spokojení s hladkým rozběhem zařízení, odpoledne vypustili paprsek i opačným směrem. „Dobrá práce všech zúčastněných,“ ocenil rozjezd Robert Aymar, generální ředitel CERNu, přičemž dodal: „Přiznám se, že mým prvním pocitem je úleva. LHC je neobyčejně komplexní zařízení. Selhat mohlo cokoli v kterýkoli okamžik. Ale dnešní den přesto přinesl skvělý start.“ Aymar je přesvědčen, že vědci budou brzy moci pustit paprsky proti sobě zároveň, nicméně odmítl naznačit kdy. Slavnostní zahájení provozu je plánováno na 21. října, přičemž plného výkonu by LHC měl dosáhnout až příští rok. Dílčí výsledky se dají čekat v lednu 2009, vysoké intenzity svazků bude dosaženo až v roce 2010.
Urychlovač bude srážet protony při energii čtrnácti teraelektronvoltů (TeV), což je sedmkrát více, než tomu bylo u největších dosavadních zařízení (Tevatron ve Fermiho národní laboratoři, USA). Dle plánu mají kolidovat i těžká jádra iontů olova či zlata, kdy vznikne kvark-gluonové plazma - tedy stav hmoty podobný tomu, který panoval ve vesmíru krátce po velkém třesku.
Experimenty v unikátním „světostroji“, v němž detektory ATLAS, ALICE, CMS a LHC-b (zaměřený na kvark b) sledují, jakým způsobem se částice srážejí a co je toho výsledkem, mají zodpovědět základní otázky fyziky. „Ty jsou zhruba tři. Existují i jiné částice a síly než ty, které dnes známe? Jsou základními objekty mikrosvěta částice, nebo složitější objekty, jako jsou například struny? A má prostor více dimenzí než ty tři, které jsme schopni našimi smysly vnímat?“ sdělil týdeníku EURO profesor Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR (FZÚ). To souvisí s hledáním odpovědi na otázku zdánlivě odlišnou: Jak vznikl, jak se vyvíjí a jak skončí náš vesmír? Dle Chýly je souvislost zákonitostí mikrosvěta se zákonitostmi makrosvěta snad vůbec nejzajímavějším rysem současné fundamentální fyziky.

O povaze hmoty kolem nás

Jedním z důvodů, proč LHC vznikl (a Evropa jej citelně zaplatila), je snaha ověřit, zda jsou správné naše představy o povaze hmoty. Pokud bude nalezen hypotetický Higgsův boson, jehož existenci před 40 lety předvídal Peter Higgs, bude poznání elementárních částic do značné míry završeno. V jiném případě bude soudobá teorie rozmetána. Slavný astrofyzik Stephen Hawking se prý na to dokonce těší. Higgs se pro list Le Monde vyjádřil, že pokud by „jeho“ papírový boson neexistoval, už by ničemu nerozuměl. Každopádně takové pídění potrvá třeba dva tři roky. „Hledání Higgsova bosonu je jedním z hlavních cílů, ale sám považuji za důležitější hledání odpovědi na tři výše zmíněné otázky. Za prvořadé považuji vyjasnění existence supersymetrických partnerů dnes známých základních stavebních kamenů hmoty, jimiž jsou kvarky, elektron a dvě příbuzné částice. Důležitost otázky tkví v tom, že tyto částice se ve fyzice objevily čistě jako důsledek teoretických spekulací, a nikoli na základě pozorování. Jde o to, zda dnešní teorie má správný ,čuch´ a zda je matematika účinným vodítkem při formulaci fyzikálních teorií. Navíc, jedna ze supersymetrických částic je žhavým kandidátem na záhadnou temnou hmotu ve vesmíru,“ tvrdí Chýla. Dle astronomických sledování tvoří pozorovatelná hmota, jako jsou galaxie, plyn, hvězdy a planety, pouhá čtyři procenta vesmíru! Zbytek je temná hmota (23 procent), jež se projevuje pouze gravitačním působením, a temná energie (73 procent).

Výrazná česká stopa

Při vývoji LHC a především detektoru ATLAS se neztratili ani Češi. Koordinátorem domácí skupiny, sestávající ze 30 až 40 vědců z ČVUT, Akademie věd ČR a Univerzity Karlovy, je Václav Vrba z FZÚ. „Aparaturu ATLAS si lze představit jako obrovský digitální fotoaparát o váze sedmi tisíc tun, ve tvaru válce o délce 46 a výšce 22 metrů a se sto miliony detekčních čidel. Zatímco digitální fotoaparát dovede snímat obraz přibližně jednou za vteřinu, ATLAS dokáže zachytit za stejnou dobu miliardu obrazů vyvolaných průletem částic,“ naznačuje Vrba, o jak unikátní zařízení jde. Česká pracoviště se podílela na vývoji a výstavbě dvou subdetektorů patřících k nejdůležitějším součástem aparatury: pixelového detektoru pro měření drah částic v blízkosti srážky protonů a kalorimetru pro měření energie vznikajících částic. „Naší skupině se ve spolupráci s vývojovými pracovníky z rožnovské firmy ON Semiconductor podařilo vypracovat technologický postup výroby radiačně odolných pixelových detektorů. Firma ON Semiconductor, jíž se dostalo i prestižního ocenění od CERNu, se prosadila v konkurenci předních světových firem,“ sdělil týdeníku EURO Vrba. Co se týče velikosti aparatury, použitých technologií, objemu zpracovávaných dat i rozsahu mezinárodní spolupráce vědců, jsou dle Vrby urychlovač LHC i ATLAS zcela bezprecedentní. Jaký mají další přínos?
„Z technického hlediska je řada poznatků získaných při stavbě urychlovače využitelná pro návrhy kosmických experimentů, jež se snaží zachytit a změřit energii částic v kosmickém záření pocházejícím z nejvzdálenějších i nejstarších končin. Mezi fyzikou elementárních částic, astrofyzikou a kosmologií je těsný vztah, protože se snaží odpovídat na základní otázky vzniku a stavby vesmíru,“ uvádí Jan Kolář, ředitel České kosmické kanceláře. Dle něho by proto měly mnohem těsněji spolupracovat tři instituce: CERN, Evropská kosmická agentura (ESA) a astronomická Evropská jižní observatoř (ESO).

Apokalypsa! Černé díry?

Když si někdo „hraje“ byť jen s malým třeskem, vyvolá u laiků obavy z nepředvídatelných důsledků. Ani první experimenty s atomovou energií nepřinášely nadšení. Některé ženevské noviny, povětšinou bulvárnějšího ražení, se minulý týden vytasily s obálkami o „fin du monde“, vypaření či vycucnutí světa. „Například lokální televize LemanBleu si pozvala odborníka Pascala Broulise, aby rozptýlila obavy z LHC. Moderátor se ho na úvod otázal, zda je strach taxikářů i běžných obyvatel ze vzniku miniaturních černých děr oprávněný. Broulis vše pochopitelně vyvracel, ale na dotaz, zda se 10. září máme obávat konce světa, trochu nešikovně odpověděl, že se systém bude naplno využívat teprve za dva tři roky… Tak nevím, nakolik diváky utěšil,“ směje se Michal Hladký, jenž studuje v Ženevě. Osobně centrum za hrozbu nepovažuje. Vidí v něm přínos jak pro region, tak pro Evropu. Připomíná i spolupráci s brněnským vysokým učením technickým na vývoji kvantové dozimetrie. CERN nyní rovněž pracuje na propojení výkonu světových počítačů (v síti Grid) a poznatky z LHC by mohly kupříkladu přispět i k získání nových zdrojů energie… Ale pozor, jiní jsou pesimističtější. Projekt hadronového kolizéru se nevyhnul soudnímu řízení. Skupina občanů EU se snažila žalobou dosáhnout zákazu spuštění LHC, neboť se obávala vzniku pohlcujících černých děr. (Ty v něm opravdu vzniknout mohou, ale zmizí dříve, než přijdou do kontaktu s jinou částicí.) Neuspěli. CERN bezpečnostním otázkám věnuje mimořádnou pozornost a sestavil i tým LSAG z renomovaných odborníků, který detailně různá rizika posoudil a vyloučil. „Na otázku, zda spuštění LHC ohrozí lidstvo, Zemi, vesmír…, je jednoznačná odpověď: NE! Srážky částic, které budou probíhat na LHC, probíhají miliony let, dnes a denně, dokonce při značně vyšších energiích. Tyto srážky vyvolává kosmické záření, které na nás dopadá. Kdyby eventualita vzniku černých děr a následného kolapsu vesmíru v důsledku srážek energetických částic existovala, tento kolaps by nastal dávno a bez našeho přičinění,“ vysvětluje fyzik Vrba. Jeho slova potvrdil týdeníku EURO i prorektor ČVUT Ladislav Musílek: „Jsem přesvědčen, že konec světa nehrozí.“ V kosmickém záření se – sice jako velmi řídký a náhodný jev, ale prokazatelně – nalézají částice, které mají podstatně vyšší energii, než jaké bude dosaženo na LHC. „Stoprocentní vyloučení rizika je ovšem pouze snem i u libovolné lidské činnosti včetně tak banální jako koupání ve vaně,“ říká profesor Musílek z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské. A dovede si představit podobné zařízení u nás, kousek za ruzyňským letištěm? „Samozřejmě, velmi živě. Možná by si ekologičtí aktivisté vymýšleli obstrukce, ale takové experimentální zařízení by přineslo mnoho pracovních příležitostí, zakázek pro firmy, mezinárodní zviditelnění ČR jako centra špičkového výzkumu… Česká republika ostatně nikdy nebyla ostře protijadernou zemí a nyní se ve světě pohled na jaderné vědy významně zlepšuje,“ tvrdí Musílek.

Stojí to za to? A co dál?

Vybudování LHC vyšlo na kvanta eur. USA obdobný projekt před patnácti lety opustily, ač už proinvestovaly tři miliardy dolarů. Mají tyto – doslova – astronomické náklady smysl? „Musel byste být hodně kulturně zanedbán, abyste neocenil úžasný sled událostí, které vedly od tajemných počátků před čtrnácti či třinácti miliardami let k atomům, hvězdám, galaxiím, planetám a biosféře,“ odpověděl CNN jeden z nejslovutnějších kosmologů dneška Martin Rees z University of Cambridge. Právě on, Královský astronom Velké Británie, je autorem knihy Náš neobyčejný vesmír (2001, česky 2002), jíž uzavírá slovy: „Na území vědy leží tří významné hraniční oblasti: velmi velké, velmi malé a velmi komplexní. Kosmologie obsahuje všechny tři. Kosmologové musejí stanovit základní čísla jako omega a zjistit, co je zač temná hmota. Domnívám se, že jsme na dobré cestě dosáhnout toho do deseti let. Dále musejí teoretikové objasnit exotickou fyziku nejranějších fází vesmíru, což znamená vypracovat novou syntézu kosmu a mikrosvěta. Zde si netroufám prognózy. Ale kosmologie je také nejvelkolepější environmentální vědou a jejím třetím úkolem je pochopit, jak se velký třesk vyvinul v náš komplexní vesmírný domov. Není v kosmologii záhady, která by byla větší výzvou, než pochopení toho, jak se atomy, zde na Zemi a snad i jiných světech, seskupily v živé bytosti natolik složité, že dokáží hloubat nad svým původem.“ Ano, je jisté, že bez zařízení podobných LHC, které bude po dalších dvacet let osamoceným superpokusným klenotem, záhadě na kloub nepřijdeme. Nezašli jsme však až příliš daleko? To vrtá hlavou i siru Reesovi. I proto napsal knihu Naše poslední hodina (2003, česky 2005), v níž předpovídá, že šance na přežití lidského druhu za hranici 21. století nejsou větší než 50procentní. Věda postupuje rozjařeně vpřed, ale vytváří i nevědomá rizika… Inu, uvidíme, čeho všeho se – i přes všechno to poučené a racionální ujišťování – s „černoděrným“ LHC dožijeme.

Martin Rychlík, Ženeva

* BOX (do schématu)
LHC v datech * 26,659 kilometrů dlouhý tunel vybavený 9600 magnety, které řídí a urychlují tok částic.
* Zařízení je vyhloubeno 50 až 150 metrů pod zemí v příměstí Meyrin u Ženevy.
* Protony proletí každou sekundu 11 245krát zbudovaným okruhem.
* Během desetihodinového provozu urazí deset miliard kilometrů (jako k Neptunu a zpět).
* Data z LHC by naplnila každý rok dvacetikilometrový sloup cédéček (patnáct milionů GB).
* Dle údajů CERNu stál urychlovač 4,6 miliardy švýcarských franků (asi 72 miliard korun).
* Dle webu BBC byla původní cena čtyřnásobně překročena.
* Projekt si vyžádal přes 25 let příprav, oproti plánu byl o dva roky opožděn.
* Podílelo se na něm více než deset tisíc vědců 80 národností z asi 500 ústavů světa.
* V tunelech by mělo být vakuum, niob-titanové magnety se chladí na -271 stupňů Celsia. Chronologie)
Milníky CERN 1954 – založení Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN).
1957 – činnost zahájil první akcelerátor Synchro-cyclotron (SC).
1959 – spuštění Proton Synchrotronu (PS).
1968 – George Charpak vyvinul částicové detektory (Nobelova cena 1992).
1971 – odstartoval Intersecting Storage Rings (ISR), první proton-proton srážeč.
1976 – zahájení provozu Super Proton Synchrotronu (SPS).
1983 – objev intermediálních částic W a Z (Nobelova cena 1984).
1989 – spuštěn Large Electron Positron (LEP), potvrzena existence tří neutrinů.
1990 – Tim Berners-Lee vynalezl world wide web.
1995 – první zaznamenání antihydrogenu.
1999 – zahájení výstavby Large Hadron Collideru (LHC).
2000 – vytvoření nové formy hmoty: kvark-gluonové plazmy.
2008 – spuštění největšího urychlovače LHC. Pramen: CERN Nálepka:
Hustej elejčsí!**
Že věda nemusí být pro suchary, svědčí i video rapujících výzkumníků v CERNu, kteří si před nejsložitějším nástrojem, který kdy lidé stvořili, zadeklamovali: „The LHC accelerates protons and the lead, and things that it discovers, will rock you in the head!“ (klíčová slova Large Hadron Rap)
www.youtube.com