Ve švýcarském výzkumném středisku CERN se schyluje k největšímu experimentu v dějinách
Perex:
Ženeva. 16.11 hodin. Stojíme před neobyčejným výtahem. Sjíždí sto metrů pod zem, do míst, kde je umístěn částicový detektor ATLAS. Obří snímač o délce 46 a výšce 22 metrů, na jehož vývoji se významně podíleli i Češi, má analyzovat střety protonů a přispět k poznání vesmíru. Aparatura vážící sedm tisíc tun je jedním z šesti „experimentů“, které se nacházejí na obvodu nejvýkonnějšího urychlovače světa zvaného Large Hadron Collider (LHC). Ano, jde o slavné zařízení, nejsložitější jaké kdy člověk zkonstruoval a jež se loni porouchalo… Do výtahu se nesmí. A nesmějí tam ani ti, kteří by jinak „prošli“ čtečkou očí. Minulý pátek měl být totiž LHC restartován! V tichosti. Mediální rej – pro pozvané novináře z BBC, Reuters či CNN – započne až v prosinci, kdy se uskuteční první větší srážky protonů. S týdeníkem EURO se však už nyní můžete vydat na exkluzivní prohlídku střediskem Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN). Instituce, která měla pro letošek rozpočet 18,876 miliardy korun. Připraveni?
Jaderní fyzici pod Alpami
Z centra Ženevy jste v Meyrinu coby dup. Naproti konečné autobusu 56 se tyčí dřevěná koule – Glób vědy a inovací. Novodobý symbol nejmodernějšího „výzkumáku“ Evropy má od roku 2004 symbolizovat čtyři hlavní cíle evropského jaderného ústředí: odpovídat na otázky týkající se vesmíru, posouvat technologické hranice, připravovat vědce pro zítřek a sbližovat státy prostřednictvím vědy. Plus udržitelnost a ohleduplnost k životnímu prostředí. CERN, jenž právě oslavil 55. výročí vzniku a rozkládá se na hranicích Švýcarska a Francie, to poslední evokuje tak nějak přirozeně. Jen stěží si mohli jaderní fyzici najít hezčí místo než v oboustranném objetí hor, v podhůří Jury. A kousek od malebného Ženevského jezera.
Právě sem se loni 10. září v 9:28 hodin upíral zrak celého světa. Tehdy byly do akcelerátoru LHC, v němž mají do sebe narážet protony 99,9999991 procenty rychlosti světla, vpuštěny první paprsky částic. Svazek sta miliard protonů neboli bunch („buřtík“) úspěšně oběhl ve směru hodinových ručiček 27kilometrový okruh. Odborníci odpoledne vypustili paprsek také opačným směrem. Urychlovač měl srážet protony při energii čtrnácti teraelektronvoltů (TeV), což je sedmkrát více než u největších dosavadních zařízení (Tevatron ve Fermiho národní laboratoři v USA). Dle plánu měla následně kolidovat i těžká jádra iontů olova či zlata, aby vzniklo kvark-gluonové plazma. Tedy stav hmoty podobný tomu, který panoval ve vesmíru krátce po Velkém třesku. „Dobrá práce všech zúčastněných,“ ocenil rozjezd Robert Aymar, tehdejší šéf Cernu. A dodal: „Mým prvním pocitem je úleva. LHC je neobyčejně složité zařízení. Selhat mohlo cokoli v kterýkoli okamžik.“ Havárie přišla devět dní poté.
Druhý pokus po roce oprav
Co se stalo? V jednom z tisíců spojů mezi dvěma magnety byla narušena supravodivost, spoj se prudce zahřál a uvolněná energie prorazila i plášť obalující urychlovačovou trubici. Ten zmizel prakticky ve vteřině… Počátkem roku 2009 se generálním ředitelem stal Rolf-Dieter Heuer, pod jehož taktovkou připravili fyzikové scénář znovuspuštění LHC. Mezníkem byl únorový workshop v Chamonix se stanovením harmonogramu. Nyní jsme v jeho vrcholné fázi – do okruhu začaly opět proudit částice. „Byla učiněna rozsáhlá a nákladná opatření, aby se nehoda nemohla opakovat. Konkrétně byl vybudován nový systém, jenž má chránit před takzvaným ,magnet quench‘, při němž nastane v krátké době ztráta supravodivosti v části vedení, jímž prochází obrovský proud a které je udržováno na velmi nízké teplotě,“ sdělil týdeníku EURO profesor Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR (AV ČR FZÚ).
Do oprav bylo dle ČTK investováno 726 milionů korun. „Podstatou nového systému ochrany je jeho schopnost včas rozpoznat i jen nepatrné zvýšení odporu – řádově miliontiny odporu běžné žárovky – všech spojů i celého supravodivého vedení, jež se projeví růstem odběru chladicího média. Kdyby byl tento systém v provozu loni, rozpoznal by vznikající problém hodiny před nehodou,“ dodává Chýla. Když s fotografem stojíme v jedné z obrovských hal (s číslem 180), kde je mezi pěticí stříbřitých megatrubek i ona osudná, černě znetvořená, uvědomujeme si, že by šlo v podstatě o zázrak, kdyby nějaká nehoda nenastala. Přece jen jde o 27 kilometrů složených z nepředstavitelného množství dílů. Jen hlavních magnetů, které měří patnáct metrů a otáčejí částicemi, je 1232! „LHC je extrémním zařízením v mnoha aspektech. Ve své složitosti i velikosti, výkonem, ale také nulovou tolerancí k chybovosti. Je to ohromně složitý přístroj,“ říká Sergio Bertolucci, ředitel CERN pro výzkum. Klapne druhý pokus?
Minitřesky pod dohledem
Urychlovač je krásná věc, ale bez detektorů by byl na nic. Součástí unikátního světostroje jsou proto detekční systémy ATLAS, ALICE, CMS, LHC-b, LHC-f a TOTEM, které sledují – každý z jiného pohledu –, jakým způsobem se částice srážejí a co je toho výsledkem. Díky nim bychom se měli z LHC dočkat odpovědí na 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 schopní našimi smysly vnímat?“ vysvětluje Chýla. To souvisí s hledáním odpovědi na otázku zdánlivě odlišnou: Jak vznikl, jak se vyvíjí a jak skončí náš vesmír?
Jedním z důvodů, proč LHC vznikl (a Evropa jej ukrutánsky zaplatila), je též snaha ověřit, zda jsou správné naše představy o povaze hmoty. Bude-li nalezen hypotetický Higgsův boson, jehož existenci před 40 lety předvídal Peter Higgs, bude poznání elementárních částic do značné míry završeno. „Víme o něm úplně všechno. Kromě toho, zda existuje,“ usměje se Michal Marčišovský, experimentátor, jenž už má ve svých 26 letech služby ve velínu Atlasu, školí diplomanty z Prahy a cestuje i do Fermilabu v USA. Mladík, jenž fyzikou žije, je i ve skupině vědců, kteří již vyvíjejí následovníky LHC. Plány na větší urychlovače už samozřejmě jsou. Třeba lineární CLIC. „Přeci jen už i náš Large Hadron Collider přišel na dost peněz. A na desetkrát vyšší energie potřebujete i o hodně větší akcelerátor,“ připomíná Marčišovský. Mimochodem: konkurenční Superconducting Super Collider (SSC) v texaském Waxahachie měl měřit 87,1 kilometru, byly do něj proinvestovány tři miliardy dolarů, ale projekt byl roku 1993 zrušen. Dnes se prý v jeho tunelech pěstují žampiony.
Velevýrazná česká stopa
Přijíždíte-li k hlavní bráně Cernu, minete sloupořadí se státními vlajkami zúčastněných zemí. Je jich dvacet – o přidání další, rumunské, se jedná. Našince nemůže nezaujmout, že ta nejhezčí s modrým klínem se třepotá jako první v řadě. Dokonce i před švýcarskou! Šéfujeme evropské vědě? Ne. Jde pouze o abecední pořadí zemí ve francouzštině – nejsme tedy první, ale poslední. Jenže Češi v rámci LHC nehrají druhé housle. Pro unikátní snímač ATLAS vyvinuli dva díly – pixelový detektor pro měření drah částic v blízkosti srážky protonů a kalorimetr pro měření energie vznikajících částic. „ATLAS si lze představit jako obrovský digitální fotoaparát o váze sedmi tisíc tun, ve tvaru válce a se sto miliony detekčních čidel. Zatímco fotoaparát dovede snímat obraz přibližně jednou za vteřinu, ATLAS dokáže zachytit za stejnou dobu miliardu obrazů vyvolaných průletem částic,“ řekl týdeníku EURO Václav Vrba z FZÚ, jenž je koordinátorem skupiny sestávající ze 70 vědců a doktorandů z ČVUT, AV a Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy.
Made in Czech republic
Za více než deset let se do příprav zařízení ATLAS zapojilo více než sto Čechů – přímo v Ženevě jich je zaměstnáno pět, další spolupracují v rámci krátkodobých stáží a prostřednictvím internetu. Dle Vrby se daří zapojovat i studenty, kteří připravují své práce ve velmi inspirativním prostředí. A do výstavby detektoru se začlenily i české firmy. Válcovny za studena ze Dvora Králové dodaly s Tatrou Kopřivnice tři tisíce tun válcované oceli, ve spolupráci s ON Semiconductor v Rožnově pod Radhoštěm byla vyvinuta výroba pixelových senzorů, které patří k nejprogresivnějším technikám detekce ionizujícího záření. Tesla Hloubětín se podílela na vývoji technologie mnohokanálových zdrojů vysokého napětí, TTC Telekomunikace vyrobily nízkonapěťové zdroje. Škoda-Hutě z Plzně a Kopos Kolín se podílely na výrobě neutronového stínění. „Za vynikající splnění zakázek byla firmám ON Semiconductor a Škoda-Hutě udělena prestižní ocenění ATLAS Industrial Award,“ upozorňuje Vrba. Toť slušná reklama.
Než se částice rozletí
Large Hadron Collider je takový věneček s třešinkou. CERN je však naplněn dalšími spojenými urychlovači (a zpomalovači), jejichž úkolem je mimo jiné „rozjet“ částice pro LHC. Získají vyšší energii a v posledním soukolí mohou být paprsky injektovány silou až sedmi TeV. Zjednodušeně. Jaká je cesta částic bludištěm? Začíná v láhvi vodíku. Z jeho atomu je získán proton, jenž je přes soustavu lineárních urychlovačů (LINAC2 a 3), PS Boosteru (PSB), Proton Synchrotronu (PS) a Super Proton Synchrotronu (SPS) dopraven do okruhu LHC. Pro zajímavost, nejsledovanější okruh se dočkal restartu přesně dvacet let po spuštění předchůdce Large Electron Positron Collideru (LEP), po němž získal i podzemní 27kilometrový tunel, což v nejnovějším čísle obsáhle připomněl i „podnikový“ časopis CERN Courier.
V útrobách Cernu se však rodí i zajímavé kousky pro kosmický výzkum. Na francouzské straně, v Site de Prévessin, právě připravují Alpha Magnetic Spectrometer (AMS). Nahlížíme přes sklo dovnitř. Okolo masivního přístroje, jenž má sledovat kosmické záření, a tím přispět k poznání temné hmoty, kmitají vědci v pláštích. Mají naspěch. Zařízení přišlo americkou NASA na asi dvě miliardy dolarů a je třeba, aby s raketoplánem Endeavour doletělo příští rok v červenci k Mezinárodní vesmírné stanici (ISS). A máme štěstí. Jedním ze zahalených vědců je nejspíš i Samuel Ting – nositel Nobelovy ceny za fyziku pro rok 1976. Ostatně že právě do Ženevy dojíždějí i další nobelisté, není třeba nijak zvlášť připomínat.
Mezi digitálními skříněmi
Z uvedeného je zřejmé, že výzkumný komplex není malý. Desítky číslovaných budov jsou roztroušeny v několika areálech, a proto je třeba bílých bicyklů či aut s modrými logy, aby se vědci (a personál) dopravili na správná místa. Ke správné orientaci slouží ulice pojmenované, nepřekvapivě, po slavných fyzicích – Démokritova, Planckova, Feynmanova, Einsteinova či Oppenheimerova. „O téhle ulici ale jeden kolega říká, že je slepá,“ usmívá se v odkazu na autora jaderné bomby Tomáš Kubeš. Mladý programátor a místopředseda Mensy ČR je jedním z krajanů, kteří v Cernu pracují. Zavádí nás do budovy s číslem 513. Zde je umístěna počítačová centrála. Jistě – je obrovská.
Supermarket plný skříní s procesory a úložišti. Vždyť jen dva detektory CMS a ATLAS by měly generovat data, která by – v netříděné podobě – naplnila každou vteřinu dvě stě tisíc DVD! Naštěstí jsou informace chytře filtrované a pracuje se tedy jen se zlomkem, oním vypovídajícím. Přesto je v „pětsettřináctce“ na 25 tisíc počítačů a patnáct tisíc magnetických pásek, z nichž každá dokáže pojmout tisíc gigabajtů. „Jediné, čím jsme dnes vlastně limitovaní, je nedostatečné chlazení. Výkon se dá skládat,“ říká Kubeš. Na místě, kde v roce 1990 vynalezl Tim Berners-Lee World Wide Web se systémem odkazů, nepřekvapí ani plány na propojení výpočetního výkonu. Projekt se nazývá LHC Computing Grid (LCG) a počítá se sto tisíci propojenými počítači z 35 zemí přes tucet primárních center. Systém by mohly užívat i další vědci či firmy. Vize planetárního superkompjůtru se notně přiblížila.
Jaké mají průměrné IQ?
Na provozu Cernu se podílí dvacet členských zemí (viz Dvacítka platičů). Česko je členem od roku 1992 a ročně vynakládá asi 170 milionů korun. Rakušané nedávno zvažovali vystoupení. Kromě členů se do aktivit zapojuje i osm takzvaných „pozorovatelů“ – Evropská komise, USA, Rusko, Japonsko, Indie, Izrael, Turecko a UNESCO. Organizace má celkem 2256 kmenových zaměstnanců. Mezi takzvanými uživateli je však dalších 9,5 tisíce fyziků z 560 světových institucí. Při procházení chodbami s jmenovkami světových fyziků – z Číny, Kanady či Itálie – mě maně napadá: Jaké je asi průměrné IQ zdejšího osazenstva? Je však vtipné, že o existenci tohoto badatelského supercentra mnohdy netuší ani sami Ženevané. „Ani nevím, co tam dělají. Něco s jádrem? To mě vůbec nezajímá. Ale věřím, že je to bezpečné, jinak by jim to nepovolili, že jo,“ říká mi místní slečna Lucielle. Loňské strachy ohledně vzniku černých děr pohlcujících svět ještě nevyvstaly. I díky opatrnější medializaci.
Stát ve státě
V nukleárním komplexu pod vrcholky hor, kde v létě ovce spásají trávu, najdete nejen banku, restaurace, muzeum, trafiku a knihkupectví, ale i školku pro zaměstnance. Středisko odebírá 230 megawattů (MW) elektřiny, což odpovídá spotřebě celého kantonu Ženeva. LHC si vezme 120 MW, což by při předpokládaném provozu 270 dnů v roce mělo „vysát“ od francouzské společnosti EDF 800 tisíc megawatthodin (MWh) ročně. Zdálo by se, že CERN je samostatným městečkem. Ale pojďme ještě dál – spíše jde o jakýsi stát ve státě. Stálí pracovníci špičkového centra mají daňové úlevy a dokonce i diplomatický pas. Poznáte je též dle zvláštní zelené značky na autě s předčíslím 431. V areálu funguje vlastní mobilní operátor. Středisko disponuje vlastními jeřáby či kamiony na nadměrný náklad.
„Letadlo ale skutečně nemáme. Ani helikoptéru,“ utahuje si Kubeš z populárních filmů, jako je Andělé a démoni, které umisťují za místní plot mimozemšťany, teleporty či plasmové pušky. Každopádně tu však mají své hasiče, záchranku i policii v jednom. Apropos, když je řeč o bezpečnosti, zmiňme aktuální „kauzu“ Adlena Hicheura (32), jaderného fyzika alžírského původu, jehož policie obvinila v půli října „ze zločinného spiknutí s teroristickým cílem“. Hicheur, pracující v Cernu, měl mít kontakty na maghribskou větev al-Káidy, nicméně dle tisku i laboratoří samých se nemohl dostat k ničemu zneužitelnému. Doufejme.
Vedlejší produkty & hi-tech
Laikovi, jemuž je jedno, zda je hmota temná nebo polosvětlá, a je-li složená z bosonů nebo třeba legonů a merkuroidů, vyvstane na mysli otázka, k čemu jsou investované desítky miliard dobré? Nejprostší odpověď je nasnadě. Už tím, o jaký složitý hi-tech výzkum jde, posouvá nároky na provedení a stimuluje i průmysl.
CERN udržuje kontakty s významnými firmami a vedle nejzákladnějšího výzkumu, jaký si umíme představit, hledá uplatnění pro „vedlejší produkty“. I v minulosti jich byla celá řada. Třeba v medicíně jsou cernskými dítky přístroje pro léčbu rakoviny, zářiče pro dezinfekce, hadronové terapie, počítačová tomografie či magnetická rezonance. Pro inženýrství byly důležité metody zpracování jaderného odpadu, testování materiálů, supravodiče a kryogenická zařízení. Samostatnou kapitolou je počítačová věda – hardware nebo jazyk Python. A bez Cernu by asi nebyl internet takový, jak jej známe.
5, 4, 3, 2, 1… Big Bang!
Králem je však momentálně Large Hadron Collider. Dne 6. listopadu se podařilo provést svazek protonů asi polovinou obvodu LHC. Nyní se provádějí první pokusy, při nichž budou oba svazky s energiemi 450 gigaelektronvoltů (GeV) obíhat celý okruh, a krátce nato nastanou první srážky – stále ještě bez urychlení. Počátkem prosince by mělo začít urychlování na energie 3,5 tisíce GeV, tedy poloviční oproti plánovaným sedmi tisícům GeV. „Do Vánoc se očekávají první srážky, které by mohly registrovat experimentální aparatury,“ říká Vrba. Od ledna se uskuteční postupné urychlování protonových svazků a koncem roku i experimenty s ionty olova.
„V důsledku odloženého startu LHC získaly experimenty ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM dodatečný rok na různá vylepšení, kalibraci detekčních systémů i na zdokonalení softwaru. Dle různých ověřovacích měření, zejména s pomocí kosmického záření, lze říci, že detektory jsou v dobré kondici a oprávněně lze očekávat, že rok 2010 bude rokem vzrušujícího badatelského úsilí,“ říká v Ženevě koordinátor Vrba. Především ho zajímá, jak bude pracovat více než deset let budovaná aparatura, která existuje na světě v jediném exempláři a na jejímž vybudování se podílely tisíce chytrých lidí.
Budova číslo 874
Místem, kam se za pár týdnů upřou zvědavé objektivy kamer a fotoaparátů, je CERN Control Centre. Hlavní velín jaderného komplexu sídlící v nenápadné budově 874 má pod palcem přívody energií a dohled nad všemi sdruženými urychlovači a detektory. Právě zde, v sále naplněném kulatými stoly a stovkami obrazovek, se projeví nadšení (anebo zklamání) nejchytřejších fyziků planety. Budou slavit šampaňským? A nač se nejvíc těší profesor Chýla, jenž se zabývá problematikou silných interakcí a strukturou hadronů?
„Jak se říká, pospíchej pomalu. A i v případě urychlovače LHC je třeba počítat s tím, že bude trvat určitou dobu, než se experimentátorům podaří detektory zvládnout a porozumět jim do té míry, aby bylo možné hledat projevy ,nové fyziky‘. Považoval bych za velký úspěch, kdyby se během roku 2010 podařilo dosáhnout při energii 3,5 tisíce GeV plánované luminozity – což je veličina charakterizující intenzitu svazků a to, jak dobře se protnou – a detektory pracovaly, jak se od nich očekává,“ říká Chýla. Dle informací týdeníku EURO rozeslal ředitel Cernu Heuer minulý týden zaměstnancům e-mail, v němž je upozorňuje na chystané spuštění LHC a masivní zájem „více než sta agentur, televizí a rádií, novin a časopisů“. Na 11. prosince je připraven mediální seminář, jak mají o stroji hovořit. Až tedy bude o tématu Large Hadron Collider mluvit celý svět, čtenáři týdeníku EURO už budou vědět.
Martin Rychlík, Ženeva
Nálepka: www.cern.ch
BOX (do schématu)
Large Hadron Collider (LHC) v datech
– 26659 metrů dlouhý tunel vybavený 9,6 tisíci 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 11245krát vybudovaným okruhem.
– Během desetihodinového provozu urazí deset miliard kilometrů – stejně jako k Neptunu a nazpět.
– Data z LHC by naplnila každý rok dvacetikilometrový sloup cédeček (patnáct milionů gigabajtů).
– Urychlovač přišel asi na 84 miliard korun. Dle BBC byla původní cena čtyřnásobně překročena.
– Projekt si vyžádal přes 25 let příprav. Oproti plánu byl o dva roky opožděn.
– Opravy po loňském nezdařeném startu vyšly dle ČTK na 726 milionů korun.
– Podílelo se na něm více než deset tisíc vědců 80 národností z asi 560 ústavů světa.
– V tunelech by mělo být vakuum, niob-titanové magnety se chladí na -271stupních Celsia.
Pramen: týdeník EURO
Tabulka:
Dvacítka platičů
Členské státy Cernu a jejich podíl příspěvků (v %)
Stát Podíl příspěvku (v %)
Německo 19,88
Francie 15,34
Velká Británie 14,7
Itálie 11,51
Španělsko 8,52
Nizozemsko 4,79
Švýcarsko 3,01
Polsko 2,85
Belgie 2,77
Švédsko 2,76
Norsko 2,53
Rakousko 2,24
Řecko 1,96
Dánsko 1,76
Finsko 1,55
ČR 1,15
Portugalsko 1,14
Maďarsko 0,78
Slovensko 0,54
Bulharsko 0,22
Pramen: Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN)
BOX:
Historie á la CERN
Důležité mezníky v dějinách ženevských laboratoří:
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
2009 – Restart LHC, pokusné vstřikování protonů do okruhu
Pramen: týdeník EURO, Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN)
