V letošním roce bude pozornost vědeckého světa soustředěna sto metrů pod zem, do 27 kilometrů dlouhého tunelu v oblasti Ženevského jezera. V CERNu se rozjede největší přístroj na světě a začne produkovat obrovské množství dat. Co se zde bude dít a jaké odpovědi zde mohou vědci nalézt?
CERN je mezinárodní organizace založená v roce 1954 se sídlem v Ženevě. Jejími členy je 20 států, mezi nimi i Česká republika. Cílem CERNu je základní výzkum v oblasti fyziky elementárních částic.
K čemu takové pokusy?
Obecně se rozděluje tzv. aplikovaný a základní výzkum. Aplikovaný sleduje konkrétní cíl, např. vývoj určitého léčiva na konkrétní nemoc. K tomu používá různé experimenty a postupně je upravuje, dokud se nedostane k žádoucímu cíli. U základního výzkumu je to jiné. Zde je cílem poznání podstaty věci, v případě CERNu hledání odpovědí na otázky jako např. jak vznikl vesmír, z čeho se skládá hmota atd.
I když by se na první pohled mohlo zdát, že se jedná o pokusy pro dlouhé zimní večery, nad jejichž výsledky pak mohou vědci nekonečně filosofovat, opak je pravdou. Tyto výsledky zcela ovlivňují způsoby zkoumání v dalších oborech vědy a techniky. Příklady aplikací, které souvisí s bádáním v CERNu zahrnují téměř vše, od zkoumání léčiv přes solární panely, počítačové sítě (vedlejším produktem výzkumu byl v roce 1990 i World Wide Web, který dnes potkáváme všude) až po předpověď počasí.
Elementární částice
Hmota, ze které se skládáme, a která nás všude v nejrůznějších formách obklopuje, se skládá z atomů. Atom je tvořen jádrem (složeným z protonů a neutronů), které obíhají elektrony. Fyzika těchto částic se stále přepisuje. Ve starých učebnicích byste našli, že nejmenší částicí je atom, v pozdějších pak zmínky o jádru a elektronech. Dnes již víme, že ani protony a neutrony nejsou nejmenší částice, ale skládají se z mnohem menších částic, jako jsou gluony a kvarky. Cílem CERNu je zkoumání těchto částic, jejich vlastností a chování v přítomnosti jiných částic. K tomu využívá sledování jejich srážek.
Urychlovače
Urychlovače slouží k získání vysoké energie částic. Pokud se dvě částice srazí rychlostí automobilu, nic zajímavého by se nestalo - došlo by pouze k jejich odrazu. Proto je nutné je urychlit podstatně více - téměř na rychlost světla. To se děje v tzv. urychlovačích částic. Urychlovače mohou pracovat jako lineární (částice je postupně zrychlována na dráze, která je rovná a na konci narazí do cíle) nebo jako kruhové (kde částice rotují na kruhové dráze velkého průměru). V CERNu se používají kruhové urychlovače, které mají proti lineárním výhodu, že částice může postupně zrychlovat několik desítek minut. Může cirkulovat až deset hodin, kdy urazí (díky rychlosti blízké rychlosti světla) více než 10 bilionů kilometrů (tj. více než na Neptun a zpátky). U lineárních urychlovačů je jejich energie omezena dráhou, která je dlouhá nanejvýš několik kilometrů.
Urychlovač se skládá z velmi silných magnetů, které udržují částice na kruhových drahách a také je zaměřují a elektromagnetických rezonátorů, které je urychlují tím, že jim dodávají energii. Postupně se svazek paprsků urychlí až na 0,9999991 násobek rychlosti světla nechá se srazit s druhým, který rotuje v opačném směru.
Srážky
Vzhledem k tomu, že celý proces je velmi přesně spočítán a svazky částic jsou velmi podrobně sledovány, je možné sledovat chování částic při srážkách. Svazky jsou tzv. injektovány do urychlovače v definovaných intervalech. I přes rychlost, jakou se částice pohybují je pravděpodobnost jejich srážky poměrně malá. Svazek obsahuje řádově sto miliard částic, které zabírají několik centimetrů dlouhý a milimetr široký prostor. Když se přiblíží do místa střetu, dojde k jejich zúžení na šířku 15 mikrometrů (průměr lidského vlasu je okolo 50 mikrometrů). I tak se vzájemně srazí ze 200 miliard částic pouze asi 20. Ale díky rychlosti paprsku dochází až k 600 milionům srážkám za sekundu. Jejich vlastní průběh se sleduje ve velmi složitých a velkých detektorech.
Detektory
Bez detektorů by celý experiment ztrácel smysl. Detektorů připravených sledovat srážky je v CERNu šest. Označují se zkratkami jako ATLAS, ALICE a další. Detektory jsou umístěny v jeskyních k tomu navržených a jsou silně odstíněné od okolního prostředí. Je to z důvodů rušení - bylo by těžké sledovat průběh srážek, kdyby se do pokusů přidávaly částice, které jsou všude kolem nás. Podzemní prostory a silné vrstvy betonu dovedou omezit počet částic z okolí, přesto jim nelze zcela zabránit. Detektor se skládá z mnoha přístrojů, které detekují dráhu částic, jejich energii a druh částice. Příkladem může být mlžná komora, kde se vytvoří po částici stopa, podobně jako zanechává letadlo stopu na modré obloze.
Většina urychlených částic skončí v detektoru a některé dokonce v Itálii
CERN neutrina
V rámci projektu "cernovská neutrina do Gran Sassa" (CNGS) se na první pohled děje něco neuvěřitelného. Elementární částice tzv. neutrina jsou posílány na vzdálenost více než 700 km. V CERNu dojde k jejich urychlení a na první pohled jsou navedena proti zdi. Následně jsou během 0,1 milisekundy detekována v italské laboratoři Gran Sasso. Technicky to ale není tak jednoduché. Rozptyl paprsku, který se v CERNu měří na milimetry, dosahuje stovky metrů v Itálii. Proto se nepodaří chytit všechny, ale jen jejich malou část.
Energie paprsků
I když samotná částice v urychlovači na první pohled nemá příliš vysokou energii (její energie odpovídá zhruba energii letícího komára), je třeba přihlédnout k jejím rozměrům a uvidíme, že se jedná o energii obrovskou. Svazek paprsků (stovky miliard částic) pak má energii zhruba dvou vlaků (o hmotnosti 400 tun) o rychlosti 150 km/h. Takové svazky rotují dva proti sobě a v definovaných místech se srazí. Taková energie je dostatečná k tomu, aby roztavila půl tuny mědi. Následky, které by způsobil paprsek, který by se vymkl kontrole a opustil v plné síle urychlovač, si lze snadno představit. Proto je urychlovač vybaven kontrolním systémem, který v případě potřeby odchýlí paprsek ven (během tří otáček, tj. 0,3 milisekundy), a paprsky narazí v brzdícím tunelu do bloků grafitu a pak do skály.
Antihmota
I když scifi literatura považuje antihmotu za palivo budoucnosti, v CERNu jsou pesimističtí. Fyzikální výpočty potvrdí, že na její přípravu se spotřebuje větší množství energie, než se získá jejím "zreagováním" s hmotou. Stejně tak koncepce zbraně na bázi antihmoty je nesmysl. Muselo by se připravit velké množství, které nelze snadno udržet. CERN po dobu svých experimentů připravil několik nanogramů.
Při některých srážkách se vytvoří podmínky podobné těm, které panovaly ve vesmíru pouze velmi malý okamžik po velkém třesku. Jeden experiment se přímo zabývá tímto. Podle některých teoretických modelů může dojít i k vytvoření miniaturních černých děr. Černé díry se vyskytují ve vesmíru a jsou známy především tím, že pohlcují vše, co se objeví v jejich blízkosti.
Proto se přímo nabízí spekulace, zda vytvoření černé díry někde na zemském povrchu nemůže mít tragické následky v podobě postupného pohlcení všeho okolí. Fyzici z CERNu uklidňují, že i kdyby se taková miniaturní černá díra vytvořila, dojde k jejímu rychlému a samovolnému zániku. Teoreticky mohou tímto způsobem vznikat černé díry i ve vesmíru (kde intenzita záření může být mnohem větší než v urychlovači), přesto to nikdy nebylo pozorováno.
Dvě DVD za vteřinu
Dalším problémem je zpracování naměřených dat. V CERNu se nepoužívá superpočítač v tradičním smyslu, tj. obrovský počítač řešící najednou mnoho úkolů. Pro jejich účely není nutný. Superpočítače se uplatní např. u předpovědi počasí, kdy všechny parametry, které do systému vstupují souvisejí jak mezi sebou, tak s výsledkem. V CERNu využívají vlastní systém nazývaný GRID, který pracuje jako obrovská vnitřní počítačová síť asi pěti tisíc klasických počítačů (denně tak tři odejdou a nahradí se novými), na níž je napojeno mnoho tisíc počítačů po celém světě prostřednictvím vysokorychlostních sítí.
Detektory produkují každou vteřinu takové množství dat, že je není možné zpracovat. Proto u každého detektoru je počítačový systém, který ze všech srážek vytřídí zhruba jednu miliontinu těch, které mohou být zajímavé. Ty jsou následně poslány do GRIDu, kde se dále analyzují, ukládají a podle potřeby zpřístupňují dalším institucím, které je analyzují na svých počítačích např. na univerzitách. Přesto objem dat i po předběžném vytřídění je obrovský - data zde počítají na peta bajty (milion gigabajtů). Pro představu ročně každý z pěti detektorů v CERNu bude produkovat zhruba 100 000 DVD. Ve špičce se jedná i o deset gigabajtů za vteřinu, tj. obsah dvou DVD disků.
Největší lednička na světě
Protože se experimenty odehrávají v urychlovači, který je ochlazen kapalným heliem na teplotu zhruba dva stupně nad absolutní nulou (-271 °C), jedná se o největší a nejdelší přístroj, který pracuje při takové teplotě. Chladící systémy jsou velmi komplikované, není možné prostě ochladit prostor rychle a tak hluboko, také z důvodu že helium je velmi drahé, proto se začíná s kapalným dusíkem (ten má teplotu "jen" -196°C). Poté se ochlazuje dále. Problém je hlavně v objemu a hmotnosti přístroje - váží 35 000 tun, tj. více než 3 Eiffelovy věže.
Vakuum hlubší než ve vesmíru
Běžný tlak vzduchu je 101 kpa. Tlak nižší se označuje jako podtlak - vysavač má např. tlak okolo 80 kpa. V urychlovači v CERNu to bude vakuum desetkrát menší než na měsíci. Vzhledem k objemu urychlovače se jedná o stejný problém jako vypumpovat katedrálu.
