Európski časticoví fyzici urobili malý krok k obrovskej budúcnosti

Najväčší urýchľovač LHC v týchto dňoch síce stojí, ale svoj aktívny život nemá zďaleka za sebou. Čakajú ho ešte dlhé roky prevádzky. Napriek tomu  časticoví fyzici vzhľadom k "dodacím lehotám" veľkých experimentov musia rozmýšľať, čo príde po ňom.

Debata trvá roky, v posledných dňoch sa však posunula o značne významný, hoci zatiaľ skôr len formálny krok, píše Technet.cz. Európska organizácia CERN, ktorá je ťahúňom experimentálneho výskumu v tejto oblasti aj pre zvyšok sveta, vydala novú stratégiu pre nasledujúce roky. Základnú, krátku verziu dokumentu nájdete na tejto stránke.

Smer v ňom vytýčený nie je prekvapivý: časticová fyzika podľa neho v budúcnosti potrebuje ešte väčší urýchľovač, než je LHC. Vďaka tomu by veda mala byť schopná v pozemskom prostredí pozorovať správanie častíc v ešte extrémnejších podmienkach (tj. pri zrážkach s ešte vyššími energiami), než bolo doteraz možné.

Isté a neisté

Stratégia nie je úplne záväzný dokument, je skôr vyjadrením "priania" fyzikálnej komunity. Ide o prípravný dokument, ktorý sa zaoberá len koncepciou ako napríklad technickými či finančnými aspektmi projektov, ktoré sú v ňom opísané.

Hoci teda neobsahuje záväzné plány, budúcnosť niekoľkých najbližších rokov môže popísať pomerne istými slovami. Najväčšou udalosťou niekoľkých najbližších rokov bude zvyšovanie výkonov urýchľovača LHC vďaka tzv. High Luminosity Upgrade, ktorý bol schválený v roku 2016.

V jeho rámci by sa mal výrazne zvýšiť počet meraní, ktoré vedci pri prevádzke urýchľovača získavajú. Nebude sa meniť samotná veľkosť urýchľovača, ten bude stále v rovnakom kruhovom tuneli s dĺžkou 27 kilometrov, ale "upgradom" prejde ako celá rada zariadení na samotnom LHC, tak aj na jednotlivých detektoroch, v ktorých prebieha samotné meranie (a pre ktorých potreby LHC častice urýchľuje).

„Vylepšenia“ LHC sa už pripravuje, naplno sa na ňom začne pracovať v roku 2023, s novým výkonom by mal začať fungovať ku koncu roka 2027 (možno neskôr, aj kvôli oneskoreniu spôsobenému pandémiou vírusu SARS-CoV-2). Na zariadení sa mení všetko možné, od meracích prvkov na jednotlivých detektoroch cez úpravy v systéme urýchlení a "vstrekovania" protónových zväzkov do okruhu až po zmenu geometrie zväzov týchto častíc, aby sa optimalizoval počet zrážok.

Jednoducho zhrnuté: kolízie častíc v detektoroch vo výsledku nebudú prebiehať s väčšími energiami, bude ich však podstatne viac (a detektory ich tiež majú zvládnuť rýchlejšie a presnejšie merať). „High Luminosity LHC by mal nazbierať za dobu prevádzky zhruba desaťkrát viac dát ako pôvodný LHC,“ hovorí fyzik Tomáš Davídek z Matematicko-fyzikálnej fakulty v Prahe, ktorý sa na príprave európskej stratégie časticovej fyziky spolupodieľal.

Prevádzka "upgradovaného" LHC by mal skončiť v roku 2038. A v podstate týmto medzníkom končí konkrétnu časť novej stratégie európskej časticovej fyziky. Po tomto dátume dokument predkladá niekoľko možných scenárov: „Zámerne úplne nevylučuje žiadnu možnosť,“ hovorí Tomáš Davídek. Aké sú teda možnosti?

Úsečka a kruh

Stratégia odporúča rozvíjať rôzne aspekty časticovej fyziky, ale medzi "úlohy s vysokou prioritou" radí predovšetkým stavbu ďalších, výkonnejších urýchľovačov. Dokument konkrétne spomína štyri projekty, ktoré možno rozdeliť do dvoch skupín.

Do prvej patria dva veľké lineárne (tj. rovné) urýchľovače s dĺžkou rádovo niekoľkých desiatok kilometrov. V druhej skupine sú dva kruhové urýchľovače v podzemnom tuneli s dĺžkou zhruba 100 kilometrov, teda približne štyrikrát dlhším než má dnešný LHC. Energia zrážok v jednom z nich by mala byť až 100 TeV (teraelektrónvoltov) proti približne 14 TeV u LHC.

Všeobecne sa odhaduje, že "rovný", lineárny urýchľovač nakoniec v CERNe stáť nebude. Zariadenie pracovne nazývané ILC (International Linear Collider, teda Medzinárodný lineárny urýchľovač) by nakoniec mohlo vzniknúť v Japonsku za výrazného finančného príspevku tamojšej vlády (ale s účasťou európskych fyzikov). O tejto možnosti sa hovorí už roky, otázka je však zatiaľ otvorená. Podľa zatiaľ neoficiálnych správ z japonskej fyzikálnej komunity by však mohlo byť jasné do konca roka.

ILC by mal samozrejme mnohoraké využitie, hodil by sa napríklad k dôkladnému prevereniu vlastností Higgsovho bozónu. Urýchľovač by mal byť schopný produkovať zrážky s takou energiou, aby týchto častíc vznikalo viac ako v LHC. A pretože by mal urýchľovať jednoduchšie a ľahšie častice (konkrétne elektróny a pozitróny) než LHC, pri zrážkach by v ňom malo vznikať menej "odpadu" a výsledky by sa mali ľahšie zaznamenávať a merať.

Ak by na seba Japonsko vzalo významnú časť záväzku za lineárne urýchľovače, CERNu by sa uvoľnili ruky na stavbu veľké kruhového urýchľovača, ktorý je zatiaľ známy ako FCC (Future Circular Collider, teda Kruhový urýchľovač budúcnosti).

Požadovaný stokilometrový tunel pre neho by nepochybne vznikol v blízkosti laboratórií CERNu, teda v okolí Ženevy, akékoľvek iné riešenie by bolo výrazne drahšie a komplikovanejšie. V rovnakom tuneli by však postupne stáli dva urýchľovače, tak ako to bolo v prípade 27km tunela, kde je dnes LHC.

Stratégia predpokladá, že by išlo o zariadenie, ktoré by sa výrazne inšpirovalo nielen technickou stránkou, ale tiež procesom vzniku LHC, bude teda "podvojné". V tuneli, kde dnes pracuje LHC, medzi rokmi 1989 a 2000 fungoval urýchľovač LEP (Large Electron-Positron Collider, teda Veľký elektrónový-pozitrónový urýchľovač).

Rovnako ako v uvažovaných lineárnych urýchľovačoch sa v ňom zrážali elektróny a ich antihmotové náprotivky, teda pozitróny. V "následníckom" LHC sa zrážajú výrazne ťažšie častice (protóny), čo znamená, že LHC nemá medzi navrhovanými lineárnymi urýchľovačmi svoj "rovný" náprotivok. Rozdielov medzi oboma typmi je celý rad, jeden veľmi zjavný je v energii zrážok: protónom vďaka ich vyššej hmotnosti dokáže urýchľovač dodať o niekoľko rádov vyššie energie.

Predchodca LHC, urýchľovač LEP, napríklad nemal dosť energie na to, aby objavil Higgsov bozón. Nie, že by nebol úspešný, experimentálne overil a spresnil celý rad fyzikálnych vedomostí, dôkladne "premeral" niektoré dovtedy málo známe častice, ale objav Higgsovho bozónu mu o niečo málo unikol.

Ak by sa v CERNe stavala ďalšia generácia "kruhových urýchľovačov", strategický dokument navrhuje ako jeden z variantov, aby sa tento postup zopakoval. Najprv by sa v tuneli mal prevádzkovať elektrón-pozitrónový urýchľovač, potom urýchľovač ťažších častíc (tzv. hadrónov, ktoré poznáme z názvu LHC - Large Hadron Collider, teda Veľký hadrónový urýchľovač).

Elektrón-pozitrónový urýchľovač by podobne ako lineárny urýchľovač LHC mal slúžiť napríklad ako "továreň na Higgsove bozóny", teda k presnejšiemu skúmaniu tejto síce už objavenej, ale zatiaľ pomerne málo poznanej častice. Napríklad na meranie toho, ako sa "chová" k iným časticiam (napríklad k tzv. fermionom, tj. napríklad elektrónom).

K čomu to bude?

Aj keď teda minimálne jeden scenár je zopakovaním procesu stavby LHC, v jednom dôležitom ohľade je situácia iná: dnes si nikto netrúfa predpovedať, či a aký objav by nové urýchľovače mohli urobiť. „Pred spustením LHC takmer nikto nepochyboval, že LHC objaví Higgsov bozón, ktorý bol predpovedaný niekoľko desaťročí predtým,“ vysvetľuje Tomáš Davídek.

Dnes taký výhľad chýba. Objavom Higgsovho bozónu sa uzavrela teória známa ako tzv. Štandardný model. Tá zjednodušene povedané dobre vysvetľuje vznik, podobu a správanie všetkých známych častíc.

Výsledky výpočtov na základe Štandardného modelu s veľkou presnosťou zodpovedajú všetkým meraniam. To napokon ukázal aj objav Higgsovho bozónu: teoretici dokázali experimentátorom povedať, ako má častica zhruba vyzerať, a tí mohli postaviť taký urýchľovač, ktorý mal šancu ho nájsť (mali len nádej, pretože teória nedokázala predpovedať to najdôležitejšie: akú má mať Higgsov bozón hmotnosť) .

Len so Štandardným modelom si pri snahe o pochopenie celého vesmíru nevystačíme. Nevysvetľuje napríklad povahu tzv. temnej hmoty a ani gravitáciu. Je to nepochybne veľmi úspešná teória, ale pritom je tak dokonale kompletná a uzavretá, že vôbec nenaznačuje, ktorým smerom sa vydať ďalej.

Vo fyzike existuje celý rad viac či menej "divokých" hypotéz, ktoré mieria obrazne povedané za Štandardný model, úplne pre nich však chýbajú experimentálne dôkazy. LHC dokázal celý rad z týchto "dohadov" vylúčiť tým, že zatiaľ neobjavil častice či javy, ktoré tieto hypotézy predvídali.

Ale úplne chýbajú dôkazy pozitívne dôkazy "pre niečo navyše". Veľmi dobrou stopou by bol objav novej častice, ktorú Štandardný model nepredpovedá a ktorá sa mu vymyká. Rovnako tak dobre by však poslúžil objav nejakého nezvyklého a nevysvetliteľného správania už známej častice.

Vo výsledkoch LHC zatiaľ nič také nie je. „Z fyzikálneho hľadiska sme v nesmierne zaujímavej situácii, pretože v tejto chvíli naozaj nevieme, čo by sme mohli v ďalších experimentoch objaviť,“ hovorí Tomáš Davídek.

Otázkou je, či vzrušenie z neistoty a zvedavosť vedcov budú zdieľať vlády a verejnosť krajín, ktoré projekt musia zaplatiť. Celková cena za veľký urýchľovač FCC by podľa predstaviteľov CERNu mala presiahnuť 20 miliárd eur v dnešných cenách.

Ide zatiaľ skôr o odhad, podrobná finančná analýza sa ešte len bude robiť. Ako sa k takej nepochybne zaujímavej, ale čo sa týka výsledkov neistej investícii postavia potenciálni platcovia, to sa uvidí.