Po tajemství vesmíru nepátrá pouze LHC

Před dvěma týdny sledoval celý svět spouštění obřího urychlovače částic LHC. Ale jakkoli je LHC jedinečný, výzkum na dalších urychlovačích se nezastavil. Přináší stále nové objevy, na kterých se podílejí i čeští vědci.

Až do vybudování LHC byl největším urychlovačem částic Tevatron nedaleko Chicaga. A  největší vlastně stále je, protože LHC ještě nebyl oficiálně spuštěn, neprodukuje vědecká data a technické problémy v posledních dnech jeho reálné využití posouvají ještě dále do budoucnosti.

ČTĚTE TAKÉ: Urychlovač LHC se probouzí, Obří urychlovač bude mimo provoz nejméně dva měsíce

Tevatron organizačně spadá pod americkou národní laboratoř Fermilab, ale jako na každém velkém vědeckém projektu, i na Tevatronu pracují odborníci z mnoha zemí. Včetně České republiky.

Zatímco v LHC se srážejí protony, putující urychlovačem ve dvou svazcích proti sobě, v Tevatronu se srážejí protony s antiprotony. V obou případech se částice pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla, což jim dává obrovskou energii. LHC ale dovede částice urychlit ještě více než Tevatron, a až dosáhne plného výkonu, bude pracovat se sedmkrát vyšší energií, než dokáže Tevatron.

Pražské setkání

Jedním ze dvou hlavních experimentů, které na Tevatronu probíhají, je DØ. Od roku 1996 se ho účastní i čeští vědci. Nejprve zajišťovali hardware - například rozvody vysokého napětí pro mionové detektory, počítačový servis, kalibraci detektorů... Postupně se zapojovali i do analýzy dat z urychlovače.

Češi v polovině srpna uspořádali v Praze pracovní setkání více než stovky fyziků ze šesti zemí účastnících se experimentu. Setkání se konají jednou ročně, střídavě ve Spojených státech a v některé z dalších účastnických zemí.

"Připomíná to pořádání olympiády. Jedná se o prestižní záležitost, o kterou se vždy uchází více zemí," říká Alexander Kupčo z Fyzikálního ústavu Akademie věd. Kromě Fyzikálního ústavu setkání spolupořádaly také Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy a Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT. Na experimentu DØ se totiž podílejí vědci ze všech těchto tří institucí.

Objev nové částice

Experiment DØ se ve fyzikální komunitě poprvé proslavil v roce 1995 objevem top kvarku - zdaleka nejhmotnější elementární částice, kterou fyzika zná.

Začátkem letošního září oznámil tým experimentu DØ objev další nové částice, takzvaného baryonu omega-b (Ω_b^-). Je to částice tvořená třemi kvarky a můžeme ji považovat za "bratrance" známého protonu. Fyzikové její existenci předpovídali, ale až nyní se ji podařilo experimentálně potvrdit.

Objev je výsledkem roční analýzy dat získaných v letech 2002-2006. "Potřebujeme 100 bilionů (tedy 10¹⁴, pozn. redakce) srážek protonů s antiprotony k tomu, abychom z nich vybrali  případy, ve kterých vznikl baryon omega-b. Podařilo se to u osmnácti z nich," popisuje mluvčí experimentu Dmitri Denisov obrovské úsilí, které za objevem stálo.

Několik let potřebných k objevu jedné částice zároveň demonstruje trpělivost, jakou se budeme muset obrnit při čekání na výsledky experimentů z LHC.

Pátrání po Higgsově bosonu

V souvislosti se spouštěním LHC se hodně psalo o Higgsově bosonu. Částice, kterou nikdy nikdo nepozoroval a o které není jisté, zda vůbec existuje, se tak dostala do povědomí široké veřejnosti. Higgsův boson podle fyziků dává ostatním částicím jejich hmotnost.

Jenomže prokázat existenci Higgsova bosonu není vůbec snadné. Fyzikové vědí, že tato částice nenese elektrický náboj, ale netuší, jakou hmotnost by měla mít. Experiment  DØ do této nejistoty vnáší alespoň nějaké pevné body.

Letos navázal na starší výsledky a určitý rozsah hmotností vyloučil. Jako kdyby fyzikové pátrali po pokladu a do slepé mapy ostrova zakreslovali plochy, které už prozkoumali. Pokud jednou prohledají celý "ostrov" a Higgsův boson nenajdou, budou podle toho muset upravit své teorie.

Bílých ploch ale zatím zůstává dost a dost. Je-li hmotnost Higgsova bosonu dostatečně velká, má Fermilab šanci objevit ho dříve, než se LHC naplno rozjede. Pokud je ale příliš lehký, leží jeho objev mimo možnosti Tevatronu a fyzikové si budou přece jenom muset počkat na údaje z LHC.

Objev Higgsova bosonu je důležitý nejen kvůli pochopení struktury vesmíru. Důvody jsou i mnohem pragmatičtější, jak Týdnu řekl Paul Grannis, jeden ze zakladatelů experimentu DØ a jeho první mluvčí: "Pokud by se Higgsův boson nepodařilo najít v rozsahu hmotností, ve kterém ho očekáváme, museli bychom se po něm podívat jinde. Pokud by se ale ukázalo, že neexistuje vůbec, měli bychom potíže především s financováním dalšího výzkumu. Vlády by se začaly ptát: Proč chcete peníze, když jste nic nenašli?"

Chci se napít vína!

Fyzikové nám tedy tvrdí, že Higgsův boson dává ostatním částicím hmotnost. To se lehko řekne, ale hůře chápe. Jak takové "dodání hmotnosti" funguje? Přesný mechanismus odborníci zatím neznají - je například záhadou, proč různé částice nabývají různé hmotnosti.

Fyzikové mluví o Higgsově poli, které na ostatní částice působí. "Mateřskou řečí" fyziků je matematika, přesto se snaží hledat vysvětlení srozumitelná i laikům. Paul Grannis vysvětluje: "Mezi částicovými fyziky proběhla před lety neformální soutěž o to, kdo vymyslí nejlepší metaforu působení Higgsova bosonu na ostatní částice. Zvítězil londýnský fyzik David Miller. Podle něj si máte představit, 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 již nepohybujete rychlostí světla, což musí částice s nulovou hmotností, ale pomaleji, tedy máte nenulovou hmotnost"

Má to ještě cenu?

Má ještě vůbec význam pracovat na urychlovači Tevatron, když se u Ženevy probouzí k životu mnohem mohutnější LHC? Mluvčí experimentu DØ Dmitri Denisov o tom nepochybuje: "Mnohé objevy mohou být učiněny stejně dobře i na urychlovačích s menší energií. V budoucnu sice nebude mít smysl na některých typech výzkumu mimo LHC pokračovat, ale ta doba je ještě poměrně vzdálená. LHC je velmi složité zařízení a než začne přinášet výsledky, bude to trvat minimálně několik měsíců a zvláště v případě některých objevů spíše několik let."

Foto Fermilab, Ondřej Vrtiška