50 let CERN

Letos tomu bude 50 let, co byla založena jedna z nejpozoruhodnějších vědeckovýzkumných laboratoří na světě – CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Nápad vytvořit ji je ale starší. Zrodil se hned po druhé světové válce, kdy obnovu rozbořené a vyčerpané Evropy ohrožoval únik mozků do Ameriky a kdy bylo stále víc zřejmé, že klíčové objevy ve fyzice částic a ve vědě vůbec budou vázány na velké, špičkově vybavené laboratoře. Brzy však také bylo jasné, že k vybudování takové laboratoře se musí sdružit finanční a technické prostředky i výzkumné potenciály mnoha evropských zemí. Jako první k tomu vyzval r. 1949 na Evropské konferenci o kultuře v Lausanne francouzský fyzik Louis de Broglie, nositel Nobelovy ceny za objev vlnového chování hmotných částic (1929). Jeho výzva se ale uskutečnila až 29. září 1954, v den, kdy Úmluvu o CERN, podepsanou již 6. července, ratifikovalo všech dvanáct zakládajících zemí. Nemalou měrou k tomu přispěli i další fyzikové, jako např. Isidor Rabi, Edoardo Amaldi, Pierre Auger či John Cockroft.

Kuriozitou je, že první oddělení, které vzniklo v CERN u Ženevy (a to již na 1. zasedání Rady CERN v Paříži v květnu 1952), bylo teoretické s dočasným sídlem v Kodani. Jeho vedoucím byl Niels Bohr, laureát Nobelovy ceny za model atomu (1922) a jeden z tvůrců kvantové teorie. První generální ředitel CERN Felix Bloch, nositel Nobelovy ceny za jadernou magnetickou rezonanci (1952), totiž odmítl působit v Ženevě bez přítomnosti teoretiků, s nimiž by mohl diskutovat.

Evropská laboratoř fyziky částic

Od 29. září 1954 má tedy Evropa na francouzsko-švýcarské hranici (západně od Ženevy) laboratoř, díky níž se může podílet na první frontě fyzikálního výzkumu. V CERN se totiž zkoumají vlastnosti a chování jak nejmenších částic hmoty, vytvářejících veškerou známou materii ve vesmíru, tak i základních sil, jež mezi těmito částicemi působí.

Fyzikové v CERN tedy hledají odpovědi na otázky, co je hmota, jaká je její struktura i původ a jak z ní vznikají tak složité objekty, jako jsou hvězdy, planety a sám člověk, a také (díky pozoruhodnému propojení mezi mikrosvětem a makrosvětem) jak vznikal vesmír, čím je určena jeho současná podoba a kam směřuje. Jsou to otázky, jejichž řešení vedou k novým fundamentálním poznatkům, důležitým nejen pro rozvoj fyziky a dalších vědních oborů, ale i k prodloužení lidského života a zvýšení jeho kvality.

Dnes, 50 let po založení CERN, můžeme konstatovat, že se tato laboratoř stala výzkumným střediskem fyziky částic číslo jedna, a to nejen v Evropě, ale na celém světě. Je to dáno obrovskou koncentrací prvotřídních odborníků, špičkovou úrovní vědeckých zařízení a technologií, které jsou v CERN k dispozici, i velikostí laboratoře (602 ha) a rozsahem jejího badatelského programu.

S CERN totiž spolupracují nejen vynikající badatelé z dvaceti členských evropských zemí a ze sedmi zemí majících statut pozorovatele, ¹⁾ ale i špičkoví pracovníci z mnoha dalších významných zemí světa, např. z Austrálie, Číny, Kanady či Mexika. Jinými slovy s CERN spolupracuje více než polovina fyziků, kteří se ve světě zabývají fyzikou částic, tj. asi 7000 vědců z více než 500 univerzit a výzkumných institucí, nacházejících se v 80 zemích. Přímo v samotném CERN je zaměstnáno zhruba 2600 vysoce kvalifikovaných fyziků a techniků, mezi nimiž bylo zatím sedm nositelů Nobelovy ceny za fyziku.

CERN představuje celý komplex urychlovačů. První byl synchrocyklotron SC na urychlování protonů a iontů z roku 1957 (ten byl roku 1990 uzavřen), po něm protonový synchrotron PS z roku 1959, který po několika modernizacích slouží dosud, a dnes již neexistující první urychlovač vstřícných svazků na světě, tzv. ISR (Intersecting Storage Ring) z roku 1971. Pak následoval kruhový supersynchrotron SPS z roku 1976, urychlující protony na energie 450 gigaelektronvoltů a obří urychlovač vstřícných svazků elektronů a pozitronů LEP (Large Electron-Positron collider). Ten byl spuštěn r. 1989 a uzavřen r. 2000, kdy jeho vstřícné svazky dosáhly celkové energie přes 200 gigaelektronvoltů.

Urychlovač LEP byl tak citlivý a přesný, že reagoval na pozici Měsíce, na úroveň hladiny v Ženevském jezeře, tedy i na déšť, a dokonce na rychlovlaky jedoucí z Paříže do Ženevy, které kolem něj projížděly ve vzdálenosti nemenší než 800 metrů. Přesto není LEP srovnatelný se superurychlovačem LHC, který se staví nyní a který bude největším vědeckým zařízením, jaké kdy lidé vybudovali. Stejně jako LEP bude umístěn v kruhovém tunelu dlouhém 27 kilometrů, který se nachází 50 až 150 metrů pod zemí v prostoru zhruba mezi ženevským letištěm a pohořím francouzského Jury. Protože ale bude celková energie urychlených vstřícných svazků LHC oproti LEP o dva až čtyři řády vyšší, musí se svazky LHC zakřivovat v mnohem silnějším magnetickém poli. Vstřícné svazky protonů budou urychlovány v trubicích s ultravakuem 10^–8 pascalů na rekordní celkovou energii 14 teraelektronvoltů, a v případě těžkých iontů dokonce až na celkovou těžišťovou energii 1150 teraelektronvoltů. Na kruhové dráze budou udržovány asi 8000 supravodivými magnety pracujícími při teplotách blízkých absolutní nule (resp. 1,9 kelvinu) a vytvářejícími magnetické pole 8,36 tesla.

Samotným urychlovačem však připravíme pouze sondu do struktury hmoty, tj. srážku částic. K odhalení vlastní struktury hmoty, respektive toho, co všechno ve srážce vzniklo a s jakými vlastnostmi, musíme navíc použít detektory částic – a ty v CERN nezůstávají za kvalitou urychlovačů. Budované detektory pro experimenty na LHC, jakými jsou např. ATLAS a CMS, dosahují výšky osmipatrových budov a ve svých čidlech obsahují přes 10 miliard tranzistorů. Uvnitř těchto detektorů má docházet k 980 milionům srážek částic za sekundu. Jejich analýza bude vyžadovat zpracování většího množství informací, než je to, které dnes zpracovávají všechny evropské země dohromady. Proto nás ani nepřekvapí, že výpočtové centrum v CERN je místem, kde se zrodila nejrozšířenější informační síť na světě World Wide Web (WWW) a kde se bude vytvářet i podstatná část další sítě GRID, která překoná výkonnost WWW asi tisíckrát (má být schopna manipulovat s petabyty ²⁾ dat čili s kapacitou asi 100 000 DVD!). ³⁾ To umožní studovat strukturu hmoty až do velikosti 10–17 mm.

Výstavba i provoz špičkových urychlovačů a detektorů částic podněcují rozvoj mnoha progresivních technologií, např. vývoj elektroniky a optoelektroniky pracující s typickými intervaly 10^–9 až 10^–18 sekundy nebo vývoj nových materiálů s neobvyklými vlastnostmi. Vznikají například materiály, které vytvářejí ultravysoké vakuum tím, že do své struktury pohltí odstraňovaný plyn a chemicky ho v ní vážou, čímž umožňují dosáhnout špičkového vakua bez použití vývěv. Vyvíjejí se nové supravodivé magnety, které dosahují běžně intenzit magnetického pole 9 tesla. Začínají se využívat v lékařství, dopravě i jinde.

Výstavba a provoz obřích urychlovačů a nejmodernějších detektorů částic, stejně jako vývoj mnoha progresivních technologií, se samozřejmě odrážejí i ve velikosti finančního rozpočtu CERN. Ten činí ročně asi jednu miliardu švýcarských franků. Na Českou republiku z něj připadá příspěvek necelých 0,78 %, který je hrazen z rozpočtu Ministerstva zahraničních věcí ČR.

Současná fyzika částic

K základním představám o struktuře hmoty přispěl CERN mnoha výsledky, ale těch nejpodstatnějších je pět:

• objev neutrálních proudů ve slabých interakcích v roce 1973; ten byl klíčový pro potvrzení nové teorie elektroslabých interakcí, v níž jsou slabé interakce zprostředkovávány výměnou zvláštních částic – intermediálních bosonů,
• přímý objev těchto bosonů, tj. těžkých částic W⁺, W^– a Z⁰, za nějž byla Carlu Rubbiovi a Simonu Van der Meerovi z CERN udělena Nobelova cena za fyziku v roce 1984,
• experimentální důkaz, že příroda je vytvořena pouze třemi rodinami základních částic,
• přesné výsledky o narušení nábojové a prostorové symetrie v přírodě, určující jemný rozdíl mezi interakcí hmoty a antihmoty,
• originální způsob „masové“ přípravy a dlouhodobého uchování antivodíkových atomů, jež poprvé v historii umožní studovat vlastnosti atomů antihmoty a porovnat je s vlastnostmi obvyklých atomů hmoty.

Tyto a další experimentální výsledky i teoretické předpovědi, které jsme nalezli ve fyzice částic během posledních třiceti let, shrnuje standardní model. Je to model velmi úspěšný a důmyslný, který umožňuje předpovědět vlastnosti známých i nových částic a jejich interakcí a tyto předpovědi experimentálně prověřovat s velkou přesností a v širokém energetickém intervalu (od jednoho až po bilion eV; 1 eV = 10^–19 J). Souhlas experimentu s teoretickými předpověďmi standardního modelu je vynikající (asi na 0,1 %), a proto je tento model pokládán za jeden z triumfů moderní vědy. Standardní model přitom popisuje strukturu hmoty vesmíru s jejími stovkami částic i antičástic a obrovskou diverzitou objektů velmi úsporně a elegantně. Využívá jen několik jednoduchých principů, které aplikuje na malý počet elementárních částic, a na teorie čtyř základních sil mezi nimi působících.

K jakým závěrům jsme pomocí standardního modelu a na základě experimentálních výsledků z CERN a dalších laboratoří došli?

Zjistili jsme, že základní stavební kameny hmoty tvoří částice s poločíselným spinem fermiony (konkrétně kvarky a leptony) a těch existují tři rodiny tvořené vždy 2 kvarky a 2 leptony (viz tab. I). Proč v přírodě existují právě tři rodiny těchto částic, je stále záhadou a vysvětlení přesahuje možnosti standardního modelu, i když počet rodin byl nepřímo, avšak přesvědčivě určen na základě experimentálních údajů z CERN (viz graf). Mezi kvarky a leptony působí čtyři základní síly: gravitační, slabá, elektromagnetická a silná, které jsou dodnes všechny popsány podobným způsobem – v rámci tzv. kalibračních teorií. Samotné působení jisté síly mezi kvarky či leptony je zprostředkováno vždy výměnou částic charakteristických pro tuto sílu. Přitom charakteristické částice zprostředkující danou sílu mají vždy celočíselný spin, jsou tedy bosony. Pro elektromagnetickou sílu je částicí zprostředkující tuto sílu foton, pro slabou sílu jsou to bosony W⁺, W^- a Z⁰, pro silnou sílu gluony a pro gravitační sílu graviton (tab. II).

Mezi částicemi, které jsou elektricky nabité, působí elektromagnetická síla, která např. vytváří atomy, resp. váže elektrony s atomovými jádry a také zprostředkovává většinu funkcí v lidském těle. Slabá síla zase souvisí s jiným „nábojem“ částic – vůní. Odpovídá za základní procesy probíhající v Slunci i v jiných hvězdách a za radioaktivitu. Způsobuje tedy rozpad těžších kvarků a leptonů na lehčí a stabilnější částice. Silná síla, pomocí níž jsou ze tří kvarků například vytvořeny protony a neutrony, působí na všechny částice nesoucí barevný náboj, tedy na kvarky a gluony, ale nikoliv na leptony, tedy např. na elektron. Poznamenejme, že barevný náboj nemá nic společného s barvou viditelného světla a že kvarky mají barevný náboj tří druhů, a gluony dokonce osmi. Gravitační síla působí na všechny částice. Na atomových a jaderných vzdálenostech je zanedbatelná proti ostatním silám (např. proti elektromagnetické interakci je slabší asi o 41 řádů), ale hraje podstatnou roli v obřích strukturách vesmíru. Ukazuje se, že poměry velikostí čtyř základních sil nejsou stálé, ale jsou proměnlivé v závislosti na energii. Síly, které jsou rozdílné v podmínkách, v nichž žijeme, mohou být nerozlišitelné v prostředí s mnohem vyšší teplotou (energií). Teoretičtí fyzikové se snaží určit, kdy, a hlavně jakým způsobem se síly mohou stát nerozlišitelnými a jak vypadá teorie, která takové sjednocení sil popisuje. Řešení jejich problému usnadňuje skutečnost, že teorie všech čtyř základních sil jsou vytvořeny podle stejného receptu, přičemž však každá síla je charakterizována jinou, pro ni charakteristickou symetrií.

Standardní model není jednou kvantovou teorií částic, ale spíše kombinací dvou teorií. Jsou to: teorie silných interakcí, kterou je ve standardním modelu kvantová chromodynamika, a teorie elektroslabých interakcí, ve které se podařilo v sedmdesátých letech S. Glashowovi, A. Salamovi a S. Weinbergovi úspěšně sjednotit teorie dvou dříve rozličných sil – síly elektromagnetické a síly slabé. Je to výkon obdivuhodný, jestliže si uvědomíme, jak různé jsou jevy, které běžně tyto síly způsobují. V jejich teorii se však obě síly stanou nerozlišitelnými při energiích vyšších než asi 200 gigaelektronvoltů, tedy energiích dosažitelných našimi urychlovači. Teorii poslední síly – gravitační – bychom však ve standardním modelu marně hledali, tu prostě standardní model neuvažuje.

Výhledy do budoucna

I když předpovědi standardního modelu souhlasí s experimentem, je zřejmé, že model má k dokonalosti daleko.

• Standardní model totiž nepopisuje gravitační interakce, a neposkytuje tedy ani řešení ke kýženému sjednocení gravitační teorie s teorií kvantovou.
• Standardní model obsahuje přes 20 konstant (kterými jsou hmotnosti částic a vazbové konstanty), jejichž hodnoty měříme, ale neumíme je v jeho rámci spočítat.
• Standardní model sice obsahuje Higgsův mechanizmus, pomocí nějž částice získávají hmotnost, a to tím, že interagují s Higgsovým polem (čím silněji, tím mají hmotnost větší), ale experimentálně tento mechanizmus nebyl potvrzen. Nepozorovali jsme zatím žádné kvantum Higgsova pole, tzv. Higgsův boson. Principiální otázku původu hmotnosti částic a jejich konkrétních velikostí tedy standardní model ponechává nezodpovězenou.
• Standardní model neřeší ani další zásadní otázku, zda je možno ve sjednocování základních sil pokračovat, zda je možné (podobně jak to udělali Salam s Weinbergem a Glashowem pro elektromagnetické a slabé síly) nakonec sjednotit teorie všech čtyř základních sil v teorii jediné síly, či spíše prasíly. Jinými slovy, zda je možno vytvořit finální teorii částic, někdy též nevhodně nazývanou „teorie všeho“.
• Neodpovídá ani na otázku, proč existují tři rodiny kvarků a leptonů a proč ve vesmíru zcela převládá hmota nad antihmotou.
• Záhadou zůstává i otázka, co tvoří temnou hmotu a energii vesmíru – téměř 95 % vesmíru, o jehož existenci máme jen nepřímá svědectví.

Pro řešení těchto a mnoha dalších otázek připravují experimentátoři v CERN novou generaci urychlovačů a detektorů, jak jsme o nich už zmínili. Teoretici zase rozpracovávají např. myšlenku, že elementární částice nejsou bodové, nýbrž vícerozměrné objekty (struny, membrány nebo p-brány), z nichž některé se pohybují ve více než čtyřrozměrném prostoročasu. Přicházejí též s novou symetrií, tzv. supersymetrií – transformací, která propojuje svět fermionů a bosonů, tedy svět částic tvořících strukturu hmoty se světem částic zprostředkujících jejich interakce. Každá známá částice by také dík supersymetrii měla mít svého supersymetrického partnera. Tyto nové částice jsme zatím nepozorovali, ale budoucí urychlovač LHC v CERN by je měl s velkou pravděpodobností objevit. Teoretičtí fyzikové rozpracovávají i myšlenku o další symetrii, tzv. dualitě, která převádí dvě dosud rozličné fyzikální teorie jednu na druhou a činí je ekvivalentními (viz L. Motl, Vesmír 77, 608, 1998/11). Přitom v jedné z těchto teorií můžeme jistou fyzikální situaci popisovat pomocí poruchového počtu, zatímco v druhé teorii, s ní ekvivalentní, bude stejná situace popisována v režimu velké vazbové konstanty, tj. za okolností, kdy poruchovou metodu použít nelze a zatím nemáme k dispozici ani jiné výpočtové metody. Dualita nám tedy umožňuje jednak redukovat počet zdánlivě různých teorií na skutečně různé a nezávislé, jednak získat předpovědi o chování některých fyzikálních systémů v neporuchové oblasti. Teoretikové také začínají klást smysluplné otázky o stavu vesmíru, jaký byl v 10^–43 vteřinách po velkém třesku, a dokonce i před ním! Dá se tedy očekávat, že fyzikové v CERN a fyzikové částic všeobecně nebudou v budoucích letech zahálet, ale čeká je patrně odhalení dalších tajemství přírody i řada nečekaných překvapení, která dělají fyziku i další přírodní vědy stále tak přitažlivými a fascinujícími.