Práce vědců z CERNu někdy připomíná Sherlocka Holmese. Vrásky jim dělá i energetická krize

Když se řekne CERN, možná si vybavíme velký urychlovač. Co ale všechno patří do výzkumného komplexu?

JM: Velký urychlovač je naše vlajková loď, ale jsou tu i menší, na kterých také děláme pokusy. Například program, který zkoumá antihmotu. Další se zabývá jadernou fyzikou, ty infrastruktury se jmenují Isolde, n-TOF.

Myslím, že kdybych měl CERN charakterizovat, jsme skoro víc technologickou laboratoří než výzkumnou. Hlavní úsilí je, vyvinout samotné přístroje: špičkovou technologii pro urychlovače částic; pro detektory, abychom měli čím částice potvrdit; ale také pro informatiku, výpočetní infrastrukturu, kterou potřebujeme. A to všechno si v CERNu neděláme sami, ale ve spolupráci s mnoha institucemi a zeměmi z celého světa mezi jinými samozřejmě i z Česka a Slovenska. A také průmyslovými podniky z těchto zemí, které dodaly důležité součásti k urychlovačům a velkým detektorům.

Dnes rozumíme přibližně pěti procentům hmoty a energie ve vesmíru. To je málo.

Nejdřív technologie

Rozumím tomu tak, že aby člověk mohl nějaký experiment provést v praxi a ne jen teoreticky, potřebuje k tomu napřed vyvinout potřebné technologie?

JM: Přesně tak. Uvedu jeden příklad: jde o ten velký urychlovač LHC, který dosáhne na částice s nejvyšší energií, jaké kdy člověk dosáhl. Jeden z důležitých parametrů, na kterém energie závisí, je síla magnetů. Museli jsme vyvinout magnety, které udrží urychlované protony uvnitř zařízení na kruhové dráze. Čím silnější magnety, tím vyšší je energie.

Proto jsme v CERNu vynalezli magnety, které mohou vytvořit magnetické pole stotisíckrát větší, než má Země. Navrhli jsme je ve spolupráci s univerzitami a laboratořemi. Nakonec přes tisíc dvě stě těchto magnetů, které jsou potřeba pro dvacet sedm kilometrů dlouhý urychlovač, vyrobilo několik evropských průmyslových podniků, podle požadavků našeho vývoje.

Od letošního léta je velký urychlovač opět v provozu. Jaké výzkumné úkoly řeší?

JM: Čemu se v CERNu věnujeme, je částicová fyzika. Chceme to, co rád vyjadřuji citátem z Goethova Fausta: chceme prozkoumat, co v tom nejniternějším drží svět pohromadě. Co jsou základní stavební kameny hmoty, a co jsou síly, vzájemné působení, které nás drží pohromadě. A z kterých se skládáme my všichni, Země, hvězdy, galaxie.

Ještě tolik otázek

Posluchači si možná vzpomenou na Higgsův boson....

JM: Přesně tak. Díky tomu můžeme pochopit, proč vůbec hmota má hmotnost. Bez Higgsova bosonu by neexistovaly například atomy. Za deset let jsme se o něm hodně dozvěděli. Ale stále si nad ním také lámeme hlavu. Je s ním spojeno tolik záhad, protože to je zvláštní částice. Nepodobá se žádné z těch, které jsme dotehdy znali, chceme ho prozkoumat ještě lépe, než jsme to doposud dělali.

Vedle toho ale máme jiné důležité otázky, například co je temná hmota. Dnes rozumíme přibližně pěti procentům hmoty a energie ve vesmíru. To je málo. Předpokládáme, že existuje něco jako temná hmota, kterou jsme ještě neobjevili, a temná energie, která je ještě záhadnější. A další základní otázka, proč můžeme vůbec existovat. Protože po velkém třesku zůstalo jenom to, čemu dnes říkáme hmota. Antihmota byla zničena. Proč tomu tak je.

Čtěte také

Vyfotili jsme přesně to, co Einstein před sto lety spočítal, potvrdili vědci prvním snímkem černé díry

Jak vůbec můžeme částice vidět nebo detekovat?

JM: Něco takového, když zůstaneme u Higgsova bosonu, nemůžeme vidět přímo. Existuje jen maličkatý zlomek sekundy. Co vidět můžeme, jsou částice vzniklé při rozpadu, které po sobě zanechávají signály v našich detektorech. Signály zaznamenáváme a pak se pokoušíme jako Sherlock Holmes ze stop těchto částic rekonstruovat, co se stalo při srážce protonu s jiným protonem.

Těch vytváříme velmi mnoho, miliardu srážek za sekundu, a když přístroj běží dobře, jsou to až dvě miliardy za sekundu. To všechno musíme vyhodnotit: které z nich nám daly zajímavé výsledky. Opět příklad s Higgsovým bosonem, z této miliardy srážek nám vznikne jeden Higgsův boson. Proti tomu se zdá jednoduché najít jehlu v kupce sena.

Trochu jako cibule

Jak vypadají detektory, které umějí rozlišit tak nepatrné rozdíly?

JM: Zařízení musí být velké, protože pracujeme s nejvyššími energiemi, které v současnosti můžeme vytvořit. Detektory bychom si mohli představit trochu jako cibuli. Vnitřní vrstva se co nejvíc přibližuje místu, kde se proton sráží s protonem, abychom zachytili stopy produktů srážky.

Další slupka cibule se snaží tyto částice zastavit, a přitom měříme energii, která se přenese ve formě elektronického pulzu. A potom máme úplně navrchu ještě jednu slupku, existují částice, které nás zvláště zajímají, miony, které mohou celým detektorem proletět, a v této nejsvrchnější slupce zanechávají stopy, které potom můžeme s pomocí počítačů zpětně vysledovat až k počátku srážky.

Jak výkonné počítače potřebujete? Dočetl jsem se, že výpočty některých experimentů mohou trvat i roky.

JM: Ano i ne. Musíme rozlišovat. Napřed potřebujeme něco spočítat online, hned. Z té miliardy srážek za sekundu můžeme jenom zlomek zaznamenat na disk v počítači a podrobněji prozkoumat. Musíme v tisícinách sekundy rozhodnout, jestli by srážka mohla být zajímavá, nebo ne. Když není, jde z kola ven. To samo o sobě je velká výzva. To, co potom vyhodnocujeme ve velkém výpočetním centru, potřebuje velkou přesnost.

Pulz, který zaznamenaly detektory, převést na energii, to vyžaduje rozsáhlé výpočty. Nakonec se musíme podívat, například u Higgse, jestli jsme opravdu zaznamenali Higgse, nebo ne. Musíme se ujistit, jestli to nebyl náhodný efekt nebo chyba detektoru. A to potom trvá měsíce, nebo v některých analýzách i roky.

Příliš mnoho energie?

Někdo by mohl namítnout, že experimenty spotřebují spoustu energie a výpočetního výkonu, ale nic užitečného z toho nevzejde. Co byste k tomu řekl?

Higgsův boson|foto:Michal Jindra

JM: Co můžeme ukázat teď hned, je vzdělávání spousty mladých lidí ve špičkových technologiích. Počítače, detektory, jsou to i inženýrské vědy, umět navrhovat zařízení. A kromě toho jsou tu i dlouhodobé věci, které základní výzkum vrací společnosti. Když se mě zeptáte, co si počít s Higgsem, na to vám teď neodpovím, zeptejte se mě za sto let. Ale žerty stranou.

Před více než sto lety formuloval Einstein obecnou teorii relativity. Dnes jeho vzorce využívá skoro každý. Například v satelitní navigaci v autě. Nebo novější příklad. Detektory, které jsme vyvinuli před pětadvaceti nebo třiceti lety v CERNu, krystaly k měření energií v částicích. Ty se teď využívají v medicíně. Pozitronová emisní tomografie. A když nám u zubaře dělají rentgen, je to obrázek v počítači, který je založený na technologiích detektorů a polovodičů, které byly vyvinuté pro experimenty na LHC.

Čtěte také

Konec jedné éry? Čeští vědci opouštějí „ruský CERN“, reagují tím na ruskou invazi na Ukrajinu

CERN je mezinárodní projekt, zasáhly současné události na Ukrajině a v Rusku do jeho fungování?

JM: To je bohužel relevantní otázka. CERN spolupracoval šedesát let s ruskými institucemi. Dokonce i v době studené války jsme měli společné projekty. Šest až sedm procent ze šestnácti tisíc našich vědců bylo z ruských institucí. Je to problém pro náš výzkum, ale i pro naše ruské kolegy, kteří také trvale žijí v CERNu a okolí. Rozhodli jsme se v té souvislosti, že přerušíme jakoukoli budoucí spolupráci s ruskými institucemi; ale co děláme i v zájmu ruských kolegů, je, že se v rámci možností snažíme udržet spolupráci na existujících projektech.

Dotýká se vás také energetická krize?

JM: Přirozeně je to pro nás také problém a snažíme se přispět k řešení energetické krize. Rozhodli jsme se, že letos přerušíme provoz urychlovače o dva týdny dříve. Už řadu let míváme v zimě přestávku, v době, kdy je spotřeba vysoká, a letos bude pauza delší. Elektřinu odebíráme hlavně z Francie. Omezujeme i navazující programy a chceme to tak udělat i v příštím roce, abychom odlehčili energetické krizi.