Na ženevském letišti jsem na své první cestě do

Transkript

1 Kapitola 3 Místo zvané CERN Na ženevském letišti jsem na své první cestě do CERNu přistál v 10 hodin 35 minut dne 2. dubna roku 2009 po asi hodinovém letu z Paříže. Málem jsem odlet nestihl, protože nastal jakýsi elektrický problém v pařížském systému rychlé dopravy a vlak, v němž jsem seděl, zastavil v severní části města, kde se poté stovky lidí snažily chytit taxi nebo přestoupit do autobusů, aby stihly přípoje a mohly pokračovat v cestě. Byla to nemožná situace a já jsem už byl rozhodnutý to vzdát, když se mi podařilo uprosit jednu rozhořčenou Pařížanku, aby mě přibrala do taxíku, jímž jela na letiště Charlese de Gaulla. Na letišti jsem o překot pádil k terminálu a ve dveřích letadla jsem se objevil právě ve chvíli, kdy se je personál chystal zavřít. Když jsem se konečně dostal do Ženevy, čekal tam na mě dr. Paolo Petagna, vysoký, mladistvě vyhlížející fyzik z Livorna. Po chvíli rozhovoru jsme nasedli do jeho auta a vyjeli západním směrem k CERNu. Projeli jsme čtvrtí výškových činžáků a poté pokračovali krajinou otevřených polí a malých obcí. Všiml jsem si neobvykle mnoha drátů vysokého napětí nad našimi hlavami. Řekl bych, že si na ty dráty všude kolem nemáme co stěžovat, když máme takovou spotřebu proudu, jakou máme, zasmál se Paolo v odpověď na moji otázku.

2 60 Amir D. Aczel Přijeli jsme k bráně komplexu a k bezpečnostní kontrole. Paolo blýskl svým odznakem a směli jsme vstoupit do místa zvaného CERN. Hlavní sídlo CERNu je velký výzkumný kampus s dlouhými bílými mnohaposchoďovými budovami, které obklopují ulice pojmenované po slavných vědcích. Projeli jsme ulice A. Einsteina, N. Bohra a J. Bella poslední jmenovaný byl kvantový teoretik CERNu, jehož práce vedla k hlubšímu pochopení bizarního konceptu kvantového provázání. 1 Zaparkovali jsme a vešli do přízemí hlavní budovy, v němž je velký bufet a přilehlé prostory pro stravování; byla právě doba přestávky, a tak sem proudily zástupy vědců, skutečná mezinárodní směs lidí z celého světa, kteří rozmlouvali s přáteli, popíjeli kávu, jedli koblihy a chodili sem a tam. Naslouchal jsem směsici jazyků a žasl nad oděvy nejrůznějších stylů, tradiční indické a africké úbory nevyjímaje. Na nástěnkách jsem si všiml příspěvků v angličtině i ve francouzštině. Paolo vytušil moji otázku: Když sem přijdete, musíte si, ať už jste odkudkoliv, zvolit jeden ze dvou jazyků komunikace v CERNu. A vy jste si vybral francouzštinu? zeptal jsem se, protože touto řečí jsem ho slyšel plynně mluvit s přítomnými. Ne, odvětil s úsměvem, rozhodl jsem se pro angličtinu. Když jsem sem před dvanácti roky přišel, mluvil jsem už anglicky slušně, ale francouzsky jen bídně. Po těch letech je už lepší moje francouzština a mluví se mi v ní mnohem lépe. Zůstal jsem ale u angličtiny, pokud jde o vnitřní komunikaci v CERNu. Angličtina, kterou se tu mluví, je odrůdou standardní mezinárodní angličtiny. Tu je ostatně slyšet na mezinárodních vědeckých konferencích kdekoliv na světě, odtušil jsem. Přesně tak, souhlasil Paolo. 2 Francouzština se v CERNu ozývá stále častěji a je oficiálnější než formálně stejně postavená angličtina, zčásti proto, že se CERN nachází uprostřed frankofonní oblasti. Východní část komplexu

3 Okamžik stvoření 61 CERNu, k níž patří i administrativní centrum, v němž nyní jsme, leží ve frankofonním švýcarském kantonu Ženeva, a západní část CERNu, v níž se nachází větší část Velkého hadronového urychlovače, v regionu Rhône-Alpes ve Francii. Nad kávou Paolo vzpomínal: Po příchodu jsem zažil kulturní šok. Toto místo bylo zcela odlišné od všeho, co jsem dosud znal. Podíval jsem na něj s očekáváním a Paolo pokračoval: Víte, běžně byste čekal, že lidé s velkým egem si budou navzájem nelítostně konkurovat a možná budou na ostatní vědce pohlížet jako na nepřátele. Ale nic takového. Bylo pro mě překvapením, že lidé, kteří zde pracují, mají jedinečnou schopnost táhnout za jeden provaz. A to je něco, co jinde moc často neuvidíte. Dozvěděl jsem se, že v CERNu existuje něco, co by se dalo nazvat zdravým soutěžením : každý tu jistě chce být tím, kdo učiní velký objev, za svými cíli ale jdou cestou spolupráce. Nezaznamenal jsem tu žádnou bezohlednost, kterou jsem viděl na tolika jiných místech. Vědci, inženýři a dělníci byli bez výjimky přátelští a vstřícní a vztahy mezi nimi byly očividně skvělé. Přesto je pozitivní aspekt soutěživosti přítomen i tady. Hlavní víceúčelové detektory ATLAS a CMS provozují dva silně si konkurující týmy. Oba detektory pátrají po obdobných fenoménech, jimiž jsou Higgsův boson, částice kandidující na temnou hmotu, další dimenze prostoru, supersymetričtí partneři, struny a další. Avšak cesty, kterými obě skupiny postupují, jsou různé a vzájemně je odlišují. Každý z obou týmů navrhl vlastní detekční zařízení, vlastní konstrukční řešení a vlastní vědecké metody. Jeden i druhý tým pochopitelně doufají, že zvítězí na poli vědeckých objevů. Jako člen týmu CMS mi Paolo Petagna později ukázal detektor CMS a vysvětlil mi, jak funguje. Aby byl spravedlivý ke konkurenci, zařídil mi také setkání s mluvčí (což je v CERNu používané označení funkce ředitele) ATLASu dr. Fabiolou Gianotiovou, svojí italskou kolegyní. Soutěžení je užitečné, vysvětluje Petagna, a oba týmy

4 62 Amir D. Aczel jsou současně silně propojené v tom smyslu, že sledujeme stejné vědecké cíle. 3 Dualitu soutěžení a spolupráce v CERNu jsem si ujasnil o něco později, když jsem se seznámil s Guidem Tonellim, vedoucím týmu CMS. Důležitý je koncept poctivé soutěže, řekl mi. Musíme sdílet všechny informace z našich experimentů. Nedokážu si představit, že bychom před Fabiolou, která vede konkurenční tým ATLASu, naše výsledky zatajovali. Je to jediná možnost, jak dělat vědu dobře. Naše výsledky musíme srovnávat a tím je ověřovat. Sdílení informací mezi konkurenčními týmy je jediný způsob, jak naše výsledky kontrolovat. Je to nejlepší cesta, jak zjistit, zda to, co nalezneme v našich experimentech, je v souladu se skutečností. Potom s úsměvem dodal: A kromě toho, jsme přátelé. 4 Tonelliho slova měla hlubší význam, jak jsem se později dozvěděl. CERNem obíhaly po celá desetiletí zvěsti, že jistý zdejší výzkumný tým tajil své výsledky a podváděl tak konkurenty, čímž získával neoprávněné výhody v závodě za vědeckými objevy. To už je ale minulost. Jak se blížíme k předpokládanému nalezení Higgsova bosonu a supersymetrie a k dalším fyzikálním objevům, pracují týmy CERNu v ovzduší zdravé konkurence a spolupráce. Dokázali jsme tu vytvořit neuvěřitelné věci, pokračoval Petagna nad kávou v hlavní budově zázraku jménem CERN. Konsorcium univerzit a institucí, které tento vědecký projekt sponzorují, učinilo z fyziky celosvětovou záležitost, vysvětluje s odkazem na založení CERNu, jeho poslání a jeho mezinárodní výbor, který rozhoduje o cílech projektu a o prostředcích k jejich dosažení, a tím v mnoha ohledech určuje budoucí směřování fyziky. Dalším klíčovým rysem CERNu je silné a přímé propojení teorie a experimentu. Teorie rozhoduje, na jaké věci se zaměřit: Higgsův boson, supersymetrie a tak dál. Výsledky experimentů potom teoretikům řeknou, na co se dále soustředit. Mezi teorií a experimentem tu panuje trvalá souhra. 5

5 Okamžik stvoření 63 Pak mě Paolo seznámil s dr. Luisem Alvarez-Gaumem, hlavou teoretické části CERNu. Velmi příjemně jsme diskutovali v jeho kanceláři v nejvyšším patře budovy. Můj výzkum se týká výtrysků, které se objevují nad a pod černými dírami v centrech galaxií, odpověděl Alvarez-Gaume, když jsem se ho zeptal na jeho práci. Pomyslel jsem si, že je to opravdu podivná náhoda, přihlédneme-li k obavám veřejnosti z možného vzniku černé díry v LHC. Když jsem se o tom zmínil, zasmál se: není nad malou černou díru, když se má fyzik uvolnit a rozpovídat o zázracích vědy. Jistě, řekl Luis, můžeme hledat také známky přítomnosti mikroskopické černé díry v LHC, přístroj byl ale navržen pro pátrání po Higgsovu bosonu a mnoha jiných věcech. Je to továrna na Higgsův boson, pokračoval. 6 Během následujících měsíců jsem od různých vědců slyšel mnohokrát, že LHC je továrna na mnoho různých výrobků na spršky kvarků (stabilní kvarky jsou složky protonů a neutronů, částic tvořících atomová jádra, zatímco těžší, nestabilní kvarky jsou vytvářeny v urychlovačích a pravděpodobně existovaly ve velmi raném vesmíru); na leptony, tj. elektrony a jiné, jim podobné elementární částice; na tauony, což jsou nestabilní leptony asi 3 500krát těžší než elektron; na temnou hmotu, kterou tvoří dosud neznámé částice, jež věda doufá identifikovat; a na neutrina, což jsou extrémně lehké neutrální leptony, stačí si vybrat podle výzkumníkovy chuti a záliby. Vědci často vidí urychlovač jako továrnu, v níž je částice, vyžadující určité množství energie, vyráběna (s frekvencí vyšší nebo nižší v závislosti na podmínkách) tak dlouho, dokud je zařízení v provozu. Pokud je tedy LHC továrnou, je otázkou, jaké druhy částic bude vyrábět nejčastěji. Uvědomil jsem si, že každý z fyziků myslí na LHC jako na továrnu na částice, po nichž touží, aby vydláždily cestu k jeho velkému objevu. Dozvěděl jsem se také, že Alvarez-Gaume má zajímavou představu o struktuře vesmíru. Nezdá se, že by existoval nějaký plán

6 64 Amir D. Aczel v hmotnostech, nějaká hierarchie, řekl v narážce na jeden z velkých fyzikálních problémů, jímž je otázka, proč je hmotnost částic tak různá, aniž by byla patrná jakákoliv zákonitost. Možná že vesmír nedává vůbec žádný smysl. 7 Vyptával jsem se na rychlost protonů v LHC. Kdyby některý z našich protonů v LHC závodil s fotonem [částicí světla, jež cestuje nejvyšší možnou rychlostí ve vesmíru] na cestě k Alfě Centauri, odpověděl, dorazil by k této nám nejbližší hvězdě se zpožděním jen 0,3 sekundy! 8 Alfa Centauri se nachází 4,2 světelného roku od nás, což dává dobrou představu o tom, jak rychle se protony v LHC pohybují. Můj přítel Barton Zwiebach, strunový teoretik z MIT, vypočítal, že foton by porazil proton urychlený v LHC o pouhou čtvrtinu milimetru, kdyby spolu tyto dvě částice právě jednou proletěly 27 kilometrů dlouhým prstencem LHC. Obě analogie, Alvarez-Gaumeho a Zwiebachova, jsou ekvivalentní a obě demonstrují, jak nesmírně rychle krouží protony uvnitř urychlovače. LHC urychluje protony až na rychlost, jež je velmi blízká rychlosti světla. Aby ale protony dosáhly této neuvěřitelně vysoké rychlosti, je třeba řady postupných kroků. 10 Jde o podobný postup, jakým raketa vynáší kosmickou loď na cestu k Marsu. Raketa má několik stupňů, a každý následující sondu znovu nakopne a zvýší její rychlost tak, aby nakonec dosáhla únikové rychlosti, která jí umožní vzdálit se od naší planety. Totéž platí pro protony urychlované v CERNu. V přípravných fázích jsou protony urychlovány ve starších urychlovačích CERNu, které nyní slouží jako krmítka gigantického LHC. Nejprve jsou protony uvolněny z atomů vodíku tak, že jsou z nich odstraněny elektrony, takže zbydou pouze protony (což jsou vlastně kladně nabité ionty vodíku). Protonové svazky takto uvolněné z vodíkového plynu jsou velmi intenzivní, s miliardami protonů v každé dávce, přesto se každý den činnosti LHC spotřebují na výrobu protonů pouhé dva nanogramy (dvě miliardtiny gramu)

7 Okamžik stvoření 65 vodíku. Aby spotřeboval jeden jediný gram vodíku, musel by LHC nepřetržitě pracovat po více než milion let. Protony poté získají svoji počáteční rychlost v poměrně malém lineárním (nikoliv kruhovém, jako je třeba LHC) urychlovači zvaném Linac2. Toto zařízení urychlí protony na 31,4 procenta rychlosti světla, tj. dodá jim rychlost zhruba kilometrů za sekundu. To je závratná rychlost vyšší než jakákoliv rychlost známá ze Země (s výjimkou světla či rádiových vln, které se také pohybují rychlostí světla, či paprsků kosmického záření, které k nám pronikají z vesmíru), ale mnohem nižší, než jakou se pohybují částice v silnějších urychlovačích. Jakmile protony dosáhnou této rychlosti, opouštějí lineární urychlovač a vstupují do staršího kruhového urychlovače částic CERNu označovaného jako Proton Synchrotron (PS) Booster. Kruhové urychlovače mají tu výhodu, že v nich částice mohou zůstat po dlouhou dobu a s každým oběhem zvyšují svou rychlost. Lineárním urychlovačem naproti tomu částice proletí pouze jednou. PS Booster protony urychlí na 91,6 procenta rychlosti světla. K dalšímu zvýšení rychlosti je nutný silnější kruhový urychlovač. Je třeba poznamenat, že postupné zvyšování rychlosti částic je stále náročnější z hlediska dodávané energie. Urychlit proton z 31,4 na 91,6 procenta rychlosti světla (což je rozdíl 60 procentních bodů) je mnohem snazší než dostat ho z 91,6 na 99,93 procenta rychlosti světla (tj. rozdíl pouhých 8,3 procentního bodu), což provádí Proton Synchrotron. Důvod, proč narůstající urychlení vyžaduje stále vyšší energii, má co do činění se speciální teorií relativity. Jak se částice pohybuje rychleji a rychleji, zároveň prudce narůstá její hmotnost a urychlovat těžší věc je obtížnější než lehčí. Jakmile protony dosáhnou v PS 99,93 procenta rychlosti světla, jsou vpuštěny do ještě většího, silnějšího urychlovače. Je jím Super Proton Synchrotron (SPS), na němž byla v roce 1983 prokázána existence bosonů Z a W, částic, které zprostředkovávají působení

8 66 Amir D. Aczel slabé jaderné síly. O rok později obdrželi fyzikové CERNu Carlo Rubbia a Simon van der Meer za svoji práci vedoucí k těmto objevům Nobelovu cenu za fyziku. SPS dodá protonům další kopanec a urychlí je na 99,998 procenta rychlosti světla, což je hodnota ekvivalentní energetické úrovni 450 GeV. Poté co se tak stane, jsou protony připraveny vstoupit do místa určení, jímž je LHC. Toto zařízení je schopno urychlit protony na cílovou rychlost 99, procenta rychlosti světla, pokud pracuje na své maximální energii 14 TeV. Každý proton je v takovém případě urychlen na energii 7 TeV, což je více než 15,5násobek energie, s níž do LHC vstoupil (ta činí 450 GeV, přičemž 1 TeV je GeV). Takové urychlení vyžaduje obrovské množství energie. Podobně urychlení tunové lodi vyžaduje velké množství paliva, zatímco osobní automobil spotřebuje jen zlomek litru benzinu, když se má rozjet z nuly na 60 kilometrů v hodině. S částicemi je to v principu stejné. Urychlení částice z klidu na nějakou rychlost vyžaduje určitou energii, jakmile se ale částice pohybuje velmi rychle, není už osobním autem, ale spíš velkým náklaďákem, který k ještě rychlejší jízdě potřebuje více a více energie a je stále těžší a těžší, až se nakonec v naší analogii promění v obří námořní loď. Urychlení hmotné částice (tj. jiné než částice světla nebo rádiových vln) na samotnou rychlost světla není možné, protože její hmotnost by při rychlosti světla vzrostla nade všechny meze a urychlení by vyžadovalo nekonečné množství energie. Avšak urychlení protonu na 99, procenta rychlosti světla ne na 100 procent, ale hodně blízko dosáhnout lze, pokud máte k dispozici zdroj energie odpovídající energetické spotřebě města o velikosti Ženevy. A CERN ho má. Tato elektrická energie se v laboratoři přeměňuje na elektromagnetickou tažnou energii prostřednictvím radiofrekvenčních zařízení, která částice urychlují; téměř obřích supravodivých elektromagnetů umístěných po celé délce 27kilometrového okruhu LHC udržuje protony během

9 Okamžik stvoření 67 mnoha milionů oběhů, které uvnitř tunelu vykonají, na správné dráze a soustřeďuje je do velmi úzkého svazku. Činnost radiofrekvenčních zařízení v tunelu LHC se podobá tomu, co dělá otec, když rozhoupává své dítě na houpačce. Pokaždé, když se dítě přiblíží, otec strčí do houpačky a dodá jí tak energii, čímž zvýší její rychlost. Otec jistě dá pozor, aby to s houpáním nepřehnal a dítě z houpačky nespadlo nebo si jinak neublížilo, ale protony vstoupivší do Velkého hadronového urychlovače jsou znovu a znovu urychlovány radiofrekvenčními zařízeními, která míjejí. Dokonale synchronizované energetické pulzy ženou protony rychleji a rychleji a magnety současně ohýbají, opravují a zaostřují svazek, dokud protony nedosáhnou nejvyšší možné rychlosti, jež závisí na množství elektrické energie, kterou má LHC k dispozici, i na technických omezeních elektromagnetů, pokud jde o proud, který ještě bez újmy snesou. LHC ovšem dosud většinou pracuje na energiích mnohem nižších, než jaké odpovídají jeho možnostem, protože celé zařízení musí být nejprve důkladně otestováno, než bude spuštěno naplno. Supravodivé magnety je také nutno k tak vysokému výkonu vytrénovat postupným zvyšováním příkonu proudu. LHC je jako nové auto. I když s ním můžete jet 200 kilometrů za hodinu, nebylo by moudré, abyste to zkoušeli hned první den pokud si chcete vůz užít, raději jej zajeďte při nižších rychlostech a až časem z něj můžete zkusit vyždímat vše, co umí. LHC je ovšem mnohem složitější a citlivější zařízení než auto a na rozdíl od něj je jedinečný nejsou tu tisíce podobných, takže vše je třeba naučit se od nuly. LHC tvoří milionkrát více součástí než auto a všechny musí pracovat v dokonalé harmonii, aby celé zařízení plnilo úkol, k němuž bylo stvořeno. To je důvod, proč tento přístroj vyžaduje tolik času na přípravu a tak dlouhé zkušební období: všechny součásti musí pracovat jako dokonale seřízený celek. Toho je obtížné dosáhnout, protože chyba jediného malého prvku může zhatit celý podnik. Jak

10 68 Amir D. Aczel jsme viděli, jediný chybný svar, jakých jsou v LHC tisíce, zastavil celou operaci a způsobil dlouhou odstávku celého zařízení. Jeden ze zajímavých rysů LHC a jeho konstrukce spočívá v tom, že vlastně nikdo nedokáže přesně předpovědět vlastnosti, zvláštnosti a silné i slabé stránky tohoto kolosálního přístroje. Vědci tu říkají, že má charakter, jedinečnou vnímavost a dokonce i duši. A protože je dílem několika různých týmů vědců a inženýrů, chovají se dokonce i jeho jednotlivé části jako svébytné osobnosti, které se teprve musí naučit spolupracovat. Když jsem to od lidí v CERNu slyšel, vzpomněl jsem si na dva muže, které jsem potkal na Aljašce, kde stavěli kompozitovou plachetnici. Ač byli oba zkušení námořníci, svoji loď museli pomalu testovat při různých rychlostech větru a všemožných povětrnostních podmínkách, než byli schopni říci, jak se bude chovat při extrémní zátěži na bouřlivém Tichém oceánu. Řekli mi, že až na samém konci se dozví, jaká loď, kterou právě dokončili, vlastně je. Testování LHC je něco podobného, jen samozřejmě v mnohem větším měřítku. LHC má v tomto smyslu vlastní osobnost! Plachetnice může ztroskotat, pokud překročíme únosnou hranici, a motor auta se může zadřít, pokud jej přetížíme. Viděli jsme, že LHC může přijít o své magnety, pokud elektrický odpor dokonce jen mírně vzroste, existují ale i jiné provozní problémy, které mohou nastat. Protonový svazek například může vyklouznout z ohniska tj. může se vychýlit z velmi úzkého rozmezí, v němž může na přesně vymezených místech nastat kolize s paprskem letícím v opačném směru. Protony vykonají v 27 kilometrů dlouhém tunelu každou sekundu neuvěřitelných oběhů a od jejich vstupu do trubice LHC trvá dvacet minut, než jsou urychleny na maximální energii. Urychlovačem obíhá 100 miliard protonů v každé skupině, jichž je v každém protonovém svazku. Svazky jsou střídavě vysílány do dvou paralelních trubic uvnitř LHC: jeden se 27kilometrovým okruhem pohybuje ve směru otáčení hodinových ručiček, druhý ve směru opačném. Jakmile protony dosáhnou maximální rychlosti,