Havárie se nesmí opakovat

Rubrika Zkumavka tentokrát netradičně nabízí rozhovor. Fyzika Jiřího Chýly jsme se ptali na černé díry, temnou hmotu a problémy s „buřtíky“ uvnitř urychlovače LHC.

Tento týden byl konečně zahájen výzkum na evropském urychlovači LHC, vybudovaném na francouzsko-švýcarském pomezí. V nitru podzemního prstence o délce 27 km do sebe narazily mikroskopické částice hmoty tak prudce, že energie srážky výrazně předčila podobné experimenty v minulosti. Země nebyla vzápětí pohlcena černou dírou, jak se obávala česká média, to ale neznamená, že vše probíhá úplně bez problémů. O jistých potížích, doprovázejících provoz urychlovače, hovořil Respekt s profesorem Jiřím Chýlou, odborníkem na elementární částice z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Urychlovač LHC zahájil výzkum, Země v černé díře nezmizela. Bál jste se toho?

Je to úplný nesmysl. Energie, s nimiž se částice v urychlovači srážejí, jsou asi milionkrát nižší než ty, které by byly potřeba ke vzniku té nejmenší, nejlehčí černé díry. Ta musí mít podle obecné teorie relativity zhruba jeden mikrogram a v urychlovači LHC vzniknout nemůže, protože k tomu by bylo třeba miliónkrát větší energie protonů, než jaké tam lze dosáhnout. Ale i kdyby se někde vytvořila, kdyby k nám třeba přicestovala z vesmíru, tato černá díra se vypaří za 10–40 vteřiny. To je nesmírně krátká doba, kratší časový úsek, než za jaký po velkém třesku došlo k prudkému rozpínání kosmu, inflaci. Všechny černé díry září, ale čím jsou lehčí, tím vyzařují rychleji. Astronomické černé díry se vypařují pomalu – třeba v případě černé díry Sagittarius A* v centru naší galaxie, která má hmotnost několika miliónů Sluncí, potrvá 1060 nebo 1070 let, než kvůli vyzařování energie zanikne. Náš vesmír přitom existuje jen necelých 14 miliard roků.

Ale o tom, že v urychlovači mohou teoreticky vznikat černé díry, hovořil i Stephen Hawking.

Mohou tam vznikat příznaky černých děr, které jsou důsledkem toho, že fyzikální zákony „žijí“ ve více rozměrech. Měly by určité rysy normální černé díry, ale i ony by se okamžitě vypařily. V detektorech bychom pak viděli neobvyklé konfigurace částic, konkrétně by tam byla spousta spršek částic rozložených určitým způsobem, takzvaných jetů, byly by sféricky rozdělené (viz obrázek). Když někdo říká, budu hledat černé díry, měl by říci – budu hledat stopy po černých děrách, které existují tak krátký okamžik, že si to nikdo neumí přestavit.
Hovoří se také o tom, že urychlovač bude zkoumat počátek vesmíru. Ani to není úplně pravda. Nejprve se budou v urychlovači srážet protony. Při těchto srážkách žádný stav hmoty blízký počátku vesmíru nemůže vzniknout. Teprve až se začne se srážkami těžkých iontů, obvykle jader olova, k čemuž by mělo dojít koncem roku, pak se může vytvořit na chviličku stav, který je blízký počátku vesmíru, ale pořád to zdaleka není stav po velkém třesku.
O počátcích vesmíru se mluví v souvislosti se srážkami protonů z toho důvodu, že se při nich budou hledat takzvané supersymetrické částice. Ty hrály důležitou roli na začátku vesmíru a hrají důležitou roli i dnes, v pátrání po podstatě temné hmoty, zatím se je ale nepodařilo objevit. Že temná hmota existuje, je z astronomických pozorování jasné. Musí být všude, jinak by vypadaly rotační disky galaxií úplně odlišně. Nevíme ale, co temnou hmotu tvoří. Pokud supersymetrické částice existují, mohla by některá z nich hrát roli temné hmoty. Je to jedna z nejdůležitějších otázek fyziky mikrosvěta.

Provoz urychlovače doprovázejí problémy. Jaké?

Generální ředitel CERN před třemi týdny řekl, že až do konce příštího roku poběží urychlovač při energii 3,5 TeV (teraelektronvolt, 1012 elektronvoltů; 1 elektronvolt je energie, kterou získá elektron urychlený napětím 1 V). To je poloviční energie, než byla původně plánovaná. Urychlovačem tedy také cirkuluje daleko menší, poloviční proud, což znamená, že nebude hrozit opakování havárie ze září 2008. Na konci roku 2011 se urychlovač na rok odstaví a provedou se další úpravy, díky nimž se bude moci energie srážek zvýšit asi na 5 TeV a později snad i na původně plánovaných 7 TeV. To, co se předloni stalo, se nesmí opakovat.
Urychlovač tedy zatím pracuje s polovičními energiemi, což by ale nebylo to nejhorší. Opravdu vážným problémem je menší intenzita svazků částic, luminozita. Je to vlastně míra počtu srážek částic v urychlovači. Původně mělo prstenci urychlovače proti sobě cirkulovat spousta „buřtíků“ tvořených protony a v určitém okamžiku se měly navzájem srážet. Každý „buřtík“ je dlouhý asi sedm centimetrů a má tloušťku lidského vlasu. „Buřtíků“ mělo v každém směru obíhat 2808, rozestupy mezi „buřtíky“ měly být asi devět metrů. Jenže se podařilo jenom to, že „buřtíků“ v urychlovači obíhá jen pár. Srážek kvůli tomu bude do konce roku 2011 asi 150krát méně, než se plánovalo. Vzácné jevy, které chceme v urychlovači pozorovat, se budou mnohem hůř hledat.

Co to znamená pro výzkum?

Nelze přesně říci, co to udělá. Neznamená to, že se nedá nic objevit. Ale čím vzácnější jev, tím obtížněji jej zaznamenáme. Klíčové bude, jestli během roční odstávky podaří četnost srážek zvýšit. Kdyby to takhle zůstalo, bylo by to špatné.
Ani do té doby však nepůjde o ztracený čas. Musíme se naučit rozumět detektorům částic, jsou to nová a velmi složitá zařízení. Je proto nutné v nich nejprve pozorovat spoustu fyzikálních jevů, které už známe, abychom zjistili, jak detektory fungují. To bude trvat nejmíň rok. Když chcete objevit něco nového, nemůžete se spoléhat na to, že vám najednou ve získaných datech vyskočí nějaká špička, peak. Budou to náznaky, nepatrné odlišnosti od předpovědí tam, kde je málo dat. Abychom je nepřehlédli, musíme perfektně rozumět zařízením, s nimiž pracujeme. Jak říká latinské přísloví: spěchej pomalu.

Můžeme tedy už do odstávky na konci roku 2011 objevit Higgsův boson, hypotetickou částici, která propůjčuje hmotnost všemu kolem nás?

Není to vyloučené. Záleží na tom, jak bude Higgsův boson těžký. Nemůže být lehčí než 115 GeV (gigaelektronvolt, 109 elektronvoltů), protože pak by ho fyzici nalezli už před deseti lety, pomocí urychlovače LEP, který tehdy pracoval v CERN. Ale kdyby měl třeba 125 GeV, pak by to teoreticky možné bylo. Takovou částici nemohou objevit na urychlovači v americkém Fermilabu. Budeme-li mít štěstí, LHC by to mohl zvládnout. Vyloučené není ani to, že objevíme supersymetrické částice. Ale když se to nepodaří, nebude nikdo překvapený.

Urychlovač už více než rok stál kvůli havárii. Po čase ho čeká další, tentokrát roční odstávka. Jak se průtahy projeví, nemůže se CERN kvůli nim dostat do finančních potíží?

To bych neřekl. Oprava urychlovače stála necelých 30 milionů eur. Je to nezanedbatelná částka, ale není to částka, která by CERN položila. Má roční rozpočet téměř tři čtvrtě miliardy eur.
Průtahy mají ale vliv na další výzkumné projekty. Následníkem LHC by měl být asi 30 kilometrů dlouhý lineární urychlovač, v němž se budou srážet proti sobě letící svazky elektronů a pozitronů. Existují dva projekty takového urychlovače, ale čeká se na výsledky z LHC, které nám přesněji řeknou, jak nové zařízení stavět. Dejme tomu, že na LHC objevíme Higgsův boson; ale abychom zjistili jeho vlastnosti, to, jestli jde opravdu o Higgsův boson podle standardního modelu mikrosvěta, na to musíme studovat velmi jemné procesy. A nelze je studovat pomocí srážek protonů. Výsledky z LHC nám řeknou, jaké energie srážek elektronů a pozitronů budeme v novém urychlovači potřebovat.
Před třemi lety proběhlo v Paříži sezení, kde se říkalo: rozhodnutí o lineárním urychlovači padne v roce 2010, kdy budeme znát výsledky z LHC. Jenže výzkum teď teprve začíná. Počkáme si tedy nejmíň do roku 2013. Nikdo dnes nedá dalších šest miliard eur do projektu nového urychlovače, když není jasné, jak funguje LHC a kterým směrem jít dál.

Komentář ke spuštění urychlovače LHC čtěte v novém čísle Respektu, které vychází v úterý.

Obrázek: Počítačová simulace toho, jak by vypadala stopa černé díry v detektoru ATLAS urychlovače LHC.