Evropské laboratoři fyziky částic CERN je 50 let Jiří Chýla, Fyzikální ústav AV ČR Na přelomu září a října letošního roku uplyne právě půl století od dvou událostí, které rozhodujícím způsobem ovlivnily následující rozvoj fyziky elementárních částic v celosvětovém měřítku. Nejdříve, 29. září 1954, bylo založena Evropské středisko pro jaderný výzkum1 CERN. O dva dny později, tedy 1. října, publikovali v časopise Physical Review dva mladí američtí teoretici Chen Ning Yang a Robert Mills práci, jež položila teoretické základy pro popis zákonitostí mikrosvěta, tak jak je známe dnes v rámci tzv. standardního modelu (SM). Jeho základní rysy jsou nastíněny v rámečku2. Tyto dvě události spolu velmi úzce souvisí, neboť převážná část nejdůležitějších objevů učiněných za uplynulé půl století v CERN se týkala právě experimentálního potvrzení správnosti základních rysů SM, a tedy podstaty práce Yanga a Millse.
Počátky S myšlenkou založit laboratoř, která by v poválečné Evropě vytvořila podmínky k efektivní spolupráci ve vědě, přišel již v roce 1949 na konferenci o vědě v Lausanne laureát Nobelovy ceny za fyziku a jeden ze zakladatelů kvantové teorie Louis de Broglie. Jeho návrh byl dále podpořen na 5. generální konferenci UNESCO v roce 1950 a po dalších dvou letech se 11 evropských států dohodlo vytvořit provizorní Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN). V roce 1953 byla pro CERN vybrána lokalita nedaleko Ženevy (viz obr. 1) a na zasedání Rady CERN v Paříži 29. června až 1. července 1953 podepsalo 12 států (Spolková republika Německo, Belgie, Dánsko, Francie, Řecko, Itálie, Norsko, Velká Británie, Švédsko, Holandsko, Švýcarsko a Jugoslávie) Obr. 1:Na záběru z dobových novin obhlíží členové prodohodu o zřízení organizace, vizorní Rady CERN místo vybrané pro CERN. CERN, jež nabyla platnosti po Zaměření laboratoře na jadernou fyziku se již během prvního desetiletí změnilo a hlavní náplní výzkumu se stala fyzika elementárních částic. Původní název však zůstal i když se dnes v neoficiálních dokumentech pro CERN používá název „Evropská laboratoř pro fyziku částic“. Ani slovo „elementární“ se nepřidává, neboť jeho obsah se s časem mění. Protože se téměř všechny časové údaje v tomto článku týkají minulého století, nebudu u výrazů „-tá léta“ tuto specifikaci vypisovat. 2 Podrobnější informaci o standardním modelu získá čtenář v článku Padesát let fyziky elementárních částic ve FZÚ, jenž vyšel v Čs. čas. fyz. v říjnu 2003. V tomto článku jsou zmíněny i nejdůležitější otevřené otázky SM a nastíněny základní myšlenky některých moderních směrů. 1
ratifikaci všemi zúčastněnými státy 29. 9. 1954. Při zakládání CERN sehráli významnou roli dva přední fyzikové: Pierre Auger a Edoardo Amaldi. Snaha vybudovat silnou mezinárodní laboratoř orientovanou na základní výzkum v oblasti fyziky elementárních částic reagovala mimo jiné na skutečnost, že v Brookhavenské národní laboratoři v USA probíhala stavba prvního urychlovače nové generace, protonového synchrotronu zvaného COSMOTRON, jenž od podzimu 1953 urychloval protony na v té době rekordní energii 3 GeV. Na tomto a na o rok mladším podobném urychlovači BEVATRON v Berkeley, byla pak během několika let objevena řada nových částic, a to jak tzv. podivných mezonů a baryonů, tak především první antibaryon, totiž antiproton. Snaha co nejdříve snížit náskok Ameriky v základním výzkumu mikrosvěta bezesporu významně přispěla k rychlému budování CERN. Je příznačné, že již provizorní Rada CERN ustanovila v roce 1952 dvě pracovní skupiny, jejichž posláním bylo připravit projekty prvních dvou urychlovačů protonů: konvenčního synchrocyklotrnu (SC) a protonového synchrotronu (PS) na co největší energie. Prvním řádným generálním ředitelem CERN se stal známý fyzik Felix Bloch, jehož po roce vystřídal Holanďan Cornelius Bakker, jenž laboratoř řídil do dubna 1960. Právě pod jeho vedením začal CERN budovat systém navzájem propojených urychlovačů a svazků urychlených částic, jenž se stal základním nástrojem experimentálního programu CERN.
První urychlovač Prvním urychlovačem, jenž byl v CERN postaven, byl synchrocyklotron umožňující urychlovat protony na energii 600 MeV (obr. 2) uvedený do provozu na sklonku roku 1957. Přestože tento urychlovač patřil svou koncepcí ke starší generaci urychlovačů a nedosahoval proto parametrů svých amerických rivalů v Brookhaven a Berkeley, byl na něm v září 1958, jen několik měsíců po spuštění, pozorován první případ rozpadu nabitého pionu na elektron a elektronové neutrino π + → e+ + ν e Tento rozpadový kanál, k němuž dochází zhruba v jedné desetitisícině případů, byl předpověděn již v roce 1949 a jeho pozorování výrazně přispělo k potvrzení správnosti Obr. 2: První urychlovač v CERN: synchrocyklotron tehdejší teorie slabých interakcí. urychlující protony na energii až 600 MeV
Standardní model v kostce Současný stav našich znalostí zákonů mikrosvěta je shrnut ve standardním modelu. Podle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři generace fundamentálních fermionů, tj. částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na kvarky a leptony
Fundamentální fermiony Generace Kvarky Leptony
1 uuu ddd νe e
2 ccc sss νµ µ
Síly 3 t t t bbb ντ τ
název elektromagnetické slabé silné
nosič foton W+,W-,Z gluony
Každý z šesti kvarků, označovaných symboly u (z anglického up), d (down), s (strange), c (charm), t (top), b (bottom), existuje ještě ve třech různých stavech, poeticky nazývaných „barvy“. Z kvarků první generace jsou složeny například protony a neutrony, jež spolu s elektrony vytvářejí atomy a tím i většinu hmoty na Zemi i ve viditelné části vesmíru. Mezi kvarky a leptony působí čtyři typy sil: gravitační, elektromagnetické, slabé a silné. Kromě gravitační, jež v mikrosvětě nehraje prakticky žádnou roli, mají ostatní síly důležitou společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny, znázorněné na obrázku vlevo, zprostředkujících částic, či nosičů, nazývaných intermediální vektorové bosony (IVB), jež mají všechny spin 1. Základní rozdíl mezi kvarky a leptony je v tom, že silné síly působí jen na "barevné" částice a tedy jen mezi kvarky. Právě tyto síly zodpovídají za vazbu kvarků uvnitř protonů a neutronů a s elektromagnetickými silami za existenci a vlastnosti atomů. Ani bez slabých sil by ovšem vesmír nevypadal tak, jak vypadá. Ačkoliv jsou skutečně slabé na vzdálenostech řádu průměru protonu, mají jednu důležitou vlastnost: nejsou invariantní vůči prostorové (P) a nábojové (C) inverzi (tj. záměně pojmů "vpravo" a "vlevo", resp. "částice" a "antičástice"), ba ani vůči kombinované prostorové a nábojové inversi (CP). Přitom právě narušení CP invariance je klíčem k pochopení, proč je ve vesmíru více hmoty než antihmoty. Kromě částic uvedených v tabulce hraje ve SM důležitou roli i tzv. Higgsův boson, částice se spinem nula, jež je ve standardním modelu v obrazném slova smyslu odpovědná za velikost hmotností kvarků, leptonů a intermediálních vektorových bosonů.3 Elektromagnetické a slabé síly jsou v rámci SM popsány teorií, formulovanou koncem 60. let minulého století S. Glashowem, S. Weinbergem a A. Salamem (GSW teorie). Teorie silných sil byla formulována v roce 1973 D. Grossem, F. Wilczekem a D. Politzerem. Její název kvantová chromodynamika (QCD) odráží skutečnost, že tato síla působí jen na částice nesoucí barvu. Skutečnost, že kvarky a gluony, na rozdíl od leptonů, neexistují jako volné částice a že má přesto smysl o nich mluvit jako o základních stavebních kamenech hmoty, se opírá o důležité zjištění. Ačkoliv kvarky nelze z protonu či neutronu vyrazit, tak jako elektrony z atomů, experimentálně zjišťujeme, že je-li energie vyráženého kvarku či gluonu dostatečně velká, vylétají ve směru kvarků či gluonů úhlově kolimované svazky částic, nazýváné „jety“. Z měření jejich vlastností pak usuzujeme na dynamiku samotných kvarků a gluonů. Jety dnes hrají při hledání zákonů mikrosvěta klíčovou roli, kterou v minulosti hrály jen částice samotné.
3
Pro svět subatomárních částic je mezinárodní systém jednotek nevhodný a je proto zvykem používat přirozené jednotky, jimiž je v případě energie gigaelektronvolt (GeV= miliarda eV). Klidová hmotnost protonu přitom odpovídá energii 0.94 GeV.
Protonový synchrotron, budoucí srdce CERN, vstupuje na scénu Příběh zrodu, vývoje a role, kterou sehrál v historii CERN protonový synchrotron PS, je krásným příkladem dobrodružství, jež základní výzkum přináší. Původní záměr pracovní skupiny pro konstrukci tohoto urychlovače, tj. postavit synchrotron na 10 GeV, využívající vyzkoušenou metodu tzv. slabé fokusace svazků4, doznal dramatické proměny po návštěvě několika jejích členů v Brookhavenu v dubnu 1952. Tam je jejich američtí kolegové seznámili s novou metodou tzv. silné fokusace, která umožňovala urychlit protony na daleko vyšší energie. Přesto, že tato metoda nebyla dosud v praxi vyzkoušena a vyžadovala vyřešit řadu technických problémů, podařilo se přesvědčit již v říjnu 1952 Radu (tehdy ještě provizorní) CERN, aby souhlasila s přípravou Obr. 3: Stavba protonového synchrotronu v roce 1957. Rozestavěný kruprojektu PS na hový násep, v jehož útrobách PS dodnes pracuje, je v pravé spodní části. energie kolem 30 GeV, využívající této nové metody fokusace svazků. Jak ukázal další vývoj, toto odvážné rozhodnutí mělo klíčový význam pro celý další rozvoj CERN.
PS
Práce na urychlovači rychle pokračovaly (viz. obr. 3) a tak již 28. listopadu 1959 se CERN poprvé zapsal do knihy rekordů, neboť toho dne se na PS podařilo urychlit protony na energii 24 GeV a překonat tak protonový synchrotron ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů v Dubně u Moskvy, jenž byl díky svému svazku protonů o energii 10 GeV na krátkou dobu největším urychlovačem na světě. Tento vzácný okamžik připomíná fotografie na obrázku 4 z 29. 11. 1drží John Adams láhev vodky, již dostal jako symbolickou štafetu o několik měsíců dříve od svých kolegů v Dubně. Tu po dosažení rekordní energie vrátil, samozřejmě prázdnou, svým dubněnským kolegům. Obr. 4 : Oslava světového rekordu, jehož PS Protonový synchrotron PS byl (resp. stále je) dosáhl 28. 11. 1959. S láhví je John Adams. tvořen prstencem umístěným v kruhovém 4
Autor tohoto článku nemá místo ani speciální znalosti, aby tento a některé další pojmy týkající se urychlovačů vysvětlil, ale pro záměr tohoto článku to snad nebude vadit.
tunelu o průměru 200 metrů (viz. obr . 5). Po krátké době zvýšil svou energii až na 28 GeV a po asi 8 měsíců byl největším urychlovačem na světě. Poté jeho místo zaujal obdobný urychlovač AGS v Brookhavenu, který dosáhl energii 30 GeV. I po ztrátě svého výsadního postavení však PS zůstal v provozu, ba co více, díky pravidelnému vylepšování parametrů, především tisícinásobnému zvýšení intenzity svazků, se stal srdcem celého urychlovacího systému v CERN a zůstává jím dodnes.
Obr. 5 : Prstenec protonového synchrotronu koncem roku 1959.
Z hlediska výzkumného potenciálu CERN bylo též důležité, že vedle intenzivního primárního svazku protonů o energiích až 28 GeV poskytoval PS také sekundární svazky pionů, kaonů, antiprotonů a neutrin, které se staly základním nástrojem zkoumání struktury hmoty.
Kdo by byl býval chvíli stál, za chvilku stál by opodál: Victor Weisskopf a dlouhodobá strategie rozvoje CERN Počátkem 60. let se CERN podařilo dohnat náskok amerických laboratoří jak v oblasti urychlovačů, tak i detekčních zařízení. Další vývoj laboratoře byl výrazně ovlivněn skutečností, že po tragické smrti Cornelia Bakkera při leteckém neštěstí byl od 1. srpna 1961 jmenován generálním ředitelem CERN americký teoretický fyzik Victor Weisskopf, který již v letech 1957-1958 pracoval v jeho teoretickém oddělení. Weisskopf, naturalizovaný američan narozený v roce 1908 ve Vídní, byl přímo ztělesněním kosmopolitního charakteru výzkumu v oblasti fyziky elementárních částic. Ač sám teoretik, Weisskopf si jasně uvědomoval, že budoucnost CERN je závislá především na rozvoji jeho experimentální infrastruktury, tj. urychlovačů a detektorů. Již při svém prvním vystoupení před Radou CERN v roli generálního ředitele se proto zabýval otázkou dlouhodobé perspektivy CERN a již tehdy podpořil dva směry rozvoje laboratoře, které se ukázaly být rozhodující pro její budoucí úspěchy: Obr. 6 : Victor Weisskopf v roce 1962.
•
Projekt nového typu urychlovače, na němž mělo docházet ke srážkám dvou protiběžných svazků protonů dodaných existujícím PS. Projekt, jenž dostal jméno ISR (Intersecting Storage Rings), připravila skupina Kjella Johnsena.
•
Projekt protonového synchrotronu na energii 300 GeV, desetkráte převyšující energie PS, jenž dostal později jméno SPS (Super Proton synchrotron) a na jehož koncepci pracovala již od počátku 60. let skupina Johna Adamse.
Oba tyto projekty získaly v roce 1963 jednoznačnou podporu tzv. „Amaldiho výboru“, pracovní skupiny zřízené Výborem pro vědeckou politiku CERN. V roce 1964 Weisskopf zmíněné dva projekty doplnil návrhem Obr. 7: Konstrukce tunelu ISR. Na snímku vpravo postavit dvě velké bublinové komory, nahoře je vidět CERN tak, jak vypadal v roce 1965. jednu naplněnou vodíkem a druhou těžkou kapalinou. Díky jednoznačné Weisskopfově podpoře a vysokému respektu, jemuž se Weisskopf těšil ve všech členských státech CERN, schválila Rada CERN v prosinci 1965, na samém konci jeho funkčního období, jak stavbu ISR tak i přípravu projektu SPS. Rovněž obě bublinové komory byly později postaveny. Fyzikální motivací projektu ISR, pro nějž bylo nutné uzavřít s francouzskými úřady dohodu o rozšíření pozemku CERN na francouzské území, byla snaha dosáhnout co nejvyšší energie srážek protonů potřebné pro hledání nových částic. Na obr. 7 je letecký snímek zachycující budování ISR koncem 60. let. ISR byl tvořen dvěma stejnými prstenci o poloměru 300 metrů, jež se protínaly v 8 bodech. Na obr. 8 je zachycen jeden z nich, obklopený tehdejším typickým detektorem.
Obr. 8: Na snímku z tunelu ISR je jeden z osmi bodů, v nichž se protínaly svazky protonů.
ISR byl uveden do provozu 16. října 1971 na slavnosti, jíž byl přítomen i vedle řady dalších osobností světové fyziky i Werner Heisenberg. Maximální těžišťová energie srážek na ISR činila 2×31.5=63 GeV, což odpovídalo srážkové energii urychlovače
s pevným terčem a energií 2000 GeV. ISR byl v provozu do roku 1984. Za 13 let provozu bylo několika experimenty na ISR získána řada zajímavých výsledků, z nichž připomeňme ty nejdůležitější: •
Přesvědčivý důkaz růstu totálních účinných průřezů proton-protonových srážek, svědčících o tom, že proton se s rostoucí energií v jistém smyslu „zvětšuje“.
•
Měření produkce elektron-pozitronových párů, jež přineslo důležité a nezávislé potvrzení správnosti základní myšlenky partonového modelu, vyvinutého koncem šedesátých let pro vysvětlení výsledků hlubokého nepružného rozptylu elektronů na nukleonech ve SLAC.
•
Hledání projevů jetové struktury srážek, předpověděné kvantovou chromodynamikou, jenž byla formulována během roku 1973. Skutečnost, že žádné přesvědčivé svědectví pro produkci jetů nebylo na ISR nalezeno, byla po určitou dobu záhadou, která ovšem ve svých důsledcích přispěla k lepšímu pochopení mechanismu, jak kvarky a gluony jety vytvářejí.
Ačkoliv nebyl na ISR učiněn žádný skutečně zásadní fyzikální objev, urychlovač sehrál důležitou roli při vývoji technologie ultravysokého vakua a především tzv. stochastického chlazení svazků částic. Tato metoda, navržená Simonem van der Meerem v roce 1972 a na ISR v roce 1974 úspěšně vyzkoušená, sehrála později nezastupitelnou roli pro realizaci projektů antiproton-protonového a elektron-pozitronového srážeče.
Šedesátá léta: zlatý věk bublinových a jiskrových komor Ke zkoumání struktury a zákonitostí mikrosvěta nestačí jen urychlovače, ale je třeba také zařízení, která umožňují zaznamenávat produkty srážek a analyzovat jejich vlastnosti.V padesátých a šedesátých letech byly dominantními nástroji detekce bublinové a jiskrové komory, jeř poskytovaly fotografický záznam proběhlé srážky. Zatímco jiskrové komory byly obvykle stavěny „na míru“ konkrétnímu experimentu, bublinové komory se využívaly pro různé experimenty. Bublinové komory
Obr. 9: Montáž 30 cm bublinové komory.
vynalezené Donaldem Glaserem v roce 1952 byly založeny na skutečnosti, že při průchodu elektricky nabitých částic přehřátou kapalinou vznikají během několika milisekund podél jejich drah jádra vypařování, která rostou až na makroskopické bublinky, které pak lze fotografovat. Na obrázku 9 je zachycena první bublinová komora zkonstruovaná v CERN v roce 1959 kolektivem vedeným Charlesem Peyrou pro experimenty na synchrocyklotronu. Měla tvar válce o délce 30 cm, byla naplněna kapalným vodíkem a umístěna v magnetickém poli. Ze zakřivení drah v magnetickém poli při analýze několika stereoskopických snímků pak bylo možné stanovit hybnost částic. Na obr. 11 vlevo je snímek jedné takové srážky. Proměřování drah prováděly laborantky na poloautomatických měřících zařízení, jako je to na obrázku 11 vpravo.
Tato první bublinová komora byla brzy nahrazena větší, osmdesáticentimetrovou a posléze v roce 1965 dvoumetrovou vodíkovou bublinovou komoru (viz. obr 10). Ta se stala na zhruba 10 let stala jedním z hlavních detekčním zařízení CERN. Obr. 10: Celkové uspořádání aparatury pro dvoumetrovou vodíkovou bublinovou komoru. Komora samotná na obrázku není, byla umístěna uprostřed v oválném otvoru. Celé zařízení vážilo několik tun a bylo na kolejích, které ho umožňovaly posunout do svazku antiprotonů. K bublinovým komorám se také váže počátek účasti českých fyziků na experimentech v CERN. Z několika experimentů využívajících svazky pionů, kaonů a antiprotonů byla z hlediska další orientace pražské skupiny ve Fyzikálním ústavu a na MFF UK rozhodující účast na experimentu zkoumajícím srážky antiprotonů s protony při energii 5.7 GeV s použitím dvoumetrové vodíkové bublinové komory. V Praze bylo instalováno kompletní počítačové vybavení potřebné pro měření a zpracování snímků těchto srážek. Zakřivení nabitých částic v magnetickém poli je jasně patrné. Proměřování drah prováděly laborantky na poloautomatických měřících zařízení, jako je to na obrázku 11 vpravo.
Obr. 11. Snímek z třiceticentimetrové bublinové komory v CERN (vlevo) a zařízení, na nichž laborantky snímky proměřovaly (vpravo).
Jiskrové komory byly založeny na skutečnosti, že při průchodu elektricky nabité částice plynem mezi dvěma elektrodami vzdálenými několik milimetrů, mezi nimiž je elektrické napětí, dochází v důsledku ionizace plynu k výboji. Výslednou jiskru, jež trvá typicky několik mikrosekund, je možné vyfotografovat, optickou informaci následně zpracovat podobně jako u bublinových komor tím získat informaci o hybnostech částic vznikajících ve srážce. Na obrázku 7 je zachycen průlet několika nabitých částic kosmického záření jiskrovou komorou, jež je v CERN součástí stále výstavy Mikrokosmos. Jiskrové komory sehrály klíčovou roli při dvou důležitých objevech, dosažených na protonovém synchrotronu v Brookhavenu, za které byly uděleny Nobelovy ceny: důkazu, že existují dvě neutrina (1963), a objevu narušení CP invariance slabých interakcí (1964). Bublinové komory měly ve srovnání s jiskrovými komorami nesrovnatelně lepší prostorové rozlišení a podávaly celkový obrázek srážky, který žádné jiné Obr. 12: Záběr z průchodu spršky částic kosmického záření zařízení dodnes nepřekonalo. jiskrovou komorou na výstavě Mikrokosmos v CERN. Jeden jediný stereoskopický snímek z bublinové komory často stačil k zásadnímu objevu, jak tomu bylo například při objevu hyperonu Ω-. Nevýhodou bublinových komor byla jejich pomalost, neboť typická frekvence nabírání snímků byla jeden za vteřinu, zatímco jiskrové komory byly až 100 krát rychlejší. Jiskrové komory měly také o řád lepší časové rozlišení, ale skutečnost, že se oba typy komor opíraly o optický záznam byla v obou případech překážkou, která neumožňovala zpracovat za rozumnou dobu více než několik miliónů snímků a tím bránila studiu vzácných případů.
Revoluce v detekci částic: G. Charpak a drátové proporcionální komory Až zhruba do konce šedesátých let vyžadovala detekce produktů srážek prohlížení milionů snímků z bublinových či jiskrových komor. To bylo, i při použití automatických zařízení, velmi pomalé a nevhodné pro studium vzácných procesů. Situace se výrazně změnila s rozvojem elektroniky. V CERN se od poloviny šedesátých let skupina kolem Georgese Charpaka zabývala vývojem a konstrukcí elektronických detektorů, které měly pomalé optické jiskrové a bublinové komory nahradit. Výsledkem jejich výzkumu byl vynález drátové proporcionální komory, využívající známý princip práce proporcionálního čítače, ale poskytující velmi přesné prostorové rozlišení ve velkých objemech a umožňující tisícinásobně zrychlit sběr dat oproti starým jiskrovým komorám. Navíc, a to bylo také velmi důležité, napojení na v té době již výkonné počítače umožnilo zpracovat veškeré elektronické informace přímo. Princip práce drátové proporcionální komory je znázorněn na obrázku 14. Mezi dvěma rovinnými katodami, vzdálenými asi 1 cm, je umístěna anoda tvořená mnoha paralelními velmi tenkými dráty, vzdálenými od sebe typicky 1 milimetr. Mezi katodu a anodou je přiloženo napětí několika kilovoltů. Při průchodu nabité částice plynem mezi elektrodami dojde v důsledku ionizace k rozvoji spršky, která je lokalizovaná na několika okolních anodových drátech. Každý drát má svůj
zesilovač, což umožňuje sběrem signálu určit jednu souřadnici polohy procházející částice s přesností zhruba danou vzdáleností drátů. Protože každý anodový drát je schopen zpracovat stovky tisíc signálů za vteřinu, jsou drátové proporcionální komory velmi rychlé.
Obr. 13: Georges Charpak se spolupracovníky při stavbě drátové proporcionální komory v roce 1970 v CERN.
Drátové proporcionální komory a další typy dráhových komor, jako například driftová komora, se od počátku 70. let staly neodmyslitelnou součástí všech elektronických experimentů. Za jejich vynález byla Charpakovi
v roce 1992 udělena Nobelova cena za fyziku.
Obr. 14: Princip práce drátové proporcionální komory (nahoře). Při konkrétní realizaci se těsně vedle sebe kladlo několik rovin s různě orientovanými dráty, což umožňilo určit velmi přesně dráhu procházející částice.
Bublinové komory ještě nekončí: objev neutrálních proudů Bublinové komory sehrály i po vynálezu drátových proporcionálních komor ještě jednou klíčovou roli, a to při objevu zcela mimořádného dosahu: důkazu existence tzv. neutrálních proudů (NC) v roce 1973. Pod tímto pojmem se myslí procesy, při nichž se například mionové neutrino pružně rozptýlí na elektronu či na kvarku q:
ν µ + e− → ν µ + e−
νµ + q →νµ + q
Tyto procesy, jež jsou v rámci SM zprostředkovány výměnou neutrálního IVB Z, byly předpověděny teorií elektroslabých interakcí Glashowa, Weinberga a Salama (GWS teorie)
formulovanou koncem 60. let, ale až do počátku roku 1973 nebyly pozorovány. Od obvyklých procesů zprostředkovaných výměnou nabitých IVB W+ a W- a nazývaných proto „nabité proudy“
ν µ + e− → µ − +ν e
νµ + q → µ− + q '
se liší tím, že v koncovém stavu není žádný nabitý mion. Důvěra ve správnost teorie GWS vzrostla počátkem 70. let poté, co ’t Hooft a Veltman dokázali její matematickou konsistenci (odborně řečeno renormali-zovatelnost) a proto se několik skupin hledáním těchto procesů začalo intenzivně zabývat.
Obr. 15: Montáž bublinové komory Gargamelle (nahoře) a jeden z prvních případů neutrálních proudů (dole). V bodě označeném šipkou došlo k pružnému rozptylu mionového neutrina na protonu
Jednou z nich byla i skupina fyziků kolem André Lagarrigua z École Polytechnique v Paříži, která postavila obrovskou bublinovou komoru ve tvaru válce o délce 4 metry a průměru 2 metry, naplněnou 10 tunami freonu a nazvanou podle matky známého obra Gargantuy Gargamelle. V roce 1971 byla tato komora umístěna v CERN do svazku mionových neutrin, které dodával náš starý známý protonový synchrotron, a začaly dva napínavé roky prohlížení tisíců snímků provázené euforií z nadějných případů i skepse a opatrnosti, zda se nejedná jen o přelud (odborně řečeno „pozadí“). Na jejich konci v polovině roku 1974 byl jasný závěr: neutrální proudy skutečně existují! Protože se tento závěr opíral jen o několik případů, bylo důležité, že Gargamelle byla skutečně obří a že snímky, jako je ten na obr. 15 dole, byly velmi přesvědčivé. Celá sága objevu NC je ovšem daleko složitější a zajímavější, než jsem zde mohl popsat. Její epilog napsal výbor Nobelovy nadace, který právě za předpověď neutrálních proudů (a nikoliv za samu GWS teorii) udělil v roce 1979 Glashowovi, Salamovi a Weinbergovi Nobelovu cenu za fyziku.
Super proton synchrotron byl (a stále je) skutečně „super“ Druhým z projektů, jež představovaly dědictví éry Victora Weisskopfa, byl projekt protonového synchrotronu SPS na energie až 300 GeV, na němž od počátku 60. let pracovala skupina kolem Johna Adamse. Stavba tohoto urychlovače, jenž byl umístěn v tunelu o obvodu 7 km zhruba 40 metrů pod povrchem země (obr. 16), byla schválena v únoru 1971. Pro projekt SPS bylo nutné změnit i statut CERN, neboť ten počítal jen s jednou laboratoří, zatímco pro SPS bylo třeba vybudovat laboratoř novou, jež byla nazvána CERN II. Po určité době váhání, kde laboratoř umístit, převážily argumenty, že by to mělo být blízko „starého“ CERN a nakonec byla vybrána lokalita na
francouzském území v nedaleké obci Prévessin. Po dokončení SPS byly obě laboratoře opět spojeny v jednu. 17. června 1976 se na SPS podařilo urychlit protony až na 400 GeV a překonat tím původní záměr projektu. Tento historický okamžik je zachycen na snímku z velína SPS na obr. 16. Na rozdíl od podobného okamžiku při spuštění PS v roce 1959 se však SPS největším urychlovačem na světě nestal. Tím zůstal protonový synchrotron ve Fermiho národní laboratoři u Chicaga, který byl v provozu od roku 1972 a na němž bylo v květnu 1976 dosažena rekordní energie 500 GeV. CERN tedy těsně prohrál závod o první urychlovač dosahující stovky GeV, ale v dalším si to právě díky SPS bohatě vynahradil. Podobně jako protonový synchrotron se i SPS stal všestranným urychlovačem a zůstává jím dodnes.
Obr. 16: Prstenec SPS v tunelu krátce před svým dokončením v dubnu 1976 (nahoře) a okamžik, kdy se 17. června podařilo urychlit protony na 400 GeV (dole). Muž s kravatou uprostřed je John Adams.
Fyzikální motivací stavby SPS byla snaha rozšířit experimentální program CERN o výzkum srážek sekundárních hadronů (pionů, kaonů a hyperonů) a především poskytnout možnost studia srážek elektronů, mionů a mionových neutrin co nejvyšších energií. Velmi důležité byly především experimenty v osmdesátých letech, v nichž docházelo k tvrdým srážkám mionů a mionových neutrin s nukleony a jádry a které přinesly velmi přesné informace o jejich struktuře. V některých aspektech tato data nebyla ani po dvaceti letech překonána. Jednoho takového experimentu, známého jako NA4, se účastnila i silná skupina fyziků a techniků z Matematicko-fyzikální fakulty UK a Fyzikálního ústavu AV ČR. Jak už to ovšem v základním výzkumu bývá, nejdůležitější využití SPS si v době jeho stavby nikdo, ani jeho konstruktéři, nedokázal představit.
Nesnesitelnost čekání na intermediální vektorové bosony Objev neutrálních proudů v bublinové komoře Gargamelle v roce 1973 výrazně posílil důvěru ve správnost teorie elektroslabých interakcí Glashowa, Salama a Weinberga. První měření tzv. Weinbergova úhlu ve SLAC pak dovolilo první odhad hmotnosti intermediálních vektorových bosonů W+, W- a Z. Z měření ve SLAC plynulo, že tyto bosony by měly mít hmotnosti mezi 65 a 90 GeV. Najít tak těžké částice představovalo obrovskou výzvu pro experimentální fyziku. Byl-li příběh objevu neutrálních proudů napínavý, pak sága objevu IVB v roce 1983 v CERN byla přímo
dramatem, v němž hlavní role hrály dvě osoby, Carlo Rubbia a Simon van der Meer a – jak jinak – také urychlovač, v tomto případě právě SPS! Vyprodukovat částice s tak velkou hmotností vyžadovalo především dostatečnou srážkovou energii. Jednodušší se přitom jevilo hledání neutrálního IVB Z, který se měl podle GWS teorie projevit jako velmi výrazná rezonance v účinném průřezu srážky elektronu s pozitronem. Potřebně zařízení, vstřícné svazky SPEAR ve SLAC, na nichž k takovým srážkám od konce roku 1973 docházelo5, sice existovalo, ale energie dostupná ve SLAC byla o řád nižší, než bylo pro produkci bosonu Z potřeba. V CERN byla ustavena studijní skupina, jež měla úkol posoudit technické aspekty a fyzikální program nového velké urychlovače, který již tehdy dostal jméno LEP (Large Electron Positron Collider). Brzy se ovšem ukázalo, že postavit nové elektron-pozitronové vstřícné svazky o tak vysoké energii není jednoduché a vyžaduje delší dobu. Tlak na nějaké náhradní řešení v obci fyziků elementárních částic přitom stále rostl. Za této situace přišel Carlo Rubbia a několik dalších s originální, ale nikde dosud nevyzkoušenou myšlenkou přeměnit právě v té době dokončený urychlovač SPS na srážeč protonů a antiprotonů. Podobně jako u elektron-pozitronových srážečů, kde se obě částice pohybují v jedné urychlovací trubici, bylo podstatou Rubbiova návrhu využít urychlovací trubici a systém magnetů pro urychlení protiběžných svazků protonů a antiprotonů, které se pak v několika bodech měly protínat. Srážky antiprotonů s protony jsou sice pro produkci IVB méně účinné než srážky elektronů s pozitrony stejných energií, ale energie SPS se přesto jevila pro jejich produkci jako dostatečná. Ačkoliv jednoduchá v principu, realizace této myšlenky vyžadovala vyřešit řadu technických problémů a také překonat odpor části vedení CERN, jež se obávalo, že tento projet může oddálit, či dokonce ohrozit realizaci projektu LEP. To, že se podařilo projekt SPSC (SPS Collider) prosadit a hlavně v krátké době úspěšně realizovat, bylo ve značné míře díky obrovské energii a umu Carla Rubbii a jeho schopnosti shromáždit a řídit velkou skupinu fyziků a techniků. Hlavním technickým problémem bylo připravit dostatečně intenzivní a velmi dobře fokusovaný svazek antiprotonů, podobný tomu, který byl bez problému k dispozici pro protony. Problém byl především v tom, že antiprotony vznikají při srážkách protonů s protony či neutrony s velmi různými hybnostmi. Vytvořit dostatečně malý „chomáč“ antiprotonů (nebo jak se odborně říká, antiprotony „ochladit“) byl úkol pro Simona van der Meera, jenž o několik let Obr: 17: Antiprotonový akumulátor, v němž se dříve vyvinul a vyzkoušel metodu, jak toho „chladily“, shromažďovaly antiprotony. docílit (zvanou stochastické chlazení). Antiprotony však nestačilo jen „ochladit“, ale bylo třeba jich také nashromáždit dostatečné množství, neboť ve srážkách protonů s protony se rodí jen velmi nerady. Pro obě tyto činnosti byl v CERN postaven speciální tzv. antiprotonový akumulátor (AA), jenž je zachycen na obr. 17. Projekt srážeče SPS byl definitivně schválen v roce 1978 a již koncem roku 1981 na něm byly zaznamenány první srážky antiprotonů s protony. Pro jejich zpracování a analýzy byly postaveny dva detektory: mohutný 2000 tun vážící detektor UA1 pod vedením Rubbii a daleko menší, ale 5
A na němž byla v listopadu 1974 objevena částice J/ψ, obsahující půvabný kvark. Za tento objev byla Burtonu Richterovi a Samuelu Tingovi udělena v roce 1976 Nobelova cena.
v některých aspektech „chytřejší“ detektor UA2. Základní znakem produkce nabitých IVB W+ a W+ i neutrálního Z byl vznik elektronů či mionů s energiemi kolem 50 GeV.
Obr. 18 : Nahoře: počítačové zpracování jednoho případu zaznamenaného detektorem UA1, v němž vznikl pár elektron a pozitron s energiemi 46 a 50 GeV. Na snímku vpravo Rubbia a van der Meer na ochozu UA1 krátce po oznámení o udělení Nobelovy ceny. Celý urychlovací komplex a oba detektory pracovaly skvěle a tak byly již počátkem roku 1983 zaznamenány první případy s hledaným příznakem. Jeden z prvních je na obr. 18 vlevo. V létě 1983 pak bylo vše jasné: IVB existují, a to s hmotnostmi, které předpověděla teorie. Standardní model triumfoval a s ním i Rubbia a van der Meer, jejichž klíčové role v tomto objevu byly oceněny Nobelovou cenu za fyziku již v následujícím roce 1984 (obr. 18 vpravo). Srážeč antiprotonů s protony a oba detektory se ovšem neomezily jen na hledání IVB, ale po jejich objevení se věnovaly také velmi intenzivnímu výzkumu produkce vlastností jetů. SPSC resp. experimenty UA1 a UA2 byly první experimenty, které jety jasně „viděly“ a tím výrazně přispěly ke kvantitativní prověrce kvantové chromodynamiky. Urychlovač byl v provozu do roku 1991.
LEP: skalpel v mikrosvětě Brzy po spuštění elektron-pozitronového srážeče SPEAR ve SLAC, na němž byla v listopadu 1974 objevena částice J/ψ obsahující půvabný kvark a jeho antikvark a poté i řada dalších příbuzných částic, předložila skupina experimentátorů a teoretiků v CERN návrh (jehož první strana je reprodukována na obr. 19 vlevo), v němž byl podrobně rozebrán fyzikální program elektronpozitronových vstřícných svazků na celkovou těžišťovou energii až 200 GeV. Mezi autory nalezneme vedle Burtona Richtera, jemuž byla za objev částice J/ψ právě udělena Nobelova cena, i Carla Rubbiu (jenž prakticky současně pracoval na návrhu srážeče antiprotonů a protonů, který mu, jak již víme, přinesl Nobelovu cenu o osm let později) a Jacka Steinbergera, jednoho ze tří objevitelů mionového neutrina a laureáta Nobelovy cena v roce 1988. Postavit LEP (Large Electron Positron Collider) znamenalo především vyhloubit tunel o obvodu 27 kilometrů zhruba 100 metrů pod zemí, jenž na několika místech přetínal švýcarsko-francouzskou hranici a v jednom místě se přimykal k našim již starým známým: urychlovačům PS a SPS, které sloužily jako injektory, resp. předurychlovače LEP. Projekt byl schválen v roce 1982 a stavba tunelu probíhala v letech 1983 až 1988. O možnost provádět experimenty na LEP se ucházela řada skupin, z nichž byly nakonec vybrány čtyři, které se označovaly akronymy příslušných detektorů: DELPHI, L3, ALEPH a OPAL. Na prvním z nich se podílela i velká skupin fyziků a techniků
z Fyzikálního ústavu AV ČR a Matematicko-fyzikální fakulty UK. Na obr. 19 vpravo jsou znázorněna místa na obvodu , kde byly jednotlivé detektory umístěny. Stavba samotného urychlovače i konstrukce zmíněných detektorů probíhaly hladce a tak již 13 srpna 1989 byly na LEP zaznamenány první srážky elektronů s pozitrony při celkové těžišťové energii okolo 90 GeV, odpovídající hmotnosti IVB Z. Na obrázku 20 vlevo je vynesena závislost účinného průřezu (veličiny charakterizující pravděpodobnost srážky) srážky elektronu s pozitronem
Obr. 19 : První strana cernské studie fyzikálního potenciálu elektron-pozitronového srážeče (vlevo). Snímek vpravo ukazuje CERN kudy vede 100 metrů pod povrchem tunel LEP a kde byly umístěny čtyři detektory, jež na LEP pracovaly. na celkové těžišťové energii (na LEP rovné dvojnásobku energie svazků) a naznačeny oblasti, v nichž pracovaly další elektron-pozitronové srážeče ve SLAC (PEP), DESY (DORIS, PETRA), Cornell v USA (CESR) a Tsukubě v Japonsku (KEKB, TRISTAN). Na obrázku 20 vpravo je pak zachycen detailnější průběh této závislosti v okolí mohutného píku při energii cca 91 GeV. Právě velmi přesné proměření této závislosti přineslo jeden z nejdůležitějších výsledků na LEP: důkaz, že existují právě tři generace kvarků a leptonů. Boson Z se rozpadá na páry kvarků i leptonů, a proto je jeho doba života tím kratší (a tedy pík na obr. 20 širší), čím více je generací. Z rozdělení na obr. 20 byla po zpracování výsledků všech 4 experimentů, které do roku 1995 zaznamenaly celkem 18 miliónů rozpadů bosonu Z, určena jeho hmotnost a to s do té doby nevídanou přesností tisíciny procenta: MZ =91.187 ±0.002 GeV. Jen s o něco horší přesností byla změřena pološířka Z (a tedy také jeho doba života): ΓZ=2.4953±0.0023 GeV. Přesnost měření dosažená v experimentech na LEP předčila očekávání a byla tím nejdůležitějším výsledkem za 11 let existence tohoto urychlovače. Z mnoha dalších zajímavých výsledků získaných v první etapě provozu LEP, kdy jeho energie „seděla“ na hmotnosti Z bosonu, zmiňme ještě jeden, jenž byl rozhodující pro experimentální potvrzení základní vlastnosti kvantové chromodynamiky, jíž je samointerakce gluonů, tj. skutečnost, že gluony, na rozdíl od fotonů, spolu přímo interagují. Tato vlastnost neabelovských kalibračních teorií, mezi něž kvantová chromodynamika patří, se projeví například v úhlovém
rozdělení jetů v případech kdy se produkují celkem 4 jety. Na obr. 21.vlevo je rozdělení úhlu mezi rovinou definovanou dvojicí jetů s nejvyšší a druhou nejvyšší energií a rovinou danou ostatními dvěma jety, tak jak byl změřen již v roce 1990 experimentem L3. Experimentální data jasně preferují QCD a vylučují teorie (označené „Abelian“), v nichž samointerakce gluonů chybí.
Obr. 20: Závislosti účinného průřezu anihilace elektronů s pozitrony na hadrony na primární energii srážky v těžišťové soustavě (vlevo) dominuje v oblasti energií kolem 90 GeV mohutný pík odpovídající IVB Z. Detailní tvar tohoto píku (vpravo) ukazuje, že existují právě tři generace základních fermionů. V roce 1996 byla energie LEP zvýšena přidáním dalších urychlovacích dutin na 160 GeV a do konce roku 2000 dokonce až na 209 GeV. Hlavní motivací tohoto kroku byla snaha ověřit klíčový rys teorie elektroslabých interakcí GWS – samointerakci bosonů W+, W- a Z bosonů, jež se projevuje charakteristickým chováním účinného průřezu produkce páru W+W- nad prahem jejich produkce. Na obr. 21 vpravo je tato závislost vynesena pro data a srovnána s předpovědí úplné GWS teorie elektroslabých interakcí, jakožto i této teorie bez příspěvku pocházejícího ze samointerakce W+W- a Z bosonů. Podobně jako v případě silných interakcí, data jasně ukazují, že bez tohoto klíčového rysu GWS teorie se při popisu dat neobejdeme. Kromě podrobného kvantitativního prověřování standardního modelu se experimenty na LEP věnovaly i hledání nových částic či jevů. Šlo především o hledání Higgsova bosonu a supersymetrických částic, jež jsou součástí většiny modelů, které se snaží Obr. 21: Experimentální důkaz samointerakce kalibračních bosonů najít jednotnou teorii silných (vlevo) a slabých (vpravo) interakcí z dat LEP. všech sil mezi kvarky a leptony. Přes intenzivní snahy nebyly na LEP žádné projevy supersymetrie nalezeny, a byla stanovena jen dolní mez na hmotnost nejlehčí superymetrické částice, jež činí 50 GeV. Hledání
těchto částic nabývalo časem na zajímavosti, neboť jejich existence by mohla vysvětlit podstatu temné hmoty ve vesmíru, největší záhady současné astrofyziky a kosmologie. Mimořádně napínavě se vyvíjela situace ohledně hledání Higgsova bosonu, jemuž bylo věnováno na LEP snad nejvíce pozornosti vůbec, neboť jeho existence představuje poslední neprověřený článkem standardního modelu. Tak jak se blížil jeho plánovaný konec, LEP se díky skvěle práci techniků vzepjal k poslednímu pokusu Higgsův boson nalézt a skoro se mu to (možná) podařilo. Na podzim roku 2000 dosáhla energie LEP krátkodobě až 209 GeV a daleko tím překonala původně plánovaných 180 GeV. Již od energií asi 200 GeV se podařilo zaznamenat několik případů, které měly skoro všechny znaky produkce Higgsova bosonu a na chvíli se zdálo, že na samém konci svého života LEP tuto částici nalezne. Bylo by to bývalo krásné vyvrcholení, ale nesmlouvavá snaha fyziků prozkoumat všechny jiné možnosti, jak tyto případy vysvětlit, vedla nakonec k závěru, že bez několikanásobného zvýšení počtu případů nebylo možně udělat jednoznačný závěr, ale pouze stanovit dolní mez na hmotnost Higgsova bosonu: MH>115 GeV. V té době však již běžely práce na LHC, dalším novém urychlovači, jenž měl v tunelu LEP nahradit LEP samotný. Je tedy možné, a většina fyziků v to věří, že Higgsův boson bude aspoň v tunelu LEP nakonec objeven. Přesnost, s níž byly vlastnosti bosonů W a Z na LEP změřeny, měla ještě jeden mimořádně důležitý důsledek: předpověď hmotnosti kvarku top. Tento kvark je sice tak těžký, že ho na LEP nebylo možné přímo produkovat, ale jeho existence a vlastnosti se v rámci standardního modelu nepřímo projevují ve vztazích mezi některými pozorovatelnými veličinami. Tato souvislost je důsledkem jemných kvantových jevů a proto fyzikové s napětím sledovali, zda předpověď hmotnosti top kvarku z dat experimentů na LEP, učiněna již v roce 1994, tj. Mtop =173 ±30 GeV, bude správná. Top kvark byl objeven v roce 1995 ve srážkách antiprotonů s protony na urychlovači ve Fermiho národní laboratoři v USA a skutečnost, že současná nejpřesnější hodnota jeho hmotnosti je 178 ±5 GeV, představuje triumf nejen pro LEP, ale i pro standardní model samotný.
CERN a společnost Hlavním cílem výzkumu v CERN je hledání zákonitostí mikrosvěta, ale metody a nástroje pro tento výzkum vyvinuté měly a mají i bezprostřední dopad na společnost. Z mnoha příkladů uvedeme tři, které vztah výzkumu v CERN a společnosti charakterizují nejlépe.
Obr. 22: Snímky získané s pomocí skeneru využívajícícho místo fotografické emulze drátové komory a umožňující třírozměrnou rekonstrukci.
První se týká využití drátových a dalších komor vyvinutých v CERN Charpakem a jeho spolupracovníky pro detekci nabitých částic. Tyto komory, jež byly vyvinuty pro detekci částic vznikajících ve srážkách na urychlovačích, lze velmi efektivně použít i pro zobrazování vnitřních částí lidského těla. Ve srovnání s klasickou rentgenoskopií mají dvě velké výhody: pro velmi dobré rozlišení stačí mnohonásobně menší dávka záření a záznam je ukládán přímo v digitální formě, z níž lze navíc rekonstruovat prostorový obraz. Na obr. 22 je
příklad výsledného zobrazení lidské kostry v jedné z pařížských nemocnic. Charpak se v posledních letech systematicky věnuje dalšímu rozvoji využití různých komor pro potřeby lékařství a biologie. Druhým případem, kdy technologie vyvinutá primárně pro potřeby experimentů ve fyzice částic výrazně ovlivnila společnost, je zrod světové sítě WWW. Ta vznikla na počátku 90. let pro potřeby rychlé komunikace uvnitř mezinárodních týmů čítajících stovky fyziků z desítek laboratoří. Tim Berners-Lee (na obrázku 23 ve společnosti generálního tajemníka OSN Kofiho Anana) a jeho spolupracovníci vymysleli protokol http, který takovou komunikaci umožňoval,vyvinuli Obr. 23: Tim Berners-Lee s Kofi Annanem na výstavě Role jazyk html a napsali také vědy v informační společnosti v roce 2003 v Ženevě. programy pro první prohlížeč a server. World Wide Web, jak Tim Berners-Lee svůj systém nazval, se stal okamžitě základním nástrojem komunikaci ve fyzice částic a poté se lavinovitě rozšířil do všech sfér života společnosti. Třetí příklad se týká opět lékařství. Vlastní výzkum v částicové fyzice je celosvětově doprovázen studiem jejich aplikací v medicíně, biologii a průmyslu. V CERN je této problematice věnována velká pozornost, především v oblasti využití svazků protonů, neutronů a iontů, které mají oproti klasickým svazkům elektronů a fotonů výhody při ozařovaní některých hloubkových nádorů. CERN je členem evropské spolupráce ENLIGHT, do níž je zapojeno celkem 10 evropských institucí, vedle CERN například Evropská společnosti pro terapeutickou radiologii a onkologii ESTRO a Evropská organizace pro výzkum a léčbu nádorových onemocnění EORTC. Cílem těchto aktivit je analyzovat možnosti léčebného využití protonů a iontů a vypracovat projekt klinického zařízení.
CERN dnes a zítra CERN je dnes bezesporu největší laboratoří fyziky částic na světě. Jeho členy je 20 evropských států a některé mimoevropské země mají statut pozorovatele. Česká republika je členem CERN od července roku 1993, když o rok dříve byla do CERN přijata tehdejší Česká a Slovenská federativní republika. Za svoje dominantní postavení CERN vděčí nejenom počtu zaměstnanců a uživatelů, ale především unikátnímu systému urychlovačů (jehož dnešní stav je zachycen na obr. 24) a předvídavosti a odpovědnosti při dlouhodobém plánování rozvoje laboratoře. Vzhledem k tomu, že doba od vzniku ideového návrhu urychlovače, přes vypracování technického projektu až po jeho realizaci představuje dnes typicky 15-20 let, je dlouhodobá strategie klíčem k úspěšnému rozvoji každé laboratoře. Proto se také v minulosti v okamžiku spuštění nového urychlovače obvykle již pracovalo na projektu urychlovače další generace. Tak tomu bylo i v roce 1989 při spuštění LEP, kdy se již uvažovalo o tom, umístit do jeho tunelu srážeč protonů s protony (a později i svazky těžkých iontů) s energiemi v oblasti několika tisíc GeV (TeV) a co největší luminositou. Projekt, jenž dostal název LHC (Large Hadron Collider) byl Radou CERN schválen koncem roku 1994 ve variantě s celkovou těžišťovou energií 14 TeV a v současné době tedy končí první dekáda jeho budování. Spuštěn bude v polovině roku 2007 a důležitou roli při jeho provozu budou hrát urychlovače, které tvoří páteř cernského urychlovacího systému: PS a SPS. V současné době
probíhá výroba a instalace 1700 supravodivých magnetů, které budou svazky protonů a iontů udržovat na kruhové dráze.
Obr. 24 : Urychlovací komplex CERN v současnosti. Velikosti jednotlivých urychlovačů neškálují.
Hlavní motivací návrhu LHC bylo hledání nových částic a jevů jdoucích za rámec standardního modelu. V okamžiku vzniku projektu byl jeho význam značně nejistý, ale dnes se jeví rozhodnutí Rady CERN z roku 1994 jako velmi prozřetelné, neboť většina tehdejších otázek týkajících se hlubších základů standardního modelu zůstává stále nezodpověděných. Dnes je také jasné, že LHC bude na dlouhou dobu jediný urychlovač, který bude mít šanci na některé z nich odpovědět.
Pro experimenty na urychlovači LHC byly schváleny celkem 5 projektů: dva velké univerzální detektory ATLAS a CMS, a tři menší. Z nich se ALICE zaměří na výzkum srážek těžkých iontů, LHCb, bude hledat odpověď na otázku podstaty narušení tzv. CP symetrie, jež podle našich
Obr. 25 : Vlevo je celkové schéma detektoru ATLAS s detaily dvou subdetektorů na jejichž vývoji a konstrukci se podílejí české instituce. Na snímku vpravo je záběr z instalace části dalšího subdetektoru (na schématu vlevo vyznačeného červeně), jenž byl z části vyroben v Praze.
dnešních znalostí hrálo klíčovou roli při vzniku vesmíru, a TOTEM bude zkoumat difrakční procesy. Všechny tyto detektory se v současné době instalují v obrovských podzemních halách. Ve srovnání s předchozí generací detektorů na LEP jsou ATLAS a CMS ještě podstatně složitější a zhruba třikrát větší. Na obrázku 25 je schéma detektoru ATLAS, na jehož vývoji, konstrukci a instalaci se podílejí i fyzikové a technici Akademie věd ČR, University Karlovy a Českého vysokého učení technického. Podrobnější vylíčení příspěvku českých fyziků a techniků na tomto i předešlých experimentech, které jsme v tomto článku jen krátce připomněli, bude obsahem jiného článku.
