Rekapitulace spuštění urychlovače LHC

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

Během konce roku 2009 jsem čtenáře Osla mohl informovat o průběhu spouštění největšího urychlovače LHC v laboratoři CERN. Dne 20. listopadu večer se poprvé podařilo provést svazek protonů celým obvodem urychlovače a o tři dny později se podařilo srážet protony z proti sobě letících shluků. Předposlední den listopadu se pak poprvé podařilo urychlovat protony na energii 1,18 TeV, což je nový světový rekord. Urychlovač LHC tak odsunul z první pozice urychlovač Tevatron z americké laboratoře Fermilab. Proběhla řada úspěšných srážení protonů při této energii. V polovině prosince pak začala na LHC vánoční a novoroční přestávka. Začátek příštího roku by měl být věnován přípravě na urychlování protonů na energii 3.5 TeV, což je polovina maximální hodnoty, které by měl nakonec urychlovač LHC dosáhnout.

Přelom roku je tak možno využít ke shrnutí toho, čeho se dosáhlo, a výhledu do budoucna. Začátek roku 2009 byl poznamenán důsledky havárie, která nastala na podzim roku 2008. Díky zkratu, ke kterému došlo na propojení mezi dvěma supravodivými magnety, nastalo mechanické poškození více než padesáti magnetů a intenzivnímu úniku helia. V důsledku nehody bylo potřeba nejen tyto magnety opravit, ale modifikovat i řadu systémů urychlovače, aby k podobné havárii a hlavně tak vážným následkům už nemohlo dojít. Díky intenzivní práci mnoha lidí se ke konci roku konečně mohlo přikročit ke zmíněnému spouštění urychlovače. Velice rychlý a tentokrát velmi hladký průběh byl dán i díky tomu, že během rok probíhajících oprav a testů si odborníci mohli osvojit celý systém velice detailně. Výsledkem bylo, že šest experimentů využívajících svazky urychlovače LHC zaznamenalo do konce roku 2009 dohromady více než milion srážek protonů.

Sekvence několika pěkných srážek protonů zachycených experimentem ALICE 15. prosince 2009, v podobě jak jsou zobrazovány programem provádějícím průběžnou rekonstrukci drah částic (zdroj kolega Vasilij Kushpil).

Stejně tak i jednotlivé experimenty intenzivně využily nucené odložení spuštění urychlovače k doplnění svých detektorových systémů o části, které byly plánovány k dokončení v pozdější době. Hlavně však provedly velmi přesnou kalibraci detektorů pomocí mionů kosmického záření, které pronikají hluboko pod zem, a vypilovaly rychlý sběr a analýzu experimentálních dat. Důležité jsou zvláště rekonstrukce drah částic v různých detektorových systémech a přesné určení jejich hybnosti a energie. To vedlo k situaci, která u takto velkých a složitých experimentů není vůbec obvyklá. Většinou je třeba na přesnou kalibraci, analýzu, identifikaci částic a přesnější hodnoty energií a hybností čekat delší dobu po spuštění.  V případě experimentu LHC byly už velmi přesné hodnoty a značně komplexní analýza dat možné bezprostředně v okamžiku spuštění. I to umožnilo téměř bezprostřední prvotní analýzu experimentálních dat a extrémně rychlou publikaci prvního fyzikálního článku, o které jsem také na Oslovi psal.

Přesné určení drah částic v experimentu ATLAS umožňuje identifikaci krátce žijících částic. V daném případě jde o neutrální částici K_S, kterou detektory nevidí. Zaznamenají až nabité produkty jejího rozpadu (dva nabité mezony pi, které jsou vyznačeny červeně) (zdroj prezentace Fabiolli Gianottiové).

Řada těch nejzajímavějších částic, které experimenty pracující na urychlovači LHC budou studovat, žijí jen velmi krátce a je možné je identifikovat jen pomocí produktů jejich rozpadu. V tomto případě je třeba najít konkrétní částice vzniklé v rozpadu hledaného obyvatele částicového zvěřince mezi velkým počtem dalších vzniklých částic. To lze přesnou rekonstrukcí drah a ověřením, zda vycházejí z jednoho místa, jehož vzdálenost od místa srážky protonů svazku vyhovuje možné dráze, kterou urazí hledaná krátce žijící částice s odpovídající dobou života. Další potvrzení je pak možné kontrolou, zda klidová hmotnost částice spočítaná z energií a hybností produktů jejího rozpadu, odpovídá klidové hmotnosti částice hledané. Už nyní se experimentům na urychlovači LHC podařilo takto identifikovat řadu známých exotických částic. Jako přiklad bych uvedl obrázek případu částice neutrálního podivného mezonu K⁰_S pozorovaného experimentem ATLAS. Tyto mezony jsou důležitým prostředkem zkoumání rozdílů mezi hmotou a antihmotou a na Oslovi jsem už o nich podrobně psal. Díky velice přesné kalibrací energií a hybností lze dosáhnout při využití dosud nabraného souboru dat přesnosti v určení klidové hmotnosti řady podivných částic v řádu zlomku procenta. Shoda s hodnotami uváděnými v literatuře je na zmíněné úrovni přesnosti. Což je přesnost, která byla u předchozích experimentů dosahována až řadu měsíců po jejich spuštění.

Spočítaná klidová energie (hmotnost) částice K⁰_S z produktů jejího rozpadu. Pokud šlo skutečné o rozpad dané částice, padl do píku. Pozadí je způsobeno případy, kdy k sobě byly přiřazeny částice, které nepatří k rozpadu jednoho konkrétního mezonu K⁰_S. Spočtená hodnota klidové hmotnosti částice odpovídá velice přesně známé hodnotě uveřejněné skupinou kompilující nejpřesnější současná data „Particle Data Group“. (Zdroj prezentace Jürgena Schukrafta).

Honba za co největší přesnosti v určování dráhy částic, energie, hybnosti a hlavně spolehlivosti její identifikace není samoúčelná. Pokud dosahujeme určité přesnosti v určování klidové hmotnosti u již známých částic, tak podobnou přesnost a spolehlivost identifikace lze předpokládat i při hledání nových, zatím nepotvrzených částic. Můžeme tak lépe odhadnout naše šance například při hledání hypotetického Higgsova bosonu nebo supersymetrických částic. Už teď je vidět, že přesnost jednotlivých detektorových systémů a jejich vzájemné navázání dosahuje předpokládaných hodnot. Již brzy lze očekávat další fyzikální články. I když zpočátku budou věnovány pouze globálnějším charakteristikám. Podobně jako ten úplně první, který se zaměřil na určení celkového počtu nabitých částic.

Mluvčí experimentu ATLAS Fabiola Gianottiová (v popředí nalevo) prezentuje výsledky získané tímto týmem na závěrečném setkání, které proběhlo 18. prosince 2009 a hodnotilo činnost LHC a jeho experimentů v tomto roce. V popředí ve středu sedí na zemi mluvčí experimentu ALICE Jürgen Schukraft (zdroj CERN).

Jak už bylo zmíněno, bude se počátkem roku připravovat systém urychlovače pro urychlování na energii 3,5 TeV. Je třeba vyladit práci magnetů v režimu s větší hodnotou intenzity magnetického pole a tedy při vyšších hodnotách elektrického proudy v obvodech. V tomto režimu je nutné otestovat nové opatření i kontrolní programy, které mají magnety chránit před problémy, které byly příčinou havárie koncem roku 2008. Předpokládá se zahájení srážek při zmíněné energii nejdříve v únoru nového roku 2010. Nejdříve velmi opatrně, jen pár shluků protonů s relativně malým počtem protonů. Později se bude počet shluku i počet protonů v nich zvětšovat. To už půjde o dramatické vykročení do zatím neprobádaných oblastí extrémně vysokých energií. Pro odborníky už se začnou objevovat velmi zajímavé výsledky. Potvrzení či vyvrácení předpokládaných trendů v produkci různých částic, jaké energie tyto částice mají a do jakých směrů vůči pohybu svazků jsou produkovány. To nám umožní potvrdit nebo modifikovat extrapolace, které byly před spuštěním LHC připraveny a lépe ohodnotit naše možnosti nalezení nových exotických jevů.

Zároveň se bude zvyšovat i přesnost a spolehlivost práce jednotlivých detektorových sestav. Na počátku pořád ještě půjde hlavně o prokázání toho, že práce jednotlivých detektorů i celých experimentů je spolehlivá a analýza dat neskrývá nějaký problém. Objev, který by ohromil veřejnost, nelze očekávat příliš brzy. Rok 2010 tak nejspíše bude rokem, kdy se pro takový objev bude připravovat půdu. Je to dáno tím, že většina předpokládaných nových jevů bude vyžadovat pro své důvěryhodné prokázání relativně vysokou statistiku a velmi komplexní analýzu získaných dat.

Rekonstruované polohy místa srážek protonů umožňují si udělat představu o přesnosti rekonstrukce i fokusace svazku protonů. Na příkladu experimentu ATLAS je vidět, že se dosahuje hodnoty zlomku milimetru. (Zdroj prezentace Fabiolli Gianottiové).

Od začátku práce na projektu urychlovače LHC už uplynuly dvě desítky let. Nezasvěcenému se může zdát, že vše jde pomalu. Je však třeba si uvědomit, že urychlovač LHC a jeho experimenty jsou jedny z nejnáročnějších a nejkomplexnějších technických zařízení na světě. Využívají technologie, které jsou na hranici současných možností a nelze očekávat, že vše půjde bez problémů a zádrhelů. Zároveň se zkoumá oblast, která je úplně nová a nejsou žádné záruky, že očekávané jevy budou nalezeny. Případně, že se neobjeví úplně jiné. Proto je třeba velké trpělivosti, pečlivosti i náročné a systematické práce. Ovšem jedině zmíněné vlastnosti dávají předpoklad objevu něčeho nového. Nedávno jsem zde psal o úplně nečekaném objevu neutrinových oscilací díky pozorování slunečních neutrin. Nejen Raymond Davis musel na tomto problému intenzivně pracovat téměř třicet let, než se díky právě tomuto objevu stal nositelem Nobelovy ceny.

Hodnocení konce roku 2009 nebylo v laboratoři CERN spojeno jen s úspěšným spuštěním urychlovače LHC. Rozebírala se také budoucnost zkoumání antihmoty a rozvoj experimentálních zařízení umožňujících získat a využívat intenzivní svazky neutrin, o kterých jsem na Oslovi psal nedávno. V současnosti se navyšuje počet fyziků pracujících v laboratoři CERN a uvažuje se i o rozšíření areálu zařízení. Je podáno pět žádostí států o členství v této organizaci, o kterých se v příštím roce bude rozhodovat. Laboratoř si chce uchovat postavení jedné z nejprestižnějších evropských vědeckých institucí a stát v čele částicového výzkumu ve světě.

Doufám, že i v příštím roce budu moci čtenáře Osla informovat o nových zajímavých objevech nejen v této laboratoři. Chtěl bych také využít příležitosti a poděkovat všem čtenářům, kteří přečetli mé příspěvky. Řada z nich byla docela dlouhá a náročná. Děkuji diskutujícím za upozornění na nepřesnosti a nejasnosti, kterých jsem se dopustil, i za doplnění o informace, které jsem vynechal a přehlédl. Děkuji také všem autorům píšícím pro Osla i diskutujícím za zajímavé informace z oborů, které jsou pro mě méně známé. Čtení řady příspěvků bylo pro mě opravdovým potěšením. Zdaleka nejvíce však děkuji redakci Osla za jejich starost. Oslovi i všem, kteří se podílejí na jeho existenci, přeji úspěšný rok 2010 s vědou a poznáním. Hlavně pak řadu spokojených čtenářů.

Svou připravenost prokázaly téměř všechny sestavy různých detektorů jednotlivých experimentů. Zde je příklad detekce páru mionu a antimionu, zaznamenané mionovým dráhovým detektorem experimentu ATLAS (zdroj prezentace Fabiolli Gianottiové).

V Řeži 1. 1. 2010

---