Stroj na zkoumání počátku vesmíru se konečně rozběhl

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

Koncem minulého a začátkem tohoto roku se po více než ročním zpoždění konečně rozběhl nový největší urychlovač na světě LHC (Large Hadron Collider). O hlavních parametrech, cílech, fyzikálním programu a hlavně možném přínosu pro kosmologii jsem psal v Kozmosu č. 1. a 2. z roku 2007. V nynějším článku bych se chtěl zaměřit na průběh spouštění urychlovače, problémy, které nastaly, a první fyzikální výsledky. Podrobněji se zmíním i o plánech pro první dva roky jeho činnosti.

Hlavní důvody, proč se staví stále větší urychlovače jsou tři. První souvisí s tím, že každý objekt v mikrosvětě má vlnový charakter. Je tedy „rozmazaný“ a velikost tohoto rozmazání je dána jeho vlnovou délkou. Čím větší je jeho kinetická energie, tím menší je tato vlnová délka. Charakteristické vlnové délky částic urychlených na největších předchůdcích LHC byly zhruba 10^{-18 m, to je zhruba tisícina rozměru protonu. A jen takové detaily může mikroskop, místo kterého urychlovač používáme, vidět. Pokud chceme vidět ještě menší detaily, musíme částice urychlit na ještě větší energie a tím jejich vlnovou délku ještě zkrátit. Je třeba poznamenat, že v našem případě, kdy se díváme na proton urychlovaný na LHC, jedná se o objekt s velmi komplikovanou strukturou a naše úvahy o vlnové délce se týkají částí, které jej tvoří – tedy kvarků a gluonů.}

Druhým důvodem je, že při srážkách urychlených částic se může kinetická energie přeměňovat na klidovou energii nových částic. Čím větší je energie urychlení, tím těžší částice můžeme vytvořit. A existují hypotézy, které předpovídají existenci částic s mnohem většími klidovými hmotnostmi, než mohly produkovat dosavadní urychlovače. Vzpomeňme například higgse nebo supersymetrické částice.

Třetím důvodem je, že v případě srážek velmi těžkých jader můžeme získat tím teplejší a hustší hmotu, čím srážíme jádra s vyšší energií. V tomto případě opravdu získáme hmotu ve stavu odpovídajícím velmi ranným počátkům našeho vesmíru.

Specifické u urychlovače LHC je, že dokáže srážet částice urychlené proti sobě. Takový urychlovač se označuje jako srážeč. Jeho výhodou je, že v tomto případě je těžiště systému srážejících se objektů v naší laboratoři v klidu. Pokud budeme mít případ, kdy se urychlené jádro sráží s jádrem v terči, který je v laboratoři v klidu, bude se těžiště vůči laboratoři pohybovat. Ze zákona zachování energie a hybnosti plyne, že kinetickou energii spojenou s pohybem těžiště nelze v tomto případě přeměnit na jiné formy energie a využít tak k produkci nových částic nebo k ohřevu a stlačení jaderné hmoty. S nárůstem energie urychlených částic podíl energie, která je spojena s pohybem těžiště a nevyužitelná v případě srážky urychlených částic s pevným terčem, velmi rychle roste. V případě srážeče je kinetická energie spojená s pohybem těžiště nulová a její využití je tak výhodné právě pro velmi vysoké energie.

Velín urychlovače LHC v průběhu prvního úspěšného urychlování a srážek při energii svazků 3,5 TeV (zdroj CERN).

Jak vypadá a jak funguje urychlovač?

Připomeňme si teď trochu podrobněji, jaké jsou základní části a vlastnosti urychlovače. Zaměříme se hlavně na ten typ, kterým je urychlovač LHC. Označuje se jako protonový synchrotron, tedy urychlovač umožňující dosahovat u protonů rychlostí blízkých rychlosti světla. Zde se už uplatňují relativistické efekty a při konstrukci urychlovače se s nimi musí počítat.

Pokud chceme získat částice s velmi vysokou energií, musíme je urychlit. K tomu lze využít elektrické pole, buď statické nebo proměnné. Tím je dáno, že dokážeme urychlovat pouze nabité částice. Nejdříve je tak musíme získat pomocí iontového zdroje, který produkuje plazmu složenou z iontů a elektronů. Vhodné elektrické pole pak umožní vytáhnout buď elektrony nebo ionty. V případě LHC jsou to ionty, buď protony (což jsou ionty vodíku) nebo ionty těžších prvků, například olova.

Urychlovací prvky (dutinové rezonátory) mohou dodat jen relativně málo energie a, pokud potřebujeme dodat celkově částici velmi vysokou kinetickou energii, je velmi výhodné zajistit, aby částice těmito prvky prolétala mnohokrát. Toho lze dosáhnout tím, že urychlovaná částice bude obíhat po kruhové dráze. Potřebné zakřivení dráhy můžeme získat pomocí magnetického pole. Při pohybu nabité částice v magnetickém poli se totiž mění směr jejího pohybu, ale nemění se velikost rychlosti ani kinetické energie. Vhodnou orientací směru magnetického pole a pohybu částice (jsou na sebe kolmé) lze docílit, aby se částice pohybovala po kruhové dráze. Velikost intenzity magnetického pole pak určuje její poloměr. Pokud bude mít urychlovaná částice velmi vysokou energii, musí být pro dosažení „zvládnutelné“ velikosti urychlovače intenzita magnetického pole velmi velká. U urychlovače LHC je tato potřebná intenzita 8,36 T a i tak je poloměr urychlovače zhruba 4,24 km. To nezvládnou normální elektromagnety ale pouze magnety supravodivé. Navíc je potřeba měnit intenzitu magnetického pole v širokém rozmezí, aby mohl zůstat u takto velkých urychlovačů poloměr stejný a částice obíhala v jedné trubici. K tomu se využívají hlavně největší dipólové magnety s délkou 14 m. Jejich celkový počet je 1232. Magnety se nepoužívají pouze pro udržování urychlovaných částic na kruhové dráze, ale pomáhají svazek těchto částic fokusovat. Urychlujeme totiž stejně nabité částice a ty se vzájemně odpuzují. Pokud bychom je pomocí magnetického pole nefokusovali, svazek by se postupně stával více a více rozplizlým. Celkově je tak na LHC dohromady 1700 supravodivých magnetů, které navíc musí být supravodivě propojovány. A právě problém s extrémně náročnými supravodivými elektromagnety a jejich propojením byl příčinou havárie při prvním spouštění urychlovače LHC a téměř ročního zpoždění. Ale tuto událost si podrobněji popíšeme za chvíli.

Snímky dvou propojení magnetů, která byla při nehodě 19. září nejvíce poškozena (zdroj CERN).

Pokud by nabité ionty letěli ve vzduchu, srážely by se s jeho atomy a ztrácely by tak energii. Proto musí být v trubicích, kterými se ionty pohybují, vakuum. A to velmi vysoké, lepší než to, které je například na Měsíci. Dosahuje se to nejen velmi efektivním systémem vývěv, které vyčerpávají vzduch z trubic urychlovače, ale zároveň se systém chladí, aby zbytkové molekuly plynů vymrzly. Ještě extrémnější chlazení potřebují supravodivé elektromagnety. V našem případě nestačí teplota nižší než 4,22 K, kdy helium zkapalní, ale v případě supravodivých magnetů LHC musíme jít pod hodnotu 1,9 K, kdy se stává kapalné helium supratekutým. Tohoto helia musí být 150 tun, což je nezanedbatelná část světových zásob. Za připomenutí stojí, že tato teplota je nižší, než je teplota reliktního záření (ta je 2,7 K). Příslušné části urychlovače LHC jsou tak těmi nejstudenějšími místy ve vesmíru. Magnety urychlovače jsou po jeho téměř 27 km dlouhém obvodu rozděleny do osmi sektorů. V každém sektoru jsou supravodivé magnety chlazeny společným kryogenním systémem.

Pokud chceme urychlovat na velmi vysoké kinetické energie, nelze to udělat najednou jedním urychlovačem, ale postupně soustavou urychlovačů, které si postupně částice předávají. Je to dáno i tím, že magnety mohou měnit magnetické pole jen v určitém rozsahu a, pokud jsou konstruovány na vysokou intenzitu magnetického pole, nemohou s ní jít příliš nízko a naopak. Urychlování pak probíhá v cyklech, které jsou v případě srážeče specifické. Iontový zdroj vyprodukuje příslušné ionty, ty se nejdříve dostanou do lineárního urychlovače a pak do sekvence kruhových urychlovačů, které je postupně urychlí na energii 450 GeV. Připomenu, že 1 GeV je o něco málo více než klidová energie protonu. To znamená, že protony jsou po tomto urychlování více než 450krát těžší než v klidu. Rychlost protonů je už tak blízká rychlosti světla, že se dalším urychlením mění zanedbatelně a třeba doba oběhu protonů v LHC se tak téměř nemění. Jednotlivé protony oběhnou celý obvod LHC za sekundu 11 245krát.

Teprve s touto energií se protony vstřiknou do urychlovače LHC. A to postupně, napřed část jedním směrem (třeba po směru hodinových ručiček) do jedné trubice a pak část ve směru opačném do trubice druhé. Protony jsou při urychlení rozděleny do shluků, kterých má být v ideálním případě 2808 a mají obsahovat každý až sto miliard protonů. Každý shluk má délku zhruba 11 cm a průměr ve zlomcích milimetru. V LHC pak budou tyto shluky obíhat hodiny ve svých trubicích v opačném směru a v překříženích trubic, které jsou v místech experimentů, bude docházet ke srážkám jader. Hustota jader ve svazku je velmi malá a malý je i počet srážek. Většina ztrát urychlovaných jader ze svazku je tak nutno přičíst jiným procesům. Jsou však natolik malé, že další cyklus urychlování je nutný až za řadu hodin.

Poškození podpěr kvadrupolového magnetu (zdroj CERN).

Nehoda v září předminulého roku

Spuštění urychlovač se začalo připravovat v roce 2008. Jedná se o poměrně dlouhodobý proces. Nejdříve je třeba ochladit supravodivé magnety na potřebnou nízkou teplotu. To se podařilo během první půle roku 2008. V srpnu se tak vyzkoušelo vstřikování protonů z předurychlovače SPS do urychlovače LHC, napřed jedním směrem a pak i druhým. A 10. září se podařilo provést protony po celém obvodu postupně v obou směrech a dalšího dne se dařilo udržet protony v oběhu několik hodin. Zatím vše probíhalo bez urychlování a protony tak měly pouze kinetickou energii, kterou si přinesly z předurychlovače. V té době došlo k výpadku jedno z transformátorů, který napájí proudem kryogenní systém jednoho z osmi sektorů. Protože se tak během jeho výměny nedalo testovat vedení ani urychlování svazku protonů, přistoupili technici ke zkoušce práce magnetů jiného sektoru v režimu urychlování na energii 5,5 TeV. Byl to poslední sektor, který v tomto režimu ještě netestovali. Postupně zvyšovali intenzitu magnetického pole u velkých dipólových magnetů. Pro dosažení stále větší intenzity jimi musí téct stále větší proudy, takže v tomto případě bylo potřeba dosáhnout v maximu proudu 9,3 kA. Pak stačí malé narušení supravodivosti, vznik i minimálního odporu v nějakém místě a dojde k intenzivní produkci tepla, která má ničivé následky. A přesně taková událost nastala 19. září 2008.

Projevilo se vadné supravodivé propojení mezi magnety. Při dosažení hodnoty 8,7 kA se zde narušila supravodivost. V takovém případě přebírá vedení elektrického proudu masivní měděná sběrnice. Ta však měla také vadné propojení a proud tak stále tekl v daném místě supravodivým spojem. Ten už však nebyl supravodivý a ve vadném místě se tak díky elektrickému odporu naindukovalo napětí. Bylo sice malé, ale díky velkému proudu způsobilo uvolnění obrovského množství tepla. Vytvořil se elektrický oblouk a zmíněná část spoje se vypařila. Zároveň došlo k destrukci chladícího systému a k vypařování helia. Pro tyto případy je kryogenní systém opatřen ventily, které by měly umožnit bezpečný únik vypařeného helia do tunelu urychlovače. Bohužel se však nepočítalo s tak masivním vypařením a systém byl poddimenzovaný. To vedlo k tomu, že vzniklý plyn začal mechanicky poškozovat další části kryogenního systému daného sektoru. Vznikaly další zkraty. Celkově tak byly následky popsané události značně rozsáhlé. K opravě a vyčištění bylo třeba přesunout 53 magnetů (39 velkých dipólových a 14 krátkých). Reprezentovalo to zhruba 700 m urychlovače. A znamenalo to znovuotevření montážní a zkušební haly na povrchu.

Vzhledem k rozsahu následků nehody bylo potřeba provést i další náročné opravy a rekonstrukce poškozené části urychlovače. Navíc ovšem bylo potřeba provést rozsáhlou sadu opatření, která by měla v budoucnu zabránit vzniku takové události a hlavně zabránit podobným následkům. Ještě pečlivěji se musely zkontrolovat spoje mezi jednotlivými magnety. Citlivější diagnostika má přispět k rychlejší identifikaci problému na spoji a včasnému vyvedení energie z magnetu. Větší počet a efektivita ventilů má pak umožnit rychlé vypuštění helia vypařeného v případě nehody, aby nedošlo k mechanickému poškození magnetů. Zdržení tak nakonec dosáhlo více než jeden rok a teprve koncem minulého roku mohl být urychlovač LHC konečně spuštěn

Čekání na spuštění urychlovače LHC u experimentu ALICE v podání našeho studenta Jiřího Krále.

Spuštění urychlovače koncem minulého roku

Ke spouštění urychlovače se přistupovalo velice opatrně, protože tentokrát už chtělo vedení laboratoře CERN vyloučit každou možnost nehody. Nejdříve se pracovalo jen s jediným shlukem protonů obsahujícím pouze zhruba miliardu částic. Koncem října se otestovalo vstřikování protonů z předurychlovače do LHC a 7. listopadu už urazily protony značný kus dráhy. Celou dráhou se podařilo protony provést 20. listopadu a za chvíli už obíhaly v obou směrech. O tři dny později už se vyladilo srážení svazků protonů v místech experimentů. To vůbec není jednoduchá záležitost. Vždyť v místech experimentů se svazek fokusuje do průměru menšího než 0,2 mm. Nejdříve se protony srážely v místech experimentů ATLAS a CMS a potom v místech experimentů ALICE a LHCb. Data ze srážek tak mohly získat všechny čtyři velké experimenty, které urychlovač LHC využívají. Během čtyřiceti minut, po které nabíral data experiment ALICE, zaznamenal 284 srážek protonů. I tak malé množství stačilo k tomu, aby se stalo základem první fyzikální publikace založené na výsledcích z LHC. Připomínám, že protony se ještě neurychlovaly a celková energie srážky tak byla dvojnásobkem kinetické energie, kterou si přinesly protony z předurychlovače. Ještě tak bylo třeba začít s urychlováním v samotném LHC. Pro začátek byla zvolena konečná hodnota energie protonů 1,18 TeV. Tím LHC překonal zhruba o 20 % maximální energii doposud největšího urychlovače Tevatron v USA. Při této energii pak experimentoval až do poloviny prosince, kdy se na vánoční svátky zastavil. Postupně se zvyšoval počet shluků i protonů v nich a experimenty tak dostaly šanci nabrat dostatek dat pro tuto úplně novou energii.

Začátek tohoto roku byl využit pro přípravu urychlování na ještě vyšší energie 3,5 TeV. Práce při této energii potřebuje ještě vyšší intenzitu magnetického pole a i větší proudy v magnetech (v tomto případě 6 kA). Pro bezpečnou a spolehlivou práci urychlovače při této energii bylo potřeba dodělat všechny potřebné modifikace. Tomu byla věnována první čtvrtina tohoto roku.

Příprava urychlovače na dosažení energie 3,5 TeV (zdroj CERN).

Rekordy a první výsledky

V úterý 30. března se tak podařilo po otestování provozu magnetů v režimu potřebném pro urychlování na 3,5 TeV zahájit srážky při této energii. Při srážce je tak dostupná energie, která je větší než 7000 klidových energií protonů. V jednotlivých srážkách se při nich produkuje několik tisíc nových částic. Opět se urychloval vždy jen malý počet shluků protonů a zatím s relativně malým počtem protonů ve shluku. Je to hlavně z důvodu, že dokud nebudou mít technici urychlovač „pořádně v rukou“ a vše odladěno, existuje nebezpečí, že se svazek uhne a strefí někam jinam. Pokud by měl standardní plánovanou intenzitu, tak by mohlo dojít k vážnému poškození některé z částí urychlovače. Nebezpečí hrozí i detektorům. Pokud se část svazku strefí do nevhodného místa, může dojít k zasažení detektorů velkým množstvím částic. To může vést u některých z nich, pokud jsou pod napětím a v činnosti, k poškození až zničení. Proto jsou některé, zvláště ty nejcitlivější detektory, během testování urychlování svazku vypnuty. Jednotlivé detektorové systémy tak musely před startem srážek při takto vysokých energiích a před postupným zvyšováním intenzity svazku také ověřit všechny své bezpečnostní procedury.

Jak je vidět z předchozího povídání, mohly experimenty studovat srážky při třech různých energiích. Při analýze získaných dat se projevily i výhody dlouhého čekání na svazek. Jednotlivé experimenty mohly věnovat velké úsilí vyladění jednotlivých detektorů a jejich kalibraci i časovému sladění. K tomu mohly využít hlavně miony z kosmického záření, které se dostanou i do hloubky téměř sto metrů pod povrchem, ve které se experimenty LHC nacházejí. Velice rychle tak probíhalo zpracování získaných dat. Zatímco při spouštění dřívějších urychlovačů většinou ještě dost dlouhou dobu po začátku jejich činnosti nebyly k dispozici přesné kalibrace jednotlivých detektorů a i prvotní analýza trvala měsíce, v případě experimentů pracujících na LHC probíhá analýza téměř průběžně a už nyní mají jednotlivé detektory velmi dobrou energetickou a časovou kalibraci. Projevilo se to i při identifikaci nestabilních částic z produktů jejich rozpadu.

Jako osoby zodpovědné za analýzu byli na směně experimentu ALICE, kde se podařilo získat data z prvních srážek protonů na LHC, Jan Fiete Grosse-Oetringhaus a naše kolegyně Dagmar Adamová.

První veličina, která se studuje v případě, že se dostaneme do nové oblasti energie srážek, je celkový počet nabitých částic, které se ve srážkách produkují. Tyto částice se dobře detekují a identifikují. Zároveň je jejich počet velmi důležitým parametrem, který srážku charakterizuje. Proto i první publikace o fyzikálních výsledcích experimentů na urychlovači LHC byly věnovány právě tomu. Ukázalo se, že počet produkovaných nabitých částic roste s energií rychleji, než předpovídají modelové výpočty. Rozdíl je v řádu desítek procent. V oblasti energií, které se překrývaly s hodnotami, které již dříve dosáhl urychlovač Tevatron, se výsledky pozorované na LHC shodovaly s daty získanými na Tevatronu. Je vidět, že už první výsledek nám přináší změny v našich současných modelech. V daném případě se asi pravděpodobně nejedná o projev nové fyziky, ale komplikovanosti popisu takto složitého mnohočásticového procesu. V každém případě je to důležitá informace i pro další kroky k ještě vyšším energiím.

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“. Význam studia K⁰ mezonů pro pochopení symetrií v mikrosvětě jsem popsal v Kozmosu č. 1 z minulého roku. (Zdroj prezentace Jürgena Schukrafta).

Plány pro následující dva roky

V dubnu letošního roku se zároveň rozhodlo, že urychlovač teď bude zhruba dva roky pracovat při v současnosti dosažené energii 3,5 TeV se stále rostoucí intenzitou svazku. Koncem dubna, kdy článek píši, je v každém svazku již osm shluků a každý z nich má zhruba deset miliard protonů. Bude se zvyšovat počet shluků protonů (za ty dva roky zatím pouze na zhruba 700), i počet protonů v nich. Současná energie srážek by měla postačovat pro produkci higgsova bosonu, případně i těch nejlehčích supersymetrických částic. Dá se očekávat řada zajímavých informací v nové energetické oblasti a kromě důkladného studia standardního modelu by se mohly vidět i projevy nové fyziky za ním. Zmíněné dva roky poskytnou jednotlivým experimentům možnost si tuto oblast energií pořádně osahat a zároveň se nasbírají dostatečné zkušenosti s provozováním urychlovače. Teprve potom se práce urychlovače na nějakou dobu přeruší, aby se připravil na urychlování na ještě vyšší energie a v budoucnu i dosažení svého plánovaného maxima při kinetické energii protonů svazku 7 TeV. Jedinou dramatičtější změnou v následujících dvou letech bude koncem tohoto roku urychlování jader olova místo protonů. To si poprvé doufejme vyzkouší přípravu hmoty s extrémní teplotou a hustotou. Těším se, že budu moci v blízké době přinést čtenářům Kozmosu zprávy o nových objevech udělaných pomocí tohoto zařízení. Podrobně bych se rozepsal i o použitých detektorech a jejich vlastnostech, což je téma, které jsem musel z prostorových důvodů nyní vynechat.

Zobrazení srážky zaznamenané experimentem ALICE.

V Řeži 10.6.2010

---