Vpuštění prvních protonů do nového
největšího urychlovače na světě je za dveřmi.
Vladimír Wagner
ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha
Jak se pomalu blíží spuštění největšího urychlovače
LHC, roste napětí nejen mezi fyziky a techniky, kteří se na jeho budování
podílejí. První protony by měly být do urychlovače vstřiknuty již příští měsíc,
takže se podívejme na některé zajímavosti a úskalí spojené s tímto urychlovačem
a jeho spouštěním.
Tunel
urychlovače LHC v blízkosti experimentu ATLAS (zdroj Jaroslav Reichl).
Samé rekordy.
Energie srážky, kterou chce urychlovač LHC dosáhnout
je tak extrémní, že značná část jeho komponent je na hranici možností
současných technologií. O tom, jak urychlovač vypadá a proč tak vypadá, jsme si
už na Oslu vysvětlovali,
takže se připomeňme jen některé z hraničních parametrů, kterých urychlovač
dosahuje. Každý ze srážejících se protonů bude mít sedmkrát větší energii než
má na předchozím největším urychlovači Tevatron. Jejich energie bude tedy 7 TeV
= 7000 GeV, bude tedy 7000krát větší než je jejich klidová energie. Podstatné
je i, že intenzita svazku protonů bude čtyřicetkrát větší než u Tevatronu.
Protony budou rozděleny do zhruba 3000 shluků rozmístěných po zhruba kruhové
dráze urychlovače, která má délku
Pohled z povrchu dírou do hloubky
jeskyně experimentu ATLAS (zdroj Jaroslav Reichl)
Urychlovač je umístěn nedaleko Ženevy a na straně
blíže tohoto města je v hloubce okolo
Experiment ATLAS (Zdroj Jana
Vejpustková).
I
experimenty finišují
Čtyři
velké experimenty ATLAS, CMS, ALICE a LHCb jsou také v závěrečných
stádiích přípravy. Jedná se o obrovské konstrukce, kdy hlavně v případě
velkých magnetů a kalorimetrů se jedná o tuny materiálu. Vnitřní dráhové
detektory, které určují přesnou dráhu částic, nejsou sice tak obrovské. I ty
však nejsou nijak malé a navíc musí mít i přes své značné rozměry polohu
určenou s přesností okolo padesáti mikrometrů. Podrobný popis detektorů a
jejich určení jsme si rozebrali v předchozím povídání, takže bych se teď
soustředil na jeden zajímavý problém.
Na tomto snímku experimentu ATLAS je
vidět i část jeho supravodivého magnetu (zdroj Jaroslav Reichl).
Jde o to, jak vybrat právě ty důležité srážky a nebýt
zavalen balastem ostatních. Mezi srážkami jednotlivých shluků protonů uplyne
zhruba doba okolo 30 ns a při plné intenzitě dojde při jednom křížení dvojice
proti sobě letících shluků průměrně k dvaceti srážkám protonů.
V době, kdy vnější detektory budou ještě detekovat částice ze
srážek předchozího křížení shluků protonů, bude už probíhat křížení
následující. Počet srážek by tak mohl dosahovat téměř miliardu za sekundu.
Ovšem jen malá část bude těch, které nás zajímají. Pokud se rozhodne systém
zaznamenat výsledek srážky, musí posbírat informace ze všech detektorů,
sestavit je do vhodné formy a zapsat. Během této doby systém další sběr
informace blokuje. To však trvá dost dlouhou dobu, značně přesahující desítky
mikrosekund. Pokud by detektorový systém
zaznamenával srážky bez výběru, shromažďoval by většinou pro nás nezajímavá
data. Proto bude na několika úrovních probíhat velmi složitý výběr těch
správných srážek. Na první úrovni se systém výběru (trigr) soustředí jen na
data z některých „rychlých“ detektorů a vybere například případy,ve
kterých se objeví několik částic letících prudce kolmo ve směru původního letu
protonů svazku. Podle charakteru fyzikálního jevu, který chceme měřit, nebo
částice, kterou chceme objevit, se sestaví soubor podobných charakteristik.
Musí být navrženy tak, aby byly založeny na informaci rychle pracujících
detektorů a rozhodování prováděly logické elektronické obvody. Trigr první
úrovně totiž musí být co nejrychlejší, aby rozhodování, zda se má daný případ
poslat trigru vyšší úrovně nebo jeho analýza zrušit a celou detektorovou
sestavu připravit pro zaznamenání nové srážky, vedlo k co nejmenšímu
zdržení. Proto je selekce pomocí softwaru (programů), která je pomalejší, na této úrovni omezeno na minimální míru.
Trigr první úrovně pustí do další úrovně pouze okolo 100 000 případů za
sekundu, tedy pouze zhruba každý
desetitisící. Trigry vyšší úrovně už pracují s pomocí složitých programů a
provádějí řadu výpočtů. Pomocí částečné rekonstrukce srážky pak rozhodují,
jestli je daný případ dostatečně zajímavý, aby byl zapsán. Jejich sítem projde jen sto případů za
sekundu, tedy dojde ke snížení počtu o tři řády. Jenom ty se posílají do farmy
počítačů, která zajišťuje jejich zaznamenání. Dostáváme se tak
k počítačům, které se mají postarat o zaznamenání a analýzu obrovského
množství dat týkajících se vybraných srážek.
Malá (starší)
část počítačové farmy v laboratoři CERN, která je zapojená to systému GRID
určeného pro LHC experimenty (Zdroj Jana Vejpustková)
Připravuje
se i celosvětová výpočetní síť
Jak bylo řečeno, bude se ukládat řádově stovka případů
srážek za sekundu. Velikost informace bude pro jednotlivý případ řádově desítka
až stovka MBy. V laboratoři CERN se nespolehli na nějaký
superpočítač, ale na farmy složené z velkého počtu propojených běžných
počítačů nebo jen procesorů. Takových jednotek má výpočetní centrum
v laboratoři CERN (označované Tier 0) tisícovky a ty budou chroustat data
z LHC experimentů. Zároveň budou zajišťovat jejich uložení. Zajímavé je,
že pro archivování dat, které se bude provádět pomocí speciálního robota, se
budou využívat magnetické pásky. To se může zdát jako zastaralé, ale pořád je
to cenově i bezpečnostně nejlepší řešení. Z hlavního centra se pak systémem
grid budou data pomocí optických kabelů s přenosovou kapacitou 10 gigabitů
za sekundu distribuovat do jedenácti velkých počítačových center (označovaných
jako Tier 1) v různých místech světa. Zároveň se provádí zálohování dat
v několika místech. Internetovou sítí jsou na tato hlavní centra napojeny
menší počítačové farmy (jednou z nich je i farma Goliáš v Praze),
které jsou označovány jako Tier 2. Všechny tyto farmy budou zapojeny do
distribuované analýzy získaných dat, kterou může vědec provádět z libovolného
počítače zapojeného na internet a ani nebude vědět, které počítačové farmy na
jeho úloze pracovaly. Analýzy na gridové síti
už probíhají. Provádějí se jednak simulace připravovaných experimentů,
ale už i prvních dat z detektorů, která byla získána měřením kosmického
záření, pronikajícího i do hloubky padesáti metrů pod zemí. Ještě před první
srážkou, která na LHC nastane, musí být celý systém gridové sítě pro LHC
otestován a vyladěn. Podívejme se nyní, jaká cesta nás do té první srážky
protonů na urychlovači LHC ještě čeká.
Obrázek z britské počítačové farmy
zapojené do gridové sítě LHC (zdroj GridPP).
První
částice v urychlovači LHC a oficiální spuštění
Dokončení propojení magnetů proběhlo počátkem
listopadu minulého roku a pak se postupně začalo s ochlazováním a testy
magnetů. Ochlazování magnetů zabere měsíce. Pokud nastane problém, který
vyžaduje ohřátí, opravu a opětné ochlazení magnetů, jedná se o značné zdržení
v řádu měsíců. První protony by měly být do urychlovače LHC vstřiknuty v
červenci. Následující testování urychlovače a jeho uvádění do provozu bude
probíhat velmi opatrně. Z počátku se budou urychlovat protony
s energií, kterou obdrží pomocí předchozích urychlovačů, tedy více než o
řád menší. Navíc se použije jen velmi nízká intenzita svazku. Jak jsem zmínil,
při velké intenzitě by svazek s nesprávnou dráhou mohl propálit a těžce
poškodit zařízení. Pokud se ukáže, že jsou technici schopni vést svazek po
správné dráze, začnou testovat i dráhu v opačném směru. Po odladění se
bude postupně testovat protínání svazků a srážky protonů v místech
jednotlivých experimentů. První se začnou testovat srážky v místě experimentu
ALICE. Tento experiment je sice zaměřen hlavně na studium srážek těžkých jader,
přesto si fyzikové, kteří na něm pracují, brousí zuby na to, že budou první,
kteří uvidí srážky protonů na LHC. Sice půjde zatím jen o srážky při nižší
energii, ale přesto by mohli při troše štěstí uveřejnit první článek o měření
s pomocí tohoto urychlovače. Postupně se také začne pomalu zvyšovat
energie a intenzita svazku. První urychlování při maximální energii bude
probíhat pouze s jedním shlukem
protonů namísto konečných očekávaných tří tisíc.
Inkriminovaná trojice magnetů, kterou bylo
potřeba upravit po havárii při pevnostních testech (Zdroj Fermilab)
Je vidět, že přesný průběh postupného spouštění a
testování urychlovače nelze dopředu přesně odhadnout. Pochopitelně, že se může
objevit řada neočekávaných zádrhelů, které mohou jednotlivé etapy i značně
zdržet. Takové problémy nejsou u nového a takto náročného zařízení neobvyklé. O
některých problémech, na které se narazilo dříve, jsem psal v předchozím
povídání. Připomenu jen destrukci, která nastala při pevnostních a zátěžových
testech trojice magnetů, které vychylují svazek před místy jednotlivých
experimentů. Ta nastala při testu prováděném již v tunelu LHC.
V okamžiku, kdy se vypne jen některý z trojice magnetů, začnou na
struktury, které je upevňují, působit značné síly. Právě ty způsobily poškození
nejen upevňovací konstrukce, ale také propojovacích elektrických kabelů. Bylo
nutno změnit a zpevnit příslušné části. To se úspěšně podařilo a po provedených
změnách všechny trojice vychylovacích
magnety úspěšně prošly všemi následujícími testy.
Společný tým laboratoří Fermilab (USA),
KEK (Japonsko) a LBNL (USA) provedel úspěšnou úpravu vychylovacích magnetů
(zdroj Fermilab).
Je tedy jasné, že lze těžko říci v jakém stádiu
bude reálné spouštění 21. října 2008, na kdy se připravuje v laboratoři
CERN oficiální oslava a slavnostní otevření urychlovače LHC. V té době se
do laboratoře sjedou politici států, které se na jeho budování podílely.
Slavnostní akce bude také využita k intenzivnímu oslovení veřejnosti pomocí
medií, která na ní budou také přítomna.
V České republice nechceme zůstat stranou těchto
slavnostních událostí a připravujeme nejen na toto období řadu akcí, které by
měly urychlovač, jednotlivé experimenty a hlavně zajímavé poznatky, které se od
nich čekají, představit široké
veřejnosti. Od 20. října bude ve
výstavním sále v přízemí budovy Akademie věd ČR výstava věnovaná spouštění LHC a na onoho 21. října se
připravuje celodenní akce v Pražském planetáriu.
Inkriminované vychylovací magnety po
opravě jsme s českými učiteli mohli zkontrolovat přímo na místě
v tunelu LHC nedaleko jeskyně experimentu ATLAS (zdroj Jana Vejpustková)
Jaká bude
éra LHC a co po něm?
Už v současnosti se v Česku uskutečnilo
několik zajímavých akcí, které souvisí s blížícím se spuštěním LHC. Jednou
z nich byla návštěva významného teoretického fyzika Johna Ellise, který
pracuje právě v laboratoři CERN. Ve Fyzikálním ústavu AVČR přednesl
přednášku o budoucnosti laboratoře CERN v době urychlovače LHC a
následující. Inspirujme se jeho povídáním a názory a pohleďme na budoucnost
částičové fyziky a využití velkých urychlovačů. Vysvětlení řady pojmů ze světa
částic, které se budou v dalším výkladu používat, je možné najít v tomto článku., který
jsem pro Osla napsal.
John Ellis (zdroj Wikipedia).
Když
se některého z částicových fyziků zeptáte, co očekává od urychlovače LHC,
téměř každý jako první slovo vypustí pojem higgs. Tato jediná dosud
nepozorovaná částice současné podoby teorie struktury hmoty a interakcí
(standardního modelu) je opravdu tím, co do jisté míry může charakterizovat
období, ve kterém se tento obor fyziky před startem urychlovače LHC nachází. Je
známkou obrovské šířky našich znalostí daných standardním modelem, který umožňuje
pochopit, popsat a předpovídat velmi širokou škálu jevů, které pozorujeme
v našem světě v oblasti energií, které jsou dostupné urychlovači před
LHC. Prázdným místem v naší mozaice je právě higgsův boson, který
potřebuje teorie standardního modelu sjednocující popis elektromagnetické a
slabé interakce. Tato částice by měla pomoci při vysvětlení vytváření hmotnosti
částic a důvodu, proč má například částice elektromagnetické interakce foton
nulovou klidovou hmotnost a částice slabé interakce Z a W bosony klidové
hmotnosti tak obrovské. Objevení higgsova bosonu v oblasti energií, které
nám LHC zpřístupní, by tak mělo být korunou dovršující standardní model.
Urychlovač LHC umožní i další všestranné a velmi intenzivní testování tohoto
modelu v nové oblasti velmi vysokých energií.
Detekce higgsova bosonu experimentem
CMS. Zatím pouze v simulaci. (Zdroj CERN).
Urychlovač LHC by však na druhé straně měl být
nástrojem, který umožní překročení tohoto modelu a otevře cestu k výběru
obecnější teorie, která umožní popsat realitu v oblastí energií, na které
už standardní model nestačí. Otevřená otázka existence higgse, počtu těchto
částic a jejich vlastností je průzorem do hloubky našich neznalostí. Pokud LHC
higgse najde, mělo by nám podrobné zkoumání jeho vlastností otevřít průzor do
oblasti nové fyziky. Ještě větší proniknutí do této oblasti by přinesl objev
supersymetrických částic, jejichž objev by pomohl vysvětlit řadu symetrií
pozorovaných mezi kvarky a leptony, najít správnou teorii sjednocující popis
silné a elektroslabé interakce a třeba i vysvětlit, co tvoří temnou hmotu ve
vesmíru. To jsou objevy, které lze od urychlovače LHC očekávat s velkou
pravděpodobností. Ovšem nelze úplně vyloučit, že se na LHC objeví i projevy
sjednocení popisu gravitační interakce a interakcí ostatních, tedy kvantové
teorie gravitace. Například v podobě mikroskopických černých děr či
projevů dalších rozměrů. Podrobnější soupis objevů, které by se s pomocí
LHC mohly udělat a jejich dopadu na kosmologii jsem napsal pro časopis Kozmos.
Komponenty pro budoucí lineární
urychlovač elektronu a pozitronu se už testují (zdroj ILC)
Můžeme si položit otázku, co bude následovat po LHC.
Už teď technici a fyzikové uvažují o jeho následovníku. Panuje vcelku dobrá
shoda, že by to měl být urychlovač, který by srážel elektrony a pozitrony.
V tomto případě musí jít o lineární urychlovač, abychom zabránily velkým
ztrátám při urychlování vlivem synchrotronového záření. Na LHC srážíme protony,
které jsou velmi složitými objekty. Mají komplikovanou strukturu složenou ze
tři valenčních kvarků a složitého vakua, daného silnou interakcí. Při využití
elektronu a pozitronu srážíme, z pohledu předpokládané energie srážky,
jednoduché bodové objekty. Zbavíme se tak nežádoucího pozadí a je pak daleko
jednodušší identifikovat a měřit vlastnosti nových částic. Mohla by vzniknout
podobná situace, jako nastala v laboratoři CERN v poslední čtvrtině
minulého století při přechodu od urychlovače protonů SPS k urychlovači
elektronů a positronů LEP. Zatímco pomocí urychlovače SPS byly bosony slabé
interakce W a Z objeveny, urychlovač LEP podrobně prostudoval jejich
vlastnosti a umožnil extrémní zpřesnění parametrů i předpovědí teorie elektroslabých
interakcí. Zda se bude stavět, kdy a jaké budou parametry nového velkého
lineárního urychlovače elektronů a pozitronů bude určitě ovlivněno výsledky
prvních let práce urychlovače LHC. Například objev relativně lehkých
supersymetrických částic bude znamenat, že námi dostupná energetická oblast je
zabydlena širokou plejádou těchto nových částic. Podrobný výzkum jejich
vlastností by nám pak přinesl detailní pohled na supersymetrickou teorii. Byl
by to silný impuls pro postavení tohoto nového stroje, který by pak ani nemusel
dosahovat těch nejextrémnějších energií. V každém případě je velmi velká
šance, že LHC bude nejen dovršením jedné velmi úspěšné éry částicové fyziky,
ale otevře éru novou, stejně zajímavou a plodnou. A hlavně nám umožní daleko
lepší pochopení struktury hmoty a nejrannějších počátků historie našeho
vesmíru. Na závěr bych se ještě zmínil o jedné akci spojené s Českem a
laboratoří CERN. Týká se totiž právě těch, kteří nyní sedí ve školních
lavicích, ale právě oni budou pracovat na následovnících urychlovače LHC.
Čeští učitelé v jeskyni experimentu
ATLAS (zdroj JaroslavReichl).
Čeští
učitelé v laboratoři CERN
Jedna z akcí, která zpřístupňuje urychlovač LHC,
laboratoř CERN a částicovou i jadernou fyziku české veřejnosti a hlavně
mládeži, se konala začátkem roku. V březnu, tedy nedlouho před tím, než se
podzemí urychlovače LHC nejen pro návštěvy uzavřelo, se do laboratoře CERN
vypravil autobus s českými středoškolskými učiteli. Jednalo se o akci,
kterou v rámci programů zaměřených na mládež pořádá CERN už druhý rok. Při
ní přijíždí do laboratoře na týdenní školení autobus středoškolských
učitelů některé z členských zemí. Absolvují řadu přednášek
v mateřském jazyce od jejich rodáků, kteří se na experimentech v laboratoři
CERN podílejí, a v angličtině od zaměstnanců laboratoře. Zavítají na řadu
pracovišť a experimentů. Dostanou řadu praktických rad, co se dá studentům
ukázat. Vyzkouší si postavit mlžnou komoru a pozorují pomocí ní radiaci pozadí.
Velkou výhodou je, že jsou celý týden v kontaktu se svými odborníky a
mohou s nimi kdykoliv diskutovat o všem, co je napadne. Vzhledem
k tomu, že se zanedlouho podzemí LHC nejen pro veřejnost zavíralo, byli
učitelé jedněmi z posledních Čechů (a nejen Čechů) kteří se do tunelu
urychlovače a jeskyně experimentu ATLAS dostali.
Česká učitelka tentokrát ne
v zubech žraloka, ale v kontrolní místnosti experimentu CMS (zdroj
Jana Vejpustková).
Čeští učitelé se takové akce zúčastnili poprvé a velký
dík za to patří řadě osob. Dovolil bych si jmenovat Jiřího Dolejšího z MFF
UK a profesorku z Gymnázia v Žďáru nad Sázavou Evu Novákovou. Značný podíl
na možnosti uskutečnit tuto akci měl také kraj Vysočina, který sponzoroval
velkou skupinu učitelů z tohoto kraje. Laboratoř CERN si dobře uvědomuje,
že prostřednictvím takové akce (této a podobným akcím se věnuje speciální tým a
opravdovou duší učitelských týdnů je Mick Storr) neovlivní jen pár desítek
učitelů. Jejich prostřednictvím se dostane ke stovkám studentů, které tito
učitelé učí a budou učit. Pochopitelně, že za týden se nikdo nenaučí jadernou a
částicovou fyziku, nezačne počítat rozpady Z bozonů či higgsů. Je však
obrovský rozdíl, jestli před studenty stojí fyzikář, který má vše jen načtené
z knížek, nebo ten, který si na urychlovač, detektory a jiná zařízení
sáhl. Pohyboval se mezi odborníky v laboratoři a diskutoval s nimi.
Společně si rozuměli a vzájemně si své práce vážili. Ví, že to většinou nejsou žádní exoti nebo
geniové, ale obyčejní lidičkové, kteří jsou zapálení pro svůj obor. Zároveň
vidí, že evropská spolupráce není jen prázdný pojem a pohybuje se
v mezinárodní komunitě. Ten je pak schopen studenta přesvědčit, že pokud
se bude snažit, tak může v budoucnu v CERNu nebo na jiném špičkovém
pracovišti pracovat i on. A těm studentům, pro které fyzika není žádné hobby,
pak zůstane aspoň povědomí, že se v tom CERNu dělá něco, co je zajímavé a
užitečné. A to je neméně důležité. A platí to pro každý předmět a každého
učitele. Doufám tedy, že autobus s českými učiteli bude jezdit do laboratoře
CERN každoročně a že se najde více osvícených hejtmanů, kteří při tom své
učitele podpoří. Podrobnosti o akci lze nalézt na
těchto stránkách. Pro tento článek jsem jako obrazovou přílohu použil právě
fotografie, které pořídili během učitelského týdne v laboratoři CERN
Jaroslav Reichl a Jana Vejpustková.
Měl jsem tu čest českým učitelům
v laboratoři CERN přednášet o experimentu ALICE (zdroj Jaroslav Reichl).
