Velký hadronový urychlovač

Rozbalit box

Obsah boxu

Velký hadronový urychlovač (anglicky Large Hadron Collider, zkráceně LHC) je největší a nejvýkonnější urychlovač částic na světě. Byl vybudován Evropskou organizací pro jaderný výzkum (CERN) v letech 1998 až 2008 ve spolupráci s více než 10 000 vědci a stovkami univerzit a laboratoří z více než 100 zemí. Nachází se v kruhovém tunelu o obvodu 27 kilometrů v hloubce až 175 metrů pod francouzsko-švýcarskou hranicí poblíž Ženevy.

Hlavním účelem LHC je srážet svazky hadronů – buď protonů, nebo těžkých iontů olova – při extrémně vysokých energiích. Cílem těchto experimentů je testovat platnost a případné limity Standardního modelu částicové fyziky, který popisuje základní stavební kameny hmoty a jejich interakce. Mezi klíčové výzkumné úkoly patří studium vlastností Higgsova bosonu, hledání důkazů pro nové teorie, jako je supersymetrie nebo teorie strun, zkoumání podstaty temné hmoty a temné energie, a studium kvark-gluonového plazmatu, což je stav hmoty, který existoval krátce po Velkém třesku.

Nejvýznamnějším objevem učiněným na LHC je potvrzení existence Higgsova bosonu, které bylo oznámeno 4. července 2012. Tento objev vedl k udělení Nobelovy ceny za fyziku Peteru Higgsovi a Françoisi Englertovi v roce 2013. LHC je jedním z nejkomplexnějších a nejdražších vědeckých zařízení, jaké kdy bylo postaveno.

📜 Historie a vývoj

Myšlenka na stavbu velkého hadronového urychlovače v CERNu se objevila na počátku 80. let 20. století. Projekt byl formálně schválen radou CERNu v prosinci 1994. Bylo rozhodnuto, že LHC bude umístěn do již existujícího tunelu, který byl v letech 1989 až 2000 využíván pro Velký elektron-pozitronový urychlovač (LEP). Využití stávající infrastruktury výrazně snížilo náklady a dopad na životní prostředí.

🏗️ Výstavba a první spuštění

Stavební práce na samotném urychlovači a jeho detektorech probíhaly od roku 1998 do roku 2008. Jednalo se o obrovský inženýrský projekt, který zahrnoval instalaci tisíců supravodivých magnetů, kryogenního systému a komplexních detektorů.

LHC byl poprvé slavnostně spuštěn 10. září 2008, kdy první svazek protonů úspěšně oběhl celý 27kilometrový okruh. Pouhých devět dní po spuštění, 19. září 2008, došlo k vážné havárii. Vadný elektrický spoj mezi dvěma supravodivými magnety způsobil masivní únik tekutého helia, což vedlo k mechanickému poškození více než 50 magnetů a znečištění vakuové trubice. Opravy a instalace dodatečných bezpečnostních systémů trvaly více než rok.

🔄 Provozní fáze (Runy)

Provoz LHC je rozdělen do několika fází, tzv. "Runů", které jsou odděleny delšími odstávkami pro údržbu a vylepšení (Long Shutdowns, LS).

Run 1 (2010–2013): Po opravách byl LHC znovu spuštěn v listopadu 2009 a v březnu 2010 dosáhl energie srážek 7 TeV. Tato fáze vyvrcholila v červenci 2012 oznámením objevu částice s vlastnostmi odpovídajícími Higgsovu bosonu. Provoz při energii 8 TeV pokračoval až do začátku roku 2013.
Long Shutdown 1 (LS1, 2013–2015): Během této odstávky byly provedeny rozsáhlé práce na posílení spojů mezi magnety a přípravě urychlovače na provoz při vyšší energii.
Run 2 (2015–2018): V roce 2015 byl LHC spuštěn s téměř dvojnásobnou energií srážek 13 TeV. Během této fáze bylo nasbíráno obrovské množství dat, které umožnilo detailní studium vlastností Higgsova bosonu a hledání nové fyziky při vyšších energetických škálách.
Long Shutdown 2 (LS2, 2019–2022): Druhá velká odstávka byla zaměřena na vylepšení celého řetězce urychlovačů v CERNu (tzv. LHC Injector Upgrade) a na údržbu a vylepšení samotného LHC a jeho detektorů.
Run 3 (2022–2025): Provoz byl obnoven v červenci 2022 s ještě vyšší energií srážek 13,6 TeV a se zvýšenou luminositou. Cílem je nasbírat ještě více dat než v předchozích fázích dohromady.

⚙️ Konstrukce a princip fungování

LHC je synchrotron, který využívá silná magnetická pole k udržení částic na kruhové dráze a elektrická pole k jejich urychlování.

🧊 Tunel a supravodivé magnety

Urychlovač je umístěn v kruhovém tunelu o obvodu 26 659 metrů. Klíčovými komponentami jsou supravodivé magnety.

Dipólové magnety: Celkem 1232 těchto 15 metrů dlouhých magnetů je zodpovědných za ohýbání dráhy svazků částic. K dosažení potřebné síly magnetického pole (až 8,3 tesla) musí být cívky magnetů chlazeny na teplotu 1,9 K (−271,25 °C), což je teplota nižší než ve volném vesmíru. Toho je dosaženo pomocí rozsáhlého kryogenního systému využívajícího tekuté helium.
Kvadrupólové magnety: Stovky těchto kratších magnetů slouží k zaostřování svazků částic, podobně jako čočky zaostřují světlo. Tím se zvyšuje pravděpodobnost srážky v detektorech.

🚀 Urychlovací systém

Částice nejsou urychleny na finální energii okamžitě. Procházejí celým řetězcem menších urychlovačů, než jsou vpuštěny do hlavního prstence LHC: 1. Zdroj částic (láhev s vodíkem pro protony). 2. Linac4: Lineární urychlovač, který udělí protonům první "šťouchnutí". 3. Proton Synchrotron Booster (PSB): Zvyšuje energii částic. 4. Proton Synchrotron (PS): 25letý synchrotron, který dále zvyšuje energii. 5. Super Proton Synchrotron (SPS): Poslední stupeň před vpuštěním do LHC, urychluje částice na energii 450 GeV.

V samotném LHC pak radiofrekvenční dutiny předávají částicím energii při každém oběhu, dokud nedosáhnou cílové energie (např. 6,8 TeV). Dva svazky částic obíhají v oddělených vakuových trubicích v opačných směrech rychlostí dosahující 99,9999991 % rychlosti světla.

💥 Srážky a detektory

Na čtyřech místech okruhu jsou svazky navedeny proti sobě, aby došlo ke srážkám. V těchto bodech jsou umístěny obří detektory, které zaznamenávají produkty těchto srážek. Každý detektor je navržen pro specifické účely a funguje jako gigantický digitální fotoaparát, který pořizuje desítky milionů "snímků" za sekundu.

🔬 Hlavní experimenty

Na LHC se nachází sedm hlavních experimentů, z nichž čtyři jsou umístěny v obrovských podzemních halách.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS): Jeden ze dvou velkých víceúčelových detektorů. Je obrovský (46 m dlouhý, 25 m v průměru) a jeho cílem je hledat široké spektrum fyzikálních jevů, od Higgsova bosonu po extra dimenze a částice tvořící temnou hmotu. Spolu s CMS se podílel na objevu Higgsova bosonu.
CMS (Compact Muon Solenoid): Druhý víceúčelový detektor. Ačkoliv je menší než ATLAS, je extrémně těžký (14 000 tun). Jeho charakteristickým rysem je obrovský supravodivý solenoid, který vytváří magnetické pole 4 T, což je asi 100 000krát silnější než magnetické pole Země.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment): Tento detektor je specializován na studium srážek těžkých iontů olova. Cílem je vytvořit a studovat kvark-gluonové plazma, extrémně horký a hustý stav hmoty, který pravděpodobně existoval v prvních mikrosekundách po Velkém třesku.
LHCb (Large Hadron Collider beauty): Experiment zaměřený na studium CP symetrie a hledání odpovědi na otázku, proč ve vesmíru dominuje hmota nad antihmotou. Specializuje se na detekci částic obsahujících kvark b (beauty nebo bottom).

Kromě těchto čtyř velkých experimentů existují i menší, specializované experimenty jako TOTEM, LHCf a MoEDAL.

⚛️ Vědecké objevy a cíle

Objev Higgsova bosonu: Největší úspěch LHC. Tato částice je projevem tzv. Higgsova pole, které prostupuje celým vesmírem a dává ostatním elementárním částicím jejich hmotnost. Objev byl klíčovým chybějícím dílkem Standardního modelu.
Studium kvark-gluonového plazmatu: Experiment ALICE potvrdil, že kvark-gluonové plazma se chová jako téměř dokonalá kapalina, nikoliv jako plyn, jak se původně předpokládalo.
Přesná měření Standardního modelu: LHC poskytuje nejpřesnější měření vlastností mnoha známých částic, jako jsou top kvarky nebo bosony W a Z, což umožňuje velmi přísné testy teorie.
Hledání nové fyziky: Jedním z hlavních cílů je najít fyziku za hranicemi Standardního modelu. Vědci hledají:

   *   Důkazy supersymetrie (SUSY), která předpovídá partnerské částice ke všem známým částicím.
   *   Částice, které by mohly tvořit temnou hmotu.
   *   Důkazy pro existenci dalších prostorových dimenzí.
   *   Jakékoliv neočekávané jevy, které by mohly vést k nové fyzikální revoluci.

K roku 2025 nebyly nalezeny žádné přímé a statisticky průkazné důkazy pro fyziku za Standardním modelem, ale experimenty na LHC výrazně zúžily prostor, kde se tyto nové jevy mohou skrývat.

⚡ Budoucnost a vylepšení (High-Luminosity LHC)

Po skončení Run 3 (kolem roku 2025) a následné třetí dlouhé odstávce (LS3) je plánován přechod na projekt High-Luminosity LHC (HL-LHC). Cílem tohoto vylepšení je zvýšit luminositu urychlovače přibližně desetinásobně. To znamená, že počet srážek za sekundu se dramaticky zvýší, což umožní vědcům sbírat mnohem větší objemy dat (přibližně 10krát více než za celou dobu provozu LHC do roku 2025).

HL-LHC umožní extrémně přesná měření vlastností Higgsova bosonu a dalších částic a bude mít větší šanci pozorovat velmi vzácné procesy, které by mohly být klíčem k odhalení nové fyziky. Provoz HL-LHC je plánován přibližně od roku 2029 až do konce 30. let 21. století.

🌍 Bezpečnost a kontroverze

Před spuštěním LHC se v médiích objevily obavy, že by experimenty mohly vytvořit mikroskopické černé díry, které by pohltily Zemi, nebo podivnou hmotu (strangelety), která by přeměnila planetu na mrtvý kus hmoty.

CERN a drtivá většina fyzikální komunity tyto obavy odmítly jako neopodstatněné. Byly vypracovány podrobné bezpečnostní zprávy, které argumentovaly následovně:

Příroda sama provádí podobné experimenty neustále. Kosmické záření s mnohem vyššími energiemi, než jakých dosahuje LHC, bombarduje atmosféru Země a další vesmírná tělesa po miliardy let, aniž by došlo ke katastrofě.
Pokud by LHC mohl vytvořit mikroskopické černé díry (což předpovídají některé teorie s extra dimenzemi), podle teorie Stephena Hawkinga by se okamžitě vypařily prostřednictvím Hawkingova záření a nepředstavovaly by žádné nebezpečí.

Bezpečnostní komise CERNu dospěla k závěru, že provoz LHC je zcela bezpečný.

💡 Pro laiky

Co je urychlovač částic?

Představte si urychlovač jako obrovský kruhový "závodní okruh" pro nepatrné částice, jako jsou protony. Vědci do tohoto okruhu vpustí dva svazky částic, které letí proti sobě téměř rychlostí světla. Silné magnety je drží v dráze a speciální zařízení jim dodávají stále více energie (rychlosti). Na několika místech okruhu pak vědci tyto dva svazky "čelně srazí".

Proč potřebujeme tak vysoké energie?

Podle slavné rovnice Alberta Einsteina E=mc² jsou energie a hmota dvě strany téže mince. Když se částice srazí při obrovské energii, tato energie se může přeměnit na nové, často velmi těžké a nestabilní částice, které v běžném světě neexistují. Mnohé z těchto částic existovaly jen zlomek sekundy po Velkém třesku. Tím, že je znovu vytváříme, můžeme studovat, jak vesmír vypadal na samém počátku.

Co je Higgsův boson?

Představte si, že celý vesmír je vyplněn neviditelným "sirupem" – to je Higgsovo pole. Když se částice tímto polem pohybují, některé na něj reagují více a "drhnou" (jako kulička v sirupu), a tím získávají velkou hmotnost. Jiné částice polem proletí téměř bez povšimnutí a mají malou nebo žádnou hmotnost (jako foton světla). Higgsův boson je pak vlnka, "kapička" tohoto sirupového pole. Jeho objevení potvrdilo, že tato představa o získávání hmotnosti je správná.

Proč je to důležité?

Výzkum na LHC nám pomáhá odpovědět na nejzákladnější otázky: Z čeho je vesmír složen? Jaké síly ho drží pohromadě? Proč mají věci hmotnost? A existuje něco víc než to, co popisuje naše současná nejlepší teorie, Standardní model? Je to cesta za poznáním fundamentálních zákonů přírody.

Šablona:Aktualizováno