Návštěva v CERNU

CERN, Evropská laboratoř pro fyziku částic, je nejrozsáhlejší výzkumné centrum částicové fyziky na světě. Byl založen v roce 1954 a od té doby se tato laboratoř, která byla prvním takovým evropským společným dílem, stala zářným příkladem úspěšné mezinárodní spolupráce. Z původních 12 signatářů dohody o založení CERN vzrostl počet členských zemí na 20. Laboratoř leží na francouzsko-švýcarské hranici západně od Ženevy na úpatí pohoří Jura. Se zařízením CERN pracuje okolo 6500 vědců, což je polovina všech částicových fyziků na světě. Vědci reprezentují 500 univerzit či jiných odborných pracovišť a více než 80 národností. Jeho součástí je i naše republika.

CERN se zabývá čistou vědou a hledá odpovědi na nejpřirozenější otázky: Co je to hmota? Jak vznikla? Jak vytváří složité objekty jako hvězdy, planety nebo lidské tvory? Tím, že laboratoř zkoumá složení hmoty, hraje i důležitou roli v rozvoji technologie budoucnosti. Měření prováděná vědci v CERNu jsou důležitým testovacím polem i pro průmysl, neboť právě částicová fyzika vyžaduje vysokou přesnost provedení všech přístrojů. Díky prvotřídní technické vybavenosti hraje laboratoř CERN důležitou úlohu i ve zlepšování technické vzdělanosti. Současný rozsah programu odborné přípravy a kvalifikované vedení láká do laboratoře mnoho talentovaných mladých vědců a inženýrů. Většina z nich najde uplatnění v průmyslu, kde jsou vysoce ceněny jejich zkušenosti s prací v mnohonárodním prostředí.

Dne 13.1. roku 2003 jsme dostali do CERNU první objednávku na výrobu desek plošných spojů. O té doby se spolupráce stále rozvíjí. Mezi nezajímavější zakázky patří výroba transformátorů na vysoké frekvence - plošné spoje o 26ti vrstvách. Vyrobyli jsme jich přes tři tisíce.
Obchodní spolupráce pozvolna přešla v užší vztahy, které vedly až k pozvání do Ženevy, sídla CERNU, který jsme navštívili ve dnech 10. a 11. 3.2005. Z Printedu jsme jeli dva a náš tlumočník. Díky jemu jsme ze Švýcarska neviděli jen dálnici, ale poznali jsme i krajinu centrální časti země.
V Cernu na nás již čekal pan Ing. Valuch, odpovědný pracovník vysokofrekvenční sekce urychlovače. A od této chvíle jsme se už nezastavili. Hned po příjezdu jsme navštívili podzemní část laboratoře, menší urychlovač označovaný SPS. Podivil jsem se, že je povoleno fotografování. Ještě více jsem byl překvapen odpovědí: CERN pracuje za peníze poplatníků daní členských států a proto jim patří i výsledky práce. Není tedy co tajit.

Úkolem CERN je poskytovat svazky částic s vysokou energií fyzikům, kteří je používají při svých experimentech. Laboratoř vděčí za své výsadní postavení tomu, že využívá největší soustavu propojených uychlovačů na světě. Tyto urychlovače pracují s různými druhy částic potřebných pro všechny typy experimentů. V LEP jsou urychlovány elektrony a pozitrony, které se navzájem srážejí. Na jiném místě CERN částice s vysokou energií nazývané miony otevírají protony a neutrony jako lovec perel perlorodku, když se chce podívat dovnitř. Komplex urychlovačů CERN dokáže dokonce urychlovat i jádra atomů olova, která se pak rozbíjejí na nepohyblivých terčících.. Z vlastního centra srážky, v němž po kratičký okamžik panují poměry blízké stavu vesmíru těsně po velkém třesku, se vynoří stovky částic. Výzkumníci v CERN studují velké počty takových pozoruhodných událostí a snaží se porozumět tomu, jak se za 15 miliard let po velkém třesku vesmír stal takovým, jak jej vidíme dnes kolem sebe.

Výzkumníci CERNU pracují s nejmenšími částečkami hmoty v největší laboratoři za použití značného množství elektrické energie, absolutního vakua při teplotách velmi blízkých absolutní nule. Všechno je tam buď absolutně malinké, nebo absolutně největší. V urychlovači urychlí elektrony na rychlost blízkou rychlosti světla. Svazek elektronů má za těchto podmínek hmotu a energii Boingu letícího rychlostí 700 km/hod. Takovými částicemi pak bombardují terče. Elektrony jsou drženy ve svazku nesmírným magnetickým polem generovaným supravodivými magnety v trubce o průměru asi 60 mm. Každý magnet váží 47 tun a ve velkém urychlovači jich bude umístěno 1500.

Urychlením získají částice velmi vysoké energie. Jejich následné střílení do terčů nebo vzájemné srážky pomáhají fyzikům rozluštit tajemství sil působící mezi částicemi. Existují urychlovače dvou typů, lineární a kruhové. V CERN se můžeme setkat s oběma. Urychlovače používají silné elektrické pole, jehož prostřednictvím "nahustí" energii do svazku částic. Magnetické pole svazek přesně zaostřuje a slouží i k udržení částic na kruhové dráze. Toto je pohled na největší urychlovač v CERN, LEP, který má obvod 27 km. Lineární urychlovače předávají energii svazku při jeho postupném pohybu po celé délce. Platí tedy, že čím delší zařízení, tím vyšší konečná energie. V kruhových urychlovačích částice létají znovu a znovu kolem dokola a hromadí tak energii s každým oběhem kruhu. Jak ale rychlost částic roste, většina má tendenci "vyletět" ven z kruhu podobně jako auto projíždějící ostrou zatáčku na silnici. To je důvod, proč je LEP tak velký. Byl navržen tak, aby zakřivení kruhu bylo tak mírné, jak je to jen možné.

Částice se buď vzájemně srážejí (vstřícné svazky, např. jako v LEP) nebo narážejí na nepohyblivé terče vně urychlovače. Přitom vznikají nové částice. Tak se hmota mění v energii a obráceně podle Einsteinovy známé rovnice E = m.c2. E označuje energii, m hmotnost a c je rychlost světla. E = m.c2 nám říká, že 1 gram hmoty obsahuje úžasných 20.1012 kalorií (tj. 90 miliard kilojoulů). Částice studované v CERN jsou ovšem tak maličké, že energie obsažená v jedné urychlené částici v LEP je jenom asi 10-9 kalorie.Důležité je, že při srážkách částic je energie soustředěna ve velmi malém prostoru. Při tak vysoké koncentraci energie se produkují další částice, které můžeme studovat a jež nám poskytují nový pohled na nejniternější tajemství přírody.V tunelu LEP bude instalován nový urychlovač LHC (Large Hadron Collider, česky Velký srážeč hadronů). V činnost bude uveden v r. 2006. Protože při srážkách v LHC bude produkováno více energie než v LEP, i detektory budou muset být větší. Detektor, nazývaný ATLAS, bude veliký asi jako šestipatrová budova. Zdá se paradoxní, že zkoumání něčeho tak neuvěřitelně malého vyžaduje tak velké detektory. Důvodem je to, že částice s vyšší energií vznikající při srážkách mohou pronikat silnější vrstvou hmoty. Proto detektory musí být tak ohromné.

Úžasné je technické a řemeslné zpracování celého zařízení a kvalita montáže. Těsnění, tepelné izolace, propojení kabelů, vlnovody a vše ostatní musí být provedeno opět s absolutní dokonalostí. Například osa urychlovače je v celém obvodu tunelu uložena s přesností nanometrů. Musí být zajištěno vyrovnání i nepatrných tektonických pohybů skalního masivu ve kterém je tunel vybudován. Pozná se nejen vliv Měsíce, ale i vzedmutí hladiny Ženevského jezera.

Všechno ve vesmíru je vytvořeno z částic, včetně nás samotných! Díky práci CERN a jiných laboratoří ve světě zabývajících se částicovou fyzikou nyní víme, že k tomu, abychom vysvětlili složení obyčejné hmoty, potřebujeme pouhé čtyři druhy částic-stavebních kamenů. Tyto částice se nazývají kvark u, kvark d, elektron a elektronové neutrino. Země a všechno na ní, planety i Slunce a všechny hvězdy na obloze jsou podle všeho vytvořeny za stejných čtyř základních součástí. Je to jako stavebnice. Z kvarků u a d se skládají protony a neutrony, které společně vytvářejí atomová jádra. Jádra spolu s elektrony v obalech tvoří atomy, které se dále různě spojují a vytvářejí složitější objekty. Čtvrtým členem rodiny je elektronové neutrino, které intergauje s ostatní hmotou tak slabě, že je dokážeme jen stěží pozorovat.

Příroda má ve zvyku chystat nám různá překvapení. Jednou z nejpřekvapivějších věcí v moderní částicové fyzice je existence dalších dvou rodin částic hmoty. Každá z nich je podobná čtveřici kvark u, kvark d, elektron a elektronové neutrino, až na to, že jsou těžší. Přirozeným způsobem se vyskytují jedině na exotických místech, jako jsou horká centra hvězd, ale jsou také produkovány na urychlovačích v CERN a podobných laboratořích. Proč příroda vytváří tři vzájemně podobné kopie částicových rodin, to je pro fyziky další část záhady, která čeká na rozluštění.

Sbírku částic v přírodě doplňuje antihmota, něco jako "zrcadlový obraz" obyčejné hmoty. Antihmotu předpověděl v roce 1930 britský fyzik Paul Dirac. Brzo poté Američan Carl Anderson antihmotu skutečně objevil ve srážkách vysokoenergetických částic kosmického záření. Pokud víme, žádná volná antihmota dnes ve vesmíru neexistuje. Věříme však, že těsně po velkém třesku, kdy vesmír vznikl, hmota a antihmota existovaly v rovnováze, tedy že bylo stejně antihmoty, jako hmoty. Co se s antihmotou stalo je hádankou, která také čeká na konečné vyřešení.

Navštívili jsme i pracoviště, kde v Cernu vznikly antiatomy vodíku.

CERN se staví nový urychlovač LHC, který umožní pustit se do hledání odpovědí na tyto a podobné důležité otázky. LHC bude připraven ke spuštění v roce 2006 a připravovaný program svádí dohromady tisíce vědců z celého světa. Pro udržení protonových svazků na dráze v LHC byl vyvinut nový silný supravodivý magnet. Na vývoji detektorů, které budou studovat srážky na LHC a které jsou větší a komplexnější než kdykoli předtím, se už pracuje. I týmy spolupracujících fyziků, kteří tyto detektory konstruují, jsou největší, jaké kdy částicová fyzika poznala. Na tomto projektu spolupracuje více než 4400 vědců z celého světa. Když v 50. letech CERN vznikl, vytvořil se tím standard pro evropskou spolupráci ve vědě. S LHC se CERN stává první skutečně komplexní světovou laboratoří. Na konci 19. století objevila věda zkoumající základy hmoty elektron. Na konci 20. století je život bez elektronů pro nás už téměř nemyslitelný. Přinášejí elektřinu do našich domovů, přivádějí hlasy po telefonních drátech a kreslí obrázky na televizní obrazovky. Kdo ví, jaké užitečné výsledky může současná "čistá" věda a základní výzkum přinést za dalších 100 let?

Na Cern je zajímavý pohled ze statistického hlediska. Příprava pokusu v urychlovači LHC bude trvat 8 hodin. Až za tuto dobu bude urychlený svazek elektronů použitelný k fyzikálnímu pokusu. Pokud by bylo použito osazení urychlovače běžnými průmyslovými komponenty, tak je ze statistického hlediska možnosti výskytu závady v tak velkém množství všech přístrojů a zařízení veliká. Čas ke vzniku poruchy by se počítal v minutách. I kdyby byl tento čas řádově v hodinách, například jedna chyba za 7,5 hodiny, tak se nikdy žádný pokus úspěšně nedokončí. Nejedná se jen o elektroniku, ale všechna čerpadla, chladírenská zařízení, vakuové pumpy, přívody energie a vše ostatní musí být v naprosto spolehlivé. Urychlovač bude při náběhu odebírat z rozvodné sítě po dobu tří hodin 350 MW elektrické energie. Při odstavování z provozu energii zase vrací do sítě a pozvolna se děj zastaví. Co kdyby však došlo k výpadku chlazení supravodivých magnetů při plném provozu pro nějakou vadnou pumpu?

Aby Cern dosáhl požadované kvality a technické úrovně spolupracuje se svými dodavateli a svými požadavky motivuje jejich technický rozvoj a úroveň kvality. Pokud se výrobci podaří Cernu vyhovět získá nou-hau s kterým pak může zvýšit technickou úroveň vlastních běžných výrobků. To je stálý přínos výzkumných prací vědců Cernu pro rozvoj průmyslu. Nejrozšířenější vývojovou prací Cernu je internet.

Již svou velikostí vzbuzuje zařízení Cernu úctu a obdiv. Řekl jsem Ing. Valuchovi, že mi raketoplán připadá proti Cernu jako dětský parní vláček. Odpověděl mi, že na rozdíl od raketoplánu, nemá Cern jen jeden pokus ke startu. Lidé v Cernu si uvědomují, že je čekají problémy s rozběhem urychlovače. Ale všichni dělají vše, aby problém nevznikl jejich přičiněním a o to usilovněji na svém úkole pracují, aby se i první start vydařil. V Cernu není místo pro to naše české:“To je dobrý“. To je to, co jsem si z Cernu odvezl já.

Části psané kurzívou jsou převzaty z materiálu CERN. Český překlad Jana Šolcová

Odkaz na obrázkovou galerii - CERN