Denník N

Boli sme v CERN-e, jeho urýchľovač je chladnejší ako otvorený vesmír (+ foto)

Experiment ATLAS. Foto – TASR/František Iván
Experiment ATLAS. Foto – TASR/František Iván

Pri zrážkach častíc vo Veľkom hadrónovom urýchľovači sa vytvorí kvapôčka hmoty, ktorá existovala milióntinu sekundy po vzniku vesmíru. Je stotisíckrát horúcejšia ako stred Slnka či jadrovej explózie.

Boli sme sa pozrieť v Európskej organizácii pre jadrový výskum (CERN), ukázali nám prípravu magnetov pre Veľký hadrónový urýchľovač (LHC).

V CERN-e sa zaoberajú časticovou fyzikou, urýchľovač, ktorý tam majú, je najväčší na svete. Protóny a jadrá atómov v ňom obiehajú takmer rýchlosťou svetla. Zariadenie obsahuje skoro 10-tisíc magnetov. Magnetické  pole prístroja dosahuje veľkosť až 8 tesla. Pre porovnanie bežný magnet, ktorý si pripnete na chladničku, má pole veľkosti 5 tisícin tesla.

Magnety obsahujú drôty tvorené vláknami tenkými 7 mikrónov. Keby sme ich rozmotali a pospájali dohromady, dali by sa päťkrát natiahnuť od Zeme k Slnku. Testujú ich v hale SM18, po areáli nás sprevádzal Peter Chochula. Pracuje na experimente ALICE.

Peter Chochula je zodpovedný za kontrolný a bezpečnostný systém experimentu ALICE.Vysvetlil nám základy fyziky skúmanej v CERNe. FOTO – Martina Hestericová
Peter Chochula je zodpovedný za kontrolný a bezpečnostný systém experimentu ALICE. Vysvetlil nám základy fyziky, ktorú skúmajú v CERN-e. Foto – Martina Hestericová

Obrovská energia

„V LHC urýchľujeme častice na obrovské energie. Tak silné elektrické pole, aby udržalo častice s energiou 7 teraelektrónvoltov (TeV) na svojom mieste, vyrobiť nedokážeme. Riešením je zakrivenie dráhy častíc do kruhu. Vďaka tomu sa každým obehom zvýši rýchlosť obiehajúcich častíc,“ povedal nám Chochula.

  • Európska organizácia pre jadrový výskum (CERN) – európska organizácia pre základný a aplikovaný výskum predovšetkým v oblasti časticovej fyziky
  • Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je urýchľovač častíc. Nachádza sa v CERN-e. V miestach zrážok častíc sa nachádzajú detektory ATLAS, ALICE, CMS, LHCb, TOTEM a LHCf.
  • ALICE – experiment, ktorý meria zrážky jadier olova. Nachádza sa na okruhu LHC.

LHC urýchľuje dva zväzky častíc. Každý z nich je rozdelený na 2808 zhlukov po 1011 protónov. Je to obrovské množstvo – celková energia každého zo zhlukov je rovná 400-tonovému vlaku idúcemu rýchlosťou 150 kilometrov za hodinu.

Aby vedci dostali takéto vysokoenergetické častice pod kontrolu, potrebujú silné magnety. Preteká cez ne obrovský prúd, takmer 12-tisíc ampérov. Pre zaujímavosť, CERN ročne spotrebuje asi 700 gigawatt hodín.

Každý zväzok obehne okruh LHC 11 245-krát za sekundu, k zrážke častíc dochádza 600-miliónkrát za sekundu. Na každú zrážku zväzku sa zrazí 20 až 30 častíc.

Vedci pri práci v kontrolnom centre CERNu. FOTO – Martina Hestericová, Marcel Serina
Vedci pri práci v kontrolnom centre CERN-u. Foto – Martina Hestericová, Marcel Serina

Urýchľovač chladnejší ako vesmír

„Energia uložená vo zväzkoch častíc by stačila na roztopenie pol tony medi. Celková energia uložená vo Veľkom hadrónovom urýchľovači je tridsaťkrát vyššia. Magnety musíme chladiť na veľmi nízku teplotu, aby sa titán-nióbové vlákna v nich stali supravodivými a mohli sme cez ne preháňať vysoké prúdy,“ hovorí Chochula.

Teplota, o ktorej je reč, je skutočne nízka, magnety sú schladené na 1,7 kelvina (-271,3 °C). To je o jeden stupeň kelvina menej, ako je teplota vesmíru. Tlak v trubici, kde lietajú častice, je iba 10– 14 atmosféry. Celkovo je LHC chladnejší ako otvorený vesmír.

„Pri zrážkach častíc sa vytvorí kvapôčka hmoty, ktorá existovala milióntinu sekundy po vzniku vesmíru. Je stotisíckrát horúcejšia ako stred Slnka či jadrovej explózie,“ konštatuje Chochula.

Hala SM18, miesto testovania komponentov pre LHC a časté miesto návštev exkurzií. FOTO – Marcel Serina
Hala SM18 – miesto testovania komponentov pre LHC a časté miesto návštev exkurzií. Foto – Marcel Serina

Kratší o 80 metrov

LHC sa nemôže ľubovoľne ohrievať a schladzovať, najmä pre teplotnú rozťažnosť materiálu. Ide o jav, ktorý poznáme aj na koľajniciach. Pod vplyvom tepla sa koľajnice v lete rozťahujú – pri ich ukladaní sa musí počítať s určitou rezervou. Inak by sa vykrivili.

K rovnakému efektu dochádza aj v urýchľovači, no v omnoho väčšom meradle. Celkovo je schladený a zapnutý urýchľovač kratší až o 80 metrov oproti vypnutému.

„Aby sa urýchľovač pri ochladzovaní neroztrhal, jednotlivé časti sú pospájané harmonikami, ktoré sa podľa potreby natiahnu alebo skrátia,“ vysvetlil Chochula.

Magnet v hale SM18 počas takzvaného procesu trénovania. Magnet sa postupne ochladzuje na teplotu 4 kelviny (-269.15 °C) a zapne sa magnetické pole. Proces zabezpečuje vyššiu stabilitu magnetov. FOTO – Marcel Serina
Magnet v hale SM18 počas „procesu trénovania“. Magnet sa postupne ochladzuje na teplotu 4 kelviny (-269.15 °C), zapne sa magnetické pole. Proces zabezpečuje vyššiu stabilitu magnetov. Foto – Marcel Serina

Experiment ALICE v réžii Slovákov

Slovák Karel Šafařík bol viac ako desať rokov koordinátorom fyzikálneho výskumu v detektore ALICE. Momentálne pracuje ako vedúci oddelenia fyziky a programovania na tomto experimente.

Prioritne meria ALICE zrážky jadier olova. Okrem toho sa v ňom urýchľujú protóny a študujú rozdiely medzi časticami a antičasticami a porovnáva sa hmota s antihmotou.

„ALICE sa od ostatných experimentov líši v tom, že študuje zrážky jadier olova. Vznikajú tu desaťtisíce dráh častíc, ktoré prechádzajú cez detektor pri každej jednej zrážke. Potrebujeme preto špeciálne detektory, ktoré dokážu toto množstvo dát zachytiť a vyselektovať,“ hovorí Chochula.

Za jednu sekundu vychrlia detektory ALICE až 18 terabajtov dát. Takéto množstvo nie je možné spracovať, preto sa údaje kompresujú priamo na detektore. Vedci na to majú vyše 250-tisíc procesorov.

 

Obrovské nádrže s tekutým héliom, ktoré sa používajú na chladenie magnetov v LHC. Na chladenie magnetov je treba 10 miliónov kilogramov tekutého dusíka a 120 000 kilogramov tekutého hélia. Z bezpečnostných dôvodov sa k nádržiam nedá priblížiť. FOTO – Marcel Serina
Obrovské nádrže s tekutým héliom, ktoré sa používajú na chladenie magnetov v LHC. Na chladenie magnetov treba 10 miliónov kilogramov tekutého dusíka a 120 000 kilogramov tekutého hélia. Z bezpečnostných dôvodov sa k nádržiam nedá priblížiť. Foto – Marcel Serina

Higgsov bozón – ihla v kope sena

V roku 2012 vedci z CERN-u oznámili, že v urýchľovači pozorovali Higgsov bozón, takzvanú božskú časticu. Fyzici si myslia, že častica hrá kľúčovú rolu pri vysvetlení hmotnosti ostatných elementárnych častíc.

Prísť s dôkazom o existencii Higgsovho bozónu nebolo ľahké – na každých sto miliónov častíc sa pri zrážke „narodí“ iba jeden. Aby toho nebolo málo, v 99,8 percenta prípadov sa ihneď rozpadne. Skutočne jednoznačné informácie o jeho vlastnostiach sú preto zriedkavé a je ich málo.

„Hladať ihlu v kope sena je v porovnaní s hľadaním Higgsa vyslovene triviálna úloha,“ povedal nám Chochula.

Prierez trubicou urýchľovača LHC v hale SM18. FOTO – Marcel Serina
Prierez trubicou urýchľovača LHC v hale SM18. Foto – Marcel Serina
Prierez harmonikovou štruktúrou v mieste prepojenia dvoch magnetov. FOTO – Marcel Serina
Prierez harmonikovou štruktúrou v mieste prepojenia dvoch magnetov. Foto – Marcel Serina
Urýchľovací cyklus SPS na obrazovke v riadiacom centre CERNu. Biela línia znázorňuje prúd. Zrážky môžu trvať až sto hodín, po ktorých sa urýchľovač vyprázdni a opäť naplní. Meria sa nepretržite, experimenty sú kontrolované 24 hodín bez prestávky. FOTO – Martina Hestericová
Urýchľovací cyklus SPS na obrazovke v riadiacom centre CERN-u. Biela línia znázorňuje prúd. Zrážky môžu trvať až sto hodín. Potom sa urýchľovač vyprázdni a opäť naplní. Meria sa nepretržite, experimenty sú kontrolované nonstop. Foto – Martina Hestericová

Teraz najčítanejšie

Náš život je vo vašich rukách. Ilustračné foto – Paddy O’Sullivan/Unsplash