Denník N

CERN po troch rokoch opäť spustil urýchľovač. Je na stope piatej prírodnej sile aj temnej energie

Fyzik Peter Chochula v tuneli Veľkého hadrónového urýchľovača. Zdroj - archív P. CH.
Fyzik Peter Chochula v tuneli Veľkého hadrónového urýchľovača. Zdroj – archív P. CH.

„Mám sen, že naše technológie budú vo veľkom liečiť rakovinu. Bola by to naša spätná platba ľuďom, ktorí nám svojimi daňami umožňujú pracovať v CERN-e,“ vysvetľuje časticový fyzik Peter Chochula, ktorý na urýchľovači pracuje.

Kompletní audioverze článků jsou dostupné v rámci klubového předplatného společně s aplikací Deníku N, která umožňuje i offline poslech. Pokud ji ještě nemáte, nainstalujte si ji do svého mobilu.

Plné znění audioverzí článků je dostupné pouze pro předplatitele Klubu N. Upgradujte své předplatné.

Plné znění audioverzí článků je dostupné pouze pro předplatitele Klubu N. Předplaťte si ho také.

V rozhovore sa dočítate aj: 

  • o koľko metrov sa urýchľovač skráti, keď ho schladíte;
  • ako vedia urýchľovače z CERN-u zničiť ľudský nádor;
  • ako je možné, že vieme vypočítať, koľko váži vesmír, no poznáme maximálne 5 percent hmoty, ktorá ho tvorí;
  • čo sa dialo tesne po vzniku vesmíru;
  • ako výskum CERN-u ovplyvnila vojna na Ukrajine.

Tento článok si môžete prečítať vďaka ESET Science Award – oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. 

Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je po troch rokoch znova v prevádzke. Prečo ho bolo treba na taký dlhý čas odstaviť?

Pretože bežne funguje niekoľko rokov v nepretržitom režime. Častice sa hodiny zrážajú, potom sa odstránia a vpustia sa ďalšie. Počas tohto procesu nemá do podzemia k urýchľovaču nikto prístup.

Zoberte si, že ide o takmer 30-kilometrový stroj so štyrmi veľkými experimentmi. Iba ALICE, na ktorom pracujem ja, je v podstate obrovská kamera, ktorá váži 11-tisíc ton a je plná elektroniky. Každá elektronika potrebuje časom opraviť a mnohé veci vieme modernizovať. Preto mávame pravidelne takzvanú dlhú odstávku. Momentálne sme dokončili druhú z nich. O pár mesiacov sa nám to pretiahlo vinou covidu, ale momentálne už oživujeme experimenty.

Ako dlho trvá, kým naštartujete LHC?

Proces spustenia urýchľovača má niekoľko tisíc krokov, pretože ho tvoria tisícky magnetov, ktoré treba ochladiť na takmer absolútnu nulu. LHC operuje na teplote 1,9 Kelvina, čo je chladnejšie ako v otvorenom vesmíre. Pri ochladení sa magnety skracujú asi o 3 milimetre na meter – podobne, ako sa skracujú koľajnice či elektrické vedenie. Tri milimetre sa nemusí zdať veľa, no zoberte si, že pri veľkosti LHC sa chladením celý urýchľovač zmenší o 60 metrov. Keby sme to urobili príliš rýchlo, tak ho roztrháme. Čiže šesť týždňov ho vlastne „len“ chladíme. Potom treba preveriť staré magnety a „vytrénovať“ nové, aby zvládli niekoľkotisícnásobne väčšie prúdy, než máte v domácnosti. A takéto procesy musíme spraviť skoro pri každom komponente LHC.

Časticový fyzik Peter Chochula  Foto – Otakar Horák

Urýchľovač je teda už schladený a naštartovaný, poďme zrážať častice. Ako to prebieha?

Vnútri máme dva zväzky častíc – hadrónov. Každý z nich si môžete predstaviť ako vlak s 2 808 vagónmi, pričom každý vagón má sto miliárd pasažierov, čiže častíc. Tieto vlaky obiehajú urýchľovač protismerne takmer rýchlosťou svetla a zrážajú sa. Počas jedného približne desaťhodinového cyklu urobí každý zväzok asi 10 miliárd kilometrov. Čiže ako zo Zeme na Neptún a späť.

Prečo ich zrážate?

Aby sme videli ich interakcie na vysokých energiách. Keby sme si ich premietli do reálneho sveta, tak je to zhruba energia komára, ktorý vám narazí do čelného skla auta. Ale pre časticu je to obrovská energia. Energia celého zväzku je ekvivalentná zhruba plne naloženému štartujúcemu jumbojetu.

Čo je LHC, temná hmota alebo Higgsov bozón:

  • LHC (Large Hadron Collider) – Veľký hadrónový urýchľovač, spustený v roku 2008. Určený je na výskum zrážok zväzkov protónov alebo ťažších jadier, napríklad olova. Na urýchľovači prebiehajú viaceré experimenty, z nich sa Slovensko priamo zúčastňuje experimentu ALICE zameraného na výskum udalostí po veľkom tresku a experimentu ATLAS určeného na výskum časticovej fyziky. V detektoroch na LHC pátrajú aj po temnej hmote a novej fyzike.
  • ATLAS, ALICE, CMS a LHCb – štyri hlavné experimenty na LHC. Higgsov bozón pozorovali až dva detektory na Veľkom hadrónovom urýchľovači, ATLAS a CMS.
  • CERN, Európska organizácia pre jadrový výskum: venuje sa základnému a aplikovanému výskumu najmä v oblasti časticovej fyziky. Nachádza sa na švajčiarsko-francúzskej hranici pri Ženeve. Slovensko je členským štátom od roku 1993.
  • Higgsov bozón: častica, ktorá hrá kľúčovú rolu pri vysvetlení hmotnosti ostatných elementárnych častíc. Existenciu Higgsovho bozónu vedci predpovedali už v 60. rokoch. Za opis častice dostali fyzici François Englert a Peter W. Higgs (po ktorom je pomenovaná) Nobelovu cenu za fyziku v roku 2013 po tom, čo ju v roku 2012 pozorovali v CERN-e.
  • Temná hmota: nevyžaruje nijaké elektromagnetické žiarenie, a preto ju nemožno priamo pozorovať. O jej existencii sa vie len z gravitačných prejavov na žiarivú hmotu.
  • Temná energia: sila, ktorá má vysvetliť zrýchľovanie rozpínania vesmíru. S viditeľnou hmotou nijako neinteraguje.
  • Antihmota: časť hmoty, ktorá je zložená z antičastíc (napríklad antiprotónov a pozitrónov) namiesto častíc (protónov a elektrónov).

V čom je teraz urýchľovač lepší ako pred odstávkou?

Vie zraziť oveľa viac častíc za sekundu. Napríklad pre experiment ALICE stúpne počet zrážok až 50-násobne. Inštalovali sme nové supravodivé magnety, lepšie detektory, menili sme chladiace systémy. Celý urýchľovač je teraz pripravený bežať do roku 2026. Potom budeme experimenty opäť modernizovať a samotný urýchľovač dostane svojho nástupcu, High luminosity LHC. Na porovnanie, teraz produkujeme asi tri milióny Higgsových bozónov za rok, no v budúcnosti ich bude cca 15 miliónov. A čím máte zrážok viac, tým je väčšia šanca, že nájdete niečo prevratné.

Jedným z dlhodobých cieľov tejto fázy LHC je hľadanie takzvanej piatej sily prírody. Čo to znamená?

Ide o to, že pracujeme s takzvaným štandardným modelom fyziky. To je model, ktorý opisuje, z čoho je zložená hmota a ako častice medzi sebou interagujú. Predikcie tohto teoretického modelu potom experimentálne overujeme. Zatiaľ podľa neho všetko veľmi dobre vychádza, ale zároveň je jasné, že za štandardným modelom musí byť aj nová fyzika. Nevieme ním totiž vysvetliť všetky javy, ktoré vidíme. Niektoré teórie pracujú aj so silami, ktoré ešte nepoznáme. Doteraz ich totiž poznáme štyri – silnú, slabú, elektromagnetickú a gravitačnú. Čokoľvek, čo sa nimi nedá vysvetliť, potrebuje možno ďalšiu silu, ktorú potrebujeme do našich modelov zaviesť.

Ako si mám predstaviť proces, ktorý spúšťa neznáma sila?

Zoberte si napríklad biliardový stôl s guľôčkami. Ovládajú ich Newtonove zákony. Keď ich do seba vrazím pod určitým uhlom a pri určitej sile, vždy sa odrazia rovnako. No predstavte si, že by sa vám zrazu z nepochopiteľných dôvodov začali odrážať inak, ako očakávate. To znamená, že buď neviete hrať biliard, alebo tam pôsobí sila, ktorú neviete vysvetliť.

V časticovej fyzike je to trochu zložitejšie, pretože keď zrazíte dve častice, môže medzi nimi nastať niekoľko interakcií s rôznou pravdepodobnosťou. Ale na zjednodušenie nám postačí aj ten biliardový stôl. V niektorých našich experimentoch napríklad vidíme výsledky, ktoré model predpokladá, ale nie tak často, ako by sme mali.

V CERN-e sa snažíte detegovať aj temnú hmotu či temnú energiu. Aký je medzi mini rozdiel?

Temnú hmotu môžu tvoriť častice, ktoré nevidíme, no svojou hmotnosťou prispievajú k hmotnosti vesmíru. Temná energia zase vyzerá byť fundamentálnou súčasťou vesmíru, ktorá ho vypĺňa a spôsobuje jeho rozpínanie.

Ako vieme, že tam sú, keď ich nevidíme?

Z pohybu galaxií vieme vypočítať, koľko by približne mal vesmír vážiť. Problém je v tom, že hmota, ktorú poznáme, predstavuje iba 4 až 5 percent tejto hmotnosti. Čo tvorí zvyšok, presne nevieme, ale vyzerá to tak, že väčšinu váhy vesmíru tvorí temná hmota a energia. No o ich pôvode veľa nevieme.

Ako to môže zmeniť CERN?

Na vesmírnej stanici máme napríklad nainštalovaný spektrometer, ktorý túto chýbajúcu hmotu vo vesmíre hľadá. Tento experiment vidí aj antičastice, ktoré prilietajú z vesmíru, a my vďaka tomu hľadáme odpovede na otázku, či sú prejavom interakcií v temnej hmote. Aby sme vedeli tento experiment správne nastaviť, potrebujeme vedieť, ako vzniká antihmota. To nám ukazujú práve experimenty na LHC.

Nie je zvláštne, že stále nepoznáme väčšinu hmoty, ktorá tvorí vesmír?

Vzhľadom na to, že pred sto rokmi sme nevedeli, z čoho je zložené jadro, napredujeme celkom rýchlo. Naše poznanie je vlastne závislé od vývoja technológií. Napríklad Higgsov bozón bol predpovedaný už v 60. rokoch, no našli sme ho až v roku 2011. Na vytvorenie takého zložitého experimentu a vývoj veľkých urýchľovačov sme potrebovali desaťročia.

Fyzik Peter Chochula v experimente Alice. Zdroj – archív P. CH.

Pri zrážke častíc sa vieme pozrieť takmer do momentu vzniku vesmíru. Čo tam hľadáme?

Potrebujeme sa vrátiť späť a zreprodukovať zrod vesmíru, aby sme vedeli, čo sa pri ňom stalo. Jadrá totiž vznikli počas prvých troch minút od vzniku vesmíru, no ešte ďalších 380-tisíc rokov bola tma, pretože vesmír bol príliš horúci na to, aby ním mohlo prenikať svetlo. Až potom sa rozsvietili hviezdy a vznikli galaxie. Zhruba od tohto obdobia sa vieme na minulosť pozrieť ďalekohľadmi. No ak sa chceme dozvedieť niečo staršie, musíme si vznik vesmíru zopakovať. Preto častice urýchlime a zrazíme. Tým vyrobíme kvapôčku hmoty, ktorá zodpovedá častici zrodenej v mladom vesmíre. Toto nám umožňuje spätne dedukovať, ako sa na začiatku nášho sveta formovali fyzikálne zákony hmoty a sily.

Je aj nejaká teória, ktorá hovorí o tom, čo vzniku vesmíru predchádzalo?

Teórií je množstvo. Dá sa k tomu pristúpiť aj tak, že čas je súčasťou priestoru, a pokiaľ neexistoval priestor, nebol ani čas. Takto sa dokážete elegantne vyhnúť hľadaniu odpovede na to, čo bolo pred vznikom vesmíru. Pri hľadaní odpovedí narazíte aj na nefyzikálne oblasti, napríklad náboženstvo a jeho vysvetlenie vzniku vesmíru. No od vedeckých odpovedí sme ešte strašne ďaleko. Momentálne máme dáta z niekoľkých milióntin sekundy od vzniku vesmíru a bližšie sa asi tak skoro nedostaneme.

Prečo by sa mal o vznik vesmíru zaujímať aj človek, ktorému je fyzika ukradnutá?

V princípe sa môžeme spýtať aj to, prečo bolo dôležité líščím chvostom šúchať ebonitovú tyč a zisťovať, prečo k sebe priťahuje papieriky. Alebo prečo sa žabacie stehienka pri dotyku hýbu. Tak bola objavená elektrina. Na základe takýchto pokusov máme dnes všetky technické vymoženosti, bez ktorých si nevieme predstaviť život. Samotný výskum nemá vždy stanovené praktické ciele, pretože ideme objavovať veci, o ktorých ešte netušíme, že existujú. Praktické využitie väčšinou príde „samo“.

Kde v praxi sa dajú využiť napríklad urýchľovače či detektory?

Na svete je asi 17-tisíc urýchľovačov, no na výskum vo fyzike sa používa len zhruba pol percenta. Zvyšok slúži na výskum technológií, materiálový výskum alebo sa uplatnili v priemysle.

No ich fascinujúce využitie vidím v medicíne. Častice z urýchľovačov sa totiž môžu používať na takzvanú hadrónovú terapiu. Keď hadrón vnikne do objektu, tak sa po nejakom čase zastaví a uvoľní svoju energiu. Keď vieme zabezpečiť, aby sa zastavil presne v nádore, tak ho zničí. Takéto operácie nádorov sa už používajú aj v bežnej medicínskej praxi. Tumory sa dajú ničiť aj pomocou antihmoty, ktorú vyrábame v CERN-e. Tá sa totiž nielen zastaví, ale aj anihiluje a takýmto „dokonalým výbuchom“ zničí nádor ešte dôslednejšie.

Ale nejde tu iba o urýchľovače. Pomocou detektorov, ktoré boli pôvodne vyvinuté na výskum energie, dokážeme nádory presnejšie lokalizovať. V CERN-e vznikli aj ďalšie technológie, ako napríklad supravodiče, ktoré dnes využívajú magnetické vlaky maglevy. No a keď si niečo odfotíte na mobil, využijete hneď niekoľko aplikácií, ktoré majú pôvod „u nás“. Od dotykovej obrazovky cez fotoaparát až po WWW (hypertextový internetový informačný systém, world wide web, pozn.red.) či cloud, na ktorý sa vám fotografia uloží.

Slovensko je jednou z 23 členských krajín CERN-u a ročne mu platíme 5,5 milióna eur. Dokážeme plne využiť potenciál členstva?

Platíme približne 0,5 percenta rozpočtu CERN-u, no viditeľnosť slovenského prínosu je oveľa vyššia a ľudí máme zastúpených takmer všade. Do LHC sme napríklad dodávali magnety či vysoko sofistikované roboty, ktoré ich vedia prenášať a ukladať s presnosťou sto mikrometrov. Takže investície, ktoré dávame do CERN-u vo forme členského, sa nám vracajú naspäť aj vo forme zákaziek. Niektoré roky táto návratnosť investície aj prekračuje. Čo by bolo dobré zlepšiť, je spolupráca so študentmi. Fyzika asi nie je na Slovensku veľmi populárna, čo sa nám odráža aj na tom, koľko ľudí zo Slovenska sa sem hlási.

Štítok „Made in Slovakia“ na magnete Veľkého hadrónového urýchľovača. Zdroj – archív P. CH.

Akým spôsobom sa môžu dostať slovenskí vedci k práci na LHC?

Napríklad v rámci rôznych programov, do ktorých sa môžu zapojiť. Mali sme tu skupinu stredoškolákov, ktorú sme na dva týždne včlenili do rôznych tímov. To je vynikajúci spôsob, ako nadviazať kontakty. Vysokoškolskí študenti sem zase môžu prísť na tri mesiace v rámci letnej školy, ktorú hradí CERN. Dvere sú otvorené aj na dlhšie, napríklad pre doktorandov a mladých vedcov. A kto uspeje na konkurze a získa v CERN-e klasickú pracovnú pozíciu, ten sa môže rovno presťahovať do Ženevy. Jadro celej spolupráce však tvoria mnohí zamestnanci zahraničných univerzít, ktorí s nami spolupracujú diaľkovo.

Slovenskí študenti stredoškolského programu HSSIP v CERNe. Zdroj – archív P. CH.

Konkurujú ďalšie podobné laboratóriá vo svete CERN-u alebo vládne vo svete časticovej fyziky skôr spolupráca?

Je to kombinácia oboch. Ak nemáte konkurenciu, nemáte ani motiváciu ísť dopredu. Pre rozvoj vedy je však dôležitá aj výmena poznatkov. Napríklad pri hľadaní Higgsovho bozónu sme sa pretekali s americkým Fermilabom. Súťaž sme vyhrali, no treba povedať, že pre LHC by to bez údajov a zariadení, ktoré dodal práve Fermilab, bolo komplikovanejšie. Bez komunikácie s inými laboratóriami by sme svoje objavy nemali ani ako overiť. To je nebezpečné, lebo bez kontroly ľahko upadnete do sebaklamu.

Veľké laboratóriá jadrového výskumu sú v ruskej Dubne, ktorá s CERNom spolupracovala. Ako to ovplyvnila ruská vojenská agresia na Ukrajine?

Táto otázka sa ma veľmi hlboko dotýka, pretože som silne proti akýmkoľvek vojenským riešeniam konfliktov. Okrem toho nás vojna zasiahla aj vo výskume. Sme medzinárodný inštitút a máme kolegov z Ukrajiny aj Ruska, čo je momentálne ľudsky veľmi komplikované. Veda sa celkovo snaží byť čo najviac apolitická, no v súčasnej situácii nemôžeme stáť bokom. Ruská armáda zničila inštitúty v Charkive, s ktorými spolupracujeme, Charkivská univerzita je ostreľovaná, neutrónové zdroje sú zničené a podobne. Preto rada CERN-u uvalila na Rusko sankcie, Dubna prišla o štatút pozorovateľa v CERNe a všetky nové projekty s Ruskou federáciou dostali stopku.

Rusi zase oznámili, že vystupujú z Medzinárodnej vesmírnej stanice, kde máme experiment na výskum temnej hmoty, ktorý týmto rozhodnutím pravdepodobne zanikne. Negatívne dôsledky vojny pre fyziku sú veľké, ale, samozrejme, vôbec sa nedajú porovnávať s ľudskými tragédiami na Ukrajine.

Aké experimenty má CERN na Ukrajine?

Spolupracujeme so spomínaným Inštitútom v Charkive, ktorý ma aj svojich fyzikov v CERN-e. Tí pracujú napríklad na budovaní detektorov na experimente ALICE. Expertov máme aj v Kyjive, ktorí pred vojnou stavali riadiace systémy pre nové detektory.

Čo bude podľa vás ďalší dielik do fyzikálnej skladačky, ktorý sa podarí LHC v tejto fáze odhaliť?

Robíme na viacerých výskumoch súčasne, takže si netrúfam povedať, čo bude skôr.

A aký objav CERNu by ste chceli v najbližšej budúcnosti zažiť vy osobne?

Nie je to objav v pravom zmysle slova, ale bol by som strašne rád, keby technológie z CERN-u dokázali vo veľkom liečiť rakovinu a umožňovali zachraňovať ľudské životy. Bola by to naša spätná platba ľuďom, ktorí nám svojimi daňami umožňujú pracovať v CERN-e.

Spomínali ste, že niektoré technológie sa už v medicínskej praxi využívajú. Ako ďaleko od sme od ich plošného komerčného nasadenia?

Urýchľovače v nemocniciach sú už naozaj bežné. Dokonca aj nemocnice na Slovensku majú zariadenia na detekciu tumorov a ožarovanie špecifických nádorov. No mojím snom je, aby boli tieto technológie úplne bežne dostupné, ako keď máte chrípku a idete k lekárovi.

Z technologického hľadiska by to bolo možné aj hneď. No naše zdravotníctvo je v stave, keď nám ľudia umierajú aj na odvrátiteľné choroby. Keďže ešte stále zápasíme so základnými problémami, asi sa nepresadí projekt, ktorý by umožnil plošné nasadenie drahých technológií, na ktoré treba špecializovaný personál a moderné nemocnice.

Peter Chochula

Je časticový fyzik. Vyštudoval jadrovú fyziku na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave. Na UK získal doktorát a titul docent v odbore jadrová a subjadrová fyzika. V CERN-e pracuje od roku 1997. Od roku 2012 je zástupcom koordinátora pre riadiaci systém detektora ALICE a zástupcom vedúceho oddelenia pre styk s členskými krajinami.

[Tip na knihu: Věda podle abecedy od známeho popularizátora vedy, novinára českého Deníka N Petra Koubského.]

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na pripomienky@dennikn.sk.

CERN

ESET Science Award

Podcasty Denníka N

Rozhovory

Vesmír

Veda

Teraz najčítanejšie