Denník N

Výskum v CERN-e nám rožok nezlacní, no z dlhodobého hľadiska zlepšuje kvalitu života, hovorí experimentálny fyzik

Časticový fyzik Peter Švihra. Zdroj - archív P.Š.
Časticový fyzik Peter Švihra. Zdroj – archív P.Š.

➡️ Počúvanie podcastov Denníka N je najpohodlnejšie v aplikácii Denníka N. Zvuk Vám nepreruší, ani keď zmeníte stránku, a počúvať môžete aj bez pripojenia na internet. Sťahujte kliknutím sem.

Tento text načítal neurálny hlas. Najlepšie sa počúva v aplikácii Denník N, aj s možnosťou stiahnutia na počúvanie offline. Našli ste chybu vo výslovnosti? Dajte nám vedieť.

[25 rozhovorov o slovenskej vede v knižnej podobe – to je novinka Ako chutí tarantula? reportérky Zuzany Vitkovej.]

Fyzik Peter Švihra, ktorý v najznámejšom laboratóriu časticovej fyziky CERN vyvíja a testuje detekčné vrstvy, hovorí, že vedci musia svoju zvedavosť a výskum zdôvodniť aj verejnosti. Práve preto sa intenzívne zamýšľajú nad tým, ako technológie vyvinuté na hľadanie tmavej hmoty či novej fyziky využiť aj v praktickom živote. Niektoré dokážu zlepšiť napríklad CT prístroje, iné odstraňujú nádory.

Petra Švihru zaradil slovenský Forbes do tohtoročného rebríčka 30 pod 30 – zoznamu úspešných ľudí, ktorí majú menej ako 30 rokov.

V rozhovore sa dočítate aj:

  • ako sa dá dostať k práci v CERN-e – či sa venujete fyzike, IT alebo haseniu požiarov,
  • ako to vyzerá v podzemí, kde dochádza k zrážkam častíc,
  • prečo a kde hľadajú vedci novú fyziku,
  • či sa dajú recyklovať obrovské množstvá energie, ktoré sa v CERN-e spotrebujú,
  • čo vďaka Petrovi Švihrovi funguje v CERN-e lepšie.

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

CERN má tak trochu imidž tajomného podzemného laboratória, v ktorom sa vedci venujú otázkam vzniku hmoty, života a vesmíru. Vnímali ste tento pátos, keď ste v CERN-e začínali pracovať, alebo je to pre človeka, ktorý týmto experimentom rozumie, pracovisko ako každé iné?

Veľa čitateľov, ktorí si CERN predstavujú ako tajomné laboratórium, sklamem. CERN je pomerne stará inštitúcia. Začala sa budovať už v 60. rokoch minulého storočia a veľa pracovísk sú staré budovy v nie najlepšom stave, keďže všetky financie vrážame do vybavenia na skúmanie fyziky.

Ja v podzemí skoro vôbec nepracujem. Idem tam, len keď potrebujem do experimentu niečo nainštalovať a potrebujem na to špeciálne povolenie. Pre prácu v podzemí tu máme nastavené veľmi silné bezpečnostné opatrenia, keďže je relatívne nebezpečná. Používame veľa chladiacich plynov a ich uniknutie môže zabrániť prístupu kyslíka. Počas behu zväzku vo veľkom hadrónovom urýchľovači sa do podzemia nedostane vôbec nikto – pre radiáciu. Takže drvivú väčšinu vecí robíme na diaľku z laboratória a vyzerá to ako klasická práca vo väčšom vedeckom inštitúte.

Zoberte nás predsa len na chvíľu do toho podzemia, v ktorom dochádza k zrážkam. Ako to tam vyzerá?

Máme tam urýchľovače s viacerými stupňami urýchlenia. Na najznámejšom a najdôležitejšom Veľkom hadrónovom urýchľovači sú 4 experimenty, ktoré sú zhruba sto metrov pod zemou. Každý z nich sa nachádza vo svojej veľkej hale, pretože experimenty majú rozmery rádovo v desiatkach metrov. Do týchto hál býva priamy prístup šachtami a okrem nich je celý urýchľovač uzavretý v malom, 27 kilometrov dlhom tuneli. To je v podstate veľká modrá rúrka s cestou, po ktorej môžu chodiť ľudia a prípadne si po nej posúvať nejaké vybavenie. Tam som, priznám sa, ani ja ešte nikdy nebol.

Vnútro tunela LHC počas odstávky. Zdroj – YouTube/CERN

Slovami „malý tunel“ ste označili 27-kilometrový priestor. Môže sa tam niekto stratiť?

To by bolo dosť ťažké, pretože tam je len pár odbočiek k prístupovým šachtám. Inak je to len dlhý okruh, a keby ste po ňom šli príliš dlho rovno, prídete k nejakému z experimentov.

CERN spolu vlastní 23 členských krajín vrátane Slovenska, ktoré naň prispievajú. Je otvorený príchodu mladých vedcov a vedkýň z členských krajín, alebo je náročné dostať sa do neho, keďže je považovaný za piedestál časticovej fyziky?

Všetko je tu veľmi otvorené a vo všetkých oblastiach sa CERN snaží mať relatívne rovnomerné zastúpenie ľudí zo všetkých členských štátov. Laboratórium sa práve pre mladých snaží otvárať tieto možnosti čo najviac a organizuje rôzne krátke stáže či letné školy. Ďalším levelom sú dlhšie pozície, na ktoré človek musí mať vyštudovanú vysokú školu, prípadne doktorát. Ja som tu napríklad na postdoktorandskej pozícii CERN Senior Fellow. Zostať tu dlho, prípadne až do dôchodku, je však relatívne ťažké, keďže CERN sa snaží pozície rotovať, aby zabezpečil možnosť práce pre čo najviac ľudí zo všetkých členských krajín.

Paradoxne to môže byť jednoduchšie pre ľudí, ktorí nie sú fyzici, ale udržiavajú CERN v chode. Napríklad IT-čkári, ľudia, ktorí vedia obrábať materiály, prípadne hasiči, ktorých CERN potrebuje mať nonstop k dispozícii. Všetky tieto pozície sú ľahko dohľadateľné na stránkach CERN-u.

Najznámejším objavom CERN-u je Higgsov bozón alebo takzvaná božská častica. Vedci však pravidelne hlásia aj pozorovania iných exotických častíc či interakcií. Aký najvýznamnejší objav ste tam zažili vy?

V CERN-e sa nám podarilo objaviť už viac ako 60 ďalších častíc, ktoré nejakým spôsobom zapadajú do štandardného modelu fyziky. Zároveň sa nám podarilo okolo neho nájsť aj nejaké nezrovnalosti. Napríklad pri rozpadoch niektorých základných kvarkov (elementárna častica, pozn. red.). Túto potenciálnu chybu potrebujeme lepšie pochopiť, aby sme vedeli, či nám v zaužívanom modeli nechýba nejaký základný kus skladačky.

Čiže štandardný model sú pravidlá, ktorými je fyzika popísaná, a podľa ktorých by teoreticky mali fungovať všetky javy v prírode?

Dalo by sa to tak povedať. Jedna z vecí, ktoré štandardný model nepopisuje, je gravitácia. Ale okrem toho by mal popisovať interakciu elektromagnetizmu, čiže to, ako nám funguje elektrina, ako sa priťahujú magnety a podobne. Popisuje aj jadrové sily.

Prečo hľadáme novú fyziku? Čo nám chýba v tom starom modeli, aby sme si mohli povedať, že rozumieme svetu a vesmíru?

To je už taká filozofickejšia otázka. Jednou z odpovedí môže byť, že ako ľudia sme zvedaví a chceme svetu naokolo porozumieť čo najlepšie. To nás stále ženie dopredu. Ale zostáva nám aj niekoľko naozaj zásadných otázok, ktorým plne nerozumieme. Napríklad vieme, že vo vesmíre máme pravdepodobne veľké množstvo temnej hmoty, ktorú experimentálne pozorujeme, napríklad na rotácii galaxií. Ale nevieme jej existenciu potvrdiť, vysvetliť, ani nevieme, či ide o nové častice, ktoré len slabo interagujú, alebo o niečo úplne neznáme. To sa tiež snažíme vysvetliť tu v CERN-e.

Malá časť tímu (vrátane Petra Švihru) pred minuloročným spustením zväzku v LHC. Zdroj – CERN

Žijeme v dobe, keď sa ľudia snažia energiou čo najviac šetriť, no na to, aby boli experimenty CERN-u efektívne, jej potrebujete nepredstaviteľné množstvo. Čo sa s ňou deje v rámci experimentu a po ňom?

Spotreba energie je veľmi dôležitý problém, ktorý v CERN-e riešime. Počas zimnej energetickej krízy sme obmedzovali prevádzku urýchľovačov, aby nevyužívali energiu, ktorú potrebujú ľudia, a aby zbytočne nenarastala jej cena. Z toho istého dôvodu bolo tento rok obmedzené trvanie behu protónového zväzku. Začal pred dvoma týždňami a bude trvať do konca októbra. Nie približne do polovice decembra, ako bývalo zvykom.

Čo sa stane s energiou, ktorá zväzok poháňala?

Časť je uložená v supravodivých magnetoch, ktoré ju však veľmi nespotrebovávajú, keďže sú supravodivé. Veľká spotreba energie je na urýchlenie častíc. To prebieha tak, že Veľký hadrónový urýchľovač naplníme protónmi, urýchlime ich, čo trvá niekoľko hodín a potom ich zhruba 10 hodín držíme na danej energii v okruhu, na ktorom sa postupne zrážajú.

Čiže ony tých 10 hodín dookola lietajú 27 kilometrov a zrážajú sa počas toho.

Presne tak. Postupne nejaké miznú tým, že sa buď zrazia, alebo vychýlia zo zväzku. Po týchto zhruba 10 hodinách, keď ich zostane také malé množstvo, že sa nám už neoplatí pokračovať, ich všetky pošleme do nejakého veľkého pooloveného betónového bloku, kde stratia všetku svoju energiu. Potom začne celý proces odznova. Postupne sa naplní urýchľovač, protóny sa urýchlia a merania pokračujú.

Animácia „cesty“ protónov. Zdroj – YouTube/CERN

Nedá sa táto energia nejako recyklovať?

Myslím, že nie, a keby sa to aj dalo, bolo by to veľmi náročné a spätná premena energie na nejakú nami využiteľnú by bola veľmi malá. Veľa energie však ide aj na chladenie a tú už recyklovať vieme. Keďže väčšina systémov sa musí chladiť na mínus 30°C, chladíme ich klasickým výmenníkom tepla cez vodu. Toto „odpadové teplo“ potom vieme ďalej využiť na dodávanie tepla do okolitých domov a miest. Momentálne sa tiež začína plánovať, ako využiť teplo z nášho obrovského datacentra, kde prebiehajú výpočty. Napríklad na vyhrievanie CERN-u.

Ako sa dajú detektory a výsledky experimentov, ktoré prebiehajú v CERN-e, využiť v praktickom živote?

To je často jedna z najkomplikovanejších vecí – ako vlastne odôvodniť tú našu zvedavosť. Ale praktických aplikácií je už celkom dosť, najznámejším je asi web, ktorý vznikol vďaka vedcom v CERN-e, ktorí si potrebovali zjednodušiť posielanie dát. Blízko k tomu, čo sám robím, má tiež zlepšovanie detekčných technológií. Napríklad detektory častíc, ktoré vyvíjame v CERN-e, sa potom môžu používať v medicíne na zlepšenie CT prístrojov. Pre ľudí to znamená, že im bude stačiť menšie ožiarenie pri vyšetrení v nemocnici, bude to prebiehať rýchlejšie a bude to presnejšie. Technológie z urýchľovačov sa tiež dostávajú späť do medicíny, kde sa urýchlené protóny začínajú používať napríklad na odstraňovanie nádorov.

Na to, čo v CERN-e vyvinieme, si zároveň nemôže nikto nárokovať ako na svoje duševné vlastníctvo. CERN je postavený na tom, že všetko má byť zadarmo spätne dostupné svetu. Výskum, ktorý robíme, teda rožky o pár centov nezlacní, ale v dlhodobom horizonte nám zlepší kvalitu života.

Poďme k vášmu výskumu. Minulý rok CERN spustil Veľký hadrónový urýchľovač po trojročnej prestávke. Funguje teraz o niečo lepšie aj vďaka vám?

Na urýchľovači som priamo nepracoval. Nedávna odstávka pomohla vymeniť niektoré magnety, ktoré sa používajú na spresňovanie dráh častíc. Čo však vďaka mne lepšie funguje, je experiment LHCb. Tu som sa priamo podieľal na konštrukcii, testovaní a vytvorení novej detekčnej vrstvy. Celé plánovanie tejto výmeny sa začalo už pred 10 rokmi, teda hneď po tom, ako CERN nainštaloval tú starú. Tak to v CERN-e funguje. Hneď ako niečo spustíte, už rozmýšľate, čo spraviť nabudúce lepšie.

Ako funguje takáto detekčná vrstva? Je to nejaký náter, ktorý lepšie sníma letiace častice?

Tá, na ktorej som pracoval, sa volá VELO (z angl. Vertex Locator) a ide o vyhľadávač bodov zrážky častíc. Je skonštruovaná z polovodičových pixelových detektorov, ktoré sú typovo veľmi podobné tým vo fotoaparátoch. Napríklad vo vašom foťáku môže byť 10 megapixelov. Náš jeden detektor (ktorého sú vo vrstve stovky, pozn. red.) je plochou približne desaťkrát väčší, no tých pixelov má len 60-tisíc.

Detekčná vrstva VELO. Zdroj – archív P.Š.

Možno si poviete, „čakala som, že fyzici budú mať oveľa lepšie technológie, než mám vo svojom mobile“. No rozdiel je v tom, že mobil sníma len svetlo, čiže nejaký počet fotónov, ktoré zaznamená a za relatívne dlhý čas spracuje. My potrebujeme zaznamenať presnú dráhu jednej konkrétnej častice, ktorá cez vrstvu preletí a putuje detektorom ďalej. A potrebujeme to vedieť veľmi rýchlo. Zrážky protónov sú totiž na frekvencii 40 MHz. Takže každých 25 nanosekúnd sa nám zrazí protón s protónom. My si v tejto rýchlosti musíme zo zrážky vedieť urobiť veľkú snímku, na základe ktorej si potom spätne zrekonštruujeme, čo sa vlastne stalo.

Práve technológia, na ktorej som robil, nám umožnila dostať sa k bodu zrážky bližšie. Predchádzajúci systém, ktorý bol zhruba meter dlhý, mal po oboch stranách zväzku nejakých 260-tisíc vyčítacích kanálov. Teraz sme prešli na 41 miliónov vyčítacích kanálov. To je skokový rozdiel v rozlíšení, naviac doplnený rýchlejším zberom dát.

Teraz sa venujete simulovaniu a testovaniu detektorov, ktoré merania vylepšia o ďalších približne 10 rokov. Nehrozí, že technológie plánované tak dlho dopredu medzičasom zostarnú?

Ony celkom určite zostarnú. To sa vlastne deje aj teraz, keďže najnovší detektorový systém, ktorý sme nainštalovali pred rokom, už nie je najnovšou technológiou. Plánovať však musíme dlho dopredu, pretože potrebujeme otestovať, či nová technológia, ktorú sme si zvolili, naozaj funguje tak, ako potrebujeme. A že bude v tom experimente bezchybne fungovať 10 rokov v špičkovej kvalite a prevádzke.

Príprava a testovanie nových detektorov. Zdroj – archív P.Š.

Keď už máme takúto novú technológiu, začneme sa venovať nejakej väčšej konštrukcii, čo trvá niekoľko rokov. Pretože aj keď si vyberieme jeden finálny senzor na „fotoaparát“, musíme ho vložiť do obrovského systému. Aby toho nebolo málo, tento systém musí byť často aj vo vákuu, čiže potrebujeme vyriešiť chladenie. Popritom riešime rôzne problémy, s ktorými sme nerátali, napríklad celosvetový nedostatok čipov a podobne. A to je naša bežná denná pracovná náplň. Plánovať niečo dopredu a hľadať spôsoby, ako vyriešiť to, čo sa nepredvídateľne pokazilo.

Veľmi zjednodušene teda vlastne konštruujete super výkonné fotoaparáty. Môže sa niečo z týchto aplikácií uplatniť aj vo svete bežných fotoaparátov?

Kolegovia mali nápad využiť niektoré technológie na výrobu fotoaparátu na svetlo, s čím som im následne pomohol a práve z tejto časti sú aj moje publikácie v časopise Nature Scientific Reports. Nejakému fotografovi, ktorý chce robiť pekné fotky, to však asi nepomôže. Zlepšenia sú skôr pomocou pre iné výskumné skupiny, ktoré sa môžu zaoberať molekulárnou dynamikou, prípadne kvantovými technológiami, sledovaním laserov a tak ďalej. Práve novými technológiami im vieme zlepšiť rýchlosť zberu dát rádovo z minút na približne 10 sekúnd. Takéto zariadenie sa môže dostať napríklad aj do medicíny, kde ho môžeme použiť priamo počas operačného zákroku na sledovanie okysličenia tkaniva. Nad tým, na čo všetko vieme naše technológie použiť a ako vďaka nim zlepšiť ľuďom život, sa dosť intenzívne zamýšľame.

Pri akom objave alebo prielome v CERN-e by ste chceli byť?

Rád by som počas svojho života videl vysvetlenie temnej hmoty. Prípadne rozlúsknutie toho, či štandardný model naozaj funguje alebo nám nejaká podstatná časť dlho unikala. Ale je to náročné, lebo sa dostávame do fázy, v ktorej veľa veciam rozumieme veľmi dobre. Preto je dosť ťažké hľadať nejakú nadstavbu skladačky, ktorá nám funguje. Bolo by super, keby som k tomu trochu dopomohol aj mojou prácou, ktorou je zlepšovať prostriedky pre ostatných fyzikov, aby mohli niečo objaviť alebo zlepšiť presnosť nejakého merania.

Je práca, pri ktorej zlepšujete podmienky pre prácu iných fyzikov, dostatočne docenená?

Myslím, že áno a som s ňou spokojný. Veľa fyzikov, ktorí robia napríklad iba analýzu dát, si podľa mňa uvedomuje komplexnosť a veľkosť celého nášho systému. Bez detektorov by ani oni sami nemali na čom pracovať. Asi aj preto som sa ešte nestretol s tým, že by sa ku mne niekto správal povýšenecky, lebo nerobím „čistú fyziku“, ktorej tak dokonale nerozumiem.

Časopis Forbes vás zaradil do rebríčka tridsiatich úspešných Slovákov pod 30 rokov. Ako k úspešnému absolventovi sa k vám často hlási aj České vysoké učení technické v Prahe, kde ste študovali. Máte bližšie k českým koreňom alebo k slovenským?

Ja sa vlastne považujem za Čechoslováka, aj keď som sa narodil už po rozdelení Československa. Ale čo sa týka vedy, asi to bude bližšie k tým českým, keďže som tam strávil celé univerzitné vzdelanie. Ale nezabúdam ani na slovenské korene, keďže som sa tu narodil a väčšinu svojho doterajšieho života som prežil v Martine. Na strednej škole som mal výborných učiteľov, ktorí ma podporovali vo fyzike, chémii či matematike, no mal som aj veľmi chápavú slovenčinárku, ktorá rozumela tomu, že nie každý musí byť dobrý v slovenčine.

Konštrukcie a testovanie jednotlivých VELO modulov v Manchestri počas vedcovho doktorátu. Zdroj – P.Š.

Záleží vôbec v momentálnom európskom aj celosvetovom vedeckom priestore na tom, odkiaľ človek pochádza?

Trochu áno. Ide o to, že máme stále nejakú svoju kultúru, jazyk, zvyky a špecifickú výchovu. Vďaka nim máme trochu iný štýl rozmýšľania nad problémami, postoj ku komplexnosti práce, k riešeniu medziľudských vzťahov a tak ďalej. Rozmanitosť kultúr a národností je podľa mňa skvelá vec, ktorá nielen vede prospieva.

Ale z pohľadu toho, či je niekto lepší alebo horší vedec, na národnosti naozaj nezáleží. Slováci a Česi vedia byť rovnakými špičkovými vedcami ako vedci z Francúzska, z Anglicka či USA. Dokonca by som si trúfol povedať, že tým, ako nás je málo, sa snažíme viac presadiť a sme možno viac aktívnejší, aby sme sa dostali ďalej. Ale veľa ľudí, s ktorými sa poznám, sa chce vrátiť späť domov. Aj ja sám by som sa chcel vrátiť do Československa, pretože mi je tá kultúra blízka a chcel by som doniesť späť kontakty a veci, ktoré som sa v zahraničí naučil.

Keď spomínate Československo, tak hovoríte o možnom návrate na vašu bývalú univerzitu v Prahe alebo na Slovensko?

Veda je celkovo nie najlepšie financovaná a musíme si to často kompenzovať zapálením pre vec. V Česku a na Slovensku sme na tom ešte trochu horšie ako v iných častiach Európy. Takže by to veľmi záležalo na možnostiach a ponukách.

Veľa sa hovorí o odlive mladých mozgov, čiže absolventov stredných škôl, ktorí najčastejšie odchádzajú študovať práve do Českej republiky, rovnako ako vy. Zvažovali ste aj vysokú školu na Slovensku alebo bola Česká republika vašou jedinou voľbou?

Pre mňa bola voľbou vlastne len Česká republika. Primárne kvôli študijnému odboru fyzika plazmy a termojadrovej fúzie, ktorý som si vybral. Na Slovensku som takýto odbor vtedy nevedel nájsť, či už preto, lebo neexistoval, alebo som len nehľadal dostatočne.

Veľa mojich spolužiakov boli tiež Slováci, ktorí to mali podobne. Alebo chceli vyskúšať život v zahraničí, ísť študovať ďalej od domu a tak ďalej. Uvedomujem si, že je viac ľudí, ktorí idú zo Slovenska do Česka a nie naopak, ale neviem presne, čím to je a netrúfam si hodnotiť kvalitu škôl, na ktoré som nechodil. Za mňa bolo štúdium v Česku dobrou skúsenosťou, ktorú neľutujem.

Peter Švihra

Je experimentálny fyzik. Venuje sa vývoju nových senzorov, testovaniu a zjednodušeniu konštrukcie pixelových detektorov nabitých častíc. V CERN-e pôsobí ako CERN senior fellow vďaka získaniu pozície v prestížnom fellowship programe. Jeho práce boli opakovane publikované vo vedeckom časopise Nature Scientific Reports. Študoval na ČVUT v Prahe, neskôr získal doktorát v odbore elementárna časticová fyzika na University of Manchester vo Veľkej Británii.

🗳️ Ak chcete podporiť našu prácu pred druhým kolom volieb aj nad rámec predplatného, môžete to urobiť aj darom.🗳️

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

CERN

ESET Science Award

Rozhovory

Technológie

Vedecký podcast N2

Veda

Teraz najčítanejšie