Navonok to vyzerá ako prejav zúfalstva: keď už nevieme, čo s tým, udrieme to o seba, hovorí s úsmevom Barbora Eckerová, ktorá vo svojej práci skúma vrchný kvark.
Barbora Eckerová. Zdroj: BE, CERN
Z vtáčej perspektívy vyzerá CERN (fr. Conseile Européenne pour la Recherche Nucléaire) ako komplex priemyselných a administratívnych budov. Skutočné jadro Európskej organizácie pre jadrový výskum sa skrýva v hĺbke viac ako sto metrov pod zemou.
V urýchľovači častíc, známom ako Veľký hadrónový urýchľovač (LHC, Large Hadron Collider), sa od apríla do novembra nepretržite zrážajú zhluky protónov letiacich proti sebe. Ak by sa do útrob synchrofázotrónu, dlhého 27 kilometrov, v čase prevádzky dostala živá bytosť, čakali by ju závažné zdravotné komplikácie. Jednak dôsledkom vysokej radiácie, jednak pôsobením extrémne silných magnetov.
Priliehavým názvom – továreň na častice – označila CERN na júnovej prednáške v Slovenskom národnom múzeu v Bratislave vyštudovaná časticová fyzička Barbora Eckerová z Katedry jadrovej fyziky a biofyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Je členkou slovenského tímu patriaceho do kolaborácie detektoru ATLAS a podľa jej slov sú blízko zaujímavému objavu.
V rozhovore pre portál VEDA NA DOSAH sa dozviete, na aké otázky stále hľadá ľudstvo v CERN-e odpovede, ako vyzerá jazda protónu naprieč urýchľovačom a na akých úlohách aktuálne pracuje slovenský tím v Ženeve.
Budova Globe. Zdroj: CERN
CERN v tomto roku oslávi 70. výročie svojho založenia. Ako by ste vysvetlili jeho ciele a úlohy žiakovi základnej školy?
Snažíme sa vysvetliť, ako funguje svet na úrovni častíc. Ak si všetko rozoberieme do drobných detailov, prídeme k najmenším čiastočkám hmoty. CERN sa snaží pochopiť, ako funguje svet na najmenších úrovniach. Rieši napríklad aj to, ako vznikol vesmír, čo sa v ňom dialo kedysi dávno, prečo je svet tvorený z hmoty a nie z antihmoty.
Ženie nás detská zvedavosť. No práve to je potrebné na rozvoj vedy, to nadšenie a zapálenie pre vec je hnacím motorom. Je dôležité zachovať si schopnosť žasnúť. Robiť vedu, pretože nás baví.
Prečo ešte nepoznáme odpovede na otázky, ktoré ste spomenuli?
Hmota, ktorú poznáme, vidíme a pozorujeme, ako napríklad galaxie alebo planéty, tvorí iba päť percent celého vesmíru. Zvyšných 95 percent je nepoznaných. Je ešte veľmi veľa informácií, ktoré nám chýbajú ku komplexnému porozumeniu, ako svet funguje.
Stačí, keď sa pozrieme cez ďalekohľad. Vidíme galaxiu, všimneme si, ako sa tam hýbu všetky jej súčasti a obiehajú ju. Nepoznáme odpoveď na to, prečo je obeh taký rýchly. Možným vysvetlením je existencia hmoty, ktorú nevidíme. Otázka teda znie: Aká to je hmota, ako interaguje s inou hmotou a ako ovplyvňuje ďalšie procesy? Alebo prečo sa vesmír rozpína, prečo sa všetko od seba vzďaľuje? Označujeme to síce za tmavú energiu, teda niečo, čo spôsobuje, že sa rozpínanie vesmíru zrýchľuje, ale zatiaľ to nedokážeme uspokojivo vysvetliť. Väčšinu vecí podľa môjho názoru ešte nepoznáme do detailov a nevieme, ako fungujú.
Časticová fyzička Barbora Eckerová počas prednášky v Slovenskom národnom múzeu v Bratislave. Téma prednášky: CERN: Od najmenších čiastočiek hmoty k záhadám vesmíru. Zdroj: Patrik Čechvala
K odpovediam a širšiemu poznaniu nás môžu doviesť urýchľovače?
Áno, práve preto ich potrebujeme. V CERN-e vieme jednak simulovať podmienky, ktoré boli kedysi v raných fázach vesmíru, čiže si vieme v laboratóriu urobiť malý raný vesmír. Dokážeme sa pozerať a skúmať, ako to bolo, a môžeme hľadať stopy, prečo dnes veci fungujú práve tak, ako fungujú.
Na aké ďalšie otázky by vedci chceli poznať odpovede?
Napríklad vôbec netušíme, čo je tmavá hmota. Mohli by sme ju vedieť vyrobiť v CERN-e? Hľadáme ju, ale zatiaľ sme ju nenašli. Práve v zrážkach vysokoenergetických častíc sa môže z energie zrážky vytvoriť nejaká nová častica a môže to byť práve častica tmavej hmoty. Keďže pravdepodobne interaguje s bežnou hmotou veľmi slabo, teda aj s detektorom, mohli by sme ju odhaliť podobne ako neutríno. Vedeli by sme, že sa niečo po zrážkach záhadne stratilo, niečo nám chýba, či už to je energia, alebo hybnosť, a práve tieto stopy hľadáme.
Naša súčasná teória nie je dostatočná. Nevieme opísať gravitáciu na časticovej úrovni. Nevieme, aká je častica gravitácie, teda či existuje výmenná častica sprostredkujúca gravitačnú interakciu, podobne ako pre ostatné sily, ako je silná a slabá jadrová sila a elektromagnetická sila. Táto zložka v štandardnom modeli významne chýba.
Stále nedokážeme spoľahlivo vysvetliť, prečo je náš svet tvorený hmotou a nie antihmotou. Dokážeme sledovať, či je rozdiel medzi procesmi s časticami a procesmi s antičasticami. Sme o kúsok bližšie k poznaniu, prečo je viac hmoty než antihmoty. Snažíme sa zistiť, kde nastala tá asymetria. Navonok to vyzerá, že častica a antičastica sú presne to isté, iba majú opačné fyzikálne náboje, ale musí tam byť významný rozdiel. Už sme nejaké rozdiely zaznamenali, ale nie sú dostatočne veľké na to, aby sme asymetriu vysvetlili. Vyzerá to tak, akoby antihmota bola iba zrkadlový obraz, ale nie je to úplne tak, musia tam byť nejaké rozdiely. A tie v CERN-e hľadáme.
Barbora Eckerová sa vo svojej práci venuje vrchnému kvarku. Zdroj: archív Barbory Eckerovej
Ak by som laikovi mala vysvetliť, čo sú to urýchľovače, použila by som paralelu: na hviezdy sa pozeráme ďalekohľadmi, na menšie veci mikroskopmi a dovnútra hmoty urýchľovačmi. Je to správne prirovnanie?
Dalo by sa to tak povedať, ale je tam aj významný rozdiel: pri mikroskopoch a ďalekohľadoch používame zrak a informácie priamo spracovávame, vnímame a chápeme prostredníctvom tohto zmyslu. Pri urýchľovačoch to tak nie je. Pri nich využívame princíp, že keď do seba narazíme častice s veľkou energiou, môžu vzniknúť nové ťažké častice, na ktoré sa nevieme pozrieť priamo. Musíme do tohto procesu zapojiť detektory, výkonné počítače a z nich zbierať, vyhodnocovať a zobrazovať výsledky. CERN a tieto zrážkové experimenty nám pomáhajú vidieť dovnútra hmoty. Vyzerá to navonok ako prejav zúfalstva: keď už nevieme, čo s tým, tak to udrieme o seba.
Čo nám z toho potom vylietava?
Keď o seba udrieme dvoje náramkových hodiniek, vyletia z nich strunky a kolieska, takže sa dozvieme, čo majú vnútri. Pri časticiach to neplatí. Ak o seba udrieme častice, ktoré považujeme za bodové, nemali by mať žiadnu vnútornú štruktúru. Z energie zrážky vznikajú nové, zaujímavé a aj exotické častice. Poukazuje to na zaujímavé interakcie na tej najnižšej úrovni: dozvedáme sa, čo sa vlastne deje, ako vyzerá svet častíc, ktorý si nemáme ako predstaviť, čiže je veľmi ťažké to porovnávať s pozorovaním prostredníctvom zraku.
Poďme sa pozrieť dovnútra CERN-u. Z vtáčej perspektívy vidíme budovy, haly, infraštruktúru, ale tá najdôležitejšia časť leží pod povrchom. Prečo je pod zemou?
Častice v urýchľovači letia veľkou rýchlosťou, a keď sa zrážajú, von vylietava kopa častíc, ktoré interagujú s materiálom detektora a vznikajú rádioaktívne izotopy. Čiže je tam radiácia, a preto treba urýchľovač dobre odtieniť. Najjednoduchšie je uložiť ho do zeme, kde je prirodzene odtienený. Navyše je aj jednoduchšie postaviť takýto veľký komplex pod zemou, než hľadať vhodnú lokalitu na povrchu.
Keď človek príde do CERN-u, naozaj vidí iba budovy a výrobné haly, kde sa skladal detektor, prípadne kde sa vykonáva servis alebo sa vyvíjajú nové súčasti. To najzaujímavejšie je dole. Samozrejme, že tam človek nemôže ísť počas prevádzky.
Čo by sa stalo, keby sme tam práve vtedy vstúpili?
Je tam vysoká radiácia, čiže človeku hrozí choroba z ožiarenia. Navyše sa tam nachádzajú veľmi silné magnety. Človek s prístrojom na srdci by bol vo veľkom ohrození, pretože silné elektromagnetické pole dokáže znefunkčniť napríklad kardiostimulátor. Obslužný personál musí po odstávke nejaký čas počkať a až potom môže ísť do podzemia.
Do urýchľovačov sa vstrekujú protóny. Prečo práve tieto častice?
Protóny sú dobré, pretože sú ťažké. Urýchľujú sa však aj elektróny, ale treba počítať s tým, že vyžarujú takzvané synchrotrónne žiarenie. To znamená, že oveľa rýchlejšie strácajú energiu pri pohybe po kruhovej dráhe. Protóny jej nestrácajú toľko, preto ich nemusíme dodávať tak veľa ako pri elektrónoch.
Elektróny a zrážky ľahších častíc majú tiež svoje výhody. Keďže protóny sú zložené častice a vnútri majú kvarky, vzniká pri ich zrážkach veľmi veľa bočných produktov. Tie tam zavadzajú a zahlcujú detektor, čiže musíme vedieť vyselektovať zaujímavú zrážku.
Pri ľahších časticiach, ako sú napríklad elektróny, ktoré sú bodové a nemajú vnútornú štruktúru, tieto procesy nenastávajú. Ak dôjde napríklad k zrážke elektrónu s pozitrónom, zrážka je veľmi čistá, nemáme tam nežiaduce rušivé pozadie.
Všetka hmota okolo nás je tvorená elementárnymi časticami – stavebnými kameňmi hmoty. Zdroj: CERN
Predstavme si, že sme protón, respektíve zväzok protónov. Ako by vyzerala naša cesta urýchľovačom?
Bude nesmierne rýchla. Protón sa však nepohybuje ihneď po kruhovej dráhe. Najskôr sa urýchli takzvaným lineárnym urýchľovačom, kde získa potrebnú energiu na to, aby vošiel do prvého kruhového urýchľovača. Nasleduje séria akýchsi predurýchľovačov, kde sa zväzok protónov nejaký čas urýchľuje, aby získal dostatočnú energiu a mohol preniknúť do čoraz väčších okruhov. Nakoniec vojde do samotného LHC. Tam sa dostáva až vtedy, keď už naberie dostatočnú energiu na to, aby mohol ísť po kruhovej dráhe dlhej 27 kilometrov. Z nízkej energie sa nedokáže rozbehnúť.
Ako rýchlo sa pohybuje protón v urýchľovači?
Takmer 99,999… percenta rýchlosti svetla. Netuším presne, koľko nasleduje deviatok za čiarkou, ale ak už má protón koncovú energiu, je to veľmi blízko rýchlosti svetla. Ak by si dal preteky so svetlom, svetlo alebo fotón by ho po jednom obletení Zeme predbehol len o 40 centimetrov.
Samotný kruhový synchrofázotrón je obdivuhodná stavba, ale sú tu aj magnety, ktoré dosahujú výšku desiatok metrov, a veľké detektory, ktoré zachytávajú častice po zrážkach. Aké prostredie panuje v urýchľovačoch?
Veľmi rada hovorím o týchto zaujímavostiach. Napríklad spomenuté magnety musia byť veľmi silné, aby mohli udržať vysokoenergetické častice na kruhovej dráhe. Majú hodnotu 8,3 tesla. Bežnému človeku to možno veľa nepovie, ale ide o nesmierne veľkú hodnotu magnetického poľa. Magnety na chladničke sú tisíckrát slabšie a magnetické pole Zeme je asi stotisíckrát slabšie ako magnety v LHC. Používame supravodivú technológiu, aby sme mohli dosiahnuť takéto magnetické pole. Magnety sú chladené tekutým héliom na 1,9 kelvina. Ide o miesto s najnižšou teplotou, akú môžeme na Zemi namerať. Je tu dokonca chladnejšie, ako v otvorenom vesmíre, kde teplota dosahuje 2,7 kelvina (mínus 270,5 stupňa Celzia, pozn. red.)
Pohľad dovnútra Veľkého hadrónového urýchľovača počas odstávky, takzvaného Long Shutdown 2, v roku 2019. Zdroj: CERN
Rok 2012 predstavuje pre CERN zlomový okamih – objav Higgsovho bozónu. Zaznamenala inštitúcia aj ďalšie objavy?
Taký top úspech, ako je objavenie Higgsovho bozón, zatiaľ CERN nezaznamenal. Momentálne sa pracuje skôr na tom, aby sa vylúčili rôzne teórie alebo modely na základe overovania ich predpovedí, prípadne sa nastavujú limity pre takéto modely.
V zrážkach sa napríklad hľadajú supersymetrické častice, ktoré by mohli byť časticami tmavej hmoty. Ak sa tam nenájdu, nastaví sa limit, napríklad pre hodnotu ich hmotnosti. Čiže daná častica, ak existuje, musí mať vyššiu hmotnosť ako limitná hodnota získaná z experimentu. Aj v prípade, že sa nič nenájde, je to dôležitá práca, pretože vieme, kam sa máme ďalej pozerať a kam už nie.
Aké zaujímavé projekty sa v CERN-e aktuálne dejú?
Na LHC momentálne prebieha takzvaný Run 3, ktorý by mal trvať do roku 2025. V tomto Run-e zrážame protóny urýchlené na 6,8 teraelektrónvoltu (TeV), čiže výsledná energia zrážky je 13,6 TeV.
V roku 2029 sa plánuje prejsť na high-luminosity LHC (HL-LHC). Mienime vytvoriť intenzívnejší zväzok zrážajúcich sa protónov. V praxi to znamená, že bude dochádzať k väčšiemu počtu interakcií počas jednej zrážky protónových zhlukov, získame tým väčšie množstvo dát.
Pomaly sa pracuje aj na projektoch pre väčšie urýchľovače, kde budeme môcť dosiahnuť ešte vyššie energie. Ak by bola napríklad tmavá hmota extrémne ťažká, neuvidíme ju v LHC. Potrebujeme k tomu ešte vyššiu energiu na zrážanie častíc.
Pracuje sa aj na projektových štúdiách pre FCC (Future Circular Collider), čo je asi 91-kilometrový urýchľovač, ktorý by mal byť vybudovaný sčasti vo Francúzsku a sčasti vo Švajčiarsku niekedy v rokoch 2030 až 2040. Bude zaujímavé bližšie skúmať Higgsov bozón a jeho parametre v štandardnom modeli, ktoré ešte nie sú dobre zmerané. Rok 2012 je už dávno za nami, preto treba nájsť niečo ďalšie, nové a zaujímavé.
Prierez a grafická podoba umiestnenia synchrofázotrónu, dlhého 27 kilometrov, spolu s vyznačenými experimentmi. Zdroj: CERN
Kedy by sme sa mohli dočkať nového urýchľovača?
Vyžaduje si to ešte veľmi veľa rokov. Ak sa schváli, plán je, aby sa v FCC začali zrážky v polovici štyridsiatych rokov 21. storočia. Je potrebné urobiť projektové štúdie, zamyslieť sa nad tým, kde by mohol stáť, aké technológie použijeme, ako môžeme vytvoriť ešte silnejšie magnety. Technológia, ktorú aktuálne máme, bude vždy na hrane: čiže je tá najlepšia dostupná, preto musíme potlačiť hranice ešte ďalej.
V CERN-e pracujú aj Slováci. Vy ste členkou tímu, ktorý pracuje na detektore ATLAS. Aké úlohy momentálne riešite a s akými výsledkami?
Naša skupina sa zaoberá top kvarkom (kvark t, vrchný kvark, pozn. red.). Je to najťažší kvark, tým je zaujímavý spomedzi všetkých ostatných. Ostatné tvoria viazané stavy. Znamená to, že sa spojí kvark s antikvarkom alebo kvark s ďalšími dvoma kvarkmi a vznikne viazaný stav. Napríklad protón alebo neutrón sú viazané stavy troch kvarkov. Toto top kvark nerobí. On sa skôr rozpadne, než by stihol vytvoriť viazaný stav. Z jeho rozpadových produktov, ktoré priamo prenášajú informáciu o ňom a o jeho vlastnostiach, dokážeme priamo „vidieť“ naňho samotného. Pri viazanom stave je informácia viac skreslená. Za výnimočnú vlastnosť vďačí svojej hmotnosti. Je dokonca hmotnejší ako Higgsov bozón. Top kvark má 175 gigaelektrónvoltov (GeV), Higgsov bozón má 125 GeV.
Pohľad dovnútra tunela, v ktorom je umiestnený Veľký hadrónový urýchľovač počas odstávky, takzvaného Long Shutdown 2, v roku 2019. Zdroj: CERN
Čo je vašou úlohou?
Zaoberám sa takzvanou nábojovou asymetriou, čo je efekt alebo vlastnosť produkcie top a antitop kvarkového páru.
To, čo interaguje pri hlboko nepružných zrážkach protónov, sú ich vnútorné súčasti, teda kvarky, antikvarky a gluóny. Nábojová asymetria sa dá ilustrovať takto: ak pri takejto zrážke protónov zinteraguje kvark z jedného protónu a antikvark z druhého protónu a vznikne top-antitop kvarkový pár, nábojová asymetria je to, že top kvark preferuje dráhu v smere pôvodného kvarku než v smere antikvarku. A podobne vznikajúci antitop kvark častejšie vylietava v smere pôvodného antikvarku. Toto je nábojová asymetria.
Je to veľmi maličký efekt, ktorý je ťažké zmerať. Je predpovedaná štandardným modelom a jej meraním vieme overiť našu súčasnú najlepšiu teóriu elementárnych častíc. Výchylky v hodnote nábojovej asymetrie môžu naznačovať existenciu novej ťažkej častice, ktorá nie je súčasťou štandardného modelu.
Ako blízko ste sa dostali k nejakému objavu?
Naším úspechom bolo, že sa nám podarilo zmerať túto nábojovú asymetriu na 4,7 sigmy, čiže môžeme povedať, že sme ju takmer videli.
Sigma označuje hodnotu neistoty, s akou je hodnota asymetrie nameraná. To, že sme zmerali asymetriu na 4,7 sigmy znamená, že zmeraná hodnota je vzdialená od nuly, ktorá predstavuje žiadnu asymetriu, o 4,7 sigmy, čiže o 4,7 neistoty.
Po anglicky sa tomu vraví evidence, teda objav. Aby sme mohli hovoriť o objave, potrebujeme zmerať nábojovú asymetriu ešte presnejšie. Na prekonanie 5 sigiem hranice potrebujeme nazbierať viac dát, pomocou ktorých dokážeme znížiť neistotu nášho merania, teda presnejšie určíme hodnotu nábojovej asymetrie.
