O azda najznámejšom laboratóriu na svete počul už asi každý z nás. CERN (Európska organizácia pre jadrový výskum) sa nachádza na rozhraní medzi Francúzskom a Švajčiarskom. Ide o medzinárodnú organizáciu, ktorá nepatrí pod žiaden štát. Pracuje v nej viac než desaťtisíc vedcov a zastúpených je 21 členských štátov Európskej únie.
CERN sa v očiach verejnosti preslávil najmä objavením častice známej ako Higgsov bozón. Dobre známy je aj Veľký hadrónový urýchľovač, jedno z najdrahších a vôbec najväčších vedeckých zariadení. Málo ľudí však vie, že v CERN-e pracujú aj špičkoví slovenskí vedci. Jedným z nich je aj fyzik Martin Venhart, koordinátor prvého čisto slovenského experimentu v CERN-e.
Prečo potrebujeme urýchľovače?
CERN je preslávený a pre verejnosť známy svojimi dlhými kruhovými urýchľovačmi. V týchto urýchľovačoch sa vedci venujú výskumu atómových jadier. Jediným momentom, keď je jadro ochotné prezradiť niečo o svojom tvare, je moment jeho zrodu. Miestom, kde sa darí izotopy atómových jadier vytvárať, sú práve urýchľovače. Izotopy sa vytvárajú pri zrážaní častíc v urýchľovačoch.
Vo vnútri urýchľovačov
Nazrieť do pravej „kuchyne“ CERN-u sa nepodarí len tak hocikomu. To, čo sa deje vo vnútri urýchľovačov, nám odhalil fyzik Martin Venhart. Pracovný postup vedcov je nasledovný. Nabitú časticu (protón), nechajú v urýchľovači letieť systémom elektród. Tie sa musia veľmi často prepólovať a vytvára sa tak striedavé napätie veľmi vysokej frekvencie. Častica sa začne pohybovať čoraz rýchlejšie a potrebuje stále viac priestoru na pohyb. Je neudržateľné stále rozširovať dráhu pre jej pohyb a vytvárať čoraz dlhšie lineárne urýchľovače. Vedci preto prišli s elegantným riešením. Časticu umiestnia do magnetického homogénneho poľa, čím sa podľa Lorentzovej sily zmení jej trajektória na kruhovú a môžu ju ďalej presunúť do kruhového urýchľovača.
Príbeh sa začína vo fľaši s vodíkom
CERN má niekoľko mimoriadne zložitých urýchľovačov. Príbeh skúmania jadier atómov ale začína vo fľaši s vodíkom. V podstate ide o jednoduchú bombu, v ktorej je vodík uložený. Z chemického hľadiska je vodík len jeden protón, okolo ktorého krúži elektrón. Vodík vedci vkladajú do iónového zdroja. V iónovom zdroji sa atóm silno otrasie a elektrón vodíka sa z neho vymrští. Ostane iba kladne nabitý protón, ktorý vstúpi do prvého urýchľovacieho stupňa – lineárneho urýchľovača LINAC 2. Ten urýchli častice na úroveň 50 mega elektrónvoltov, čo zodpovedá takmer tretine rýchlosti svetla. Tu sa kapacita lineárneho urýchľovača končí a častica vstupuje do kruhového urýchľovača.
Keď protóny letia takmer rýchlosťou svetla
Prvý kruhový stupeň je takzvaný „booster,“ ktorý urýchľuje častice na energiu 1,4 giga elektrónvoltu, čo zodpovedá 91 percentám rýchlosti svetla. Nasleduje protónový synchrotrón, ktorý častice urýchli na úroveň 99,9 percenta rýchlosti svetla, čomu pripadá energia 25 giga elktrónvoltov. Ďalšou zastávkou protónu je podzemný urýchľovač takzvaný superprotónový synchrotrón, ktorý urýchľuje časticu na energiu 450 giga elektrónvoltov. Rýchlosť svetla však už v tomto momente nerastie, pretože dosiahla svoj limit. Keďže rýchlosť rásť nemôže, začne sa zvyšovať hmotnosť. Z urýchľovača sa teda stáva akoby „uhmotňovač.“
Veľký hadrónový urýchľovač
Po dosiahnutí energie 450 GeV sa častice dostanú do najväčšieho, 23,5 kilometrov dlhého veľkého hadrónového kolajdera (LHC), kde sa dva protichodné zväzky častíc zrážajú v jednom zo šiestich detektorov. LHC však dokáže využiť len pol percenta z týchto protónov. Ostáva teda veľké množstvo „nepotrebných“ protónov. Treba si uvedomiť, že urýchľovanie týchto protónov je finančne náročné, a preto vzniká celý rad ďalších projektov a experimentov, ktoré tieto „prebytočné“ protóny využívajú. A jedným z nich je aj projekt ISOLDE, v rámci ktorého šéfuje experimentu IS521 Slovák Martin Venhart.
Projekt ISOLDE – zberač „nepotrebných“ protónov
Projekt ISOLDE získava práve 60 percent zo všetkých vyprodukovaných protónov v CERN-e. Používa ich na produkciu rádioaktívnych izotopov. Poznáme totižto až 3000 rôznych izotopov, ale len 300 z nich sa vyskytuje voľne v prírode. Zvyšné izotopy sa musia vyrábať.
Spôsob výroby je nasledovný. Protóny sa nechávajú veľkou rýchlosťou naraziť do kusa kovu, obyčajne to býva urán, IS521 na tento účel využíva aj olovo. Pri náraze vznikne veľké množstvo rádioaktívnych izotopov, ktoré sa difúziou dostávajú na povrch. Tam sa pomocou laseru veľmi presne ionizujú a vedci vedia takto vyrábať konkrétne prvky. Na konci tohto procesu vznikne napríklad chemický prvok astát. Pre zaujímavosť, astát je vôbec najmenej zastúpený chemický prvok v zemskej kôre. Nachádza sa ho v nej približne také množstvo, ako je polovica tabletky.
Slovenský experiment IS521
ISOLDE jednoducho produkuje čisté izotopické zväzky, ktoré sa nevyrábajú nikde inde na svete. Príkladom sú trebárs zväzky ortuti či astátu. S týmito zväzkami sa následne ďalej pracuje a vedci na nich skúmajú deformácie atómových jadier. Experiment IS521 bol schválený vedeckou radou v CERN-e ešte v roku 2011. Pre Slovensko má neodškriepiteľné prvenstvo, pretože ide vôbec o prvý čisto slovenský výskumný experiment v CERN-e. Jeho hlavný koordinátor Martin Venhart s úsmevom tvrdí, že má ešte jedno prvenstvo. V angličtine ide o najdlhší názov experimentu, aký v CERN-e majú.
V rámci tohto projektu slovenskí vedci študujú deformáciu atómových jadier. Atómové jadrá sú totiž v základnom stave buď sférické a v zbudenom stave majú deformovaný tvar, alebo presne naopak. Dodnes vedci nerozumejú, prečo to tak je. Snažia sa teda skúmať tento fenomén tvarovej koexistencie. Najlepším momentom, keď sa jadro dá skúmať, je práve okami jeho zrodu. Preto sa aj v rámci experimentu ISLODE simuluje zrod jadra a skúmajú sa jeho vlastnosti. Vedcom k tomu dopomáha aj unikátny prístroj, čisto zo slovenskej dielne.
Spektrometer TATRA – jeden z najnebezpečnejších v celom CERN-e
Spektrometer TATRA je vynález vedcov zo Slovenskej akadémie vied. Jeho výstavba trvala viac než rok a pol. Prvýkrát sa ho podarilo spustiť v auguste 2014. Ide o mechanický systém, ktorý skúma deformáciu jadra atómu v momente jeho zrodu. Prístroj pracuje vo vákuu a v jeho vnútri je obrovská radiácia. Práve preto patrí k najnebezpečnejším v rámci celého CERN-u. Práca s ním si vyžaduje maximálnu ostražitosť. Projekt je špičkou v oblasti skúmania fyziky atómových jadier v CERN-e a práca slovenských fyzikov je preto vysoko cenená.
Práca vedcov nepozná hranice
Celú túto enormnú prácu slovenských vedcov snáď podčiarkne už len jeden fakt. Spektrometer TATRA postavili, a aj je uložený vo Fyzikálnom ústave SAV v Bratislave. Do prevádzky ho však spúšťajú v CERN-e. Zakaždým, keď tak chcú urobiť, musia zariadenie svojpomocne prevážať v dodávke 1300 kilometrov. Práca vedcov si teda okrem intelektu vyžaduje aj poriadnu dávku energie a ľudskej skromnosti. Fakt, že sa takýto unikátny prístroj zrodil v slovenských podmienkach, kde je veda oproti iným štátom značne finančne poddimenzovaná, môžeme považovať za malý zázrak. Aj samotná idea študovať izotopy zlata vznikla v podstate náhodou. Nápad sa zrodil v čase, keď Martin Venhart pôsobil ako post-doktorand na Univerzite v Leuvene v Belgicku. Ako však počas nášho stretnutia povedal, riadi sa nasledujúcim heslom. Náhoda praje len tomu, kto je na ňu pripravený.
Pokiaľ Vás článok zaujal, môžete si pozrieť aj videozáznam z prednášky, v ktorej Martin Venhart hovoril o fyzike a pôsobení v CERN-e.
© CVTI SR – Národné centrum pre popularizáciu vedy a techniky v spoločnosti, 2015
Spracoval: Tomáš Verníček
Foto a autorizácia textu: Martin Venhart
Uverejnila: ZČ