Student World

Tento text je úryvkem z knihy Frank Close: Částicová fyzika
Jedná se o verzi před závěrečnou redakční úpravou.

Způsoby detekce subatomárních částic jsou možná známější, než si myslíte. Vzpomeňte si třeba na Geigerův počítač a jeho tak známé cvaknutí. A co třeba světlo, které detekujete z obrazovky televize, když na její speciálně připravený povrch dopadají elektrony? To jsou jen dva z mnoha příkladů.
Rutherford objevil atomové jádro pomocí efektu, který odchyloval od kladného kompaktního jádra kladné částice alfa. Tyto částice byly vychylovány ve velkých úhlech a k jejich detekci používal objevitel pouze scintilační materiály (tj. materiály produkující při průletu nabitých částic záblesky) a vlastní oči. Rutherford a jeho kolegové všechny záblesky počítali ručně. Od 50. let 20. století již tento proces naštěstí zcela zautomatizovaly přístroje, elektronika a moderní plastické scintilátory.
Když nabitá částice prolétá plynem, zanechává za sebou stopu ionizovaných atomů. Všechny typy detektorů částic, od mlžné po jiskrovou komoru, stojí a padají na schopnosti detekovat nějakým způsobem tuto ionizaci. Tak nějak, kus po kusu, také před sto lety Rutherford detekoval částice alfa, které byly emitovány radiem a prolétávaly zlatou fólií. Klíčovou vlastností detektorů je schopnost zesílit efekt ionizace při průchodu částice alfa ionizovaným prostředím. Detektor se nejprve skládal z měděné trubice vypumpované na velmi nízký tlak a vlákna vedoucího jejím středem. Mezi vláknem a stěnou trubice se udržovalo napětí 1000 V, které vytvořilo silné elektrické pole. Když pak nabitá částice prolétala detektorem, efekt řídkého plynu způsobil ionizaci. Vzniklé ionty byly přitahovány k vláknu a po urychlení elektrickým polem ionizovaly lavinovým efektem další tisíce částic, které výsledně vyvolaly při dopadu na vlákno elektrický impulz. Takový zesílený impulz pak již bylo možné změřit i přístroji používanými v Rutherfordově době.
V moderním Geigerově počítači [od slova „počítat“, nemíní se tím počítač v dnešním slova smyslu] je elektrické pole mezi vláknem a stěnou detektoru natolik vysoké, že je schopno zachytit i jediný elektron prolétávající kterýmkoliv místem detektoru. Ionizace pouhé jedné takové částice způsobí totiž natolik velký lavinový efekt, že vždy vyprodukuje měřitelný signál.
Takto jsme tedy odhalili přítomnost záření. Ale to jsme ještě stále daleko od moderních detektorů částic vysokých energií. Abychom porozuměli tomu, jak takové moderní stroje pracují, vyplatí se udělat si malou odbočku do historie vývoje detektorů.
Prvním detektorem schopným zachytit stopy nabitých částic byla mlžná komora. Jde o komoru opatřenou pístem a zaplněnou vodní párou. Když pístem rychle vysajeme vzduch, dojde uvnitř komory k expanzi, která prudce ochladí plyn uvnitř a vytvoří mlhu kondenzovaných kapiček. Když pak částice alfa a beta procházejí komorou, ionizují atomy vodní páry a podél jejich trajektorie se začnou tvořit malé zhuštěniny podobné mrakům. Po osvětlení lze tyto „mraky“ pozorovat podobně jako mezery mezi paprsky Slunce, které svítí skrze mraky.
Mlžná komora byla používána k detekci částic kosmického záření. Její efektivita se dá zvětšit kombinací s Geigerovým počítačem. To se provede tak, že se jeden Geigerův počítač umístí nad komoru a jeden pod ni. Pokud oba společně oznámí impulz, je pravděpodobné, že zachytily částici kosmického záření. Propojením obou Geigerových počítačů se spouštěcím mechanismem aparátu umožní zachytit trajektorii částice na fotografický film.
První případ detekce antičástice (pozitronu) i podivných částic byl proveden právě na bublinkové komoře. Tyto techniky však byly rychle nahrazeny emulzemi.

Emulze

Fotografické desky se v částicové fyzice používaly již při prvních zkoumáních radioaktivity. Díky tmavnutí fotografických desek bylo objeveno jak rentgenové záření, tak i samotná radioaktivita.
Kvalitní fotografické emulze se objevily ve 40. letech 20. století. Když byly takové emulze vyneseny balóny do vysokých výšek, poskytly první nádherné obrázky interagujícího kosmického záření.
Tyto emulze byly speciálně citlivé na vysoce energetické částice. Princip byl přitom stejný jako u klasické fotografické desky – emulze ztmavla v místě, kde jí prolétla nabitá částice. Stopu takové částice tedy odhalíme podle temné skvrny, která se vytvoří na vyvolané desce. Trochu básnicky řečeno, částice vlastně vytvoří svou vlastní fotografii. Více desek pokrytých emulzí pak dovede odhalit i trajektorie částic. Mlžná komora je oproti emulzím složitou aparaturou s mnoha částmi, vyžadující expanzi a kompresi vnitřního prostředí. Emulze se rychle a na dlouhou dobu staly hlavním způsobem detekce a zaznamenání drah nabitých částic staly hlavně z toho důvodu, že jsou mnohem jednouší.

Bublinková komora

S příchodem urychlovačů produkujících vysoce energetické částice vyvstaly nové potřeby detekce. Zaznamenat například životní cyklus podivných částic o energiích několika GeV by vyžadovalo mlžnou komoru dlouhou sto metrů. Mlžné komory pracují kromě toho pomalu, cyklus komprese a dekomprese v nich může trvat i dvě minuty. Urychlovače částic z 50. let přitom dodávaly do experimentu pulzy protonů každé dvě sekundy.
To, co bylo potřeba, byl detektor schopný zaznamenat i vysoce energetické částice a zároveň pracující rychle. Plyny na to byly příliš řídké, a tak přišly na řadu kapaliny, které mohou díky větší hustotě s vysoce energetickými částicemi interagovat lépe. Tím se dostáváme k bublinkovým komorám. Základní myšlenka tohoto zařízení se opírá o jev, který nastane, když udržujete vodu při vysokém tlaku blízko bodu varu. Jakmile tlak malinko snížíte, voda začne vřít. Pokud ale snížení tlaku provedete velmi rychle, voda se do varu nedostane a dojde k jevu, který vodu přivede do fáze tzv. přehřáté kapaliny. V této fázi ovšem nezůstane dlouho, protože se jedná o nestabilní stav. Stačí sebemenší podnět a voda přejde do varu.
Právě na tom je založena metoda detekce. V komoře vytvoříme tlak a náhle jej prudce snižíme. Částice, které do takové komory v kritický moment vstoupí, navodí podél své dráhy v důsledku interakcí (ionizace atomů) proces varu. Na kratičký zlomek vteřiny se tak podél trajektorie částice vytvoří bublinky, které je pak možno vyfotografovat. Okamžité obnovení vysokého tlaku dříve, než začne vřít veškerá voda, pak může obratem dostat vodu zpět pod bod varu, a celý proces tak lze velmi rychle zopakovat.
Fáze bublinkové komory je samozřejmě vždy velmi úzce spjata s operačním cyklem urychlovače, který ji zásobuje. Částice vstupují do komory v době, kdy píst je zcela uvolněn, tlak je na minimu a kapalina přehřátá. Jen o pouhou miliontinu sekundy později se zablýskne a exponuje spoušť fotoaparátu, která bleskem osvětlí bublinky podél trajektorií částic. Zpoždění mezi chvílí minimálního tlaku a zablesknutím blesku fotoaparátu je dostatečné na to, aby se bublinky stihly vytvořit a byly na fotografii pohodlně exponovány. V tu samou chvíli se ale píst pohne zpět a na krátký okamžik se obnoví vysoký tlak, což umožní celý proces zopakovat. Film ve fotoaparátu je převinut na nové políčko. Celá tato operace trvala zhruba sekundu, systém je obnoven a připraven k další expanzi v komoře. Bublinková komora zaznamenává, kde se částice nacházely po celou dobu od vstupu až po expozici, a poskytuje tak dobré podmínky pro jejich pohodlné studium.

Pokud v komoře existuje magnetické pole, pak jsou trajektorie částic zakřivovány. Směr jejich zakřivení odhalí, zda mají kladný anebo záporný náboj, a velikost zakřivení zase umožňuje spočítat jejich hybnost. Tím známe dvě veličiny, náboj a hybnost. Pokud dokážeme odhadnout i rychlost částice, můžeme ze vztahu mezi rychlostí a hybností spočítat její hmotnost, a tak částici již plně identifikovat.
Jedna z všeobecně používaných metod měření rychlosti nabitých částic je použití tzv. scintilačních počítadel. Dva přístroje zvané scintilátory vyprodukují při průletu nabité částice světlo. Každý jemný záblesk je přeměněn na elektrický impulz, který je poté zesílen, aby vznikl detekovatelný signál. Tímto způsobem mohou dva nebo více scintilátorů na známé trase změřit dobu letu a podle ní pak vypočítat i rychlost částice.
Tento způsob ale není použitelný v případě bublinkových komor, jimiž prolétá více částic současně. Jedinou možností pak často zůstávalo přiřadit identitu všem částicím odhadem a pak jim přidělit odpovídající energii a hybnost. Pokud bylo přiřazení správné, muselo odpovídat vstupním hodnotám experimentu. Pokud ne, bylo zkusmé přiřazení provedeno špatně a bylo třeba testovat jiné možnosti – až do chvíle, kdy byl získaný obraz perfektně konzistentní. Tento postup zabíral mnoho času, ale nedalo se nic dělat, tak to prostě v 60. letech 20. století chodilo. Identifikace částic metodou pokusu a omylu by byla dobře zvládnutelná na současných počítačích. Dnes jsou ale samotné bublinkové komory stejně nahrazovány elektronickými detektory, které jsou pro počítačovou analýzu uzpůsobeny ještě lépe.

Od bublinkové k jiskrové komoře

Bublinková komora umí poskytnout přehledný obrázek o interakci, ale má i svá omezení. Je citlivá jen v případě, že se její obsah nachází ve stavu přehřáté kapaliny, tj. po její rychlé expanzi. Částice musí vstoupit do komory v kritické chvíli maximální expanze, která trvá jen milisekundy. Vše je třeba stihnout ještě předtím, než se opět zvýší tlak, aby se zastavil var celé kapaliny.
Velké množství relativně vzácných interakcí vyžadovalo novou techniku, kterou se v 60. letech 20. století stala jiskrová komora. Vzhledem k potřebám tehdejší doby se zdála být ideálním kompromisem.
Základní model jiskrové komory se skládá z paralelně uspořádaných velmi tenkých kovových desek, které jsou od sebe vzdáleny jen několik milimetrů. Desky jsou v komoře umístěny v inertních (tedy prakticky nereaktivních) vzácných plynech, například v neonu. Když komorou prolétá nabitá částice, zanechává za sebou stopu tohoto ionizovaného plynu podobně jako v mlžné komoře. Jakmile částice prolétne, aplikuje se na kovové pláty pulz vysokého napětí. Pod vlivem silného elektrického pole vzniknou podél ionizovaných drah jiskry – proces lze přirovnat k bleskům v bouři. Trasy výbojů se dají vyfotografovat stejně tak jako ony blesky nebo lze jejich stopy zaznamenat pomocí zvukových stop zachycených elektronickými mikrofony. Ať tak či onak, trajektorie částic se pak dopočítají pomocí počítačové analýzy.
Krása jiskrové komory spočívá ale v tom, že má paměť, a příslušné události je možné odečítat v podobě záznamu. Scintilační detektory umístěné vně komory mají rychlou odezvu, a mohou tak být použity k zaměření částice, která komorou prolétá. Toto vše se přitom děje v desetinách mikrosekund. V tak krátké době se ionty v komoře stále udrží, a pulz vysokého napětí dokáže proto trajektorie odhalit bez potíží.
Změňme ale nyní každý z kovových plátů na systém paralelních vodivých vláken, vodičů vzdálených od sebe tak milimetr. Pulzem vzniklé jiskry se tak vybijí jen na jednom nebo na dvou nejbližších vláknech. Údaj o tom, která vlákna konkrétní jiskry zachytily, poskytne okamžitě informaci o poloze ionizované trajektorie s milimetrovou přesností. Povšimněte si ale také, jak ideálně je tato informace již připravena pro počítač a jeho další práci.
Drátěné jiskrové komory dokáží pracovat tisíckrát rychleji než bublinkové komory a zapadaly vcelku dobře do technik elektronické detekce a zaznamenávání dat v 60. letech. Signály z více detektorů (scintilačních detektorů, jiskrových komor) sloužily nejen k zaznamenání dat na magnetickou pásku „offline“ pro pozdější analýzu, ale také vědcům poskytovaly okamžité informace ještě během pokusů. Složení drátěných komor s vodiči ve třech rozměrech umožnilo vytvořit trojrozměrné obrazy trajektorií částic. Počítač dokázal spočítat energii a hybnost částic, a tím pádem je i identifikovat.
V 60. letech 20. století umožňovaly jiskrové komory rychlý sběr dat z mnoha konkrétních interakcí. Bublinkové komory v tomto období naproti tomu poskytovaly mnohem komplexnější obraz událostí, včetně důležitých oblastí a vrcholů interakce. Tyto elektronické a vizuální detektory se navzájem doplňovaly a dávaly velmi dobré zázemí pro hledání a lov dosud neznámých částic.

Elektronické bublinkové komory

V moderních urychlovačích částic je množství interakcí nesrovnatelně větší než v dobách vývoje bublinkových a jiskrových komor. Bylo proto třeba vyvinout také nové metody detekce. Patří mezi ně multivláknová proporční komora a driftová komoru, které pracují mnohem rychleji a přesněji než komory jiskrové. Princip driftové komory a jejích obměn se při detekci částic používá dodnes.
Multivláknové proporční komory jsou vzdáleně příbuzné jiskrovým komorám, avšak skládají se ze tří plátů paralelně napnutých vláken, jakési formy sendviče ponořené do odpovídajícího plynu. Vlákna centrálního plátu jsou oproti vnějším plátům udržována na potenciálu přibližně 5 000 V. Nabité částice pak při svém průletu komorou spouští vlnu ionizace a produkují elektrony. Komora s vodiči jen zhruba 1–2 mm od sebe vyprodukuje signál se zpožděním pouhých několik setin mikrosekund od chvíle, kdy částice prolétla, a zároveň dokáže každou sekundu zaznamenat signály miliónů elektronů v každém vlákně. To dělá tuto komoru oproti jiskrové komoře o tři řády výkonnější.
Stinná stránka výše zmíněného zařízení vězí v jeho neschopnosti obsáhnout větší objem, řekněme tak metru krychlového. To by totiž znamenalo nesmírné množství vláken, každé se svou vlastní elektronikou potřebnou na zesílení signálu. A co víc, multivláknová proporční komora má i omezenou přesnost. Tyto problémy se podařilo obejít vznikem driftové komory, jejíž základní myšlenkou je měření času, a pomocí toho i polohy jednotlivých událostí. Takové měření bylo již v minulosti možné provádět celkem přesně i při vyšších rychlostech. Komora se opět skládá z plátů vyplněných paralelními vodiči, z nichž však některé slouží k rozdělení celého prostoru na jakési podkrychličky, samostatné komory. Každá buňka hrála roli samostatného detektoru, ve kterém elektrické pole nasměrovalo elektrony vzniklé ionizací na centrální detekční vlákno. Čas, který elektron potřeboval k dopadu na vlákno, bylo možné jednoduše převést na vzdálenost, kterou musel urazit. Přesnost takové techniky detekce byla 50 mikrometrů.

Křemíkové mikroskopy

Některé podivné částice žijí i 10 na -10 sekundy; během své existence jsou schopny urazit rychlostí velmi blízkou rychlosti světla řádově milimetry a na těchto vzdálenostech také zanechávají své stopy. Částice obsahující ale kvarky c nebo b (charm nebo bottom – v překladu půvabný a nejnižší) mají dobu života kratší než 10 na -13 s, a tak nikdy neurazí více než 300 mikrometrů. Aby je bylo možno zpozorovat, je nutné detektor umístit co nejblíže ke kolizi a musí mít také co největší rozlišení. Dnes jsou z tohoto důvodu prakticky všechny experimenty prováděny s křemíkovým hrotovým detektorem, který dokáže zachytit i tyto krátké exotické události, v nichž se hledané částice rozpadají na ty stabilnější, ale pro nás méně zajímavé.
Pokud nabitá částice prochází skrz křemík, ionizuje atomy a ty uvolňují elektrony, které mohou vést elektrický proud. Nejběžnější způsob výroby hrotů tedy vypadá tak, že se na sebe skládají velmi tenké pásky křemíku se vzdálenostmi 20 mikronů (20 miliontin metru). Díky tomu se v měření dráhy částice dosáhne poloviční přesnosti, tedy 10 mikronů.
Křemíkové detektory si na své přišly ve srážečích, kterým posloužily jako mikroskopy o vysokém rozlišení. Navíc se daly umístit dovnitř trubice urychlovačů, a tak mohly dosáhnout v podstatě až na bod kolize. Svou roli sehrály i v případě detekce B-částic, které obsahují těžký kvark bottom. Potíž spočívala v tom, že kvark bottom se rozpadá velmi rychle na kvark c (charm) a ten se pak zase rozpadá na kvark s (strange). Částice obsahující některé z těchto kvarků nejsou stabilní déle než řádově 10 na -12 s a dolétnou do středních vzdáleností jen v řádu milimetrů – a to dokonce i v případě, že jsou vyrobeny na vysoce energetických zařízeních. Křemíkové detektory ale dokáží zachytit celou sekvenci těchto rozpadů, od kvarku bottom až po podivný kvark strange. Schopnost zahlédnout nejspodnější kvark bottom byla například kritickým prvkem rozhodujícím o objevu dlouho hledaného nejvrchnějšího kvarku top, který se právě na kvark bottom rozpadá.

Detekce neutrin

V případě neutrin existuje jen velmi malá a v podstatě zcela nereálná naděje, že se nám podaří detekovat konkrétní neutrino, které si vybereme. Pokud však budeme mít velké množství neutrin a dostatečně velký detektor, pak máme určitou šanci zachytit alespoň některé z nich. Základní myšlenka detekce neutrin spočívá v tom, že se při srážce s hmotou změní na elektricky nabitý lepton, jako je například elektron. Jestliže se tedy některé z velkého vzorku neutrin přece jen srazí a vytvoří přitom elektron, pak máme vyhráno – tento elektron totiž detekovat dokážeme. Jak jsme se tedy o existenci neutrin vůbec dozvěděli a nachytali ta z nich, která skrze nás na své cestě od Slunce každou sekundu prolétají?
Když se světlo šíří hustším prostředím, třeba vodou, pohybuje se pomaleji než ve vakuu. Ačkoliv se nic nemůže pohybovat rychleji než světlo ve vakuu, existují takové částice, které dokáží překonat rychlost světla v hmotných prostředích. Pokud se částice pohybuje nějakým prostředím rychleji, než se v něm šíří světlo, pak vytváří určitý specifický druh rázové vlny viditelného světla, které se nazývá Čerenkovovo záření. Toto záření je emitováno do obloukového úhlu podél trajektorie částice a tento úhel je o to větší, čím větší je poměr rychlosti částice a rychlosti světla. Japonský experiment Super Kamiokande detekoval neutrina, když interagovala s vodou a vytvářela srážkami elektron anebo mion – to podle typu neutrina. Obě nově vznikající částice jsou na rozdíl od neutrina elektricky nabité. Ve vodě se po svém zrodu pohybují rychleji než světlo, a mohou tedy emitovat Čerenkovovo záření. Podrobným průzkumem detekovaných stop tohoto světla je dokonce možné rozhodnout i o tom, zda vznikl elektron anebo mion, a tedy současně odvodit, zda se jednalo o elektronové nebo mionové neutrino.
Sudburijská neutrinová observatoř (SNO) se nacházela [svou činnost totiž ukončila 28. listopadu 2006, až po vydání anglického originálu této knihy] více než 2 000 metrů pod zemí v niklovém dole u města Sudbury v kanadském Ontariu. Srdcem observatoře byla kulovitá akrylátová nádoba naplněná 1 000 tunami ultračisté těžké vody, které se také říká deuteriová voda. Jde o vodu kde není na kyslíkové atomy vázán obyčejný vodík (jádrem atomu je jeden proton), ale deuterium (jádrem je proton a neutron). V této nádobě interagovala elektronová neutrina s neutrony za vzniku protonů a elektronů. Rychle se pohybující elektrony pak při své cestě těžkou vodou emitovaly Čerenkovovo záření. Toto záření vytvářelo na stěnách nádoby charakteristické tvary prstence, které byly detekovány fotobuňkami, jichž se na stěnách nacházelo téměř 10 tisíc.
Výhoda SNO spočívala především v tom, že zařízení umělo díky reakcím s deuteriem detekovat všechny tři druhy neutrin. Všechny typy neutrin totiž umí rozložit jádro deuteria a uvolnit neutron, který pak je zachycen jiným jádrem. Nově vzniklé jádro nafouklé díky přibylému neutronu se zbavuje přebytečné energie emitováním záření gama, které následně způsobí produkci elektronů a pozitronů a ty pak emitují Čerenkovovo záření zachytitelné na stěnách detektoru.
Těmito experimenty bylo možné spočítat neutrina pocházející ze Slunce. Pokus mimochodem jako první potvrdil, že v nitru naší hvězdy probíhá jaderná fúze. To, že ve Slunci k těmto reakcím dochází, jsme předtím vlastně jen tušili, přímý důkaz nám až do detekce neutrin chyběl.

Detektory ve srážečích
Elektronické detektory poskytují ty nejlepší výsledky díky schopnosti, která je pro bublinkové komory nedosažitelná – mohou být totiž instalovány uvnitř urychlovačů, tedy přímo v místech, kde dochází ke srážkám částic. Jednotlivé typy elektronických detektorů jsou dnes kombinovány do válcových detektorů, které obklopují centrum srážky a jsou umístěné v nitru urychlovače. Kolize proběhne přesně na centrální ose detektoru, a jak se jednotlivé kusy vyprodukované srážkou rozlétnou, prolétají různými typy detektorů, z nichž každý se specializuje na jiný druh částic.
V urychlovači LHC mají svazky částic schopnost procházet detektorem přes sebe 40milionkrát za sekundu, přičemž při každém průchodu by měly být schopny provést na 25 kolizí – to celkem znamená téměř miliardu srážek za sekundu. Abychom si představili množství takto posbíraných dat: je to, jako byste současně zaznamenávali asi 100 miliard telefonních hovorů.

Obří detektory jsou v urychlovači LHC uchyceny na jednotlivých kolizních bodech. Zmiňme alespoň dva z nich. CMS (Compact Muon Selenoid) a ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) budou mít za úkol zkoumat nové energetické oblasti a pátrat v nich po dosud nezaznamenaných jevech. Detektor ATLAS je kupříkladu vysoký jako osmipatrová budova (26 m) a přitom dokáže měřit dráhy částic s přesností na setinu milimetru.
Podrobně si rozebereme jen jeden ze všech pěti detektorů urychlovače LHC, což nám umožní poznat principy moderní detekce přímo v akci. Detektor CMS se skládá ze tří částí. Začneme u té vnitřní, která se poeticky jmenuje „vnitřní stopař“. Úkolem stopaře je sledovat nabité částice s přesností na setinu milimetru a umožnit počítačům rekonstruovat jejich dráhu, která je zakřivena silným magnetickým polem. Druhým prvkem detektoru je dvoudílný kalorimetr, který má za úkol měřit energii většiny druhů částic. Jeho vnitřní část zodpovídá za detekci elektronů a fotonů, vnější část kalorimetru pak za měření energií hadronů.
Pojďme se na oba kalorimetry podívat blíže. Základem vnitřní části kalorimetru, tzv. elektromagnetického kalorimetru, je speciální sklo s příměsi olova. Takové sklo můžete najít i doma, například v podobě vázy z křišťálu. Olovo v tomto skle totiž nutí elektrony a pozitrony emitovat fotony a zároveň také naopak způsobuje, že fotony se mění na elektron-pozitronové páry. K tomuto lavinovitému efektu přeměn dochází cestou detektorem tak dlouho, až je veškerá energie částic rozptýlena. K rozptylu dochází proto, že elektrony a pozitrony se v detektoru pohybují rychleji než světlo, a emitují tedy mezi přeměnami Čerenkovovo záření, zachycované a sčítané světlocitlivými snímači detektoru. Množství světla posbírané detektorem pak hraje roli v určování energie původní částice, která do daného bloku detektoru vstoupila.
Tisíce tun železa je prokládáno plynem vyplněnými trubicemi, které slouží ke sběru protonů, pionů a dalších hadronů – částic složených z kvarků. Tato část kalorimetru, tzv. hadronový kalorimetr, měří tedy energii hadronů. Tento postup probíhá podobně jako měření tepla u jiných kalorimetrů. Železo v hadronovém kalorimetru má dvojí smysl: jednak zpomaluje a zachycuje hadrony a za druhé je součástí elektromagnetu, který zakřivuje dráhy částic. Zakřivení umožňuje stanovit elektrický náboj částice, což pomáhá při její identifikaci.
Vnější vrstva detektoru CMS se skládá ze speciálních mionových komor, jež mají z úkol vystopovat miony – jediné elektricky nabité částice, které se dokáží provrtat až tak daleko.
Celá soustava detektorů je hermeticky uzavřeným systémem, jehož cílem je pochytat co nejvíce částic vytvořených během kolize v jeho centru. V podstatě jen jediná částice dokáže z tohoto robustního systému uniknout – a tou je samozřejmě plaché neutrino, nezanechávající po sobě žádné reakce ani stopy. Určitá vizitka po něm však přesto zůstane v podobě chybějící energie a hybnosti, která musí být zachována při každém typu přeměny.
Detektor LHC je zkonstruován tak, aby dokázal zaznamenat produkty srážek, které nastávají miliardkrát za sekundu. To je již zcela jiná úroveň, než dříve nabízely mlžné a bublinkové komory, které dokázaly odpovídat jednou za minutu, respektive jednou za sekundu. Mezi vším smetím produkovaným při srážkách o energiích, jichž dosud nebylo nikdy dosaženo na žádném urychlovači, se bude čekat na klenot v podobě objevu nějakého zatím nepozorovaného jevu. Mezi očekávanými výsledky stojí rozhodně za zmínku například objev Higgsova bosonu. Tato částice ovšem při plánovaných experimentech vzniká s pravděpodobností jednoho objevu na 20 miliónů milionů kolizí. To znamená, že při miliardě kolizí za sekundu by měl být Higgsův boson vyprodukován v průměru jednou za den na každém z příslušných experimentů LHC. Původně proklamované hledání jehly v kupce sena je tedy očividně snazší než čekání na tuto částici, která má být nalezena mezi statisíci miliard jiných událostí. Vědci proto chtějí softwarově rozdělit data na oblasti, která mohou obsahovat Higgsův boson, a zaznamenat jen ty.
Pokud bychom se měli pokusit o určité shrnutí této kapitoly, ukazuje se, jak naše schopnosti poznávat původ a složení hmoty závisejí na pokroku ve dvou oblastech: na konstrukci ještě výkonnějších urychlovačů a na vývoji mnohem sofistikovanějších způsobů záznamu kolizí, k nimž v těchto urychlovačích dochází.

(pokračování)

Frank Close: Částicová fyzika: Průvodce pro každého
Překlad Martin Petrásek, vázaná, 164 stran, 32 ilustrací, 185 Kč, Dokořán 2008
Podrobnosti o knize na stránkách vydavatele

autor