Tento text je úryvkem z knihy
Frank Close: Částicová fyzika – průvodce pro každého
Výzkum atomu začal díky částicím alfa a beta produkovaných radioaktivitou. Jednotlivé částice ale měly příliš malou energii na to, aby pronikly i do prostředí atomového jádra. Uměle vytvořené proudy vysoce energetických částic tuto situaci naštěstí změnily.
Původní myšlenkou bylo urychlit částice na vyšší energie prostřednictvím série malých elektrických postrčení začínajících na relativně nízkém napětí. Částice přitom cestují řadou oddělených kovových trubic, z nichž je zcela vyčerpán vzduch. Uvnitř trubic není elektrické pole, a částice jimi proto jen jednoduše prolétají, aniž se s nimi děje něco dalšího. To podstatné se odehrává v mezerách mezi trubicemi, kde elektrické pole mění svou polaritu mezi kladnými a zápornými hodnotami. Frekvence těchto změn je nastavena podle délky trubic a rychlosti letu částic – tak, aby částice byla elektrickým polem působícím v mezeře vždy „nakopnuta“ vpřed a nikdy bržděna. Tímto způsobem jsou tedy částice v moderních lineárních urychlovačích částic urychleny vždy, když projdou předělem mezi jednotlivými trubicemi. Takové urychlovače se nejčastěji staví jako malá zařízení, ale existuje i několik opravdu velkých strojů. [Doba těchto lineárních urychlovačů neskončila, v plánu je například Mezinárodní lineární urychlovač (ILC), který má dosahovat hodnot až 500 GeV a měl by být dokončen v roce 2010.]
Myšlenka postavit urychlovač ve tvaru prstence pochází od Ernesta Lawrence, který jako první použil magnetické pole, aby tak dostal částice na kruhovou dráhu. Dvě dutiny ve tvaru písmene D byly přiloženy k sobě a vytvořily kruh s malou mezerou mezi sebou. Celá konstrukce měla průměr jen pouhých 13 cm a Lawrence ji umístil mezi póly elektromagnetu, což částice během urychlování elektrickým polem drželo na kruhové dráze. Pomocí tohoto zařízení mohly částice zařízením prolétávat opakovaně a být vždy urychleny na větší energii. Na rozdíl od lineárního urychlovače s mnoha trubicemi byly v tomto případě potřeba jen dvě urychlovací mezery. Dráha částic nebyla kruhová, ale, jak jejich rychlost rostla, spirálovitě se vzdalovaly od středu. Doba jednoho oběhu přitom ale zůstávala konstantní.
Chceme-li pomocí takového zařízení pohodlně urychlovat, stačí, aby se elektrické pole měnilo se stejnou frekvencí, s níž obíhají urychlené částice. To samozřejmě nutně znamená, že částice, mají-li být stále rychlejší a mít větší energii, se musí spirálovitě vzdalovat od středu zařízení; jen tak si totiž uchovají stejnou periodu oběhu.
Popsané zařízení se nazývá „cyklotron“ a pracuje právě na principu konstantní periody oběhu. Toto tvrzení ovšem platí jen přibližně. Jak energie částic vzrůstá, začínají se totiž uplatňovat principy speciální teorie relativity. Zjednodušeně řečeno, u částic se objevuje jakási rezistence vůči pokračujícímu urychlování, která způsobuje, že jak se rychlost částic blíží rychlosti světla, k dalšímu urychlení je potřeba vždy o něco více síly. Urychlovaným částicím tak trvá v cyklotronu postupně více a více času, než dokončí své kolečko, a tak postupně prolétávají mezerami s elektrickým polem stále později. Nakonec už nestihnou zachytit správnou orientaci elektrického pole, které je urychluje.
Nabízí se možnost upravit frekvenci elektrické proudu tak, aby odpovídala klesajícímu tempu urychlovaných částic, jenže takové opatření má háček. Zařízení pracující s měnící se frekvencí nejsou totiž schopna urychlovat kontinuální proud částic, které jsou postupně emitovány radioaktivním zdrojem v centru urychlovače. Změna frekvence tak udržuje v tempu vysoce energetické částice, zatímco ty s nízkou energií mají smůlu a jsou odkázány být jaksi mimo rytmus. Tento problém řeší zařízení zvané „synchrocyklotron“, které vypouští částice z radioaktivního zdroje postupně ve skupinách. Skupina částic je vždy urychlena na potřebnou energii a další dávka následuje až poté, co první skupina opustí oblast magnetu a urychlovače.
Synchrocyklotron je schopný urychlit protony na energii dostatečnou k tomu, aby jejich kolize s atomovými jádry vyprodukovaly piony, nejlehčí částice složené z kvarků (konkrétně z jednoho kvarku a jednoho antikvarku). Celé takové zařízení ale musí mít 5 metrů v průměru. Jít ještě dál a snažit se dosáhnout větších energií by bylo na těchto typech strojů nepraktické.
Řešením bylo zvyšovat intenzitu magnetického pole souběžně se zvyšující se energií částic tak, aby je bylo možno udržet na stejné oběžné dráze. Potřeba velikých a silných magnetů na každé straně urychlovače byla nahrazena novou konstrukcí. Urychlovač dostal podobou toroidu (trubice stočené do tvaru prstence) a magnety byly namontovány na trubice jako prstýnky; tato konstrukce se na moderních akcelerátorech používá od té doby dodnes. Částice se tak pohybují ve vzduchoprázdných trubicích udržovaných na své dráze magnety, které tunel postupně, jeden vedle druhého, obepínají. K urychlování částic dochází v jednom nebo na více místech účinkem elektrického pole; tato fáze probíhá stejným způsobem jako u prvních urychlovačů. Postupně rostoucí magnetické pole dokáže částice i při jejich vyšší a vyšší rychlosti udržet na stále stejné dráze. Tento typ stroje se nazývá synchrotron a je základem všech moderních urychlovačů. První velké synchrotrony postavené v USA a v ženevském CERNu do 60. let 20. století dokázaly dosáhnout k energiím 30 GeV.
V tom období se začala vynořovat idea kvarků a s nimi přišla také výzva pokořit hranici 100 GeV.Vědci doufali (jak se posléze ukázalo, chybně), že se tak podaří vyšťouchnout kvarky ven z protonů. Technologický pokrok přinesl ještě silnější magnety, a když je pak konstruktéři v americkém Fermilabu využili v urychlovači, jehož prstenec měl průměr jeden kilometr, dosáhli dokonce energií 500 GeV. V roce 1982 pak Fermilab zvládl až 1 000 GeV neboli 1 TeV, a urychlovači se proto začalo říkat Tevatron. Supravodivé magnety, které používáme dnes, nám poskytují ještě vyšší magnetická pole, a naše možnosti se tak dále rozšiřují.
Ve zmíněném Fermilabu je vedle Tevatronu ještě jeden menší prstenec zvaný Main Injector (hlavní vstřikovač). Jedním z jeho úkolů je urychlit a navést protony o energiích 120 GeV na terče tak, aby vytvořily sekundární spršku částic pro další experimenty. Extrahované protony jsou přitom sráženy se speciálními terči z berylia nebo uhlíku a produkují piony a kaony. Piony slouží k produkci neutrin, které jsou produktem jejich následného rozpadu, zatímco kaony mohou být odděleny a použity jako samostatný paprsek částic pro další experimenty. Různé částice s odlišnými vlastnostmi se používají ke zkoumání různých vlastností hmoty. Pestrá paleta urychlených částic nám tak pomáhá získat o povaze hmoty bohatší obraz.
Další z procesů, které Main Injector ve Fermilabu provádí, jsou srážky urychlených protonů s terčíky z niklu. Při energiích tohoto urychlovače jsou produktem srážek další protony, ale také antiprotony. Produkce antiprotonů dosahuje zhruba výše 200 miliard za hodinu. Antiprotony (tedy antihmotová verze protonů) mají oproti protonům záporný elektrický náboj, jinak jsou zcela stejné. Pro urychlovač Tevatron to znamená, že antiprotony se v prstenci podél supravodivých magnetů pohybují se stejnou rychlostí a energií jako protony, avšak v opačném směru. Jakmile oba proudy částic dosáhnou energie 1 TeV, navedou se dva paprsky proti sobě ke vzájemné srážce. A tady se dostáváme k nejaktuálnějšímu cíli dnešních obřích urychlovačů: ke kolizím protonů s antiprotony při energiích, které panovaly ve vesmíru v době, kdy byl starý pouhou triliontinu sekundy.
Velký urychlovač v CERNu označovaný LHC (Large Hadron Collider) [který se v době překladu této knihy uvádí do provozu] má parametry ještě o řád lepší. Prstenec urychlovače dlouhý 27 km dokáže produkovat protony o energiích 7 TeV. Speciální magnety umí řídit prolétávající částice (protony, ale i jádra atomů) naproti sobě až do okamžiku, kdy se nechají navzájem srazit. Jde o vrchol technologie urychlovačů a připravované experimenty jsou hlavní strategií fyziky vysokých energií přelomu 20. a 21. století.
Lineární urychlovače
Stanfordský lineární urychlovač je dnes tím nejdelším na světě. Na dráze 3 km dokáže urychlit elektrony až k energiím 50 GeV. Oproti tomu kruhový urychlovač LEP (Large Electron-Pozitron) potřebuje pro urychlení na 100 GeV prstenec o obvodu 27 km. Kde se vzal tento rozdíl a co rozhoduje při výběru, zda postavit kruhový nebo lineární urychlovač? Pokusím se to vysvětlit.
Elektronové synchrotrony pracují perfektně, ovšem až na jednu drobnost. Urychlené elektrony vyzařují energii, pohybují-li se na kruhové dráze. Toto záření, známé jako synchrotronové záření, je tím větší, čím menší je kruhová orbita částice a její energie. Protony také emitují synchrotronové záření, ale protože jsou 2000krát hmotnější než elektrony, mohou dosáhnout mnohem větších energií, než se jejich energetická ztráta projeví. Jenže když v synchrotronu obíhají lehounké elektrony urychlené již na několik GeV, velkou část energie, která je do nich prostřednictvím rádiových vln napumpována, opět vyzařují. To je důvodem, proč se vysoce energetické urychlovače elektronů stavěly až na výjimky jako lineární. Na kruhových urychlovačích se elektrony užívají výhradně pro několik málo výhod; konkrétně jde o srážky proti sobě namířených paprsků, které jsou energeticky výhodnější než ostřelování statických terčů. Druhá přednost kruhových cyklotronů se týká projektů, které nemohou být na lineárních urychlovačích dosud uskutečněny. V případě LEPu to byly například srážky elektronů s pozitrony. V kruhu obíhající svazky elektronů a pozitronů, které se pak nechají čelně srazit, jsou dosud jedinou technologicky efektivní cestou, jak dosáhnout potřebné intenzity srážky.
LEP byl kruhovým urychlovačem s tunelem o délce 27 km. Jeho historie ukázala, jak problematické je uřídit elektronové a pozitronové paprsky pohybující se v kruhu a dosáhnout s nimi na takto dlouhé dráze energie 100 GeV. Kdybychom chtěli dosáhnout energií několika stovek GeV, musel by mít takový prstenec délku stovek kilometrů, což je prozatím nad naše možnosti. Lineární urychlovače najdou tedy použití i v budoucnosti. Aktuálně se objevila myšlenka mít jeden lineární urychlovač s elektrony a druhý urychlovač s pozitrony. S dnešní technologií dokážeme postavit taková zařízení o délce mnoha kilometrů, a dosáhnout tak na nich energií právě stovek GeV. Při takových energiích bychom mohli produkovat kvarky i antikvarky top a konečně získat také hypotetickou částici zvanou Higgsův boson.
Dosáhnout v lineárním urychlovači, kde se paprsky potkají jen jednou, alespoň rozumnou pravděpodobnost kolizí, vyžaduje velmi intenzivní paprsky s průměrem menším než jeden mikron. I s takto úzkým paprskem ale dojde k tomu, že tyto paprsky se do sebe obvykle netrefí. Paprsky jsou navíc tvořeny z částic se stejným nábojem a navzájem se odpuzují. Dokázat udržet paprsky takto úzce zacílené představuje tedy opravdovou technologickou lahůdku.
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
