Korporace pracovišť z Francie, Švýcarska, Polska a České republiky spolupracuje na projektu OSQAR (Optical Search of QED vacuum magnetic birefringence, Axion and photon Regeneration). Jak se na tomto výzkumu podílí ČVUT?
Fyzikálním cílem projektu OSQAR je detailní ověřování základů kvantové fyziky s cílem odhalit možné nesrovnalosti mezi predikcemi Standardního modelu a skutečností. Nalezení významných odchylek by mohlo přispět k řešení problémů teoretické fyziky překračující Standardní fyzikální model.
V případě projektu OSQAR se jedná o měření dvou konkrétních fyzikálních jevů. Prvním je měření dvojlomu, vyvolaném ve vakuu silným magnetickým polem. Tento jev by navíc mohl být ovlivněn i přítomností axionů, částic, předpovězených mimo rámec Standardního modelu. Jev předpokládá změnu lineárně polarizovaného záření na eliptickou polarizaci po průchodu silným magnetickým polem v důsledku ve vakuu vznikajících párů virtuálních částic a antičástic. Druhým pak je potvrzení existence hypotetické částice axionu, kdy by v intenzivním magnetickém poli mělo docházet ke konverzi fotonu na axion, který velmi slabě interaguje s hmotou, a zpětné konverzi na foton, což by se projevilo jako tunelování fotonu skrz opticky neprůhlednou překážku.
Přestože jsou oba jevy teoreticky předpovězeny již několik desítek let, tak jak předpovězená stáčivost vakua, tak pravděpodobnost foton-axionové konverze vedou k tak slabým efektům, že se zatím žádnému z několika mezinárodních týmů nepodařilo tyto jevy změřit. Hlavním důvodem realizace projektu OSQAR právě v CERNu je zejména dostupnost extrémně silných, 14 metrů dlouhých magnetů urychlovače LHC, které tvoří magnetické pole až 9,5 T dávající vynikající základ pro provedení obou měření.
Korporace pracovišť z Francie, Švýcarska, Polska a České republiky využívá k experimentům dva sériově uspořádané LHC magnety na testovací lavici umístěné v budově SM 18 v CERNu.
Hlavními osobami projektu jsou zejména fyzikové Pierre Pugnat (F) a Andrzej Siemko (CH), nicméně česká skupina, zahrnující kromě ČVUT také TUL a MFF UK, se soustředí na přípravu a provádění laserových experimentů včetně vyhodnocování naměřených dat. Konkrétně ČVUT pracuje v rámci grantového projektu na optickém rezonátoru, kterým by bylo možné zmnohonásobit průchod laserového svazku magnetem a tím zvýšit pravděpodobnost detekce obou jevů. Aktuálně
máme v laboratoři postaven model 1 m dlouhého laserového rezonátoru pro studium vlivů justáže a zpětnovazebného řízení na stabilitu rezonátoru. Nicméně ještě během tohoto roku počítáme s realizací a prvními testy 20 metrového laserového rezonátoru, a to jak v Praze, tak přímo na LHC magnetech v CERNu.
Spolupráce celkem deseti pracovišť ze čtyř zemí na projektu OSQAR začala již v roce 2005. Doposud se nám povedlo provést několik měření, při kterých jsme vymezili rozsahy energií, kde se hypotetické částice axiony nevyskytují. Tyto výsledky byly publikovány v prestižních časopisech a zařazují projekt OSQAR mezi nejúspěšnější mezinárodní týmy v této oblasti. Aktuálně jsou naše další experimenty ovlivněny tím, že se blížíme technickým limitům dostupných zařízení. Proto například vyvíjíme laserový rezonátor pro řádové zvýšení citlivosti detekce. Obdobný posun by nastal, pokud bychom získali výkonnější laser, řádově kW, jehož cena však překračuje možnosti financování například z GA ČR. Proto se snažíme získat takový výkonný laser, třeba i k zapůjčení, ale zatím bez úspěchu. Na druhou stranu to, že urychlovač LHC v CERNu je letos mimo provoz, přispělo k navázání spolupráce s dalším týmem ALPs, který by nám mohl pomoci zvýšit výkon dostupného laseru alespoň na stovky wattů.
Pokud naše experimentální zařízení dosáhne požadované citlivosti a my skutečně proměříme dvojlomné vlastnosti vakua, případně potvrdíme, či vyvrátíme existenci hypotetické částice axionu, v každém případě to bude mít významný vliv na fyzikální představu o našem světě. Například právě axion se považuje za jednoho z nejvhodnějších kandidátů na představitele temné hmoty, která tvoří více než 20násobek běžně známé zářící hmoty vesmíru.
Naše účast na projektu OSQAR nepřinese pouze zajímavé fyzikální závěry, ale neustále se odráží i v naší další práci na fakultě. My, jako odbor Přesná mechanika a optika Ústavu přístrojové a řídící techniky FS ČVUT, zapojujeme do projektu jak studenty, tak doktorandy. Podílejí se například na přípravě řízení piezopohonů zrcadel nebo i na vlastních měřeních v CERNu. Tyto aktivity se ale neomezují pouze na Fakultu strojní. Například simulaci stability rezonátoru řeší student oboru Laserová a přístrojová technika FJFI ČVUT. Kromě toho nás zkušenosti s technickými řešeními projektu OSQAR vedly k jejich promítnutí i do výuky, kdy například do nově připraveného zaměření Optomechanika v rámci oboru Přístrojová a řídící technika na FS byl zařazen i předmět se základy vakuové a kryogenní techniky.
Snažíme se tak naší prací přispět nejen k dosažení špičkových fyzikálních výsledků v CERN, ale také k promítnutí těchto zkušeností do vědecké i pedagogické činnosti ČVUT.
doc. Ing. JAN HOŠEK, Ph.D., jan.hosek@fs.cvut.cz
Vyšlo v časopise Tecnicall 1/2013 (čtvrtletník ČVUT Praha)
