Když před dvěma lety přerušil urychlovač LHC svůj provoz, bylo to obrazně řečeno na vrcholu slávy. Největší, nejsložitější a nejdražší vědecký experiment po počátečních problémech (přesněji malém výbuchu) pracoval podle představ fyziků i techniků a dokázal existenci dlouho hledaného Higgsova bosonu.

Dvouletá odstávka označovaná jako LS1 (Long Shutdown 1) ale nebyla zdaleka odpočinková. Kolem urychlovače se po celou dobu pracovalo na dvě směny, jak docházelo k úpravám. Nešlo přitom ani tak o to, že by urychlovač dostal výkonnější „motor“ - spíše bychom mohli říct, že došlo k odstranění vadných dílů, které omezovaly maximální „rychlost“. Nejdůležitější součástí operace byla náhrada desítky tisíc vodivých spojů u supravodivých magnetů, které nebyly dobře vyřešeny a nemohly bezpečně pracovat s původně plánovaným výkonem (nezvládaly proud cca 10 tisíc ampérů, který je nutný k urychlení částic na maximální plánovaný výkon).

Po výměně by se z LHC mělo konečně podařit „vyždímat“ maximum (abychom byli úplně přesní, energie srážejícíh se protonů zůstane i po úpravě mírně pod plánem, ale jen o pár procent). Úpravami, kontrolou či menšími upgrady prošla i další zařízení, ale výměna spojů byla nejdůležitější součástí prací. (Jistou představu o rozsahu prací si můžete udělat z připojeného videa, na kterém jsou patrné rozměry LHC a s ním spojených detektorů.)

Spoje v sektoru 3-4 urychlovače LHC zničené během havárie v září 2008. Z magnetů tehdy začalo unikat hélium tak rychle, že šlo v podstatě o malý výbuch, při kterém vyskočily ze svého místa i několikatunové díly.

I když uvedení LHC o velikonočním víkendu do provozu proběhlo hladce, předcházel mu jeden „kaskadérský kousek“. Během kontrol a „záběhu“ jednotlivých částí okruhu se v jednom z nich objevil zkrat. Jak se ukázalo, do jedné diodové skříně se dostala malá kovová částečka, která neměla na místě co dělat. Rozebrání skříně a odstranění kovu by zdrželo restart o několik týdnů (i proto, že systém už byl chlazen héliem na teplotu blízkou absolutní nule), a tak se v CERN rozhodli pro mnohem přímočařejší postup, jak zařízení za zhruba devět miliard eur uvést do provozu bez dalších odkladů.

Poslali do zkratu velký proud a nežádoucí kovový předmět, který obvod zkratoval, prostě roztavili a zničili. Možná to bylo odvážné, ale nepochybně byl celý postup pečlivě zvážený a promyšlený, navíc, jak říká fyzik Luboš Motl: „LHC samotné je také „odvážný experiment“ a lidé, kteří ho mají na starost, nejsou bandou byrokratů, kteří všechno neustále zpomalují, protože to neodpovídá nějakým standardním rituálům a normám bezpečnosti.“ A připomíná i, že LHC je unikátní zařízení, které musí z podstatě věci pracovat na maximum a na hranici rozumného rizika - jinak by sice pracovalo spolehlivě, ale nic nového by nezjistilo.

Začínáme zvolna

První svazky částic tak mohly urychlovačem proběhnout už během velikonočního víkendu, přesněji dopoledne v neděli 5. dubna (viz tisková zpráva). Zatím se jednalo skutečně jen o zkoušku přístroje, hluboko pod hranicí možného – paprsky měly energii jen zhruba pěti procent maxima. Než bude přístroj uvedený plně do provozu, proběhne podobných či důležitějších zkoušek ještě celá řada. Plného výkonu by mělo být dosaženo zhruba na začátku léta.

Proč GeVy a TeVy? Elektronvolt (eV) není jednotka hmotnosti, ale jednotka energie. Je roven energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. A protože mezi energií a hmotností existuje pevný vztah (slavné E=mc2), lze jednotku energie použít i k vyjádření hmotnosti. Správně by se mělo v takovém případě psát eV/c² (tedy lomeno druhou mocninou rychlosti světla), podle nepsané fyzikální konvence se ovšem tato část vynechává. Jednotka se používá pro vyjádření hmotnosti jednotlivých částic i proto, že výsledná čísla jsou mnohem lidštější, než kdyby se pracovalo se zlomky kilogramu. Porovnejme se to na příkladu elektronu: ten má hmotnost buď 511 kiloelektronvoltů nebo 9,11x10-31kilogramu. A jeden proton váží příjemných 0,931 gigaelektronvoltu (při rychlém počítání z hlavy to jde zaokrouhlit na jedna). S čím by se vám pracovalo lépe?

I když vylepšení je více, tím základním je zvýšení energie urychlovaných částic a tím i srážek, které v LHC probíhají. Má být zhruba dvakrát vyšší než během tříletého provozu před odstávkou – konkrétně by měla energie srážek dosahovat hodnot kolem 13 teraelektronvoltů (TeV) místo 8 TeV (teraelektronvolt je jednotka energie, ale používá se i k označení částic podle vztahu E=mc2).

Proč? V tomto ohledu je částicová fyzika poměrně jednoduchá: „Větší energie srážek jednoduše znamená, že se může objevovat více událostí, které při běžných energií vidět nemůžeme,“ shrnuje lapidárně výhody urychlovače fyzik Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd. Jinými slovy: při srážce dvou částice se část jejich pohybové energie může přeměnit na hmotnost úplně nových částic (znovu připomínáme Einsteinovo E=mc2. Hmota je tedy převoditelná na energii.) Pokud je energie málo, vzniknou jen obvyklé částice. Pokud jí je opravdu hodně, „na troskách“ částic zaniklých při srážce vzniknou i velmi těžké a exotické částice, které běžně pozorovat nemůžeme. A v tom je celé kouzlo.

Částice, které můžeme pozorovat běžně, máme až na výjimky popsané do detailů. Ale to nic neříká o stavbě vesmíru „nad nimi“ - včetně otázek, co ho vlastně tvoří, jak vznikal, nebo jak vlastně funguje gravitace atp. Existuje řada hypotéz, které (každá jinak a obvykle navzájem neslučitelnými způsoby) na základě známých údajů vysvětlují mezery v našem fyzikálním poznání. Tyto myšlenky a systémy jsou různě propracované a různě přesvědčivé, ale všechny mají společné jedno: nemáme pro ně empirické důkazy.

LHC by to mohl změnit. Mezi „exoty“ vznikajícími během srážek by se mohly objevit i částice, které připouští jen některé z těchto teorií a jiné nikoliv. Dnes diskutované fyzikální hypotézy by se tak mohly ještě důkladně probrat a fyzikové by měli získat lepší informace o tom, který směr jejich uvažování je ten správný. „Znovuspuštění LHC je tedy pro fyziku zásadní okamžik,“ říká jednoduše Jiří Chýla.

Záběry z řídícího stanoviště LHC během průběhu prvního svazku na Květnou neděli 2015. Na snímku je i ředitel CERN Rolf Heuer - je to ten nenápadný bělovlasý pán v černém svetru a džínách v poslední řadě „kibiců“.

Jak na to

I když záběr LHC je velmi široký a zařízení je velmi všestranné, práce na něm se logicky soustředí především do několika zvláště slibných směrů. Jedním bude přesnější proměřování už objeveného Higgsova bosonu do všech detailů (i když od jeho objevu se jich už dost vynořilo a s nimi i řada nových otázek). Výkonnější LHC by měl těchto částic produkovat více, a tak by bylo možné především přesněji určit, kolik jich opravdu vzniká. Různé fyzikální teorie předpovídají v tomto ohledu různé hodnoty, a některé by tedy bylo možné vyřadit.

I když je další výzkum již objevené částice velmi zajímavý, pozornost bude soustředěna v příštím období zejména na SUSY. Pod touto zkratkou se skrývá tzv. teorie supersymetrie. Základní premisou této elegantní domněnky zjednodušeně řečeno je, že všechny známé částice mají svého symetrického partnera – částici s řadou vlastností stejných, ale s posunutou hodnotou jedné ze základních vlastností, tzv. spinu. Je to asi podobné dělení jako rozdělení na částice a antičástice, jen kritérium je jiné. (Trochu podrobnější vysvětlení je, že v každém symetrickém páru je díky posunu spinu jedna částice boson a druhá fermion. Je to zásadní rozdíl, jak je asi jasné i z toho, že všechnu hmotu tvoří výhradně fermiony. Systémy z bosonů na to nejsou kvůli jejich vlastnostem dost stabilní.)

Stejně jako v případě objevu antihmoty i důsledky objevu supersymetrie by byly pro fyziku zásadní. „Hlavním uživatelům výsledků by byla kosmologie,“ říká Jiří Chýla. Vědci zabývající se popisem vzniku vesmíru a jeho zákonitostí se totiž už zhruba půl století potýkají s vážným inventárním problémem: ve vesmíru je zřejmě mnohem více hmoty, než kolik ji vidíme. Z pozorování dobře víme, že námi pozorované galaxie se chovají trochu zvláštně. Rotují tak rychle, že by se měly podle všech fyzikálních vědomostí rozlétnout na jednotlivé hvězdy (podrobněji v tomto článku). Něco je evidentně drží pohromadě a většina fyziků se dnes domnívá, že tím záhadným lepidlem je gravitace hmoty, kterou nemůžeme pozorovat.

Temnou hmotu hledají i další vědecké experimenty. Na snímku jsou optické detektory (fotonásobiče), které zachycují stopy srážek částic přilétajících z vesmíru v detektoru LUX. Vědci doufali, že v těchto karambolech objeví stopy vzniku přepokládaných těžkých částic temné hmoty, ale zatím se to nepodařilo.

Zatím nejpravděpodobnější vysvětlení, které fyzika nabízí, je přítomnost tzv. temné hmoty, která je běžnými metodami nepozorovatelná. Temná hmota by se zcela běžně měla vyskytovat všude kolem nás, nejen někde daleko ve vesmíru, ale přímo v našich tělech. Sice jen ve velmi malém množství, ale dohromady by mělo temné hmoty být tolik, že viditelnou hmotu by měla na hmotnost převyšovat zhruba pětinásobně.

Co ale tuhle vesmírnou záhadu může tvořit? Nápadů mají teoretičtí fyzikové poměrně dost, ale nejpravděpodobnější je, že by mohlo jít skutečně o nějaké supersymetrické partnery jiných, běžnějších částic. Podle teoretických modelů by mohly být skutečně dostatečně hmotné a přitom „laxní“, aby se nenechaly ovlivňovat většinou fyzikálních sil, právě s výjimkou gravitace. Mohly by tedy bez problémů procházet běžnou hmotou a soustřeďovat se do míst se zvýšenou gravitací, jako jsou třeba středy galaxií. Vysvětlení záhady temné hmoty přitom není to jediné, co by objev supersymetrie mohl přinést, možných přínosů je celá řada.

Co naznačuje Higgs

Jaká ale je pravděpodobnost, že SUSY na LHC skutečně objevíme? „Já mám už pět let uzavřenou sázku s Adamem Falkowskim, fenomenologem a „odpadlíkem od supersymetrické víry“ o 10 tisíc dolarů, že supersymetrie objevena bude,“ říká fyzik Luboš Motl. Je to ovšem asymetrická sázka – pokud se český fyzik mýlí, a SUSY se neobjeví, zaplatí jen 100 dolarů. Svou výhrou si je ovšem jistější více, než by naznačoval kurz 1:100.

Souvisí to i s objevem Higgsova bosonu. Jeho hmotnost sice není na částicové poměry nijak malá (cca 125 GeV, tedy zhruba dvojnásobek hmotnosti atomu mědi), ale je nižší, než předpokládala celá řada fyzikálních hypotéz. Pokud tuto hodnotu dosadíme do nejlepší předpovědi o podobě SUSY, vychází, že supersymetrické částice by měly být také poměrně lehké. Hmotnost těch, které by mohl LHC snadno „vidět“ (především tzv. gluino), by mohla být těsně za hranicí výkonností „starého“ LHC (jde o hmotnosti kolem 1 000 GeV). Upgradovaný přístroj by tak mohl jejich existenci potvrdit nebo vyvrátit poměrně rychle, možná už během týdnů. „Je možné, že první informace se objeví během měsíce, ale spíše ne,“ říká Luboš Motl. Odpověď na otázku, zda vsadil správně, čeká v každém případě s velkou pravděpodobností už letos.

Záběr sestavování detektoru CMS na urychlovači LHC. Je to jeden ze dvou největších detektorů v tunelu pod střediskem CERN, které odvádí hlavní díl práce při hledání Higgsova bosonu

Jistotu ovšem nemá. Existují i věrohodné hypotézy, podle kterých LHC neuvidí v podstatě nic nového. Existují modely, podle kterých sice SUSY opravdu existuje, ale supersymetrické částice mají tak vysokou hmotnost, že je LHC nemá šanci vidět. I temná hmota může být z částic, které vznikají za tak vysokých energií, že v CERNu zatím vznikat nemohou. A pokud SUSY neexistuje, je to konstelace ještě méně nakloněna novým objevům: je totiž téměř jisté, že urychlovač nemá dost síly, aby zahlédl nějaké experimentální důkazy o existenci teorie strun či tzv. velkého sjednocení.

Scénáři, kdy ani posílený LHC neobjeví nic nového, se někdy přezdívá „noční můra částicové fyziky“, ale tak špatné by to asi nebylo. I negativní objev by naznačil, jak může vypadat svět skrytý naší bezprostřední zkušenosti. Někteří teoretičtí fyzikové například říkají, že „neobjev“ nové částice na LHC by byl velmi zajímavým argumentem pro podporu teorie existence mnoha vesmírů, tzv. multiverza, multiuniverza či multivesmíru. Zatím je ale na podobné úvahy ovšem brzo – naopak se můžeme těšit, že z Ženevy by mohly už brzy dorazit velmi zajímavé zprávy.