Pohľad na nočnú oblohu ľudí fascinuje. Ako a kedy vznikli hviezdy, prečo svietia, sú pri nich iné planéty, je tam život? Ako vznikol a ako funguje vesmír, čo ho drží pokope, kde sa tu vzalo Slnko a Zem, z akých stavebných prvkov sa skladá hmota? Koľko o tom vieme, koľko o tom nevieme? Po základných kameňoch nášho sveta pátrali vedci odjakživa. Väčšinou osamotene v tichu pracovní alebo s malým tímom spolupracovníkov.
CERN predstavuje prelomový vedecký experiment. Slovo jadrový v názve nie je odvodené od jadrových zbraní. V CERN-e skúmajú jadro atómu preto, aby odpovedali na najzákladnejšie fyzikálne otázky fungovania tohto sveta.
Načo nám sú fyzici?
Známy bonmot tvrdí, že fyzikov stvorili atómy preto, aby sa o sebe niečo dozvedeli. Fyzici zas preto akosi na revanš museli stvoriť urýchľovače, aby mohli nazrieť do inej reality, ktorou jadro atómu nepochybne je. Tam už neplatia rozmery ani rýchlosti známe z nášho sveta.
Prvý urýchľovač z roku 1930 mal obvod trinásť centimetrov a jeho magnety vyzerali ako dve pokrievky na jednom hrnci. Mohli ste ho zobrať do ruky. Najmodernejší urýchľovač, ktorý má dnes práve CERN, je v tuneli dlhom 27 kilometrov takmer sto metrov pod zemou. Obklopujú ho magnety a zariadenia veľké ako niekoľkoposchodové domy, zasadené vo veľkých podzemných jaskyniach. Magnety umožňujú prevádzku urýchľovača, detektory analýzu dát.
Foto: CERN
Ide o najväčšie a najzložitejšie vedecké zariadenie, aké bolo kedy vyrobené. Pritom úloha oboch neporovnateľných zariadení, ktoré delí takmer sedemdesiat rokov, je približne rovnaká: urýchliť atómové častice tak, aby ich zrážka priniesla vznik menších a ešte menších častíc, ktoré by odhalili viac, než vieme doteraz. Preto mnohí fyzici hovoria o najvzrušujúcejšom experimente v histórii vôbec. Doteraz nikdy sa ľuďom nepodarilo napodobniť a študovať podmienky, vládnuce krátko po veľkom tresku pred 13,7 miliardy rokov.
Bozóny a neutríno
Ani letmý pohľad do histórie CERN-u sa nezaobíde bez niekoľkých exotických názvov, ktorými sa časticová fyzika len tak hemží. Už známy taliansky fyzik Enrico Fermi sa dávno pred nástupom moderných urýchľovačov sťažoval, že mu tento „časticový zverinec“ prerastá cez hlavu.
Tak napríklad W a Z bozóny. Bol to jeden z najvýznamnejších objavov fyzikov z CERN-u. Sú to dvaja veľmi blízki časticoví príbuzní, sprostredkúvajúci jednu zo štyroch hlavných síl prírody, v tomto prípade slabú jadrovú interakciu. Nobelova cena pre Carla Rubbiu a Simona van der Meera za tento prevratný výsledok nasledovala ihneď po objave – v roku 1984. Väčšinou čakajú nobelisti na svoje vavríny oveľa dlhšie.
Ďalším veľkým úspechom bol objav neutrína, ktoré síce veľmi ľahko preniká hmotou, no je takmer nemožné ho polapiť. Jeho existenciu predpovedal už v 30. rokoch 20. storočia rakúsky fyzik Wolfgang Pauli, teoreticky ju zdôvodnil práve Fermi (neskôr sa sťažoval, že to bola chyba, lebo takú časticu aj tak nikdy nikto neuvidí – žiaľ, objavu v CERN-e sa už nedožil).
Vatikán a antihmota
Antihmotu pozorovali v CERN-e prvýkrát už v roku 1965. O tridsať rokov neskôr tu zaznamenali ďalší veľký objav: antivodík. Bol to významný krok pri poznaní antihmoty, teoreticky predpovedanej slávnym Britom Paulom Diracom v 30. rokoch uplynulého storočia. V roku 2010 tu izolovali 38 atómov antivodíka a v roku 2011 dokázali antivodík „uskladniť“ na 15 minút.
Foto: CERN
Antihmota teda rozhodne nie je výmyslom sci-fi. Veď napríklad pozitrónová tomografia by bez antičastice elektrónu (pozitrónu) nemohla fungovať. Výmyslom – a dosť pritiahnutým za vlasy – však bol film z roku 2009 Anjeli a démoni podľa knihy Dana Browna s Tomom Hanksom v hlavnej úlohe. Stvárnil staronovú tému osudového rozporu medzi náboženstvom a vedou. Zo Ženevy, kde sa podľa tvorcov filmu nachádza tajná vedecká organizácia, zmizlo veľké množstvo antihmoty, ktoré malo zničiť Vatikán. Tvorcom filmu ušlo, že antihmota v takom množstve by sa vyrábala sto miliónov rokov.
Odhliadnuc od toho, že toľko antihmoty by nik nedokázal uskladniť, lebo antihmota veľmi rada a veľmi búrlivo reaguje s hmotou (preto je jednou z veľkých fyzikálnych záhad, prečo pri veľkom tresku vzniklo o čosi viac hmoty, vďaka čomu sme tu a môžeme si nad tým lámať hlavy).
Fyzici – aspoň niektorí – však majú zmysel pre recesiu. Pochopili Diablov a démonov ako diabolskú výzvu, aby začali verejnosti vysvetľovať, čo v skutočnosti skúma časticová fyzika, na čo je dobrá a prečo sa oplatí vkladať do nej miliardy eur. Ešte aj riaditeľ CERN-u Rolf-Dieter Heuer v nedávnom vystúpení v Českej televízii povedal, že film napriek svojim nedostatkom urobil fyzike dobrú službu.
Internet aj Higgsov bozón
Pracovníci tejto inštitúcie sa postarali o vynález a rozšírenie dnes už nenahraditeľnej technológie, ktorá odštartovala boom internetu. Prvú webovú stránku na svete – info.cern.ch – vytvorili v rokoch 1989 a 1990 Tim Berners-Lee a Robert Cailliau pre vedcov na univerzitách a v laboratóriách po celom svete, ktorých spolupráca vyžadovala spoločné využívanie dát. CERN dal technológiu www stránok k dispozícii používateľom bezplatne, aj keď v tomto prípade išlo o veľmi významnú komerčnú aplikáciu.
Suverénne najvýznamnejším a takisto najočakávanejším objavom bolo relatívne nedávne potvrdenie existencie Higgsovho bozónu z roku 2012. Vo vzrušenej atmosfére očakávania veľkého objavu existenciu tejto „božskej častice“ nakoniec potvrdili dva nezávisle pracujúce tímy na detektoroch ATLAS a CMS. Stalo sa tak na tlačovej konferencii, ktorú sledoval doslova celý svet.
Foto: AP, SITA
Higgsov bozón akýmsi záhadným spôsobom „udeľuje“ ostatným časticiam hmotnosť (aspoň my laici to tak vidíme). Bol to posledný stavebný kameň, ktorý chýbal na potvrdenie správnosti štandardného fyzikálneho modelu, teda spôsobu, akým fyzici opisujú reálny svet. Ostatných jedenásť častíc už vedci poznali predtým. Takže v roku 2013 mohli konečne britský fyzik Peter Higgs a belgický vedec François Englert dostať Nobelovu cenu. „Svoj“ bozón predpovedali už v 60. rokoch uplynulého storočia, načakali sa teda naozaj dosť.
Aké experimenty tu prebiehajú dnes?
V CERN-e prebieha dovedna 25 základných experimentov. V ich rámci sa každoročne uskutočňujú ďalšie desiatky pokusov. Vybrali sme iba niektoré, aby ilustrovali technickú náročnosť a rôznorodosť projektov.
ALICE: Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) vytvára teploty stotisíckrát vyššie ako v jadre Slnka. Vďaka tomu môže detektor ALICE skúmať kvark-gluónovú plazmu, ktorá sa zrejme formovala v neuveriteľne horúcich okamihoch okamžite po veľkom tresku. ALICE sama pochádza z ríše divov: má hmotnosť 10-tisíc ton, dĺžku 26 metrov, výšku a šírku po 16 metrov. Experimentu sa venuje tisíc vedcov, pochádzajúcich z vyše stovky inštitúcií z tridsiatich krajín.
AMS: Magnetický spektrometer Alpha hľadá vo vesmíre prejavy temnej (skrytej) hmoty, antihmoty a chýbajúcej hmoty. V roku 2011 ho namontovala na modul Medzinárodnej kozmickej stanice (ISS) posádka raketoplánu Endeavour. Generálny riaditeľ CERN-u Heuer považuje odhalenie podstaty skrytej hmoty za najväčšiu výzvu súčasnej fyziky. Ako by aj nie, veď v súčasnosti vidíme iba štyri percentá vesmíru. Ostatné je skrytá hmota a skrytá energia.
ATLAS: Jeden z kľúčových experimentov LHC, na ktorom pracuje vyše tritisíc vedcov zo 174 inštitútov 37 krajín. Do umelo vytvorenej jaskyne skrytej sto metrov pod povrchom museli obrovský detektor (7-tisíc ton) spustiť po častiach. Leží pri malej švajčiarskej dedinke, kde rieši široké spektrum fundamentálnych otázok fyziky: Higgsov bozón, extradimenzie, skrytú hmotu. Vie nájsť častice s rozmerom miliardtiny miliardtiny metra, teda tisíckrát menšie ako protón.
CLOUD: Existuje nejaký vzťah medzi kozmickým žiarením a formovaním mrakov? Odpoveď na to môže dať špeciálna superčistá hmlová komora, využívaná v rámci experimentu CLOUD v spolupráci s protónovým synchrotrónom. Po prvý raz v histórii vedeckého výskumu sa tu častice urýchlené s pomocou vysokých energií používajú na výskum klímy. Doteraz robila podobné experimenty iba príroda.
ISOLDE: Tento experiment, naopak, skúma častice urýchlené s pomocou nízkych energií. Ide o atómové jadrá, ktoré majú buď príliš veľa, alebo príliš málo neutrónov na to, aby boli stabilné. ISOLDE spĺňa dávny sen alchymistov o premene jedného prvku na druhý. Výsledky experimentu, získané štúdiom mikrosveta, majú významný presah do astrofyziky, materiálových vied či dokonca biológie.
Najdrahšia diera v kozme
Na záver ešte jedna perlička, ktorá ukazuje, že na urýchľovačoch si môžu vylámať zuby aj najbohatšie krajiny. Pred vyše dvadsiatimi rokmi USA plánovali vybudovať superurýchľovač s obvodom tunela 83 km. Steven Weinberg, jeden z najvýznamnejších amerických fyzikov, ho vtedy pred americkým Kongresom podporil slovami: „Máme dôvod veriť, že vo fyzike elementárnych častíc sa dozvedáme niečo veľmi hlboké o logickej štruktúre vesmíru.“ (Dostal tiež otázku, či urýchľovač nájde boha, o tom však radšej mlčal.)
Kongres výstavbu urýchľovača povolil, potom ju však zrušil. Hlavným dôvodom boli astronomické náklady. Medzitým však už Američania stihli vykopať 22-kilometrový tunel. Bill Bryson v knihe Stručná história takmer všetkého udalosť okomentoval takto: „Texas sa teraz môže pochváliť najdrahšou dierou v kozme.“
Základné fakty:
- CERN sa nachádza na švajčiarsko-francúzskej hranici severozápadne od Ženevy. Vznikol 29. septembra 1954 dohodou dvanástich európskych štátov. Najviac peňazí do vybudovania CERN-u vložilo Nemecko, Veľká Británia a Taliansko. Dnes má 21 členov s populáciou 517 miliónov ľudí, šesť ďalších čaká „v poradovníku“. Slovensko a Česko sa stali 19. a 20. členskou krajinou v roku 1993.
- Hlavnou úlohou CERN-u je prevádzkovať časticové urýchľovače a ďalšie moderné prístroje potrebné na výskum fyziky vysokých energií. Nachádza sa tu najväčšie laboratórium časticovej fyziky na svete, ktoré predstavuje špičku vo výskume najjemnejšej štruktúry hmoty.
- Prvý urýchľovač tu vznikol v roku 1957. Slúžil na pokusy v oblasti časticovej fyziky. Od roku 2008 je špičkovým zariadením CERN-u Veľký hadrónový urýchľovač (LHC), ktorý je súčasne najväčším experimentálnym prístrojom na svete. Na jeho výstavbe sa podieľalo 6 500 vedcov a inžinierov z 80 krajín sveta. V jeho 27 kilometrov dlhom podzemnom okruhu pod hranicou Francúzska a Švajčiarska krúžia po dvoch rôznych dráhach v opačných smeroch protóny, urýchlené až takmer na rýchlosť svetla. Pri zrážkach častíc LHC simuluje stav, aký bol vo vesmíre krátko po jeho vzniku.
- V CERN-e vyprodukujú za rok toľko informácií, ako celosvetová knižná produkcia za 25-tisíc rokov.
Povedali a napísali o CERN-e:
„Ak by pri experimentoch vznikli malé kvantové čierne diery, bol by to určitý náznak priam šialenej hypotézy, že vedľa nášho kozmu existujú paralelné svety, vzdialené milimeter od nášho.“
Michio Kaku, autor knihy Paralelné vesmíry
„Lov Higgsovho bozónu sa podobá na lov rýb v stredoveku. Namiesto toho, aby ste použili udicu, skúšate vyčerpať z potoka všetku vodu. Je to neuveriteľne únavné, no iná cesta neexistuje.“
Sergio Bertolucci, vedúci výskumu v CERN-e.
„Keď mi dokážete vysvetliť úlohu Higgsovho bozónu tak, aby tomu rozumel každý politik, peniaze budú. Zaujíma ma, čo tá častica robí.“
Margaret Thatcherová, bývalá britská premiérka, ktorej vláda rozhodovala v 80. rokoch 20. storočia o tom, či sa Veľká Británia zúčastní na stavbe LHC (zrejme jej to vysvetlili, lebo peniaze sa nakoniec našli).