Listopad 2003

Blíží se přelom v chápání vesmíru?

Martin Uhlíř

V roce 2007 má začít fungovat nový urychlovač, který umožní nahlédnout přírodě do karet a ověřit současné teorie. Odkud se vzaly základní přírodní síly a jak spolu souvisejí? Teorií je víc, vědci ale nemohou zjistit, která je správná. Nový urychlovač v proslulé laboratoři CERN by to měl změnit.

"Ať tě provází síla," přejí si navzájem postavy Hvězdných válek. Ač si autoři těchto fantastických filmů s fyzikou nijak zvlášť nelámali hlavu, v tomto případě se příliš nespletli. Kdysi skutečně existovala jednotná univerzální síla, která ovládala celý kosmos. Ze své absolutní moci se však netěšila dlouho, přetrvala jen několik prvních zlomků okamžiku po velkém třesku. Jak vesmír bleskově chladl a expandoval, postupně se z ní vydělily čtyři druhy sil, které dodnes diktují pravidla hry všemu od nitra atomu až po obří shluky galaxií. Jak spolu tyto "čtyři dcery jedné pramatky" souvisejí? Proč se stal vesmír takovým, jakým je dnes? Odpověď hledají vědci pomocí obřích urychlovačů a detektorů, zařízení, v nichž se srážejí částice, pohybující se s velkou energií. Ve chvíli srážky zavládnou pekelné podmínky, které se blíží těm, jež panovaly těsně po vzniku kosmu. Na okamžik se objevují svědkové procesů probíhajících daleko za horizontem našeho vychladlého světa. Fyzikové s napětím očekávají rok 2007, kdy má být na francouzsko-švýcarských hranicích uveden do provozu nový urychlovač LHC (Large Hadron Collider). Gigantické zařízení se stane součástí Evropské laboratoře pro fyziku částic (CERN). Bude mít podobu kruhového prstence o délce 27 km, ukrytého až 150 metrů pod zemským povrchem.

V nitru urychlovačů se odehrávají podivuhodné věci. "Když se v našem obyčejném světě srazí dvě škodovky, zbude hromada plechů, možná upadne kolo a někde se válí kliková hřídel - všechno jsou to ale součástky, které byly v těch původních škodovkách. Jestliže se dvě 'škodovky' srazí s dostatečnou energií v mikrosvětě, nastane úplně jiná situace: můžete dostat jednu škodovku, tři toyoty, dva trabanty a také třeba několik nákladních aut," vysvětluje dr. Jiří Dolejší z MFF UK v Praze. Proto raději než o silách, které takové divy způsobují, mluvíme o interakcích. Při srážkách zkrátka vznikají částice zcela nové, které mohou prozradit leccos o struktuře vesmíru. Takzvaný standardní model mikrosvěta, teorie budovaná desítky let, shrnuje naše vědomosti o základních stavebních kamenech hmoty a interakcích mezi nimi. Má však své slabiny a není úplným popisem přírody. I proto musejí přijít další pokusy na novém, dokonalejším urychlovači.

Prázdné místo v zoo

Čím byl pro rytíře kulatého stolu svatý grál, tím je pro současné badatele částice nazývaná Higgsův boson. V zoologické zahradě částic, popisovaných standardním modelem mikrosvěta, je dosud jedna prázdná klec. Právě v ní by se měl Higgsův boson nacházet. Je to poslední důležitý kamínek, který zatím schází v komplikované a propracované mozaice. Pokusy na urychlovačích však dosud neukázaly, zda Higgsův boson skutečně existuje. Vědci zatím přesně nevědí, při jaké energii by se mohl objevit. Pátrání proto tak trochu připomíná střelbu na terč, jehož poloha není známa. Každý výstřel je přitom nesmírně drahý. S Higgsovým bosonem souvisí Higgsovo pole, kterému standardní model přiřkl velmi důležitou úlohu: Proč mají některé částice velkou hmotnost, a jiné naopak "neváží nic"? Protože na ty první působí Higgsovo pole velmi silně, zatímco těch druhých si nevšímá. Pole by tedy mělo hrát roli vládce, který propůjčuje částicím velmi důležitou fyzikální vlastnost hmotnost. Tyto představy pomáhají sjednotit dvě ze zmíněných čtyř základních přírodních sil. Podílejí se na tom, že standardní model dokáže popsat elektromagnetismus a takzvanou slabou interakci jako dvě strany jedné mince. Elektromagnetismus dal o své existenci vědět již pravěkým lidem: světlo není nic jiného než vlnění elektromagnetického pole, projevem elektromagnetismu je třeba blesk. Naproti tomu slabá interakce, která způsobuje jistý druh radioaktivního rozpadu, zůstala neznámá až do konce 19. století. Je totiž opravdu slabá, v našem světě jsou její projevy velice jemné. Navíc jejími nositeli jsou velmi hmotné částice zvané bosony W a Z, které mohou cestovat jen na extrémě krátkou vzdálenost, proto je dosah slabé interakce jen malý. Naproti tomu nositel elektromagnetismu - foton - žádnou klidovou hmotnost nemá, bez problémů putuje napříč vesmírem na obrovské vzdálenosti, a má-li správnou vlnovou délku, zaznamená jej i lidské oko. Podle standardního modelu by mělo za tento "stav věcí" zodpovídat právě Higgsovo pole. V prvních okamžicích po velkém třesku bylo toto pole nulové, pak se ale "zapnulo" - a právě způsob, jakým se to stalo, rozhodl o tom, že se foton stane běžnou součástí našeho světa, zatímco W a Z bosony zůstanou skryty.

Američtí teoretičtí fyzici Gordon Kane a Edward Witten přirovnávají "zapnutí" Higgsova pole k tomu, jak vznikla z planetární mlhoviny Země. Způsob, kterým se nově zformovaná planeta pohybovala kolem Slunce, a poloha její osy rozhodly o tom, že rovník je pro člověka od nejstarších dob snadno přístupným a dobře známým místem. Severní pól ovšem zůstal skryt v neznámu až do doby, kdy jeho dobytí umožnil pokrok civilizace. V roce 2000 se zdálo, že se fyzikům z CERN podařilo zachytit stopy existence Higgsova bosonu. Byl by to objev, který by bezpochyby svým autorům přinesl Nobelovu cenu. Důkazy ale nebyly přesvědčivé, protože měření nemohla trvat dlouho. Tehdejší urychlovač LEP totiž musel uvolnit místo montáži nového zařízení - právě toho, které má začít fungovat v netrpělivě očekávaném roce 2007.

Obézní sourozenci

Zbývají ještě dvě "dcery dávné pramatky": gravitace a takzvaná silná interakce, díky níž drží pohromadě částice v atomových jádrech. Jak souvisejí s předchozími dvěma silami? Vysvětlení by opět mohl nalézt nový urychlovač LHC. Důležité bude, zda se při experimentech podaří zachytit takzvané supersymetrické částice. Právě teorie, která předpovídá jejich existenci, je dosud nejnadějnějším pokusem současné fyziky spojit gravitaci s ostatními interakcemi. Teorie supersymetrie tvrdí, že každá známá částice by měla mít své dosud neobjevené, "obézní" dvojče, svůj velmi hmotný protějšek. (To, že "dvojče" musí být obézní, je ovšem poněkud z nouze ctnost: fyzikům by se mnohem víc hodilo, kdyby oba sourozenci "vážili stejně". Pak by však supersymetričtí partneři obyčejných částic už museli být objeveni.) "Chceme-li sjednotit gravitaci s ostatními interakcemi, podle některých současných představ se bez supersymetrie prostě neobejdeme," říká dr. Jiří Rameš z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Existuje skutečně skrytý svět obézních dvojčat? Nové zařízení v CERN dokáže srážejícím se částicím udělit větší energii než dřívější generace urychlovačů, a mohlo by tedy tyto neviditelné bumbrlíčky odhalit. Pokud se to ale nepodaří, nebude to podle dr. Rameše žádná tragédie, jen znamení, že příroda rozdala karty jiným způsobem, než se nyní zdá. Nový urychlovač LHC a jeho detektory, na jejichž vybudování se podílí i několik desítek českých vědců a techniků, čeká obtížný úkol nalézt odpovědi i na další důležité otázky: co tvoří podstatu skryté hmoty v kosmu - nemohli by to být právě "obézní" supersymetričtí partneři dosud známých částic? Odkud se bere něco přes dvacet základních fyzikálních konstant, které umíme změřit, ale nikoliv vysvětlit? Existují skryté dimenze? Skutečně ve vesmíru není žádná antihmota? Málokdy se ovšem podaří předpovědět, jaké objevy vědci učiní. Badatelé proto věří, že jim pokusy na novém urychlovači přinesou velká překvapení.

Urychlovači vadí déšť i vlaky

Urychlovače a detektory v Evropské laboratoři fyziky částic (CERN) jsou tak citlivé, že reagují na déšť, ačkoli jsou umístěny hluboko pod zemí. Při větších srážkách stoupne hladina podzemní vody v okolí Ženevského jezera a ovlivní obvod tunelu s urychlovačem. Kromě deště působí problémy i další vlivy aparatury reagují třeba i na slapové síly vyvolané Měsícem. Potíže způsobují i rychlovlaky TGV. Místo aby proud tekl kolejemi, putuje ho část podzemím a ovlivňuje práci urychlovače. Nový supervýkonný urychlovač LHC má začít pracovat v roce 2007 (termín byl ale už několikrát posunut). Budou se v něm srážet především protony urychlené na vysoké energie, které poletí téměř rychlostí světla. V trubici urychlovače musí být dokonalé vakuum, aby se protony zbytečně nesrážely se zbytkovým plynem.

Částice, které vzniknou při srážkách, budou zachycovány čtyřmi detektory. Jedním z největších je Atlas, zařízení o rozměrech pětipatrového domu, vybudované 100 m pod zemských povrchem. Součástí Atlasu bude deset miliard tranzistorů, tedy téměř tolik, kolik je hvězd v naší galaxii. Na jeho vybudování se podílí asi 2000 fyziků a techniků z celého světa. Řada z nich pochází i z ČR. V Praze se tento týden konala důležitá porada účastníků projektu, které se zúčastnilo přes 200 vědců z různých zemí.

Čtyři základní přírodní síly

* Gravitace je ze všech základních sil nejslabší. Částice, o které se domníváme, že je nositelem gravitace - graviton nebyla dosud objevena. Pro vědce, kteří se pokoušejí vybudovat jednotnou teorii všech čtyř základních přírodních sil (interakcí), je právě zapojení gravitace nejtvrdším oříškem.

* Silná interakce je, jak napovídá název, naopak nejsilnější. Díky ní mohou částice zvané kvarky vytvářet protony a neutrony v atomových jádrech. Nositelem silné interakce je částice gluon (z angl. glue - lepidlo). Jinými slovy kvarky drží pohromadě proto, že navzájem "cítí" svoji přítomnost díky jiným částicím gluonům; jsou "slepovány" gluonovým polem.

* Elektromagnetická interakce udržuje elektrony na drahách kolem atomového jádra, díky ní drží pohromadě atomy v molekulách i pevné látky. Umožňuje fungování mobilních telefonů, tramvají a podobně. Jejím nositelem je foton.

* Slabá interakce pomáhá hvězdám svítit a způsobuje jistý typ radioaktivity (beta rozpad). Jejími nositeli jsou částice W a Z.

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)