CERN, 60 rokov fyziky

v čase, keď sa na Slovensku vydáva za vedu všeličo (napríklad „národná“ družica zostrojená partiou nadšencov), možno nezaškodí povedať si niečo o tom, ako vyzerá naozajstný medzinárodný vedecký výskum a ako sa na ňom podieľajú ľudia zo slovenských univerzít a ústavov SAV. Šesťdesiat rokov práce na urýchľovačoch v CERN-e na to poskytuje ideálnu príležitosť.

Myšlienka spoločného európskeho centra pre jadrovú a časticovú fyziku vznikla krátko po druhej svetovej vojne, konkrétne na sklonku roku 1949. Už vtedy bolo jasné, že ani jedna európska krajina nemá dosť personálnych ani finančných zdrojov na úplne špičkový experimentálny výskum v tejto oblasti. A keďže bolo zároveň jasné, že Američania ani Rusi určite nenechajú jadrovú fyziku na pokoji, neostávalo európskym štátom nič iné ako vzájomná spolupráca.

Prečo si Američania a Rusi nemohli dovoliť nerobiť intezívny výskum v jadrovej fyzike? Nuž preto, lebo táto fyzika priniesla jednak jadrové reaktory a jednak jadrovú bombu. Pre vojenskú veľmoc by zanedbanie výskumu s takými aplikáciami predstavovalo priveľké riziko, že prestane byť veľmocou. Prečo sa však z výskumu motivovaného aplikáciami stal výskum základný a prečo bol tento výskum taký nákladný? To sú zaujímavé otázky.

urýchľovače

S jadrovou fyzikou to bolo tak, že ani štyridsať rokov po objave atómových jadier (Ernest Rutherford, 1911) nikto jadrovým silám poriadne nerozumel. Ľudia im rozumeli dosť dobre na to, aby vedeli zostrojiť zariadenia dovtedy nevídaných možností, ale neexistovala nijaká uspokojivá a vnútorne konzistentná teória jadrových síl. A keďže nikto nevedel, k akým novým aplikáciám by mohla takáto teória viesť, bolo prirodzené venovať jej hľadaniu čo najväčšie úsilie.

„Myšlienka spoločného európskeho centra pre jadrovú a časticovú fyziku vznikla krátko po druhej svetovej vojne.“

Lenže toto úsilie zo začiatku nielenže neviedlo k jasnému pochopeniu síl, ktoré držia protóny a neutróny v jadrách, ale celú situáciu ešte oveľa viac zamotalo. V snahe získať čo najviac experimentálnych údajov týkajúcich sa protónov a neutrónov totiž fyzici celkom nečakane objavili množstvo nových častíc. Nikomu nebolo jasné, aká je úloha týchto častíc v stavbe nášho sveta, ale bolo jasné, že ak chceme pochopiť jadrové sily, musíme toho pochopiť oveľa viac. A tak vznikla fyzika elementárnych častíc, nový smer základného výskumu, ktorý nakoniec nijaké prevratné aplikácie nepriniesol (čo sa však dopredu nedalo vedieť). 

Ak chceli fyzici nové častice skúmať, museli ich predovšetkým vyrobiť. Ale ako sa vyrábajú nové veci, ktoré sú tými najzákladnejšími tehličkami hmoty? Robí sa to tak, že sa nechajú zraziť častice, ktoré máme bežne k dispozícii – v takejto zrážke totiž niekedy vniknú nové častice. Lenže na to, aby naozaj vznikli, treba veľmi prudké zrážky – aspoň jedna zo zrážajúcich sa častíc musí ísť obrovskou rýchlosťou, takmer rýchlosťou svetla. Základnou otázkou experimentálnej fyziky elementárnych častíc teda bolo: kde zobrať bežné častice s takými šialenými rýchlosťami?

Zo začiatku ich ľudia brali z vesmíru. Naša Zem je neustále bombardovaná kozmickým žiarením, ktoré obsahuje aj takéto rýchle častice. Lenže neobsahuje ich zas až toľko, koľko ich fyzici potrebovali. A tak sa rozhodli, že si budú urýchľovať častice sami.

Ako vyzerali urýchľovače vybudované v CERN-e? Už prvý z nich – nazývaný Synchrocyclotron – urýchľoval častice, konkrétne protóny, na rýchlosť blízku rýchlosti svetla. Rýchlejšie sa už ísť nedá. Napriek tomu postavili v CERN-e počas uplynulých 60 rokov ďalšie, oveľa väčšie, oveľa výkonnejšie a oveľa drahšie urýchľovače. Prečo to robili? Pretože v skutočnosti nie je dôležitá rýchlosť, akou do seba častice vrazia, ale energia, ktorú do zrážky prinesú. A hoci s rýchlosťou častíc nemôžeme ísť nad rýchlosť svetla, ich energiu môžeme zvyšovať prakticky ľubovoľne (pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla znamená totiž aj nepatrné zvýšenie rýchlosti obrovské zvýšenie energie). Len to vyžaduje čoraz väčšie a čoraz drahšie zariadenia.

SCIENCEPHOTO/PROFIMEDIARok 1975, CERN: Pod švajčiarskymi a francúzskymi poľami kopú sedem kilometrov dlhý kruhový tunel pre Super Proton Synchrotron – urýchľovač, na ktorom boli v roku 1983 objavené W a Z bozóny.

Prečo si vyššie energie vyžadujú väčšie mašiny? Pretože ak chceme urýchliť častice až tak veľmi, musíme ich urýchľovať viackrát, a to si vyžaduje v prípade rovných urýchľovačov čoraz väčšie vzdialenosti, aby bolo kam tie zariadenia s urýchľovacími elektrickými poľami umiestniť. Je tu, samozrejme, aj možnosť používať kruhové urýchľovače, v ktorých privedieme častice veľakrát do toho istého urýchľovacieho zariadenia, lenže aj to má svoj háčik. Nabité častice (a len také vieme urýchľovať) vyžiaria pri zatáčaní časť svojej energie vo forme elektromagnetického žiarenia, a toto vyžarovanie je tým intenzívnejšie, čím prudšie je zatáčanie. Ak by teda bol polomer kruhového urýchľovača príliš malý, častica by počas svojho návratu do urýchľovacieho zariadenia stratila všetku energiu, ktorú by sme jej v tomto zariadení dodali. Nuž ale malé zatáčanie znamená veľké polomery. Veľkým zariadeniam sa teda pri skúmaní najmenších čiatočiek hmoty jednoducho nedá vyhnúť. Aj preto boli rozmery prvého urýchľovača v CERN-e rádovo metre a rozmery toho posledného sú rádovo desiatky kilometrov.