Vo vnútri atómu

    Pokiaľ chceme hovoriť o modernej vede a výskume, určite nesmieme zabudnúť na časticovú fyziku a samozrejme s ňou spojené urýchľovanie častíc. Špičkou medzi urýchľovačmi je určite Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) v CERN-e.

CERN, the European Organization for Nuclear Research

    ...alebo Európska organizácia pre jadrový výskum je združenie tisícok vedcov a inžinierov z celého sveta, ktorí pátrajú po skrytých tajomstvách vesmíru. Na tejto ceste ich sprevádzajú najväčšie a najdrajšie vedecké experimenty v dejinách - veľké hadrónové urýchľovače, ktoré svojou činnosťou hľadajú dôkazy o existencii základných častíc z ktorých sa skladá všetko okolo nás aj my samotní.

CERN dnes ale nie je iba stredisko, ktorá hľadá odpovede na otzky hmoty, v prvom rade je to možnosť pre mladých fyzikov umožniť svoje výskomy a pochopiť krásu vedy. Viac vo videu .

    Vedci v CERNe sa snažia nájsť tajomstvo hmoty vo vesmíre a tým odpovedať na základné otázky vesmíru ako kde hmota vznikla, z čoho sa skladá a čo vlastne hmota je?

    Tieto zložité otázky môžu zodpovedať až vtedy, keď sa dostanú hlboko do vnútra atómu a na to im slúžia takzvané ,,urýchľovače". Časticový urýchľovač je zariadenie, ktoré pomocou elektrického a magnetického poľa udeľuje elektricky nabitým časticiam veľmi veľkú energiu zrýchlením takmer na rýchlosť svetla.Keď častica nadobudne potrebnú rýchlosť je pred ňu postavená prekážka (terčík alebo iná častica). Pri náraze na prekážku sa častica rozptýli. Pri tejto zrážke sa uvoľňuje obrovská energia, až niekoľko Terra elektrón-Voltov. Vďaka detektorom potom môžeme sledovať novovzniknuté častice ktoré vznikajú po zrážke. Pomocou týchto informácii môžeme sledovať zloženia hmoty okolo nás - atómov, elementárnych častíc, kvarkov ale aj počiatok samotného vesmíru. 

    Poznáme dva základné typy urýchľovačov: lineárny a kruhový. Najväčší lineárny urýchľovač je SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) v USA, ktorý má dĺžku 3,2 kilometra. Najznámejší a najväčší kruhový urýchľovač sa nachádza na švajčiarsko-francúzskej hranici, severozápadne od Ženevy. Urýchľovač v CERN-e bol spustený 30. Marca 2010. Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je projektovaný na urýchľovanie buď dvoch protibežných zväzkov protónov s následnou zrážku pri ťažiskovej energii približne 14 TeV alebo urýchľovanie dvoch protibežných zväzkov jadier olova s následnou zrážkou pri ťažiskovej energii 1146 TeV. V súčasnosti hlavným cieľom LHC je experimentálne preverenie existencie Higgsovho bozónu, ktorý je jednou z častíc štandardného modelu. Napriek tomu že časticová fyzika je ešte stále len začínajúca vedná disciplína, verím, že je to cesta ktorá nám môže objasniť mnohé doposiaľ nevysvetlené javy a možno aj samotný vznik vesmíru.

Bližšie vysvetlenie zrážok častíc v urýchľovačoch vo  videu. 

Obrázok: ATLAS - jeden z detektorov častíc v CERNe.

Obrázok: Vizualizácia zrážok v detektoroch.

LHC, The Large Hadron Collider

    ... alebo Veľký hadrónový urýchľovač je najväčšie výskumné zariadenie na svete s najvyšším výkonom. Jeho úloha je urýchľovať zväzky protónov, alebo jadier olova proti sebe v 27 kilometrov dlhom tunele, ktorý leží na Švajčiarsko-Francúzskych hraniciach 100 metrov pod zemou.

    Svoju činnosť začal 10. septembra 2008, no po deviatich dňoch došlo k jeho porušeniu. Po náročnej oprave bol znovu uvedený do prevádzy 20. novembra 2009 a tým sa začalo najzložitejšie vedecké pátranie po podstate hmoty - Higgsovom bozóne.  Dnes je jeho činnosť opäť prerušená, pretože 4. júla 2012 detektory ATLAS a CMS namerali častice s hmotnosťou zodpovedajúcou predpokladanej hmotnosti ,,higgsu" a čelí ,,prestavbe" na vyšší výkon, aby tieto merania potvrdil.

Ako funguje LHC?    

    Raz som rozprávala môjmu ocovi o CERNe a tomto projekte. Rozprávala som mu o 27km dlhom potrubí v ktorom sú zrážané častice s neuveriteľnou energiou a môj otec ako správny praktik sa nezaprel a dostal ma otázkou: ,, Z akého materiálu tam majú potrubie? Ako im to tam funguje?" Nevedela som.. O chvíľu neskôr sme sa s kamarátom dohodli, že to zistíme priamo z prvej ruky... :-)

  Z mailu slovenského fyzika v CERNe, Doc. RNDr. Dušana Bruncka CSc:

,,Dobry den, zacnem tym, ze som fyzik a Vasa otazka je ciste inzinierska. Ale skusim odpovedat:

V urychlovaci, teda aj v LHC, sa castice pohybuju, cirkuluju - vo vakuu. LHC ma tri rozne vakuove systemy:

• - vakuovy system pre distrubuciu helia
• - vakuovy system pre kryomagnety
• - vakuovy system pre zvazok. 

    Pre zvazok sa jedna o ultra vakuum, ma tlak cca 10^(-7) Pa pri teplote -5 K, pretoze cielom je vyhnut sa zrazkam zvazkovych castic s molekulami plynu, ktory moze byt v trubici, kde sa castice pohybuju. V oblasti tzv. interakcneho bodu, teda miesta, kde dochadza k realnym zrazkam, hodnota vakuua je cca 10^(-9) Pa. To robi tento priestor najprazdnejsim priestorom v nasej Slnecnej sustave. Objem tohto vakua je - dlzka 27 km, hrubky r cca 3 cm, co predstavuje objem 2 x (27.10^3 x pi x 0.03^2) ~ 150 m^3 Najvacsi vakuovy system ma kryogenika a po nej rozvod skvapalneneho helia. Zastavim sa teda pri beam-pipu, teda zvazkovej trubici. Jej 

ucel je udrzat vakuum, ona samotna neurychluje castice, to sposobuju zmeny elektromagnetickeho pola mimo trubice. Teda Vasa otazka ohladne typu potrubia: jedna sa trubicu hrubky cca 3 cm a dlzky 27 km o celkovom objeme 150 m^3. Ohladne materialu: ten je rozny. Z pohladu na "kvalitu zrazok", teda aby sa skutocne zrazali len napr. protony s protonmi bez velkeho pozadia, zlozenie trubice zvlast v okoli interakcnych bodov je pomerne zlozite (a neskutocne drahe). Je to zmes roznych prvkov... Nesmie napr. zvysovat radiacne pozadie v oblasti zrazky, co je pri danej svietivosti (toku urychlovanych castic) netrivialne, musi prispiet k pohlcovaniu zvyskoveho (nechceneho) plynu v trubici a pod. Preto obsahuje napr. prvok bor, uhlikove vlakna a pod. Teda z pohladu na Vasu otazku: alfou a omegou je zabezpecit nie prietok trubicou, ale jej vysoke vakuum za kazdych okolnosti. Snad Vam moj kolega k tomu doda viac. S pozdravom Dusan Bruncko"

Detektory zrážok

    Rôznobežné zväzky protónov sú v LHC usmerňované tak, aby sa proti sebe zrážali na štyroch miestach v tomto okruhu. Keď do seba narazia, vznikne explózia pri ktorej sa uvoľňuje veľké množstvo energie a vznikajú nové subatomárne častice: kvarky a leptóny. Na zaznamenanie týchto zrážok nám slúžia asticové detektory, ktoré vyzerajú ako obrie 30metrové digitálne fotoaparáty, ktoré z neuveriteľnou presnosťou merajú mnoho metrov na výšku  a dĺžku a dokážu sledovať častice, ktoré cez ne prechádzajú. Tak isto ako úrýchľovače samotné predstavujú veľkolepý úspech modernej techniky. V jaskyniach veľkých ako katedrály dokážu takmer presne zmerať energiu a hybnosťs jedinej subatomárnej častice. Sú doslova na hrane našich technických schopností, čo z nich robí jedny z najpodivuhodnejších vecí na Zemi.  V LHC máme konkrétne tieto 4 detektory zrážok: ATLAS, CMS, ALICE a LHC

ATLAS ( A Toroidal LHC ApparatuS)

    ATLAS je jedným z viacúčelových detektorov v LHC  v tvare valca s priemerom 25 m a dĺžkou 45 m. Jeho výskum je orientovaný na časticovú fyziku, fyzikálne procesy, temnú hmotu a, samozrejme, pátranie po Higgovom bozóne.

    ATLAS, podobne ako CMS, bude zaznamenávať trajektórie pri kolíziách.  Tvorí ho 8 obrovských magnetov, poskladaných na dĺžku do kruhu tak, aby magnetické pole bolo najsilnejšie v strede detektora. Každý z týchto magnetov meria 25 metrov a je zložený zo supravodivých cievok. ATLAS váži 7 000 ton – rovnako ako Eiffelova veža v Paríži.

    Na konštrukcii detektora ATLAS sa podieľala aj Slovenská republika zastúpená košickými vedcami a inžiniermi. V pracovnej skupine doc. RNDr. Dušana Bruncka, CSc. sa sústredili na príspevok ku kalorimetrickému detektoru, ktorým sa merajú energie častíc. Prispeli tiež do elektronickej kalibrácie kalorimetra na báze kvapalného argónu. V spolupráci so zahraničnými pracoviskami vyvinuli špeciálne, veľmi rýchle elektronické zosilňovače, ktoré pracujú pri teplote kvapalného argónu. Tieto snímače slúžia na snímanie signálov z kalorimetra. Košická skupina prispela aj dodávkami komponentov detektora a podieľala sa na inštalácii aparatúry experimentu ATLAS pod povrchom.

Obrázok: Zdroj: cern.ch    

ALICE ( A Large Ion Collider Experiment )

    Pre experiment ALICE sa budú v LHC zrážať ióny olova, aby sa tak vytvorili podmienky zhodné s tými po veľkom tresku. Získané dáta umožnia fyzikom študovať stav hmoty nazývaný ,,kvark-gluónová plazma", ktorá je aj skúmaným objektom detektora ALICE a pravdepodobne existovala po veľkom tresku. (Protóny a neutróny sú tvorené kvarkami, ktoré držia pohromade vďaka iným časticiam nazývaných gluóny (od anglického slova glue – lepidlo). Kolízia v LHC spôsobí teploty vyššie než 100 tisíc násobok teploty v jadre Slnka.

Obrázok: Zdroj: phys.org