História urýchľovačov používaných v CERNe

-     Synchrocyklotron a synchrotron

V roku 1957 bol do prevádzky zavedený prvý urýchľovač, takzvaný synchrocyklotron (SC), v ktorom bolo možné častice urýchliť na energiu 600 MeV. Avšak neskôr sa zameriava výhradne na jadrovú fyziku a ostatné častice skúma novší a výkonnejší protónový synchroton (PS), ktorý bol do prevádzky zaradený 24. novembra roku 1959 so schopnosťou častice urýchliť na energiu 28 GeV. S menšími úpravami pracoval až do roku 1990.

            -      ISR

Výnimočnosť CERNU spočívala práve v skúmaní protónov, čím sa líšil od ostatných laboratórií, ktoré sa budovali vo svete. Tie naopak pracovali s elektrónmi. Hlavným cieľom bolo využiť už hotoví protónový synchrotron – tým by vedci získali dva intenzívne zväzky protónov, ktoré by mohli viesť k spoločnej zrážke. V roku 1965 sa začal stavať urýchľovač s názvom Intersecting Storage Rings (ISR) hneď po tom, ako bola podpísaná dohoda s Francúzskom o rozšírení strediska aj na francúzskom území. Priemer jeho prstenca bol 300 metrov, čo v dnešnej dobe nepovažujeme za veľkú časť, no na vtedajšiu dobu to bol veľký úspech. V priebehu prípravy a stavby boli vyvinuté nové metódy na vytvorenie vysokého vákua v trubici prstenca a na jeho kontrolu. Ďalšie metódy sa zaoberali možnosťou detekovať zrážky častíc a spracovávať dáta z týchto experimentov. Zaradením ISR do prevádzky získal CERN svetovú prestíž. Dňa 27. januára 1971 začal v CERNe pracovať prvý protón.

           -      SPS

            Aby výskum v CERNE mohol pokročiť, bolo potrebné vynájsť urýchľovač, ktorý by vysvetľoval, prečo vo vesmíre prevažuje hmota nad antihmotou a prípadne vyhľadať ďalšie formy hmoty. V roku 1976 preto začal pracovať urýchľovač s názvom Super Proton Synchrotron, skrátene nazývaný aj ako SPS. Je to súčasne prvý urýchľovač, ktorého tunel prechádza cez hranicu medzi Francúzskom a Švajčiarskom. Jeho obvod dosahuje dĺžky sedem kilometrov. Urýchľovač začal pracovať na energii 300 GeV, ktorá sa postupne zvyšovala až kým nedosiahla 450 GeV. Hlavné experimenty, ktoré v SPS prebiehali, bolo hľadanie vnútornej štruktúry protónov a hľadanie rozdielov medzi hmotou a antihmotou v prírode. [2]

V roku 1983 boli v SPS objavené skupinou, ktorú viedol taliansky fyzik Carlo Rubbia a holandský fyzik Simon van der Meer, bozóny W a Z. Za tento objav im bola pridelená aj Nobelova cena. Vedci verili, že vesmír vyplňovala krátko po veľkom tresku takzvaný kvark – gluonové plazmy. To bolo v dobe, kedy bol vesmír veľmi horúci a hustý a preto bežné častice nemohli existovať. Avšak bola to len teória a ako povedal americký teoretický vedec Richard Feynman: ,,Najprv hádame. Potom si vypočítame dôsledky. Keď zistíme, že sme hádali správne, vieme, čo to obnáša. A nakoniec porovnáme naše výpočty s prírodou. Tomu vravíme porovnanie s experimentom. To aby sme vedeli, že náš odhad funguje. Ak fakty odporujú experimentu, je to zle. A táto banálna okolnosť je kľúčom k vede. Nikoho nezaujíma, ako ste múdri alebo ako sa voláte. Ak fakty odporujú experimentu, vaša teória je nesprávna. Nič viac.“ [4]

            Každá teória teda potrebuje experiment, na ktorom by sa dokázala pravdivosť odhadu. Aby sa vedci v CERNe mohli zistiť, na koľko je ich teória správna, v roku 1986 začali na urýchľovači SPS urýchľovať aj ťažké ionty. Do tej doby sa urýchľovali len častice – protóny a neutróny.

          -      LEP

            Urýchľovač Large Electron – Positron collider alebo skrátene LEP, mal predstavovať najväčšiu civilnú stavbu v Európe. V roku 1981 rada CERNu schválila jeho stavbu a v auguste 1989 už začína pracovať urýchľovač so svojím 27 kilometrov dlhým tunelom. Urýchľovače, detektory aj prstence urýchľovača sú v tuneli v hĺbke 100 metrov pod zemou. Až kým sa nepostavil tunel pod kanálom La Manche spájajúci Veľkú Britániu s Francúzskom, LEP bol naozaj najväčšou civilnou stavbou tohto druhu v celej Európe.

            LEP pracoval sedem rokov s energiami častíc 100 GeV a potom bola táto energia zdvojnásobená. Práve preto bolo do okruhu prstenca pridané 288 supravodivých urýchľujúcich dutín. Behom 11 rokov jeho detektormi preleteli milióny častíc. O tomto urýchľovači môžeme povedať, že zohral dôležitú úlohu. Medzi hlavné objavy patrí dokázanie existencie troch generácií častíc. Tiež sa podarilo dokázať, že existujú tri druhy neutrin: elektrónové neutrino, tauonové neutrino a mionové neutrino.

Prevádzka urýchľovača bola pozastavená dňa 2. decembra 2000. Tunel, ktorý využívali urýchľovače a detektory LEP, sú v súčasnosti použité pri stavbe urýchľovača LHC.

            -           LHC

            Large Hadron Collider (LHC) funguje od roku 2008, hoci bola jeho realizácia schválená už od roku 1994, kedy bol LEP ešte v plnej prevádzke. Veľké projekty v CERNe je  potrebné pripravovať vopred. V dobe, kedy sa začína rozbiehať nový urýchľovač, sa už plánuje jeho následník  ( napríklad už teraz sa uvažuje o  nástupcovi, pre ktorý by bolo potreba vykopať kruhový tunel o dĺžke 80-100 kilometrov ).  Prvýkrát boli do neho protóny vpustené dňa 10. septembra v roku 2008, 10:28 hod. ,pričom vedci testovali, či častice preletia celým prstencom. Experiment dopadol úspešne, no neľahká práca vedeckého týmu CERNu týmto dnes ani náhodou neskončila. Práve vďaka tomuto urýchľovaču sa veda posúva nezastaviteľne vpred. Otvára sa nová kapitola týkajúca sa experimentov vysokých energií, čo v minulosti nebolo možné zrealizovať. Sám profesor Richard Feynman povedal na svojej prednáške: ,,Stále len hádame a robíme experimenty. Napríklad máme rôzne zákony. Ale nevieme či fungujú pri vysokých energiách, pretože máme len odhad. Tým pádom spôsobuje experiment z času na čas problém. Čím mám na mysli, že môže potvrdiť niečo, čo sme považovali za nesprávne. A to nás opäť vracia k hádaniu.“ [4]

Čo spôsobuje hmotnosť častice? Z čoho je 99 % temnej hmoty a temnej energie vo vesmíre? Prečo príroda uprednostňuje hmotu pred antihmotou? Ako sa vyvíjala hmota v prvých okamihoch existencie vesmíru?  Práve experimenty na LHC by nám mali dať odpovede na tieto často pokladané otázky.

            LHC je v CERNe v súčasnej hlavným kruhovým urýchľovačom. Nachádza sa v hĺbke približne 100 metrov v tuneli, v ktorom do roku 2000 pracoval urýchľovač LEP. Častice sa pohybujú v trubici, ktorá má priemer približne 15 centimetrov a v nej je veľmi vysoké vákuum.

Kruhový urýchľovač sa skladá z:

·         Urýchľovacej dutiny

·         Fokusačných magnetov ( urýchľujú = ,,fokuzujú“ častice, ktoré sa pohybujú takmer rýchlosťou svetla vo vákuu )

·         Vychyľovacích magnetov

·         Detektorov

Všetky magnety, ktoré sa používajú v CERNe sú elektromagnety, ktoré musia byť chladené. Na schladenie sa používa kvapalné hélium, ktoré má teplotu 2 K. Magnety sú chladené z dôvodu potreby dostatočne silného magnetického pola. Magnetické pole musí byť silnejšie, ako magnetické pole Zeme a k tomu ešte urýchľovať častice, ktoré mu nesmú utiecť. Preto sa používajú supravodivé elektromagnety, schopné vytvoriť silné magnetické pole.

Nachádza sa tu vyše 2000 magnetov, ktoré slúžia na zakrivenie dráhy, po ktorej sa častice pohybujú veľkou rýchlosťou. Ak by dráhy neboli zakrivené, častice by mohli vyletieť a práve preto je potrebné, aby okruh meral 27 kilometrov a aby boli zatáčky čo najmiernejšie.

Obrázok: Zdroj: cern.ch          

  Pred vstupom do hlavného okruhu sa častice urýchlia v lineárnom urýchľovači a v troch menších okruhoch, v ktorých sa ich energia zvýši na 20 GeV. Hlavný okruh je rozdelený na sekcie, pričom každá plní špecifickú funkciu.

Častice sa pohybujú v trubici, v ktorej je vysoké vákuum a pozdĺž nej sú umiestnené dôležité komponenty urýchľovača.

Pre viac informácií o detektoroch kliknite sem.