Co je LHC a jak souvisí s kosmologií?
Ve vesmíru sledujeme přírodní děje na obrovských vzdálenostech. V urychlovači LHC naopak připravujeme srážky částic v laboratoři. Oba přístupy se doplňují: vlastnosti nejmenších stavebních prvků hmoty ovlivnily také vývoj raného vesmíru.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Co znamená zkratka LHC
Large Hadron Collider, česky Velký hadronový urychlovač, je součástí laboratoře CERN u Ženevy. Jeho kruhový tunel měří přibližně 27 kilometrů a vede pod francouzsko-švýcarskou hranicí. Poprvé byl spuštěn v roce 2008.
Urychluje především protony, ale také svazky těžkých iontů. Proton je hadron: složená částice obsahující kvarky a gluony. LHC tedy není přístroj, který by urychloval celé atomy s elektronovými obaly, ani obří dalekohled namířený do vesmíru.
Jak částice získají energii
Elektrická pole v urychlovacích dutinách dodávají nabitým částicím energii. Magnety svazky ohýbají a zaostřují, aby obíhaly v úzkých trubicích s velmi dobrým vakuem. Dva svazky putují opačnými směry a ve vybraných místech se srážejí.
Rychlost částic už je velmi blízká rychlosti světla. Další přísun energie proto neznamená úměrné zvýšení rychlosti. Vysoká energie srážek umožňuje vznik dalších částic, které pak mohou velmi rychle zaniknout nebo se přeměnit.
Urychlovač není totéž co detektor
LHC připravuje svazky a srážky. Okolní detektory zaznamenávají vzniklé částice, jejich dráhy a uloženou energii. Mezi hlavní experimenty patří ATLAS, CMS, ALICE a LHCb; jejich konstrukce a zaměření se liší.
Z těchto stop vědci rekonstruují průběh událostí a porovnávají velké soubory dat s předpověďmi. Krátce žijící částici často nepozorují přímo. Její přítomnost odvozují z vlastností produktů rozpadu a z opakujícího se statistického přebytku nad očekávaným pozadím.
Zjednodušený příčný řez obecným částicovým detektorem: dráhové detektory sledují nabité částice, kalorimetry měří uloženou energii a vnější systémy registrují pronikavé miony. Zelená dráha symbolizuje mion. Skutečné vrstvy, magnety, rozměry i geometrie experimentů ATLAS, CMS, ALICE a LHCb se liší.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Co přinesl objev Higgsova bosonu
V roce 2012 experimenty ATLAS a CMS oznámily objev nové částice, jejíž následně změřené vlastnosti odpovídají Higgsovu bosonu. Výsledek podpořil mechanismus, kterým v rámci standardního modelu získávají hmotnost například kvarky, nabité leptony a bosony W a Z.
Neznamená to, že jsme tím vysvětlili všechnu hmotnost nebo objevili temnou hmotu. Většina hmotnosti protonů a neutronů souvisí s energií jejich silně interagujících složek. Higgsův boson také sám o sobě není vysvětlením temné energie.
Jak zkoumá raný vesmír
Při srážkách těžkých iontů vzniká na velmi krátkou dobu extrémně horká a hustá hmota, v níž se kvarky a gluony chovají jinak než uvnitř jednotlivých protonů a neutronů. Studium tohoto kvark-gluonového plazmatu, zejména experimentem ALICE, pomáhá porozumět podmínkám raného vesmíru.
Nevzniká tím nový vesmír ani celý velký třesk. Laboratoř umožňuje prověřovat určité fyzikální procesy v malém objemu; kosmologický vývoj zahrnuje navíc rozpínání, gravitaci a mnohem delší historii.
Může objevit temnou hmotu?
Pokud existují vhodné nové částice, mohla by je energie srážek umožnit vytvořit. Částice slabě interagující s detektorem by mohla uniknout a projevit se nerovnováhou měřené příčné hybnosti.
Podobnou stopu ale mohou zanechat i známá neutrina nebo nepřesnosti měření. Samotná chybějící hybnost proto není důkazem temné hmoty. A ani případná nová neviditelná částice by bez dalších údajů automaticky nebyla potvrzenou složkou galaktických hal.
Zdroje a další čtení
CERN: Velký hadronový urychlovač LHC
Proč je to zajímavé právě pro vás?
U zprávy o „nové částici z CERN“ je dobré rozlišovat předběžný přebytek v datech, statisticky přesvědčivý objev a následné určení vlastností částice. Teprve další měření ukážou, zda a jak výsledek souvisí s otázkami kosmologie.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)