Velký hadronový urychlovač

Velký hadronový urychlovač (LHC), nejvýkonnější urychlovač částic na světě. LHC byl vybudován Evropskou organizací pro jaderný výzkum (CERN) ve stejném 27 km dlouhém tunelu, ve kterém byl umístěn její Velký urychlovač elektronů a pozitronů (LEP). Tunel má kruhový tvar a nachází se v hloubce 50-175 metrů pod zemí na hranici mezi Francií a Švýcarskem. První zkušební provoz LHC proběhl 10. září 2008. Elektrický problém v chladicím systému 18. září vedl ke zvýšení teploty o přibližně 100 °C (180 °F) v magnetech, které mají pracovat při teplotách blízkých absolutní nule (-273,15 °C neboli -459,67 °F). Dřívější odhady, že LHC bude rychle opraven, se brzy ukázaly jako příliš optimistické. Znovu byl spuštěn 20. listopadu 2009. Krátce poté, 30. listopadu, nahradil Tevatron ve Fermiho národní urychlovačové laboratoři na pozici nejvýkonnějšího urychlovače částic, když urychlil protony na energie 1,18 teraelektronvoltu (TeV; 1 × 1012 elektronvoltů). V březnu 2010 vědci z CERNu oznámili, že problém s konstrukcí supravodivého drátu v LHC vyžaduje, aby urychlovač pracoval pouze při poloviční energii (7 TeV). V únoru 2013 byl urychlovač LHC odstaven, aby se problém odstranil, a v dubnu 2015 byl znovu spuštěn, aby běžel na plnou energii 13 TeV. Druhá dlouhá odstávka, během níž by mělo být zařízení LHC modernizováno, začala v prosinci 2018 a její konec je plánován na konec roku 2021 nebo začátek roku 2022.

Srdcem LHC je prstenec, který prochází obvodem tunelu LEP; prstenec má průměr jen několik centimetrů, je evakuován na vyšší stupeň než hluboký vesmír a chlazen na dva stupně absolutní nuly. V tomto prstenci jsou dva protiběžné svazky těžkých iontů nebo protonů urychlovány na rychlosti v rozmezí jedné miliontiny procenta rychlosti světla. (Protony patří do kategorie těžkých subatomárních částic známých jako hadrony, což vysvětluje název tohoto urychlovače částic). Ve čtyřech bodech prstence se paprsky mohou protínat a malá část částic do sebe naráží. Při maximálním výkonu budou srážky mezi protony probíhat při kombinované energii až 13 TeV, což je asi sedmkrát více, než bylo dosaženo dříve. V každém místě srážky se nacházejí obrovské magnety o hmotnosti desítek tisíc tun a banky detektorů, které budou shromažďovat částice vzniklé při srážkách.

Realizace projektu trvala čtvrt století; plánování začalo v roce 1984 a definitivní zelenou dostal v roce 1994. Na návrhu, plánování a stavbě LHC se podílely tisíce vědců a inženýrů z desítek zemí a náklady na materiál a pracovní síly činily téměř 5 miliard dolarů; v této částce nejsou zahrnuty náklady na provoz experimentů a počítačů.

Jedním z cílů projektu LHC je pochopit základní strukturu hmoty znovuvytvořením extrémních podmínek, které nastaly v prvních okamžicích vesmíru podle modelu velkého třesku. Fyzikové po desetiletí používali tzv. standardní model pro základní částice, který dobře fungoval, ale má slabiny. Za prvé, a to je nejdůležitější, nevysvětluje, proč mají některé částice hmotnost. V 60. letech 20. století britský fyzik Peter Higgs postuloval částici, která na počátku času interagovala s jinými částicemi, aby jim dodala hmotnost. Higgsův boson nebyl nikdy pozorován – měl by vznikat pouze při srážkách v energetickém rozsahu, který nebyl pro experimenty před LHC dostupný. Po roce pozorování srážek na urychlovači LHC tamní vědci v roce 2012 oznámili, že detekovali zajímavý signál, který pravděpodobně pochází z Higgsova bosonu o hmotnosti přibližně 126 gigaelektronvoltů (miliard elektronvoltů). Další data tato pozorování definitivně potvrdila, že jde o Higgsův boson. Za druhé, standardní model vyžaduje některé arbitrární předpoklady, které by podle některých fyziků mohly být vyřešeny postulováním další třídy supersymetrických částic; ty by mohly být produkovány extrémními energiemi LHC. A konečně, zkoumání asymetrie mezi částicemi a jejich antičásticemi může poskytnout klíč k další záhadě: nerovnováze mezi hmotou a antihmotou ve vesmíru.