Najväčší mikroskop

Keď sme v predchádzajúcich piatich číslach týždňa písali v tejto rubrike o Higgsovom bozóne, venovali sme sa takmer výlučne teoretickým aspektom fyziky elementárnych častíc. O objave, t. j. experimentálnom potvrdení existencie tejto častice, takmer nebola reč. Prečo?
Určite nie preto, že by experimentálna časticová fyzika nebola dostatočne zaujímavá. Dôvod je skôr v tom, že zatiaľ čo teoretické práce bývajú dielom jednotlivcov alebo malých skupiniek, experimentálne výsledky sú dielom stoviek až tisícok fyzikov. Nuž, a písať o tom, čo urobil jeden človek, je predsa len jednoduchšie, ako písať o práci tisícok ľudí, z ktorých každý robí na inom detaile a všetky sú dôležité.
Ale možno by bolo zaujímavé dozvedieť sa priamo od fyzikov pracujúcich s niektorým zo súčasných časticových detektorov, čo to tam vlastne robia. Tak sme sa dvoch z nich spýtali. Odpovedali nám učitelia bratislavského matfyzu a spolupracovníci experimentu ATLAS v CERN-e Stanislav Tokár a Tomáš Blažek.

so Stanislavom Tokárom o stavbe ATLAS-u

.v súvislosti s objavom Higgsovho bozónu sa hovorí viac o urýchľovači LHC a menej o detektoroch, ako je napríklad ATLAS. Ako vyzerá taký detektor a čo robí?
Je to zariadenie na skúmanie častíc, ktoré vznikajú v zrážke dvoch urýchlených protónov. V takejto zrážke vzniká veľké množstvo častíc, ktoré musíme presne identifikovať, aby sme spoznali povahu zrážky a jej prostredníctvom povahu síl a štruktúru prírody na veľmi malých vzdialenostiach. Napriek tomu, že toto zariadenie skúma malilinké častice, je veľké asi ako trojposchodová budova.

.prečo potrebujeme na skúmanie malých vecí niečo také obrovské?
ATLAS a iné podobné detektory sú vlastne akési gigantické mikroskopy s rozlíšením miliardukrát väčším, ako majú najlepšie elektrónové mikroskopy. Povaha prírodných zákonov, konkrétne takzvaný Heisenbergov princíp neurčitosti, nás núti používať pri skúmaní veľmi malých vzdialeností zariadenia, ktoré dokážu realizovať veľké zmeny v hybnostiach a energiách. Častice, ktoré sa zrážajú, aj tie, ktoré zo zrážky vyletujú, majú preto veľmi veľké energie a na ich detekciu potrebujeme veľké zariadenie.

.ako dlho sa taký detektor projektuje a ako dlho sa stavia?
Základná koncepcia detektora ATLAS bola oficiálne schválená v roku 1994. Potom nastala fáza hľadania optimálnych variantov jednotlivých častí detektora. To trvalo také tri-štyri roky. Keď už sme mali optimálne varianty, postavili sme moduly, ktoré sme podrobili dôkladným testom a zisťovali, či naozaj pracujú tak, ako sa od nich očakáva. To trvalo ďalšie dva-tri roky. A potom sme v priebehu štyroch až piatich rokov postavili z týchto modulov samotný detektor.

.prečo trvalo poskladanie už odskúšaných modulov tak dlho?
Z niekoľkých dôvodov. Po prvé, každý z tých modulov sa používa v mnohých exemplároch. Takže keď už máme fixovaný optimálny variant nejakého modulu, tak ho potom treba vyrobiť v potrebnom množstve, čo sú často až stovky kusov. Každý z nich treba vybaviť elektronikou, otestovať a okalibrovať. Po druhé, treba si uvedomiť, že výsledný detektor zaznamenáva pri zrážke sto miliónov údajov, a tieto údaje zapisuje stovkykrát za sekundu. Ide teda o veľmi komplexné zariadenie, ktorého stavba trvá zodpovedajúco dlho.

.čo konkrétne si robil pri stavbe ATLAS-u ty?
Ako prvú vec sme robili testovanie fotonásobičov pre takzvaný hadrónový kalorimeter, čo je jedna zo základných súčastí detektora. Do fotonásobičov sme púšťali extrémne krátke svetelné signály a skúmali sme odozvu. Pritom sme objavili metódu, ktorá umožňovala registrovať signál od jednotlivých fotónov. Vďaka tejto metóde sme vedeli presne určiť kvalitu fotonásobiča a zistiť, či bude dostatočne schopný plniť funkciu, ktorú plniť mal. Ale robili sme aj iné veci. Napríklad pri testoch modulov hadrónového kalorimetra sme robili rekonštrukciu odozvy modulu na vstup piónov a porovnávali ju s počítačovými simuláciami. No a po skompletizovaní ATLAS-u a spustení LHC sme sa venovali konkrétnej fyzike.

.väčšina ľudí si myslí, že cieľom experimentátorov v CERN-e bolo len hľadanie Higgsovho bozónu. V skutočnosti sa tam ale robí aj veľa inej fyziky. Čo konkrétne si robil ty?
Higgsov bozón je, samozrejme, nesmierne dôležitá vec. Ale to neznamená, že ním sa časticová fyzika definitívne vyčerpáva. My sme sa, napríklad, venovali fyzike top kvarku. Top kvark je tiež mimoriadne zaujímavá a výnimočná častica. Zo všetkých doteraz známych fundamentálnych častíc je najťažší a zároveň je veľmi nestabilný. Prakticky okamžite po svojom vzniku sa rozpadá a všetky svoje vlastnosti priamo odovzdáva produktom rozpadu. To umožňuje testovať mnohé inak nedostupné aspekty teórie elementárnych častíc. Myslím, že z hľadiska hľadania novej fyziky predstavuje top kvark najperspektívnejšie okno.

.akej novej fyziky?
Všetky doterajšie pozorovania sú vo vynikajúcej zhode s takzvaným Štandardným modelom elementárnych častíc. Napriek tomu nie sme so Štandardným modelom úplne spokojní. Dôvod je napríklad ten, že Štandardný model nemá nijakého vhodného kandidáta na temnú hmotu. Alebo ten, že nevie kvantitatívne vysvetliť takzvanú baryónovú asymetriu, t.j. prečo je vo vesmíre viac častíc ako antičastíc. A sú aj ďalšie dôvody. Preto veríme, že musí existovať nejaká fyzika, ktorú Štandardný model neopisuje a ktorej hovoríme nová fyzika. V rámci experimentu ATLAS sa venuje veľa priestoru hlavne dvom smerom hľadania novej fyziky, a to supersymetrii a extra dimenziám.


s Tomášom Blažekom o práci na ATLAS-e

.časť minulého týždňa si strávil v CERN-e pri detektore ATLAS na takzvaných „shiftoch”. Čo sú to, tie „shifty”?
Typicky ide o osemhodinovú pracovnú zmenu, v rámci ktorej treba v kontrolnej miestnosti priamo nad detektorom strážiť, či je všetko v poriadku. A ak nie je, tak okamžite reagovať. Pred sto rokmi sa na týchto miestach pri Ženeve pásli kravy, dnes tam pasieme zrážky protónov. Z kráv bolo mlieko, zo zrážok sú dáta, ktoré zaznamenávame. V kontrolnej miestnosti ATLAS-u je v súčasnosti deň-noc asi desať pastierov-shifterov. Ide teda o veľké stádo.   

.ako si máme predstaviť kontrolnú miestnosť? Je to niečo ako riadiace centrum v Houstone, ktoré poznáme z filmov o kozmických letoch?
Ako typický shifter máte pol metra pred sebou rozostavané štyri monitory, v každom pootváraných do desať rôznych okien. Za nimi na dlhej stene vám premietajú najdôležitejšie aktuálne výstupy detektora ôsmimi projektormi súčasne a po bokoch miestnosti máte veľké obrazovky o stave zrážajúcich sa protónov. „Shifter” musí z toho všetkého vedieť posúdiť, či vznikol nejaký problém a ak vznikol, posúdiť jeho vážnosť a prijať adekvátne opatrenia. Najvážnejším opatrením je vydanie takzvaného „alarm ticketu”, na základe ktorého sú povolaní ku kontrole detektora všetci dôležití experti. Platia dve zásady: za prvé správny shifter nerobí poplach, keď netreba, a za druhé, správny shifter rozozná, keď poplach určite robiť treba.

.vidí shifter priamo v kontrolnej miestnosti, kedy vznikne Higgsov bozón?
Nie. Objavený bozón totiž vidíme ako signál nad pozadím, ktoré by bolo prítomné aj bez neho. Celý detektor je postavený tak, aby maximálne zvýraznil signál, ale vzhľadom na náhodnú povahu kvantovej mechaniky je nemožné s určitosťou rozhodnúť, v ktorej zrážke nám vznikol nový bozón a v ktorej len to pozadie. V kontrolnej miestnosti preto nezaznamenávame Higgsove bozóny „on-line”, teda okamžite. Prejavia sa až po spracovaní množstva zrážok ako hrb nad hladkým pozadím, čo je výsledkom analýz trvajúcich dni až týždne.

.objav Higgsovho bozónu oznámil CERN začiatkom leta, z čoho by laik mohol usúdiť, že experiment sa už skončil. Takže, čo tam ešte robíte?
Na detektore sa naďalej zaznamenávajú údaje ako doposiaľ, pretože vlastnosti novej častice z nich vieme odmerať tým presnejšie, čím je údajov viac. Dôležité je uvedomiť si, že v kvantovom svete nevieme predpovedať výsledok jedného konkrétneho merania, ale len pravdepodobnosti možných výsledkov. V prípade Higgsovho bozónu sú pravdepodobnosti, na ktorých záleží, veľmi nízke, preto treba veľké množstvo pokusov, t.j. protón-protónových zrážok. A s ratúcim počtom pokusov rastie presnosť overenia teoretických predpovedí. Ale okrem toho treba jasne povedať, že objav Higgsovho bozónu nebol hlavným cieľom urýchľovača LHC a detektorov ako ATLAS.

.a čo okrem Higgsovho bozónu ešte hľadáte?
Ak mám hovoriť zrozumiteľne pre laikov, ľahšie sa mi najprv povie, čo týmto hlavným cieľom nie je. Určite ním nie je objavovanie ďalších častíc, len aby bola tabuľka elementárnych častíc čo najväčšia. Dá sa to prirovnať k 15. storočiu a ceste Krištofa Kolumba na západ. Jeho cieľom bolo, celkom isto, aj objavenie každej novej suchej zeme, na akú natrafí, ale hlavný cieľ bol preskúmať a overiť guľatosť Zeme a prísť do Indie plavbou na západ. Pre nás v 21.storočí je to v skutočnosti vzrušujúcejšie. Analógiou guľatosti Zeme je hypotéza, že pri energiách dostupných na urýchľovači LHC by sme mali odhaliť celkom novú, doteraz nepoznanú dynamiku sveta.

.akú?
To zatiaľ nevieme, pretože môže ísť o úplne nové fyzikálne zákonitosti a nové fyzikálne správanie. Nepriamym dôvodom pre tieto tvrdenia je práve objavený bozón a veľkosť jeho hmotnosti. Teória správne predpovedala jeho existenciu, avšak z istého dôležitého pohľadu by mala byť hmotnosť Higgsovho bozónu a tým pádom aj hmotnosť ostatných už známych častíc o mnoho rádov väčšia. Stotisíc biliónov ráz väčšia. Inými slovami, bez existencie novej dynamiky je súčasná teória elementárnych častíc neprirodzená. Dnes nevieme jednoznačne navrhnúť, aká nová dynamika panuje vo svete. Hlavným kandidátom je nová symetria sveta, takzvaná supersymetria. Alternatívou, ktorú ešte nič doteraz nevylúčilo, zostáva možnosť otvorenia ďalších priestorových rozmerov, kolmých na výšku, šírku a hĺbku. Môže to však byť aj niečo celkom nové – časticová Amerika, o ktorej vopred nikto netuší. To je to, čo hľadáme na urýchľovači LHC.