LHC možná dostane nástupce. Nový urychlovač CERNu bude dlouhý 100 km

Vědci připravují nový urychlovač. Bude čtyřikrát delší a částice se v něm budou srážet sedmkrát vyšším energiemi než LHC. Cílem je objevit novou fyziku.

22
Tunel FCC
Tunel FCC (zdroj: CERN)

Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) již od roku 2014 připravuje nový urychlovač částic, který by od roku 2040 mohl převzít štafetu po LHC. Velký hadronový urychlovač nacházející se v podzemí mezi Francií a Švýcarskem experti považují za velmi úspěšný projekt.

Díky LHC vědci v roce 2012 objevili Higgsův boson, poslední elementární částici standardního modelu, která vysvětluje, proč ostatní částice mají hmotnost. A díky experimentům v LHC přímo vzniklo 26 700 vědeckých publikací. Dalších 240 000 studií tyto práce citovalo.

CERN by teď chtěl postavil větší urychlovač s vyššími energiemi, díky nimž by se možná dala sledovat nová fyzika. Taková, kterou standardní model neumí popsat. Vědci by rádi objevili nové částice a jejich interakce. Nechápou, proč je ve vesmíru více hmoty než antihmoty. Nedokážou pozorovat temnou hmotu, i když ví, že existuje a že jí je pětkrát víc než běžné baryonové hmoty, ze které se skládáme my, planety, hvězdy nebo černé díry. Chtěli by také vysvětlit, proč mají hmotnost i neutrina. Proč je Higgsův boson tak lehký. Proč se elementární částice od sebe nazvájem tolik liší. LHC by už jim takové odpovědi nedodal.

Ve skutečnosti jim je nemusí dodat ani větší urychlovač, ale to zjistí, až (jestli) jej postaví. Nový projekt dostal název Future Circular Collider, FCC. Současné LHC se rozkládá v kruhovém tunelu dlouhém 27 km, FCC bude mít 100 km. LHC pracuje s energiemi až 14 teraelektronvoltů (začínalo se na polovině), FCC nabídne sedminásobek, až 100 TeV. Vyšší energie by mohl lépe simulovat podmínky vzniku vesmíru.

FCC vyjde na 20+ miliard eur

CERN teď bude hledat podporu politiků i soukromých firem, aby projekt mohl uskutečnit. Optimistickým datem spuštění prvních experimentů je rok 2040, v takovém případě by se ale již v roce 2025 muselo začít stavět. Jen hloubení tunelů a budování infrastruktury vyjde podle odhadů na 5 miliard eur. Dalších 19 miliard by stála výstavba urychlovače/ů.

Vědce by stejně jako u LHC pracovali v několika fázích. Ještě před LHC, kde se od roku 2009 urychlují těžší částice (hadrony), byl v onom 27km tunelu funkční urychlovač lehčích částic (leptonů). Tzv. LEP fungovat od roku 1989 do 2000. Používaná energie se u něj zvyšovala od 45 do 209 GeV.

FCC by měl nejdříve odstartovat coby leptonový urychlovač označený jako FCC-ee, kde se budou srážet elektrony a pozitrony energiemi 90 až 365 GeV. Výstavba by vyšla na 4 miliardy eur (k oněm pěti za tunel a infrastrukturu). Na něj by později navázal hadronový urychlovač FCC-hh, ve kterém by se srážely protony a těžké ionty energiemi 100 TeV. Jeho rozpočet je dalších 15 miliard eur.

Srovnání velikosti LHC a FCC
Srovnání velikosti LHC a FCC (zdroj: CERN)

Vědci by rádi uskutečnili i hybridní lepton-hadronový urychlovač FCC-he na srážení protonů (50 TeV) a elektronů (60 GeV). Zkušenosti z FCC by se pak daly zužitkovat i k dalšímu upgradu LHC. Využívané energie by u něj stouply ze 14 na 27 TeV. Výzkumníky v CERNu by tak byli zaměstnáni na příštích 70 let.

Otázkou ale je, jestli Evropa bude chtít takto rozsáhlý projekt zafinancovat, když také nemusí přinést žádné nové výsledky. A když může pro změnu podpořit jiný než částicový výzkum.

LHC možná dostane nástupce. Nový urychlovač CERNu bude dlouhý 100 km
Ohodnoťte tento článek!
4.5 (89.47%) 19 hlas/ů

22 KOMENTÁŘE

      • jo až ho dostaví, srazí tam pár částic o o váze pikogramů a pak řeknou že potřebují větší urychlovaš, 200miliard a 1000km. A až ho dostaví řeknou že chcou za 2 biliony 10000km… není lepší rovnou postavit urychlovač kolem země 40.000km a bude to mnohem levnější, rychlejší a nadčasovější.

        • S tou váhou v pikogramech bych si nebyl zas tak jistý. Normálně mají nukleony váhu v řádu 10 na -27, elektrony 10 na -31. Pikogram je 10 na -12.
          Tím pádem nám vyjde, že částice v klidovém stavu neváží ani miliardtinu pikogramu.

          Otázka je, jak se to změní v pohybu. Z Einsteinova teorie relativity říká, že čím vyšší rychlost, tím vyšší váha. V momentě, kdy se ty částice budou pohybovat 99,999999% c, bude jejich váha např. miliardkrát vyšší než v klidovém stavu.

          Z hodnot eV udaných v článku by měla jít spočítat rychlost, jakou se částice budou v uryhlovači pohybovat. Z toho by pak měla jít spočítat relativistická hmotnost.
          Takže jestli někdo chce, může spočítat, jakou hmotnost budou mít jednotlivé částice, když budou mít energii 14TeV potažmo 100TeV 🙂

          • Tak jsem měl trochu času navíc a pustil jsem se do výpočtů.
            Rychlost světla ve vakuu:
            299792458 m/s
            Rychlost neutronu s energií 14TeV:
            299792457,3 m/s
            Rychlost neutronu s energií 100TeV:
            299792457,98677 m/s

            Rozdíl mezi rychlostí světla ve vakuu a rychlosti neutronu s energií 100TeV je tak malý, že mi kalkulačka ani nechce spočítat procentuální rozdíl.
            Z rychlostí můžeme jednoduše spočítat relativistické hmotnosti:
            Hmotnost neutronu v klidovém stavu:
            1,674927351 * 10^-27 kg
            Hmotnost neutronu při rychlosti 299792457,3 m/s:
            2,495894076 * 10^-23 kg
            Hmotnost neutronu při rychlosti 299792457,98677 m/s:
            1,782678593 * 10^-22 kg

            Pokud moje kalkulačka nelže, hmotnost neutronu se při rychlosti 299792457,98677 m/s zvýší oproti klidovém stavu 10 643 318 krát (cca 10 milionkrát). Takže můj odhad s miliardkrát vyšší hmotností byl vedle pouze o dva řády.
            Všechny konstanty byly dosazovány přímo z paměti kalkulačky pro co nejvyšší přesnost.
            Hmotnost protonu je skoro stejná jako hmotnost neutronu, výsledky by byly skoro shodné. Za to hmotnost elektronu je o několik řádů nižší, tudíž jeho rychlost by byla o dost vyšší než mnou vypočítané hodnoty, relativistická hmotnost by taktéž slušně narostla.

            • Njn, ale pokud by jsi měl spočítat všechny částice, které urychlovačem prošli, tak budeš vytvořené antičástice přičítat nebo odčítat ?

            • dom324, hezky sepsáno. Akorát běžný Crha Uživatel si spíš řekne “na co jim to je, vždyť se rychlost nezvětšila ani o 1 m/s”. 😉

            • Crha: ani jedno.
              I v urychlovači částic platí, jako všude jinde, zákon zachování energie. Tzn. na začátku i konci je shodný počet částic.

              Uvedu jeden přiklad za všechny:
              Máš dva protony, každý proton je složen ze dvou kvarků Up a jednoho Down. Celkem 4 kvarky Up a dva Down. Při srážce se oba protony rozpadnou. Částice (kvarky) se začnou chaoticky pohybovat, po nějaké době vznikne jeden neutron (2 kvarky Down a jeden Up) a 3 kvarky Up.
              Ten neutron se tam neobjevil z ničeho nic, on byl vytvořen z těch dvou protonů.

              Úplně stejně to funguje s anti částicemi. Vystřelíš na atomové jádro neutron, protony a neutrony se začnou rozpadat na menší částice. S trochou štěstí pak z těch menších částic vznikne anti částice.

              Částice jsou jako Lego kostky, je jen na tobě, co z nich vytvoříš.

              Čím vyšší energii vystřelená částice má, tím víc se podaří “rozdrtit” bombardované jádro a je větší šance objevit něco nového.

            • ale částice urychluješ a musí projít tím megnetocosi kde dochází ke srážkám, takže tama ta částice musí projít a to je ona hmotnost o které uvažuji. Jsi jak dement, absolutně nečteš co píšu. Já se ptám na hmotnost částic které projdou urychlovačem a ty odpovídáš jako že na stromě rostou citrony. Takovej člověk mi chce tvrdit, že bombardováním nějkého jádra objeví něco nového? Vždyť ty nemáš inteligenci abys pochopil psané slovo. Pokud vím tak se v urychlovači střetávají obě částice proti sobě. A někudy se ty částice tam museli vzít a někde ty částice z toho museli zase vypadnout a celkový poměr těch částic které do urychlovače byly vloženy a pak z nich vypadli jsou pikogramy. nazdar.

            • Zdravím, ten příklad s těmi protony je asi z laické představy jako nástřel celkem ucházející ale v reálu to funguje jinak. Představa že se protony srážkou rozdrtí na kousky a ty se pak poskládají jinak je chybná. Protony se používají jen kvůli tomu že mají větší hmotnost a začnou podléhat Synchrotronovému záření mnohem později nežli elektrony. Jinak právě elektrony jsou mnohem lepší a právě na elektronech se ověřoval celý standardní model u elektonových srážek se dá celkem přesně dávkovat energie. Nicméně Lhc je příliš malí na to aby dokázal do eletronu napumpovat dostatečné množství energie právě proto že je elektron moc lehký začne na kruhové dráze ztrácet energii synchrotronovým zářením. Proto se přestavěl z Lep na LHC kde se sráží protony jsou mnohem těžší a tak se do nich dá napumpovat mnohem víc energie. Při srážce se částice roztaví vznikne jednoduše řečeno určité množství energie v místě kolize a ta energie s kondenzuje do částic podle toho kolik energie daná srážka vyprodukovala. Tak že urychlovač je přesně řečeno stroj který mění hmotu na energii a energie se kondenzuje do částic a protože víme jakou hmotnost částice které chceme vyrobit mají nadávkujeme energii do srážky takovou aby se nám tvořili právě ty částice které chceme. Nicméně právě že Higgsův boson je už příliš těžký a elektrony nešel vyrobit přešlo se na protony. Ty sou ovšem velmi komplikované neboť u protonu se takřka nedá předpovědět co s čím se sráží neboť proton obsahuje velké množství částic nejsou to jen 3 kvarky je tam taky spousta gluonů a dalších kvarků ty 3 jsou označované jako valenční. Proto je každá srážka jiná též tento proces je statistický a proto z principů kvantové mechaniky můžeme předvídat jen pravděpodobnost že nastane to či ono a proto těch srážek musí probíhat miliardy a miliardy aby se výskyt potvrdil třeba jen pro zajímavost. Higgs se vyskytuje cca až v 50% srážek jenže se praktici skoro pokaždé rozpadá přes nějaký kvarkový stav a jak mile se ve srážce objeví kvark vznikne tzv. jet celý výtrysk částic kolem kvarku se takřka okamžitě zhmotní další a gluony což vede k obrovskému chaosu a je takřka nemožné zpětně určit z čeho dané částice pochází a proto se berou jen rozpadové kanály ve kterých se Higgs rozpadá na nabité leptony nebo na fotony říká se tomu tzv. čistý signál není možné ho zaměnit za nic jiného. A ještě k těm hmotnostem no přepočítávat eV na kg je vlastně k ničemu pač každá částice vznikne z nějakého množství energie a proto měříme hmotnost částic v ev když budu mít v poli energii 512kev. vznikne elektron protože 512 kev je energie hmotnost elektronu. Proto se používá elektron volt je to přirozená jednotka mnohem lepší než v kg. Navíc KG není přirozená jednotka kg měříme vlastně tady na zemi pač je to pro nás lepší pro představu ale kg je odvozen od síly gravitačního pole. Když byste chtěl změřit hmotnost elektornu někde mimo gravitační působení vyšla by vám 0 a to je blbost částice mají pořád hmotnost nezávisle na gravitačním poli. když se s tím někdo setká poprvé tak mu to musí připadat hrozně nelogické zmatené atd. Ale když se s tím někdo zabývá nakonec by vlastně stejně údaj v kg převáděl na eV. Pač s tím se dá pracovat údaj v kg by byl nepoužitelný. eV je pořád stejný ale KG je pokaždé jiný v závislosti na gravitaci. A ještě k té rychlosti částice se urychlovačem pohybují vždy cca 99,999999% rychlosti světla proto nenaměříte rozdíl rozdíl je ovšem v energii urychlíte proton na rychlost 99,999% světla dál už nezrychluje ale to co u něj stoupá je energie tak že třeba v LHC když je svazek připravenej a napupovanej na max tak ten gram protonů co tam krouží vydá váhou to samé jako kdyby tam jezdila lokomotiva z hmotností tun. Proto měříme energii v eV na 1 nukleon hmotnost protonu je 938 MeV ale když do něj napumpujete v lhc energii na max jeho hmotnost stoupne na 7 TeV . Proto údaj o rychlosti je také zbytečný jestli má proton hmotnost 2 čí 20 Tev jeho rychlost bude +- pořád 99,999 rychlosti světla. Za to hmotnost se bude lišit diametrálně. A ještě někde sem tu v diskuzi četl proč nepostaví urychlovač velký jako obvod planety že stejně časem budou chtít určitě větší než těch 100km. No realita je taková že současnými technologiemi které umíme dnes postavit tak urychlovač který by uměl vyrobit i gravitony předpovězené nýbrž nevyrobitelné současnými technologiemi když bys jme se chtěli vrátit až úplně na začátek do časů T -42 sekundy doba kdy se oddělovala gravitace tak bysme proto potřebovali tolik energie že by současnou technologii musel ten urychlovač být veliký jako obvod celé naší sluneční soustavy. Tak že vědci se snaží zkonstruovat to co nám současné technologické možnosti dovolí neboť to co by nám odpověď dalo na vše se postavit nedá. Posouváme se tedy pomalými kroky a i tak věda dělá obrovské pokroky. Jen je to dneska už opravdu velmi složité a laické veřejnosti je mnoho věcí už prakticky nevysvětlitelné pač tam není nic k čemu by se to dalo přirovnat v běžném životě a VŠ matematiku zas tak moc lidí neovládá a každé zjednodušení vede k velkým nepřesnostem. Dokonce vlastně spousta lidí si dodnes myslí že atom vypadá jako taková malá sluneční soustava kde je jádro jako z kuliček a okolo po oběžných drahách obíhají elektrony . No jako přirovnaní je to celkem dobré ale realita je vlastně úplně jiná takový model by nefungoval a takřka okamžitě by zaniknul to se ví už někdy od počátku objevu kvantové mechaniky někdy po roce 1900 a dodnes se to jako nauka používá i když to reálně tak to vůbec nefunguje.

  1. K čemu takový výkon ? Asi tam dolují poklad, jinak si takovou nenávratnou investici nedovedu vysvětlit. Ovšem, Čína už takový projekt oznámila před několika lety a tak se na ni EU nyní jen dotahuje anebo EU jen takticky hledá nějakou formu spoluúčasti/spolupráce s Čínou. Konspirační teorie hovoří o bránách do jiných světů. A teď mě napadá, jestli Atlantida, když měla tvar kruhu, taky náhodou nestála na urychlovači….