Už 15 rokov odhaľuje hadrónový urýchľovač tajomstvá hmoty

Veľký hadrónový urýchľovač častíc (Large Hadron Collider, LHC) je nielen najväčším urýchľovačom, ale tiež najväčším experimentálnym zariadením na svete. Už pätnásť rokov pomáha ľudstvu nahliadnuť do štruktúry hmoty a potvrdiť správnosť tzv. Štandardného modelu (súbor teórií vysvetľujúcich podstatu elementárnych častíc a fyzikálnych síl). V roku 2012 sa vďaka urýchľovaču podarilo experimentálne potvrdiť, že existuje častica Higgsov bozón.

Urýchľovač je postavený v blízkosti Ženevského jazera na hraniciach Francúzska a Švajčiarska. Prevádzkuje ho Európska organizácia pre jadrový výskum (CERN), ktorej súčasťou je od roku 1993 (už 30 rokov) aj Slovenská republika. Vývoj projektu trval 20 rokov a jeho náklady dosiahli v prepočte 6,3 miliardy eur.

Od spustenia urýchľovača do prevádzky uplynie v nedeľu 10. septembra 15 rokov.

LHC je uložený v kruhovom podzemnom tuneli s obvodom 27 kilometrov (presne 26 km 659 m) v hĺbke 50 až 175 metrov. Je v ňom umiestnených 9300 výkonných magnetov chladených tekutým héliom. Toto prostredie dodáva časticiam vysokú energiu, ktorú získavajú obiehaním v tuneli – napríklad protón za sekundu obehne dráhu v urýchľovači 11 245-krát. Jeho rýchlosť je 99,9999991 % rýchlosti svetla.

Každý z dvoch lúčov protónov dosiahne maximálnu energiu 7 teraelektrónvoltov (TeV), čo zodpovedá čelným zrážkam s energiou 14 TeV. Každú sekundu dôjde k približne 600 miliónom kolízií. V miestach zrážok častíc sa nachádzajú detektory ATLAS, ALICE, CMS, LHCb, TOTEM a LHCf.

Pri zrážkach častíc v urýchľovači môže vzniknúť teplota 100 000-krát vyššia, než je teplota v strede Slnka, je však sústredená na nepatrnom priestore. Na druhej strane chladiaci systém udržiava urýchľovač pri prevádzkovej teplote mínus 271,3 °C (1,9 K), čo znamená chladnejšie prostredie, než poskytuje otvorený vesmír.

LHC je tak najchladnejším a zároveň i najhorúcejším miestom našej galaxie – a zároveň aj „najprázdnejším“, keďže v tuneli sa udržiava ultra vysoké vákuum. Vďaka týmto extrémnym podmienkam sa darí simulovať podmienky, aké vo vesmíre vládli bezprostredne po jeho vzniku (po tzv. veľkom tresku).

Hadrónmi sa vo fyzike označujú ťažké elementárne (subatomárne) častice zložené z kvarkov resp. antikvarkov. Do tejto kategórie častíc patria aj neutróny a protóny, ktoré tvoria jadrá atómov. Pôsobia medzi nimi tzv. silné interakcie, vďaka ktorým protóny v jadrách atómov držia pohromade aj napriek tomu, že by sa vďaka rovnakému (kladnému) elektrickému náboju mali odpudzovať.

Pri zrážkach častíc môžu vznikať elementárne častice s extrémne krátkou životnosťou ako je napr. práve Higgsov bozón pozorovaný prvý raz 4. júla 2012. Fyzici predpokladajú, že interakcie jednotlivých elementárnych častíc s tzv. Higgsovým poľom podmieňujú ich hmotnosť. Za svoj príspevok k vedeckému poznaniu dostali 8. októbra 2013 Peter Higgs a Francios Englert Nobelovu cenu za fyziku.

Unsplash/Fractal Hassan/NASA (Úprava redakcie)

Takisto sa v urýchľovači podarilo detegovať aj doteraz „nepolapiteľnú“ časticu neutrino, ktorej existenciu predpovedal fyzik Wolfgang Pauli už v roku 1931.

Po spustení pred 15 rokmi musel byť urýchľovač viackrát z technických príčin odstavený. Najdlhšie prestávky mal od februára roku 2013 do marca 2015 a následne od 10. decembra 2018 až do apríla minulého roku.

V súčasnosti sa vo Veľkom hadrónovom urýchľovači robia experimenty, ktoré prispejú k skúmaniu tzv. tmavej hmoty, resp. tmavých kvarkov ako jej základných stavebných kameňov, ale tiež k ďalšiemu spoznávaniu Higgsovho bozónu a jeho vlastností – napríklad hmotnosti, ktorú sa podarilo stanoviť na 125,22 gigaelektrónvoltov (GeV) s možnou odchýlkou 0,09 %.