Vědci už s LHC zvládli mnoho důležitých milníků a potvrzení teorií, potřeba vyšších energií ale s sebou nese i nutnost delších okruhů a tunelů.
Velký hadronový urychlovač (LHC - Large Hadron Collider) v současnosti využívá tunel v Ženevě o obvodu 27 kilometrů v hloubce až 175 metrů, který byl postaven už v roce 1980 pro předchozí generaci urychlovače částic – LEP (Large Electron-Positron).
Zatím se jedná o největší urychlovač částic na světě, na jehož vývoji se podílelo přes deset tisíc vědců z celkem stovky zemí. Jedná se také o největší a nejkomplexnější zařízení vyrobené člověkem, i když jde jednoduše o srážku částic – především protonů. Hadrony jsou částice, které drží svou strukturu díky silné interakci a cílem urychlovače je srazit tyto hadrony v takové rychlosti, respektive energii, která překoná silnou interakci a umožní bližší pohled na vnitřní strukturu ze tři kvarků a chování hmoty.
Současné LHC zvládne na 27kilmetrovém obvodu vyvinout energii 7 TeV (celková energie kolize tedy 14 TeV) a protony dosáhnou rychlosti 0,999999991 rychlosti světla. S touto rychlostí jsou protony schopné překonat obvod 27 kilometrů 11 000× za sekundu. V rámci jedné nebo dvou kolizí za den se urychluje kolem 115 miliard protonů, což vygeneruje každoročně přes 25 PB dat, které je nutné zpracovat a analyzovat.
Srážka protonů vygeneruje obrovské množství dat z detektorů, které je nutné analyzovat
LHC má čtyři různé detektory kolizí, které jsou zaměřené na různé oblasti – Atlas a CMS jsou univerzálními detektory, mimo jiné se podílely na hledání Higgsova Bosonu, ALICE je zaměřený na kvark-gluonové plazma a LHCb pak na hmotu a antihmotu.
Potřeba delších tunelů a vyšších energií
Na ultimátní otázku jak funguje vesmír a vše kolem nás je potřeba zkoumat a ověřovat i ty nejmenší a nejzákladnější stavební kameny hmoty. S vyšší energií lze podrobněji zkoumat interakci subatomárních částic, jejich vznik a rychlou přeměnu.
Konstrukce supravodivých magnetů v urychlovači LHC
Dosáhnout vyšší energie ale není jednoduché. Protony zrovna nechtějí cestovat v kruhovém obvodu a tak je nutné jejich dráhu udržovat (zároveň postupně zrychlovat) a směrovat. K tomu se používají supravodivé magnety chlazené héliem, k teplotě blízké absolutní nule.
Tato konstrukce má ale své fyzikální limity a zatím jedinou možností je tak vytvářet co možná nejpřímější cestu, kdy je nutné k udržení dráhy letících protonů co nejmenší energie.
Řešením je tak stavba většího okruhu, který umožní dosáhnout vyšších energií i s mírně vylepšenými možnostmi chlazených supravodivých magnetů.
Až 270 kilometrů a 300 TeV
LHC bude samozřejmě používán i na další zkoumání v průběhu dalších let, pro významnější posun ve výzkumu je ale nutné se dostat ještě na vyšší energie. Už se tak pomalu připravují plány na stavbu ještě větších urychlovačů.
Ve stejné oblasti jako je LHC by tak mohla vzniknout další generace urychlovače s obvodem kolem 80 až 100 km, který by umožňoval kolizi částic až s energií 100 TeV.
Jedním z prvotních návrhů je TLEP, který se částečně kryje i se samotným tunelem LHC. Tvorba tunelu je začátek a stejně jako v případě LHC, i u tohoto tunelu by se nejdříve objevil méně výkonný urychlovač, který by mohl být později nahrazen lepším a také dražším. Stavba ale nebude hotová hned, jen první návrh designu bude hotov nejdříve v roce 2017. Mezi největší výzvy patří samozřejmě cena a konstrukce. Dle plánů by ale mohl tunel pojmout i dva urychlovače zároveň.
Ukázka návrhu na stavbu 100km tunelu pro další generaci urychlovačů v Ženevě
Jednou z možností je ale dostavit místo lineárního urychlovače původní a předčasně ukončenou stavbu z roku 1993 - SSC (Superconducting Super Collider) v Texasu a zvětšit obvod na 270 km. K dispozici už je přibližně polovina obvodu tunelu z původního návrhu 87 km a díky křídové hornině lze poměrně snadno a „levně“ vytvořit celý tunel. Tvorba tunelu by tak vyšla na méně než v případě Ženevy.
Konstrukce vylepšených supravodivých magnetů pro urychlovač
Cena stavby se odvíjí především od nákladů na tvorbu tunelu pod zemí, vývoj a konstrukce nových supravodivých magnetů a samozřejmě i použití tekutého hélia pro tyto magnety. I s méně výkonnými a levnějšími magnety by bylo možné na obvodu 270 kilometrů dosáhnout energií kolem 50 TeV, při budoucím upgradu pak klidně i 300 TeV.
Chvíli to potrvá
Zatím je vše teprve ve fází prvotních návrhů, které nezahrnují přesnou specifikaci stavby ani konstrukční náklady, je ale jisté, že se pro budoucí generaci výkonnějších urychlovačů bude muset lidstvo zase spojit nejen po stránce nákladů, ale i vědecké a inženýrské kapacity. Všem nám totiž jde o tu nejdůležitější otázku v tomto vesmíru.
