Uplynulo 50 let od první srážky protonů na kruhovém urychlovači

Uplynulo 50 let od první srážky protonů na kruhovém urychlovači

Fyzika / článek

Svazky protonů se střetly vůbec poprvé 27. ledna 1971 na kruhovém urychlovači ISR ve švýcarském CERNu. Odstartovaly tak zcela novou epochu experimentální částicové fyziky. Právě srážky nabitých částic na kruhových urychlovačích přinesly během posledního půlstoletí nejdůležitější objevy v oblasti částicové fyziky.

Hlavní konstruktér Kjell Johnsen oznamuje první zaznamenanou srážku protonů (foto: CERN)
Hlavní konstruktér Kjell Johnsen oznamuje první zaznamenanou srážku protonů (foto: CERN)

První pokusy s urychlenými částicemi však byly uskutečněny daleko dřív. V roce 1919 je v jednom ze svých experimentů využil britský fyzik Ernest Rutherford. Tenkrát šlo o alfa částice s energií do 8 MeV, kterými slavný experimentátor s novozélandskými kořeny inicioval jadernou reakci. V porovnání s dneškem však měly jeho urychlené částice jen velmi malou energii. Na LHC (Large Hadron Collider), největším dosud postaveném kruhovém urychlovači, je v současnosti dosahováno energií až milionkrát větších. Od Rutherfordova experimentu tak vedla ještě dlouhá cesta, a to nejen k první srážce částic, ale i k prvnímu kruhovému urychlovači.

Částice určená k experimentu na urychlovači musí být stabilní a nabitá. Pokud by byla použita nestabilní částice, velmi brzy by již nebylo co urychlovat: částice by se během urychlovacího procesu jednoduše rozpadla. Druhá podmínka, související s nábojem, vychází z Lorentzovy síly, která popisuje pohyb částice v elektrickém a magnetickém poli. Pokud je náboj částice nulový, pak se i Lorentzova síla rovná nule a částice se nedá urychlovat, protože na ni není možné působit elektrickým polem. Během urychlovacího procesu je tedy možné využít buď záporně nabité elektrony, nebo stabilní hadrony, nejčastěji protony.

Na počátku 20. století znemožňoval stavbu urychlovačů jejich technický požadavek na vysoké napětí. Problém byl vyřešen ve 30. letech konstrukcí nových zdrojů. Začaly být tedy budovány nejprve lineární a krátce poté i kruhové urychlovače. Hlavní rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že zatímco v lineárním urychlovači projde částice každým urychlovacím úsekem pouze jednou, v kruhovém jimi prochází opakovaně - obíhá dokola, dokud nedosáhne požadované energie.

Částice proti částici

S postupujícím vývojem zařízení, ať už těch lineárních nebo kruhových cyklotronů a později synchrotronů, se v 60. letech komunita částicových fyziků ocitla na důležitém rozcestí. Bylo nutné rozhodnout, kudy by se měl výzkum na urychlovačích částic nadále ubírat. Diskutovalo se o dalším rozvoji tzv. fixed-target experimentů, kdy je svazek vyveden z urychlovače ven a urychlené částice narážejí do pevného terče. Objevila se ale i revoluční myšlenka urychlovače, na kterém by se srážely dva protiběžné svazky částic.

Zatímco energie částic vzniklých v kolizi s pevným terčem je úměrná odmocnině energie urychleného svazku, v interakcích dvou protiběžných svazků získáváme částice přímo úměrné součtu energií obou svazků. Experimentální uspořádání protiběžných svazků je tedy energeticky výhodnější.

Po téměř dvou letech diskusí bylo rozhodnuto. Rada Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) v prosinci roku 1965 schválila stavbu kruhového urychlovače ISR (Intersecting Storage Rings), zařízení, ve kterém se protínají protonové svazky. A tento collider započal revoluční půlstoletí v částicové fyzice.

Ačkoliv přímo ISR za 13 let svého provozu nepřinesl žádný z velkých objevů částicové fyziky, vyšlapal cestu budoucím urychlovačům. Výsledky analýz srážek protonů z ISR naznačovaly, že proton není elementární částicí, a staly se tak jedním z impulsů k dalšímu studiu jeho vnitřní struktury.

Celých 15 % provozní doby urychlovače bylo navíc využito pro výzkum samotné technologie urychlování částic a detekčních vlastností použitých detektorů. V rámci tohoto výzkumu otestovali vědci na ISR stochastické chlazení. To bylo později použito na SPS (Super Proton Sychrotron), urychlovači, který v roce 1983 umožnil objev intermediálních W a Z bosonů a rok nato přinesl Nobelovu cenu fyzikům Carlu Rubbiovi a Simonu van der Meerovi.

Intersecting Storage Rings držel ještě 20 let po své odstávce rekord v nejvyšší dosažené luminozitě na hadronovém collideru. Až v roce 2004 jej překonal americký Tevatron.

Zdroje:

Discovery machines – CERN Courier. CERN Courier - reporting on international high-energy physics [online]. Copyright © 2021 by CERN [cit. 09.02.2021]. Dostupné z: https://cerncourier.com/a/discovery-machines/

Today in 1971: First proton-proton collisions | CERN. Home | CERN [online]. Copyright © [cit. 09.02.2021]. Dostupné z: https://home.cern/news/news/cern/today-1971-first-proton-proton-collisions


Mohlo by vás také zajímat:

Einsteinovo vysvědčení
Vědci objevili nové kvazičástice v grafenu
Ledový dárek z nebe