LHC@home

Úvod

O částicovém urychlovači LHC se toho v poslední době napsalo poměrně hodně. Málokdo ovšem ví, že při jeho plánování a realizaci pomáhali desetitisíce běžných lidí a více než 1500 jich bylo z naší země. Chcete se podílet i vy na podobném výzkumu? Nemáte patřičné vzdělání a vědomosti, ale rádi byste pomohli užitečné věci? Pokud nejste studovanými vědci, odborníky v daném oboru, lidé s obrovským množstvím času potřebného na amatérské bádání, ani nepracujete ve výzkumných ústavech, rozhodně nepřestávejte číst dál, jelikož tento článek je určen právě vám a právě i takoví lidé dnes velkou mírou pomáhají v různých oblastech moderní vědy.

Ilustrace urzchlovače LHC

Zdroj:http://www.cern.ch

Urychlovač částic LHC

LHC (Large Hadron Collider) je největším vědeckým přístrojem na světě. Postavila jej evropská organizace pro nukleární výzkum (CERN), která provozuje světově největší jadernou fyzikální laboratoř a sdružuje výzkum více než 20-ti států. Za svou existenci byly její výzkumy odměněny několika Nobelovými cenami a zaměstnává momentálně více než 3000 lidí.

Spouštění části tunelu

Zdroj: http://www.cern.ch

V CERNu byl například vyvinut WWW (Word wide web), původně určený pro potřeby vzájemné komunikace vědců. LHC byl vybudován přímo u výzkumných laboratoří CERN na okraji Ženevy ve Švýcarsku. Tento kolos se nachází 50 až 175 metrů pod zemí. Tvoří ho 27 km dlouhý tunel s průměrem téměř čtyři metry a částí svého obvodu zasahuje na území Francie. Celý komplex je za pomoci desítek tun tekutého hélia ochlazovaný na přibližně mínus 271 °C. V prstenci urychlovače je udržováno vakuum srovnatelné s vakuem ve vesmíru. Po obvodu urychlovače jsou umístěny jednotlivé testovací komory (experimenty): ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM a LHCf. Projektu se účastní kolem sedmi tisíc fyziků světa a jeho cena je odhadována na osm miliard dolarů.

Před vědci a projektanty stál náročný úkol: Donutit částice, které v přírodě putují převážně po přímce a do jiného směru se dostanou obvykle jen odrazem nebo srážkou, aby začaly obíhat v kruhu a přitom nabíraly rychlost téměř až k rychlosti světla. Úkol je ztížen potřebou udržet svazek částic co nejkoncentrovanější u středu prstence. Pokud by se totiž částice rozeběhly, narazily by v konečné fázi do stěny a došlo by k jejich ztrátě.

V průběhu pokusu jsou dva svazky částic v protisměru urychlovány téměř k rychlosti světla a po dosažení patřičné rychlosti jsou přivedeny do testovací komory, kde se srazí. Obrovská energie, kterou si sebou přinesou, vede ke vzniku nových částic, které se rozlétnou z místa srážky do všech směrů. Komplexní soustava detektorů, kterými jsou stěny komory osazeny, pak zaznamenají průběh srážky a údaje předají ke zpracování.

LHC bude nahrazovat původní urychlovač LEP (Large Electron Positron collider). Uvnitř prstence jsou částice urychlované elektrickými poli, které tvoří nabité rádio-frekvenční (RF) dutiny. Když nabité částice procházejí příčnou RF dutinou, elektrické pole uvnitř dutiny jim dá "kopnutí", které jim přidá část energie, rádiová vlna je posune a tím i urychlí. Pro požadované urychlení částic je potřeba milionů takovýchto kopnutí pro které by bylo třeba ovšem dráhu dlouhou několik tisíc km. Díky možnosti zakřivení dráhy paprsku máme ovšem možnost stejné urychlení realizovat v kruhovém potrubí a právě proto mají urychlovače kruhový půdorys.

Zakřivení dráhy svazku je zajištěno pomocí magnetického pole dipólových magnetů. Říká se jim "ohnuté magnety". Je to proto, že síla magnetu použitá na přesun nabité částice, je vždy kolmá k jejich směru, a tedy dokonalá pro zakřivení dráhy. Pro ohyb 7 TeV protonu kolem prstenu v LHC musí být dipól schopen produkovat magnetické pole 8,36 tesla. Takovouto hodnotu je možné dosáhnout pouze za použití supravodivosti. Toho jsou schopny některé materiály, obvykle za velmi nízkých teplot, které vedou elektrický proud bez odporu a ztrátového výkonu a za těchto podmínek produkují silné magnetické pole.

Částice s vyšší energií potřebuje k ohybu své dráhy silnější magnetické pole. Kromě zakřivení paprsku, je také nezbytné udržovat jej v ohnisku. Tak jako výstřel z kulovnice má letovou křivku, tak i rozptyl svazků částic probíhá svojí drahou v urychlovači. Zaostřováním svazku na jeho šíři a výšku mohou být částice vázané tak, aby zůstaly uvnitř kruhové vakuové komory. Toho je dosaženo čtyřpólovými magnety (čtyři tyče), které působí na svazek nabitých částic, stejně jako čočka by působila na paprsek světla. Částice jsou vázané kalibrací magnetů.

Spouštění jednoho ze stovek supravodivých magnetů do podzemí

K tomuto účelu bylo do podzemí dopraveno a s obrovskou přesností umístěno 1232 dipólových supravodivých magnetů, každý o průměru 1m, 15 metrů dlouhý a váze 34 tun, které obstarávají urychlení a „stáčení“ svazku, a 392 kvadrupólových magnetů (5 – 7 m dlouhých), které „stlačují“ částice ke středu svazku. Těsně před srážkou pak další typ magnetu částice ještě více stlačí k sobě, aby se zvýšila pravděpodobnost srážky. Tyto magnety umožní dosáhnout až 7x větší energie při srážce protonů než dosud největší urychlovač světa Tevatron v Batávii, Illinois. Částice bude udržovat v přesně řízené dráze a navádět ke srážkám magnetické pole o intenzitě až devíti tesla (už magnetické pole o intenzitě půl Tesla dokáže člověku vytrhnut kovové pero z ruky i kdyby se ho snažil jakkoliv udržet). Průměr shluku částic bude pouze šestnáct mikrometrů (což je přibližně 5x méně než tloušťka lidského vlasu). Ročně bude LHC produkovat 15 petabajtů dat (15 a 15 nul), což je zhruba 1% z celého objemu informací na světě.

K čemu je vlastně podobné monstrum dobré?

V urychlovači je umístěno šest různě velkých detektorů od velikosti katedrály se samostatnými pracovišti za několik desítek milionů euro až po rozměry malé skříňky. Jedná se o experimenty Atlas, CMS, Alice, Totem, LHCb a LHCf. Výzkum je zaměřen na hledání nových částic, zkoumání změn vlastností hmoty, rozpadu částic, antihmoty a mimo jiné též na odhalení supersymetrie. Všechny tyto výzkumy by nám měly pomoci lépe pochopit, co se vlastně dělo po velkém třesku a najít odpovědi na spoustu dosud nezodpovězených otázek.

Nalezení nových neznámých částic je jedním z očekávaných výsledků tohoto experimentu. Teorie a objevy tisíců fyziků v minulých staletích vytvořily základ teorie, která je nazývána standardním modelem částic a sil. Standardní model je fyzikální teorií, která dosud nejlépe předpovídá obrovskou různorodost úkazů ve vesmíru. Nicméně fyzici vědí, že to nemůže být konec příběhu, protože je tu ještě mnoho nevyřešených otázek.

Podle prozatím nejpřesvědčivější teorie rozšiřující současný standardní model byl základem celého vesmíru prostor naplněný takzvaným Higgsovým polem. Částice, které byly ovlivněny silně Higgsovým polem jsou těžké, zatímco ty které byly ovlivněny slabě jsou lehké. Higgsovo pole mělo přinejmenším jednu nyní neexistující přidruženou částici, a tou byl Higgsův boson. Vědci věří, že tato částice existovala jen několik okamžiků po velkém třesku, v současnosti ale není ve vesmíru přítomná. Enormní soustředění energie, které můžeme dosáhnout při srážkách mezi částicemi, jako jsou protony v urychlovači, mohou obnovit podmínky ranného vesmíru a generovat částice jako Higgsův boson na zlomek času, než u nich dojde k rozkladu na mnoho běžných částic.

Jestli taková částice existuje, na tuto jednu z mnoha otázek bude schopen LHC brzy odpovědět.

Kompletace tunelu.

Zdroj:http://www.cern.ch

Další hádanka se týká možného sjednocení známých sil ve vesmíru, tedy objevu tzv. SUPERSYMETRIE (SUSY). SUSY předpokládá, že každá známá částice má svého supersymetrického partnera. Když byl vesmír ještě mladý a o hodně žhavější než dnes, všechny tyto síly se chovaly jako jedna. Pokud má SUSY pravdu, pak supersymetrické částice by měly být nalezeny v LHC. Pokud by se podařilo najít obecnou rovnici, která by spojovala všechny čtyři síly, daly by se díky tomu vypočítat a objasnit prakticky veškeré fyzikální události ve vesmíru. V prvé řadě půjde o nalezení teorii sjednocující popis silné a elektroslabé interakce.

Finální kontrola.

Zdroj:http://www.cern.ch

Toto je jen několik málo otázek, na které by LHC měl odpověď, ale historie prokázala, že největší pokroky ve vědě jsou často neočekávané. Ačkoli máme dobrý nápad, doufáme že díky poznatkům z LHC, nám příroda odkryje mnoho překvapení, které má zatím pečlivě schovaná. Je dokonce možné, že v LHC budeme například schopni vytvořit mikroskopické černé díry, ovšem nejedná se o žádnou hrozbu, jak to velmi rády překrucují různé bulvární média, toho se rozhodně nemusíte bát. "Jde vlastně o stroj času," tvrdí Julia Hoffmanová, fyzička z texaské univerzity. "Vracíme se zpět ke vzniku všeho."

Experimenty v LHC

Začneme nejvýznamnějším experimentem, který se jmenuje ATLAS. Je to zkratka z anglického A Toroidal LHC ApparatuS, čili Toroidální přístroj LHC. Toroid je tvar, který má např. duše kola. Rozměry Atlasu jsou 46 x 25 x 25 m a váží 7000 tun. Je to víceúčelový přístroj, který má bádat v širokém oboru fyziky, což obsahuje hledání Higgsova bosonu, extra dimenzí a částic, které by měly tvořit temnou hmotu. Jen pro představu o objemu generovaných dat uvádím, že v Atlasu je rozmístěno 100 000 000 detektorů. Systém vybere každou sekundu z 1 miliardy událostí těch 100 „nejzajímavějších“ a ty teprve pošle k dalšímu zpracování.

Detektor ATLAS

Zdroj:http://www.cern.ch

Detektor ATLAS

Zdroj:http://www.cern.ch

Dalším experimentem je ALICE (A Large Ion Collider Experiment, Experiment s velkým iontovým „srážečem“). Zařízení je 26 m dlouhé s průměrem 16 m a váhou 10000 tun. Je umístěno na území Francie, kam LHC zasahuje. V Alici se budou srážet ionty olova, aby napodobily podmínky těsně po Velkém třesku v laboratorních podmínkách. Ze získaných údajů budou fyzici usuzovat na podmínky v kvark-gluonovém plazmatu těsně po Velkém třesku.

Detektor ALICE

Zdroj:http://www.cern.ch

Detektor ALICE

Zdroj:http://www.cern.ch

CMS (Compact Muon Solenoid, čili Kompaktní Mionový solenoid) je o něco menší než ALICE (21x15x15 m) a váží 12500 tun. Stejně jako Alice je umístěn na francouzském území, ale jeho zaměření se podobá Atlasu. Také CMS bude hledat Higgsův boson, dodatečné dimenze a částice tvořící temnou hmotu, ale jinými metodami.

Detektor CMS

Zdroj:http://www.cern.ch

Detektor CMS

Zdroj:http://www.cern.ch

LHCb (LHC beauty – LHC kráska) není název módního magazínu. Beauty je jméno jednoho z kvarků, základních kamenů jaderných částic, protonu a neutronu. Rozměry je LHCb podobný CMS, ale váhou je poloviční. Také tento experiment je na francouzském území a měl by nám pomoci pochopit, proč je náš svět tvořen hmotou a ne antihmotou.

Detektor LHCb

Zdroj:http://www.cern.ch

Detektor LHCb

Zdroj:http://www.cern.ch

Detektor LHCb

Zdroj:http://www.cern.ch

Detektor LHCb

Zdroj:http://www.cern.ch

Detektor LHCb

Zdroj:http://www.cern.ch

Dva poslední experimenty zkoumají něco, co jsme se ve fyzice neučili. Forward particles jsou částice, kterým se nepovedlo trefit se do částice naproti naplno, jen sklouzly po jejich povrchu. Zapomeňte na představu kulečníkových koulí. Jaderná částice je „tvrdá“ uprostřed, ale čím dál k povrchu „měkčí“. Potom přichází pojem „efektivní průřez“, mluvíme tedy o ploše, u které se dá mluvit o přímém zásahu, a o vzdálenosti dál od středu, kdy se částice odrazí, sklouzne, ap.

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement – Měření celkového elastického a odrazového průřezu) zkoumá „Forward particles“ a kromě dalších studií bude zkoumat velikost protonu. Jeho rozměry jsou grandiózní: 440 x 5 x 5 metrů, váží „pouhých“ 20 tun, a je umístěn poblíž experimentu CMS na francouzském ůzemí.

Nádherná ukázka použití českého výrobku v urychlovači - část detektoru TOTEM.

Zdroj:http://www.cern.ch

Další z částí detektoru TOTEM

Zdroj:http://www.cern.ch

Poslední experiment, LHCf (LHC forward) využívá Forward particles k simulaci kosmického záření v laboratorních podmínkách. Kosmické paprsky bombardují zemskou atmosféru a vytvářejí kosmické spršky, které dopadají až na zem. Ty v přírodě zkoumá Pierre Auger Observatory v západní Argentině (viz Google Earth, zadejte Pierre Auger), na které se podílejí i čeští vědci. Simulace v laboratorních podmínkách pomohou vědcům interpretovat výsledky získané v reálném světě. V porovnání s ostatními je to „experimentíček“ s dvěma detektory, každým s rozměry 30 x 80 x 10 centimetrů a hmotností 40 kg.

Detektor LHCf

Zdroj:http://www.cern.ch

I obyčejní lidé pomáhali stavět LHC doma, na svých počítačích

Celý tento kolos ovšem vděčí za svůj zrod, precizní nastavení a teoretické simulace oběhu částic nutných pro bezproblémový provoz i zcela obyčejným lidem.

Pro tento účel vyvinul Frank Schmid z CERN AB univerzity program SixTrack. Jeho hlavním cílem je generování jednotek a analýza výsledů, které tvoří základ pro ověření dlouhodobé stálosti oběhu částice v LHC. Po připojení k projektu LHC@Home si program BOINC Manager sám už stáhl ze serveru vše potřebné i nějaká ta data na zpracování, pokud byla k dispozici. Každá výpočetní jednotky obsahuje simulaci v podobě 60 částic najednou, jak cestují kolem prstence urychlovače LHC po 1.000.000 oběhů. To může znít jako hodně, ale je to méně než 10s ve skutečném světě. Na druhou stranu je to dostatečné množství na to, aby test prokázal, zda paprsek má stálou oběžnou dráhu pro další, mnohem delší čas oběhu, nebo hrozí ztráta kontroly a odchýlení kurzu do stěn LHC. To by znamenalo velmi vážný problém, který by mohl mít za následek zastavení stroje, případně dočasné ohrožení jeho provozu a tím výpadek celého projektu na několik měsíců. Opakováním tisíců takových výpočtů pro nejrůznější podmínky bylo možné nastavit parametry, za kterých bude paprsek stabilní. Na základě těchto výpočtů docházelo k postupnému usazování a kalibrování každého z téměř 1300 gigantických magnetů. Od roku 2004 a zvláště v roce 2005 byl projekt na BOINC velice aktivní a spousta výsledků z projektu LHC@Home byla použita při stavbě urychlovače, následně již docházelo jen k občasnému uvolňování dat pro zpracování. Zvláštní význam měla právě data z křížení paprsků, které určila, jak a kde se dva protony srazí uvnitř urychlovače LHC. Výsledky z těchto studií byly prezentovány také na evropské konferenci o částicových urychlovačích v Edinburgu.

Na stavbě urychlovače se takto podílelo celkem 53 703 lidí na světě, z toho 1 658 Čechů. Česká republika je dosud 6 zemí na světě dle odvedeného výkonu a Czech National Team dokonce 4 nejvýkonnějším z téměř 3000 týmů světa.

Projekt LHC@home je stále ještě v provozu, ovšem práci uvolňuje jen nahodile v malých dávkách. Slouží tak jen pro občasné propočty nových nastavení, jako reakce na momentální potřeby urychlovače. Čas ukáže jesli možností tohoto projektu vědci v CERNU využijí i na zpracovávání některých dat z přímé činnosti urychlovače. Jistě by jim naše počítače byly schopné opět pomoci, stejně jako při jeho budování.

Tabulka zemí zapojených do výpočtů LHC@Home

Zdroj:http://www.boincstats.com

Tabulka týmů zapojených do výpočtů LHC@Home

Zdroj:http://www.boincstats.com

Výsledky projektů BOINC

Přínos projektů distribuovaných výpočtů, rozhodně není zanedbatelný. Systém BOINC byl uveden do plného provozu v roce 2004, tehdy pouze se 4 projekty. Jedním z nich byl právě projekt LHC@Home, který již své přímé výsledky přinesl, další na ně ale mohou čekat léta, či již odevzdaly mnoho postupných dílčích výsledků. V současné době je projektů již více než 70, z čehož plně aktivních zhruba 30. Dílčí výsledky mají například projekty na výzkum klimatu, které zpracovávají předpovědi vývoje na několik desítek let dopředu a které se stále zdokonalují. Také mnohé biologické projekty již pomohly vědcům v laboratořích a to převážně hledáním nejlepších chemických struktur proteinů a jejich podobností. Vesmírné projekty se zabývají různými výzkumy, jako je mapování oběžných drah objektů, které by se mohly srazit se Zemí, zabývají se výzkumem naší Mléčné dráhy, či kosmickým mikrovlnným pozadím. Tyto projekty průběžně doplňují střípky do obrovské skládanky našeho poznávání vesmíru a jeho tajemství.

V BOINC ale existují i projekty které mohou mít pouze jeden výsledek, ovšem takový, který bude mít obrovský význam. Například projekt Einstein@Home se snaží potvrdit Einsteinovu teorii o existenci gravitačních vln ve vesmíru, díky kterým by se daly pozorovat události ve vesmíru z míst, kam nikdy nedohlédneme. Mnohem důležitější je fakt, že v těchto vlnách by měla být zaznamenaná každá velká událost, které se ve vesmíru stala, tedy i samotný velký třesk. Prostřednictvím dalšího z projektů Seti@Home, se můžete dokonce účastnit hledání mimozemských civilizací za pomoci největšího radioteleskopu na světě.

Očekávaných výsledků jsou spousty a může trvat léta, než se jich dopracujeme, či zjistíme, že je to jen slepá cesta která nikam nevede. Kdo ale nechce být pouhým pozorovatelem, má jedinečnou šanci se těchto výzkumů účastnit a při čtení článků o významných objevech si třeba někdy říci „Tomuhle jsem pomohl vzniknout“, stejně tak jako desetitisíce lidí, kteří pomohli při stavbě částicového urychlovače LHC.

Vytvoření účtu v projektu LHC@home
Náš tým v projektu LHC@home
Připojit se k našemu týmu na LHC@Home

Použité materiály:
v článku byly volně použity materiály z www.cern.ch

Autor:
forest – Czech National Team
JardaM - Czech National Team

Korektura:
JardaM – Czech National Team
Duro - tým boinc.sk

Grafické zpracování:
forest – Czech National Team

Svůj komentář na tento článek, co by mělo být opraveno, či doplněno můžete napsat do této sekce na našem týmovém fóru. Téma s komentářem k tomuto konkrétnímu článku, by mělo nést stejný název, jako článek na webu.