V pondělí 29. června brzy ráno se na obrazovce v řídicím centru CERN objevila dvě obyčejná slova: No beam – žádný svazek částic. Největší urychlovač částic na světě se zastavil a začalo jedno z nejdelších tich v jeho historii. Potrvá čtyři roky. Pak se vrátí v podobě, která může změnit naše chápání vesmíru stejně výrazně jako jeho první spuštění.
Možná je to nejhezčí paradox moderní vědy. Abychom se mohli dozvědět víc o vzniku vesmíru, musíme na několik let vypnout stroj, který nám to umožňuje. Pod francouzsko-švýcarskou hranicí, padesát až stopadesát metrů pod zemí, se vine 27 kilometrů dlouhý prstenec.
V jeho útrobách je umístěn Large Hadron Collider (LHC), největší urychlovač částic, jaký kdy lidstvo postavilo. Právě tady se vědci snaží zjistit, z čeho je vesmír skutečně složen, proč vůbec existuje hmota a jak vypadal svět krátce po velkém třesku.
Přestože urychlovač částic zní jako zařízení, kterému rozumí jen hrstka fyziků, jeho princip je překvapivě jednoduchý. Vědci vezmou protony – částice, které spolu s neutrony tvoří jádra většiny atomů – rozhýbou je téměř na rychlost světla a nechají je do sebe narazit.
Čím prudší srážka, tím hlouběji lze nahlédnout do světa, který běžným okem nikdy neuvidíme.
Je to podobné, jako když rozložíte hodinky, abyste zjistili, z čeho jsou složené. Jen místo hodin rozkládají fyzikové v podzemí u Ženevy samotnou hmotu.
Velký hadronový urychlovač přitom není první urychlovač, kterým protony procházejí. Než se dostanou do hlavního prstence, projdou několika menšími urychlovači, které jim postupně zvyšují energii. Velký hadronový urychlovač je až posledním a nejvýkonnějším článkem celého řetězce.
Laboratoř místo další války
Jenže rozložit vesmír na prvočinitele není práce pro jednu laboratoř. Je to úkol, který zaměstnává celé generace vědců a vyžaduje spolupráci států, jež by si podobný projekt samy nikdy nemohly dovolit. Právě z této myšlenky se zrodil CERN – Evropská organizace pro jaderný výzkum, jedna z největších vědeckých institucí světa.
Nevznikla ale jen kvůli fyzice. Po druhé světové válce hledala Evropa způsob, jak spojit evropské vědce, kteří ještě nedávno stáli na opačných stranách fronty, ve snaze zabránit jejich odlivu do Spojených států.
V roce 1954 proto dvanáct států založilo společnou laboratoř, kde se místo zbraní měly rodit objevy. Dodnes ji financují členské země podle velikosti svých ekonomik a na jejím výzkumu spolupracují tisíce vědců z celého světa.
CERN přitom změnil svět hned dvakrát. Poprvé, když se stal symbolem mezinárodní vědecké spolupráce. Podruhé v roce 1989, když zde britský informatik Tim Berners-Lee vytvořil systém World Wide Web.
Ne internet samotný, ten existoval už dříve, ale způsob, jakým dnes na internetu prohlížíme webové stránky. Původně měl usnadnit sdílení dokumentů mezi vědci. Nakonec ale změnil způsob, jakým komunikuje celý svět.
Ani zkratka CERN už dnes neodpovídá oficiálnímu názvu organizace. Zachovala se z původního francouzského označení Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Evropská rada pro jaderný výzkum) a z ryze praktických důvodů přežila i její pozdější přejmenování na Evropskou organizaci pro jaderný výzkum.
Právě tady se o několik desetiletí později zrodil nejambicióznější experiment v dějinách moderní fyziky – Large Hadron Collider. Když jej CERN v roce 2008 poprvé spustil, šlo o pokus znovu vytvořit podmínky, které panovaly nepatrný zlomek sekundy po velkém třesku.
Nikoli proto, aby vědci vytvořili nový vesmír, jak tehdy strašily některé bulvární titulky, ale aby pochopili ten náš.
Takový stroj samozřejmě nevznikne přes noc. Jeho příběh začal dávno před prvním zapnutím. Na počátku osmdesátých let už fyzikové věděli, že dosavadní urychlovač LEP se blíží hranicím svých možností.
Přinesl mimořádně přesná měření a potvrdil řadu předpovědí standardního modelu, jenž je nejlepší teorií moderní fyziky, kterou dnes máme pro popis světa elementárních částic. Vysvětluje, z čeho je složena hmota a jaké síly mezi jejími nejmenšími stavebními kameny působí.
LEP navíc na samém konci svého provozu naznačil existenci Higgsova bosonu. K definitivnímu objevu mu ale chyběla energie. Pokud chtěli vědci proniknout dál, potřebovali zcela nový typ urychlovače.
Rozhodnutí padlo v roce 1994. Členské státy CERN schválily výstavbu LHC, který měl využít stejný podzemní tunel jako LEP, jen místo elektronů a pozitronů v něm srážet protony. Právě ty umožňují dosáhnout mnohonásobně vyšších energií a nahlédnout hlouběji do struktury hmoty.
Přesvědčit politiky ale nebylo jednoduché. Šlo o projekt za několik miliard švýcarských franků, v dnešních cenách více než 130 miliard korun, na kterém dnes spolupracuje přes deset tisíc vědců ze stovky zemí a jehož hlavní výsledek mohl přijít až za deset nebo patnáct let.
Přesto členské státy souhlasily. Věřily, že některé otázky jsou natolik zásadní, že stojí za to investovat do nich i bez záruky rychlého úspěchu.
Výstavba začala o čtyři roky později. Inženýři přitom nemuseli razit nový tunel. Navzdory tomu, že využili původní podzemní kruhový prstenec, šlo o jednu z nejnáročnějších technologických přestaveb své doby. Do podzemí bylo potřeba spustit více než 1 200 supravodivých magnetů, z nichž některé váží přes třicet tun.
Aby vůbec fungovaly, musí být ochlazeny na teplotu minus 271,3 stupně Celsia. LHC je díky tomu největším kryogenním zařízením na světě – paradoxně je v jeho útrobách chladněji než v mezihvězdném prostoru.
Samotný urychlovač je navíc jen polovinou příběhu. Rozjet protony téměř na rychlost světla nestačí. Stejně důležité je zaznamenat, co se při jejich srážkách odehraje. Proto kolem prstence vznikly čtyři obří experimenty – ATLAS, CMS, ALICE a LHCb.
Každý z nich se zaměřuje na jinou část skládačky. Zatímco ATLAS a CMS pátrají po nových částicích a ověřují základní fyzikální teorie, ALICE zkoumá podobu hmoty krátce po velkém třesku a LHCb hledá odpověď na otázku, proč dnešní vesmír tvoří téměř výhradně hmota, a nikoli stejné množství antihmoty.
Když se v září 2008 LHC poprvé rozběhl, sledoval jej téměř celý svět. Jedni varovali před vznikem černé díry, která pohltí Zemi, druzí očekávali, že fyzici během několika měsíců vyřeší největší záhady vesmíru. Nestalo se ani jedno.
Místo triumfu přišlo nejprve zklamání. Už po devíti dnech způsobila porucha elektrického spoje rozsáhlé poškození desítek magnetů a provoz se zastavil na více než rok. Oprava stála stovky milionů korun a skeptici začali mluvit o fiasku.
Dnes je ale tato epizoda jen drobnou poznámkou v historii projektu, protože když se LHC skutečně naplno rozběhl, přinesl něco mnohem cennějšího, než slibovaly tehdejší titulky.
V červenci roku 2012 svět obletěla zpráva, která se zařadila po bok největších vědeckých objevů moderní historie. Vědcům se podařilo najít Higgsův boson – částici, jejíž existenci předpověděli teoretici téměř půl století předtím.
Právě ona pomáhá vysvětlit, proč mají ostatní elementární částice hmotnost. Bez ní by nevznikly atomy, hvězdy, planety ani člověk. Bez Higgsova bosonu by standardní model nedával smysl.
Byla to poslední chybějící součástka celé teorie – něco jako poslední dílek puzzle, bez kterého si nikdy nemůžete být jistí, že obrázek opravdu sedí. Nobelova cena přišla o rok později a LHC se definitivně zapsal do dějin.
Nejdůležitější objev možná ještě nepřišel
Skutečný příběh urychlovače ovšem neleží jen v jednom objevu. Spočívá v trpělivosti. Každý den vznikaly miliardy srážek protonů a každá přidala další drobný dílek do obrovské skládačky. Teprve když se jich sečetly biliony, začal se před vědci rýsovat stále ostřejší obraz světa, který lidské oko nikdy neuvidí.
Ukázalo se přitom, že standardní model, nejlepší teorie popisující chování elementárních částic, funguje s překvapivou přesností.
A možná právě to je největší překvapení celé éry LHC. Vědci totiž doufali, že za standardním modelem objeví něco dalšího. Něco, co vysvětlí temnou hmotu, která podle astronomů tvoří přibližně čtvrtinu vesmíru. Něco, co objasní, proč po velkém třesku nezůstalo stejně hmoty jako antihmoty. Nebo snad úplně novou fyziku, která přepíše učebnice.
Nic takového zatím nepřišlo. Na první pohled to může působit jako neúspěch. Ve vědě je to ale přesný opak. Když příroda odmítne potvrdit naše nejkrásnější teorie, znamená to, že jsme položili správnou otázku, jen jsme si představovali špatnou odpověď.
Právě proto se LHC tento týden zastavil. Během příštích čtyř let se z něj stane téměř nový stroj. Technici rozeberou více než kilometr jeho útrob, nainstalují nové supravodivé magnety, vymění části detektorů a připraví zařízení na další desetiletí provozu.
Nepůjde ani tak o to, aby částice létaly rychleji. Mnohem důležitější bude, že jich do sebe bude narážet mnohonásobně víc. Modernizovaný urychlovač, označovaný jako High-Luminosity LHC, vytvoří přibližně desetkrát více srážek než dosud. To znamená nepředstavitelně větší šanci zachytit jevy, které jsou tak vzácné, že se dosud možná odehrály jen několikrát.
Představte si rybáře, který roky sedí u jezera a čeká na jedinou vzácnou rybu. Může být na správném místě, používat správnou návnadu, ale pokud nahodí jen desetkrát, nejspíš odejde s prázdnou. Když nahodí milionkrát, šance dramaticky vzroste.
Přesně to teď CERN dělá. Nehledá větší ryby. Jen bude lovit mnohem déle a mnohem intenzivněji. Možná právě díky tomu poprvé objeví stopu temné hmoty. Nebo se ukáže, že hledáme úplně špatným směrem.
Ani High-Luminosity LHC přitom nemusí být poslední kapitolou. CERN už totiž připravuje studii nástupce s pracovním názvem Future Circular Collider (FCC). Měl by vzniknout v přibližně stometrové hloubce v tunelu dlouhém asi 91 kilometrů, tedy více než třikrát delším než dnešní LHC.
Pokud projekt získá podporu členských států, mohl by se stát největším vědeckým přístrojem, jaký kdy lidstvo postavilo.
Ať už bude odpověď na pauzu jakákoli, jedno je jisté, ani během čtyř let ticha nebude v CERN klid. Na pevných discích totiž leží tak obrovské množství dat z předchozích experimentů, že jejich analýza zaměstná tisíce vědců ještě dlouho poté, co poslední proton přestal obíhat podzemním prstencem.
Může se tak klidně stát, že další velký objev přijde právě v době, kdy bude nejslavnější urychlovač světa vypnutý.
