Jak je velký vesmír? Z čeho jsou hvězdy, hmota? ptají se často děti. Ve Švýcarsku je místo, kde je možné na většinu těchto otázek najít odpovědi. Jedná se o CERN, Evropskou radu pro jaderný výzkum. Výsledkem práce vědců jsou i zcela praktické záležitosti, které doprovází náš současný život na každém kroku.
9500 vědců osmdesáti národností, což je polovina všech částicových fyziků na světě, reprezentujících 500 univerzit či jiných odborných pracovišť – to je organizace CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, tedy Evropská rada pro jaderný výzkum. Najdete ji na švýcarsko-francouzské hranici západně od Ženevy na úpatí pohoří Jura. Vznikla 29. září 1954 a má 23 členských států a sedm pozorovatelů.
Cílem CERNu je spolupráce evropských i jiných států v oblasti základního výzkumu. Všechny studie jsou veřejné. I Česká republika zde má už od roku 1993 své významné zastoupení.
CERN A JEHO INFRASTRUKTURA
Místo, kde sídlí CERN, může laikovi bez představivosti připomínat hangáry skladů velkých supermarketů. Ve skutečnosti je to obrovská laboratoř s nejrozsáhlejším výzkumným centrem částicové fyziky na světě a připomíná malé městečko. Každá budova má svoje označení uvedené na modré tabulce. Malá čísla vpravo dole informují, kdy budovu uvedli do provozu. Ulice mají své názvy, nechybí tu banka, školka pro děti zaměstnanců, malé obchůdky, spousta konferenčních místností, ale ani tři restaurace nebo prostor pro grilování a odpočinek.
CERN je rozdělen na dvě části. Jedna je v městečku Meyrin, které je známé díky švýcarskému architektu Le Corbusierovi. Tam má CERN své dílny, workshopy, obrovskou budovu plnou fyziků, ale i pracoviště vybavená 3D tiskárnami, ve zdejších laboratořích dokáží vyrobit metalografické výbrusy materiálu. Velká část inženýrského vývoje a řídící centrum CERNu sídlí v Prevessinu na francouzské straně. Tam jsou převážně administrativní budovy.
REALITA JE JINÁ NEŽ VE FILMU ANDĚLÉ A DÉMONI
Názvy hojně užívané v CERNu – jako atlas, boson, hadron – jsou jasné lidem, kteří se zabývají částicovou fyzikou. Člověk s průměrnou znalostí fyziky váhá. Co to je a čím se přesně CERN zabývá, vysvětluje Dr. David Bělohrad, sympatický chlapík a inženýr elektroniky, který je zde jako jeden z mála Čechů zaměstnaný na stálý pracovní úvazek.
Co vás přivedlo do CERNu? Bylo těžké se sem dostat?
Po absolvování inženýrského studia na Vysokém učení technickém v Brně jsem tam pokračoval v doktorském studiu. Po ukončení jsem zůstal v ústavu přístrojové techniky Akademie Věd v Brně a stal se řadovým zaměstnancem na oddělení magnetické rezonance. Jako mladý vědec jsem ale chtěl do světa na zkušenou. Kamarád mi řekl, že existuje CERN a že bych byl vhodným uchazečem o práci. Vyhledal jsem si web, napsal životopis a motivační dopis a poslal, aniž bych se hlásil na konkrétní místo. Rok se nic nedělo. Najednou přišel e-mail, jestli bych ještě měl zájem přijet na výběrové řízení. Trvalo dva dny. První den prezentace, obecná rozprava s odborníky a s lidmi z oddělení lidských zdrojů, druhý den návštěva pracoviště a praktické testy. Zúčastnilo se nás pětadvacet, brali jednoho. Dva týdny po návratu mi přišel návrh smlouvy na tři roky a nás čekalo obtížné rozhodnutí, jestli se budeme stěhovat. Nyní je v CERNu na zaměstnaneckých pozicích pouze deset Čechů, jen dva máme kontrakt na dobu neurčitou.
Na čem konkrétně Češi pracují?
Češi pracují na ATLASu, ale i na jiných experimentech, mají přístup k naměřeným datům a mají také určité rozhodovací pravomoci. To je důsledek toho, že je Česká republika členským státem CERNu.
Pojďme se ale podívat na práci CERNu podrobněji. Můžete vysvětlit rozdíl mezi základním a aplikovaným vědeckým výzkumem?
Vědecký výzkum aplikovaný, tedy takový, který se dělá třeba pro farmaceutický průmysl, má zcela jasný výsledek a víme, jaký produkt se musí vyrobit ke konkrétní léčbě. Základní výzkum přináší odpovědi na otázky, jak funguje svět, jak vznikla hmota, jak jsou utvářeny objekty jako hvězdy a planety. Musí se zjistit (zde v našem měřítku), zda jsou teorie o vzniku světa, které zkoumáme, správné. To vše je třeba ověřit. Základní výzkum negeneruje žádné další přímé výstupy.
Co konkrétně dělají urychlovače částic?
Urychlovače urychlují částice. V případě CERNu částicemi mohou být například protony, ionty olova nebo také antiprotony (které se pak zpomalují, abychom je mohli lépe studovat). Vyprodukované částice se nechají navzájem srážet, mnohdy při rychlostech velmi blízkých rychlosti světla. Studiem srážek se pak vědci mohou dozvědět mnoho o stavu vesmíru v době krátce po jeho vzniku, porovnávat tato měření s již existujícími teoriemi vzniku vesmíru a ověřit si, že naše smýšlení o vesmíru a jeho vlastnostech je správné.
A co Atlas nebo LHC? O co přesně se jedná?
LHC je jméno toho největšího urychlovače na světě (z angl. Large Hadron Collider). Představme si jej jako trubku o průměru 50 až 90 mm, která je spojena do velkého kruhu, který má obvod 27 km. Na trubce je „navěšena“ spousta magnetů, zařízení na urychlování svazků a diagnostických přístrojů. Tato trubka je s celým aparátem umístěna v tunelu, který je vykopaný přibližně 80 až 140 metrů pod zemí. LHC má osm přístupových bodů, z nichž se dá do tunelu dostat. Většina přístupových bodů je také vstupem do tzv. experimentu.
ATLAS je jeden z experimentů na LHC umístěný v jednom z přístupových bodů. Jeho hlavním účelem je výzkum Higgsova bosonu a jeho vlastností. Higgsův boson je elementární částice, která hraje klíčovou roli ve vysvětlení původu hmotnosti ostatních částic.
Nejde to říci ještě srozumitelněji?
V každém výzkumu je potřeba nezávisle ověřovat naměřená data. Proto experiment ATLAS není ve svém výzkumu a hledání sám, ale má svého bratříčka, který se jmenuje CMS. CMS je další z experimentů na LHC. Zatímco ATLAS je vybudovaný a financovaný převážně z evropských zdrojů, na vývoj a provoz CMS jsou použity hlavně americké zdroje. Oba experimenty používají různé metody měření a analýzy dat, můžeme tedy říci, že se navzájem doplňují. Aby se potvrdilo, že něco skutečně existuje, je nutné mít nejméně dvě nezávislé měřicí metody, porovnat jejich měřená data a závěry a dojít pokud možno ke stejným výsledkům. V CERNu se tedy vyprodukují částice, urychlí se v LHC a „zařídí se to“, aby pravděpodobnost srážek v místech, kde se nacházejí oba tyto experimenty, byla stejná. Naměřená data se propasírují matematickými analýzami spousty fyziků, výsledky jejich analýz musí navzájem sedět.
Dáte nám konkrétní příklad?
To se ukázalo, když byla v Melbourne v 2012 velká konference (ICHEP) shrnující výsledky měření těchto dvou experimentů – a na které došlo k oznámení, že se Higgsův boson konečně našel. Fyzici jsou opatrní lidé, a tak na konferenci nezaznělo „našli jsme Higgsův boson“, ale zaznělo něco jako „naměřili jsme shodná data, ta se velmi podobají datům, která bychom měli naměřit, pokud bychom našli Higgsův boson“. Nicméně následné analýzy opravdu potvrdily, že se o Higgsův boson jedná.
CERN musí potřebovat k provozu urychlovačů ohromné množství elektrické energie. Dá se vše dobře regulovat, když berete energii ze Švýcarska a Francie?
Je potřeba obrovské množství energie. Máme přímý přístup 400kV vedení ze Švýcarska a Francie. Přepíná se mezi nimi podle situace a ceny energie. Malé urychlovače pracují tak, že každou 1,2 sekundy vyprodukují v krátkém časovém intervalu spousty částic, mají tedy každou 1,2 sekundy na krátkou dobu enormní nároky na proud. V energetické síti se tím vytvářejí energetické špičky, které je třeba regulovat. To se v CERNu dělá velkým motorem s generátorem, který zároveň funguje jako „sklad energie“. Máme zde dva, v roce 1967 je sem dodaly v licenci Siemensu kodovy závody.
Jaká je procedura vstupu do LHC, což je místo s velkou radiací, a je to bezpečné? Předpokládám, že relativně snadný přístup Toma Hankse ve filmu Andělé a démoni je poněkud zavádějící.
Andělé a démoni jsou pochopitelně přikrášleny. Jako nejmarkantnější hloupost bych uvedl, že byla řídící místnost v těsné blízkosti urychlovače. To nikdo nechce právě kvůli radiaci vznikající v důsledku urychlování částic. Řídicí místnost je úplně jinde. Všichni zde musíme vše perfektně ovládat na dálku. Některé prvky tam ale částečně shodné jsou. Máme zde bezpečnostní systém zámků i důkladnou administrativu, která povoluje přístup do tunelu. Vše musí být řádně zdokumentováno a operátor na základě požadavků vydá povolení. Pak už je to mechanická záležitost. U přístupových bodů jsou dva výtahy. Jeden osobní a druhý pro náklad. Na přístupovém panelu si vyzvedneme klíč, který musíme mít s sebou. V okamžiku, kdy je klíč vytažen ze systému, se aktivují bezpečnostní mechanismy, do urychlovače není možné injektovat svazek a v podstatě se (téměř) celý vypne. Tím se zajistí, aby se nikomu v tunelu nic nestalo. Vejde se do vstupního portálu, který se otočí a zavře, zkontroluje se oční duhovka vstupujícího člověka, fotka duhovky se porovná s databází, a když je vše v pořádku, dostane tato osoba povolení od operátora a může jít pracovat. Je zde ještě množství dalších bezpečnostních prvků, ale ty zmiňovat nebudu.
A co zdravotního rizika?
Radiace se velmi hlídá. Každý máme dva dozimetry – jeden měří radiaci v průběhu roku a druhý okamžitou dávku při každé návštěvě tunelu. V průběhu odstávek, tedy většinou od listopadu do března, se urychlovač vypne a počká se, až se sníží množství radiace vznikající aktivací materiálu při jeho provozu. Radiace vzniká v důsledku oběhu elektricky nabitých částic po kruhové trajektorii, a tedy se objevuje jen, když zařízení funguje. V provozu ovšem dochází také k tomu, že se velmi malé procento urychlovaných částic střetává s vakuovou komorou, dochází k aktivaci materiálu (jeho „zradioaktivnění“), která nastává takzvanou sekundární emisí. Takto aktivovaný materiál zůstává radioaktivní, i pokud se neurychluje, a potřebuje jeden až dva měsíce, aby se jeho radioaktivita snížila na únosnou mez. Proto se v CERNu doporučuje dělat většinu prací přibližně od ledna (po vánočních prázdninách). Pochopitelně máme pravidelné lékařské kontroly. A hlavně si vše podle dozimetru hlídáme sami.
Jak se zde skladují data? CERN jich musí mít nepředstavitelné množství.
V CERNu se skutečně generuje obrovské množství dat. Máme zde datové centrum. Jedno datové úložiště je v Meyrinu a druhé v Budapešti. Vedou mezi nimi optická vlákna, kterými se realizuje rychlý přenos dat. Vše je přehledně označené tak, aby bylo jasné, který z počítačů k čemu slouží. V CERNu vyvíjíme tzv. GRID, což je projekt, který má za cíl vytvořit jeden velký počítačový systém sestavený ze spousty navzájem propojených počítačů a datových úložiš po celém světě. Takový systém se používá na paralelní zpracování obrovského množství dat, jaké vytvářejí naše fyzikální experimenty. Neskladují se zde ale jen data pro fyziky. Jsou tu zálohována také všechna účetní data, kterým je dána stejná váha jako naměřeným fyzikálním výsledkům.
Dá se nějak tok dat sledovat i vizuálně?
Ano. Na obrazovkách je možné vidět transakce GRIDu. Tedy posílání výpočtových jednotek z jednoho místa na druhé. Když potřebujete zanalyzovat nějaká data, je třeba udělat patřičný program, který komunikuje s rozhraním GRIDu. GRID vstupní data rozdistribuje do celého světa na různé počítače a každý počítač zpracovává jen určitou část dat. Když je vše hotové, pošle zpět k příslušnému zadavateli úlohy. V takovém měřítku se paralelní zpracování dat dá využít na jakýkoliv jiný úkol. GRID se třeba podílel na výzkumu léku proti malárii.
Čeho si na CERNu vážíte nejvíce?
V CERNu je 23 států, které se spolu navzájem domluví. To je dnes velká vzácnost, byť se jedná o konkrétní věci o fyzice, jak se budou dělat experimenty. Dohody o financování jsou občas problematické, ale k dohodě vždy dojde. Lidé ze zemí, jako je třeba Pákistán a Izrael, dělají vědu ve stejné laboratoři, a tím posilují vzájemné porozumění. A to je přeci úžasné. Z finanční stránky může trochu kontraproduktivně pro CERN působit to, že se tu vychovávají lidé, inženýři, vědci, kteří zůstanou rok, dva, získají zkušenosti a pak odejdou pryč. To CERN sice stojí peníze, ale tito lidé odejdou do svých zemí, kde budou moci své zkušenosti využít a fungovat ve vědě na vysoké úrovni. V tom vidím hlavní přínos pro současnou společnost. Vše není jen o fyzice.
Do CERNu se mohou vypravit i turisté. Otevřeli tu výstavu, která je určena pro veřejnost. Jmenuje se Mikrokosmos. Líbí se vám?
Je to hezky zpracované a srozumitelné. Na modelu lze na vlastní oči vidět, jak to v urychlovači vypadá. A je zde množství výukových panelů v různých jazycích, kde je fungování urychlovače vysvětleno. Běžný návštěvník se do skutečného LHC nemá šanci dostat. Mikrokosmos je stálá výstava, další probíhají i v prostorách Globu naproti CERNu. Rád bych také zmínil novou iniciativu CERNu, která je zajímavá pro studenty a učitele. Jmenuje se SCool LAB. kola si zde může zarezervovat termín, přijet a strávit den výuky na fyzikálních experimentech v CERNu. K vidění je i jednoduchý detektor kosmického záření. Pochopitelně je o to obrovský zájem. Škola musí projít výběrovým řízením.
V Ženevě žijete s rodinou. Práce zde musí být náročná na čas i psychiku. Jak trávíte volný čas?
Odpočívám tím, že dělám něco rukama. Mám rád dřevo, a tak ve volném čase vyrábím věci ze dřeva – kytary, nábytek. Je to opravdu jen hobby. Těžko se mohu srovnávat s profesionálními výrobci. Nejlepší relaxací je pro mne vzít do ruky hoblík a hoblovat. Pěkně postaru. Bez elektřiny. Vyprázdní to mysl.
