Student World

V povídání o CERNu samozřejmě nemůžeme minout známý urychlovač částic. Pokračujeme ve včerejším rozhovoru se zaměstancem CERNu Danielem Valúchem. Podíváme se do zákulisí urychlovače částic LHC, představíme technologie, které vznikly na základě pokusůy prováděných v urychlovačích i na ty, které byly vyvinuty proto, aby urychlovač vůbec fungoval.

Mohl byste nějak poodhalit zákulisí právě budovaného obřího urychlovače LHC?

Paradoxné je, že na skúmanie stále menších a menších častíc hmoty potrebujeme stále väčšie a komplikovanejšie zariadenia – urýchľovače. Urýchľovač samotný predstavuje symbiózu asi všetkých známych odvetví vedy a techniky. Spomeniem len pár príkladov. Na udržiavanie zväzku na kruhovej dráhe budú použité v CERNe vyvinuté supravodivé magnety úctyhodných parametrov. Potrebné magnetické pole je generované približne 1 500 magnetmi po celej 27km dĺžke urýchľovača. Magnety sú chladené supratekutým héliom na teplotu 1,8 K. Magnetické pole s indukciou 8,5 Tesla je generované prúdom 12 000 A, ktorý je meraný s presnosťou 1 ppm (t.j. 12 mA!!) a regulovaný s požadovanou dlhodobou stabilitou lepšou ako 5ppm bez akýchkoľvek prekmitov, čo predstavuje enormné požiadavky na presnosť merania a regulácie (vyvinuté v CERNe).
V celom systéme by malo byť použitých približne 90 ton supratekutého hélia, čo predstavuje najväčšiu aplikáciu supravodivosti na svete. Pre maximálne možné zníženie prieniku tepla z "teplej" časti do "studenej" časti sú použité novo vyvinuté vysokoteplotné supravodiče.
Samotné urýchľovanie sa deje pomocou vysokofrekvenčného systému osadeného supravodivými mikrovlnnými rezonátormi (kavity) a výkonovými klystrónovými zosilňovačmi. Pomocou vysokofrekvenčného výkonu 300 kW sa v každej príslušnej rezonančnej dutine vytvorí požadované urýchľovacie napätie s hodnotou zhruba 8 megavoltov. V LHC bude nainštalovaných 8 dutín na každý zväzok.
V predchádzajúcom urýchľovači LEP bolo použitých 52 jedno-megawattových klystrónov budiacich 352 supravodivých dutín, čím sa dosiahlo urýchľovacie napätie vyše 3600MV na jednu otáčku zväzku, čo bol najvýkonnejší vysokofrekvenčný systém na svete (podotýkam, že všetky výkony sú kontinuálne, nie impluzné).
Na presné časovanie je signál z atómového normálu frekvencie distribuovaný po celom CERNe (až desiatky km) pomocou (v CERNe vyvinutého) systému tepelne kompenzovaných optických vlákien, ktorý zabezpečuje, ž e všetky referenčné signály majú nie len frekvenciu, ale aj presne definovanú fázu na konci každého optického kábla.
V miestach experimentov (ATLAS http://atlasexperiment.org/, ALICE http://alice.web.cern.ch/Alice/AliceNew/, CMS http://cmsinfo.cern.ch/Welcome.html/, LHCb http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/, TOTEM http://totem.web.cern.ch/Totem/) – detektoroch častíc – môžeme zase nájsť vysoko sofistikované systémy umožňujúce detekovať extrémne slabé signály, nie zriedka aj jednotlivé fotóny alebo elektróny.
Detektory obsahujú statisíce senzorov, ktoré musia byť schopné merať trajektóriu a energiu prelietavájúcich častíc v 40MHz rytme, čo je predpokladaný "event-rate" (počet zrážok za sekundu). Takéto množstvo senzorov produkuje enormné množstvo dát, ktoré musí byť on-line spracovávané. Len 10 až 100 zrážok z miliardy vytvorí "zaujímavú udalosť", zvyšné musia byť priamo na detektore odfiltrované.
Ďalšie spracovanie zvyšných užitočných dát si ale stále žiada enormné výpočtové kapacity. Experimenty na urýchľovači LHC vyprodukujú vyše 10 petabajtov dá t ročne. Okrem primárneho spracovania linuxovým clusterom priamo v CERNe (predpokladá sa 8 000 počítačov PC) sa budú spracovávať na celom svete, vďaka vyvíjanému distribuovanému gridovému systému.

Chcete zmínit ještě nějaký výzkum právě probíhající v CERNu?

Špeciálnou oblasťou, ktorú by som spomenul, sú zariadenia pre medicínu. Nové vyšetrovacie metódy používajúce rádiofarmaká vyrobené pomocou malých urýchľovačov priamo v nemocnici umožňujú oveľa presnejšie zobrazovanie nádorov, ktoré sú klasickými metódami ešte nerozpoznateľné.
Technológia PET (Positron Emission Tomography) za svoj vznik a rozvoj vďačí práve CERNu a Ženevskej univerzitnej nemocnici.
Pomerne novou liečebnou metódou je tiež tzv. hadrónová terapia. Na ožarovanie nádoru sa používa zväzok protónov generovaných „malým“ urýchľovačom. Výhodou protónov je, že uvoľnia takmer všetku svoju energiu na jednom mieste, takže protóny uviaznu len v ožarovanom nádore. Metóda je preto oveľa účinnejšia a šetrnejšia k pacientovi a využíva sa najmä pre liečbu neoperovateľných nádorov „citlivých“ orgánov. V súčasnosti liečbu touto metódou podstúpilo už mnoho pacientov na celom svete, väčšinou na urýchľovačoch postavených na primárne vedecké účely.
CERN sa angažuje v projektoch PIMMS (Proton Ion Medical Machine Study, http://in fo.web.cern.ch/Press/PressReleases/Releases2002/PR02.02EEnlight.html), alebo LIBO (LInear BOoster, http://www.cerncourier.com/main/article/41/1/1). Cieľom ich práce je postaviť malý jednoduchý a finančne dostupný lineárny urýchľovač (200 MeV) ako doplnok, ktorý sa zapojí za už existujúci cyklotrón priamo v nemocnici a umožní poskytovať liečbu protónovou terapiou širokej skupine pacientov (v súčasnosti využívané urýchľovače na vedecké účely sú veľmi komplikované a drahé experimentálne zariadenia vyžadujúce vysoko kvalifikovanú obsluhu).

V CERNe sa ale vyvíjajú aj technológie, ktoré nie sú priamo použité na urýchľovači častíc, ale sú potrebné na to, aby vôbec fungoval. Všetky komponenty urýchľovača častíc musia byť umiestnené s extrémnou presnosťou. V prípade najväčšieho, 27 km dlhého tunela, sú požiadavky na presnosť umiestnenia komponentov približne 0,1 mm. Keď vezmeme do úvahy, že napríklad každý použitý magnet má hmotnosť približne 30 ton, je to úctyhodný výkon. Pri takto vysokej vyžadovanej presnosti a dĺžke tunela je dokonca možné vidieť vplyv mesiaca alebo výšky hladiny Ženevského jazera na parametre urýchľovača.
Metrologická a zememeračská skupina v CERNe preto musela vyvinúť nové prístroje a metódy zameriavania poskytujúce takúto presnosť pri práci v podzemí. Niektoré z týchto techník boli použité aj pri výstavbe Eurotunela spájajúceho Anglicko a Francúzsko.
Použitie niektorých mikrovlnných metód vyvinutých pre urýchľovače v CERNe bolo úspešne otestované švajčiarskymi a francúzskymi geológmi pri skúmaní podzemný ch potokov a jaskýň pri stavbe tunelov (tzv. geologický radar).
Na záver spomeniem asi najviac očakávanú aplikáciu urýchľovačov častíc – prácu Carla Rubbiu (nositeľ Nobelovej ceny z roku 1984), ktorý navrhol koncepciu tzv. energetického zosilňovača. V princípe môžeme povedať že ide o jadrovú elektráreň novej generácie, ktorá kombinuje klasický štiepny reaktor a urýchľovač častíc – avšak s dvomi rozdielmi. Ako palivo bude použité tórium namiesto uránu, ktoré sa ľahko extrahuje a v prírode sa vyskytuje 3x viac ako urán; ako zdroj štiepnych neutrónov bude použitý urýchľovač častíc.
Štiepna reakcia nemôže prebiehať sama a aby prebiehala potrebuje energiu dodanú z vonku, čo automaticky vylučuje možnosť samovoľného nekontrolovateľného priebehu reakcie (havária). Energia získaná z takéhoto reaktora je niekoľko násobne vyššia ako dodaná, čo vedie k názvu celého zariadenia „energetický zosilňovač“.
Rubbia v roku 1993 začal spoluprácu za účelom hlbšieho výskumu a určenia fyzikálnych možností tejto metódy. O rok neskôr boli výpočty potvrdené a zistilo sa, že získateľná energia z takéhoto zariadenia predstavuje zhruba 30násobok energie dodanej urýchľovačom. V roku 1995 jeho skupina začala pracovať na použití myšlienky energetického zosilňovača aj na transmutáciu vyhoretého paliva z jadrových elektrární. Doteraz získané výsledky sú veľmi povzbudzujúce.

Kde se ješte dají využít urychlovače částic?

Ďalšou oblasťou, kde sa využívajú urýchľovače, je produkcia synchrotrónového žiarenia (svetla). Využíva sa jednoduchý princíp – keď je zväzok častíc s určitou energiou nútený (napríklad vonkajším magnetickým poľom) zakrivovať svoju dráhu, vyžaruje fotóny. Takto vygenerované veľmi kvalitné röntgenové žiarenie s nastaviteľnou vlnovou dĺžkou má široké uplatnenie v polovodičovom priemysle (litografia, mikroskopia), biológii (mikroskopia extrémne malých štruktúr, vírusy), geológii alebo chémii. V súčasnosti je na svete približne 42 zdrojov synchrotrónového svetla a ďalších asi 30 sa plánuje.
Elektrónové zväzky s definovanou kvalitou sa používajú napríklad na sterilizáciu, povrchovú úpravu materiálov, alebo zneškodňovanie nebezpečných látok (ožiarením elektrónmi sa trhajú, alebo naopak formujú nové molekulárne väzby).
Iónová implantácia sa používa napríklad v polovodičovom priemysle, alebo strojárstve na vytváranie veľmi tenkých ochranných vrstiev.
Pomocou detekcie vznikajúcich častíc po ožiarení zlúčenín dusíka sa napríklad určuje prítomnosť výbušnín, alebo drog scanermi na letiskách a pod.

autor Pavel Houser