15. Urychlovače
Urychlovače částic si většina z nás představuje jako obří zařízení, kde se dělá věda na té nejvyšší úrovni. Ne vždy tomu tak ale je. V dobách klasických televizních obrazovek měla většina domácností dokonce malý urychlovač elektronů doma. Byla jím samotná televizní obrazovka. V ní se elektrony urychlovaly vysokým napětím a dopadaly na stínítko, kde vytvářely obraz. Jiným příkladem komerčních urychlovačů jsou rentgeny v nemocnicích. Opět jde o urychlovač elektronů. Urychlené elektrony dopadnou na terčík a generují rentgenové záření. A do třetice: při výrobě většiny elektronických součástek, kterých máte v domácnosti bezpočet, byly při výrobě použity urychlené ionty, které vhodným způsobem změnily jejich vlastnosti.
Mnoho urychlovačů se používá v nejrůznějších technologiích, jen malé procento slouží k výzkumu extrémních stavů hmoty. Ale i tento výzkum, i když se zdá být odtržený od běžného života, má praktický dopad. Uveďme jeden příklad za všechny. V Evropském středisku jaderného výzkumu CERN bylo třeba neodkladně řešit výměnu datových souborů mezi počítači na různých pracovištích. Výsledkem byl vznik protokolu www a první internet. Dodnes je v komplexu CERN vystaven první internetový server světa. Internet, který dnes využívá téměř každý, je ve skutečnosti vedlejším produktem výzkumu elementárních částic.
Urychlovače můžeme škatulkovat podle nejrůznějších kritérií. Můžeme je dělit na urychlovače s nízkou nebo vysokou energií, na urychlovače s elektrostatickým nebo oscilujícím polem, na urychlovače lineární nebo kruhové, na urychlovače s jedním svazkem nebo dvěma proti sobě letícími svazky, těm říkáme kolidery. Další dělení může být podle druhu částic – máme urychlovače elektronů, protonů, iontů nebo těžkých atomových jader. Žádné dělení nemůže zcela postihnout variabilitu soudobých urychlovačů, proto si připomeneme jen některé nejdůležitější typy.
K nejjednodušším urychlovačům patří elektrostatické urychlovače. Nabitá částice je urychlována napětím mezi dvěma elektrodami. K získání vysokého napětí je možné využít van de Graafův generátor, kondenzátorovou baterii nebo různé násobiče napětí. Urychlovací napětí zpravidla nemůže překročit několik desítek megavoltů, neboť hrozí nebezpečí vzniku výboje. V urychlovačích tohoto typu můžeme nabité částice urychlit jen na malé rychlosti v porovnání s rychlostí světla. Pro mnoho aplikací je to ale dostačující.
Dalším typem jsou lineární urychlovače, ve kterých se využívá střídavé napětí přiváděné na soustavu po sobě jdoucích elektrod. Částice je přitahována ke konkrétní elektrodě. Jakmile skrze ni prolétne, změní se polarita napětí a částice je od této elektrody odpuzována a naopak přitahována k elektrodě následující. Proces se neustále opakuje.
Aby tento typ urychlování mohl fungovat, nemůže být proud částic v urychlovači spojitý. To by se částice poflakovaly v urychlovači kdekoli a některé by byly elektrodami brzděny. Částice jsou do lineárního urychlovače nastřelovány v připravených „balíčcích“, jakýchsi shlucích, kterým se slangově říká banče. Před urychlovačem bývá speciální magnetický „balíčkovač“, který banče částic připraví. Pokud je cílem urychlit částice na rychlosti blízké rychlosti světla, odpovídá střídání napětí na elektrodách rádiovým a mikrovlnným frekvencím a namísto soustavy izolovaných elektrod je možné použít radiofrekvenční a mikrovlnné rezonanční dutiny, ve kterých částice „surfují“ na stojaté elektromagnetické vlně. Nejdelší lineární urychlovač byl donedávna ve Stanfordu. Měl délku 3 kilometry a elektrony tady mohly získat energii až 50 GeV. Na tomto urychlovači mohly být urychlovány elektrony i pozitrony. Po výstupu z tříkilometrového urychlovače byly nastřeleny do prstenců, kde obíhaly proti sobě a střetly se v detektoru. Dnes je tento urychlovač v rekonstrukci. Za průkopníky ve stavbě lineárních urychlovačů jsou považováni britský fyzik John Cockroft a americký fyzik Robert van de Graaf. Dnes existují plány na stavbu třicetikilometrového Mezinárodního lineárního kolideru ILC, zatím ale jen na papíře a v počítačích teoretiků.
Průlomem v konstrukci urychlovačů byl kruhový urychlovač, ve kterém je dráha nabité částice zakřivena magnetickým polem a částice mnohokrát opakovaně obíhá po stejné dráze, na které je urychlována elektrickým polem.
Úplně první cyklotron pro urychlování elektronů zkonstruoval Ernest Lawrence takřka na koleně za pouhých 25 dolarů. Jeho průměr byl něco málo přes deset centimetrů. Výhoda tohoto uspořádání je zjevná: k dosažení stejné energie postačí mnohem menší velikost urychlovače než v lineárním případě. Je to ale něco za něco. Na kruhové orbitě nabitá částice vyzařuje a ztrácí energii. Čím menší částice, tím více září. Pro elektrony s vysokou rychlostí se zářením ztrácí tolik energie, že v urychlování na kruhové dráze není možné pokračovat.
Po čtvrt století byl největším urychlovačem světa americký Tevatron postavený v komplexu laboratoří Fermilab v blízkosti Chicaga. V prstenci o obvodu přes šest kilometrů se srážely protony s antiprotony o energii až jednoho teraelektronvoltu. Činnost urychlovače byla letos ukončena. Za 28 let práce v něm byla objevena řada elementárních částic včetně tau neutrina nebo top kvarku.
Prvenství převzal Velký hadronový kolider neboli LHC ve Středisku jaderného výzkumu CERN v blízkosti Ženevy. Je postaven v hloubce přes sto metrů v tunelu dlouhém 27 kilometrů a uveden do provozu byl v roce 2009. Protony ve vstřícných svazcích bude možné urychlit až na 7 TeV, celková energie při srážce tedy bude 14 TeV. Nabité částice na správné dráze udržují magnety. Vlastní urychlování probíhá v mikrovlnných rezonančních dutinách.
V tomto zařízení získají částice energii, jaká nebyla lidstvem nikdy předtím dosažena. Vědci si slibují pochopení těch nejzákladnějších vlastností hmoty za extrémních podmínek. Nové objevy, které ovlivní budoucnost naší civilizace, na sebe určitě nenechají dlouho čekat.