Urýchľovače v CERNe

Urýchľovače v CERNe

Úvod

Tento rok je okrem iného významný aj tým, že je to medzinárodný rok fyziky. Pri tejto príležitosti sa po celom svete konajú zaujímavé akcie pre fyzikálnych nadšencov, ale i laikov. Jednej takejto akcie som sa zúčastnila aj ja. Jednalo sa  o prednášky spojené so súťažov, ktoré organizovalo práve laboratórium CERN. Cieľom bolo rozšíriť mladým ľudom obzor aj v oblasti mikrosveta, čo je pre mnohých stále veľká neznáma.

Ani ja som vtedy nebola výnimkou. Prednášky pod vedením odborníkov zo Žilinskej univerzity však boli veľmi kvalitne spracované a rýchlo nás uviedli do problematiky. Po zodpovedaní posledných nejasností, sme boli postavený pred zaujímavú úlohu.

Priamo z laboratória CERN sme obdržali výsledky zrážok z detektora Delphy, ktoré sme mali pomocou práve získaných vedomostí vyhodnotiť. Po dokončení tejto úlohy sme nadviazali videokonferenčné spojenie cez internet s laboratóriom CERN aj s ostatnými zúčastnenými krajinami, kde sme si mali možnosť svoje výsledky porovnať a položiť svoje zvedavé otázky priamo vedcom do CERNu. 
Mne osobne táto skúsenosť veľa priniesla a preto by som sa s mojimi novými vedomosťami chcela podeliť aj s ostatnými. Verím, že sa mi to pomocou tohto projaktu podarí.

Tasso di cambio franco svizzero (CHF) – Svizzera

1. Štandardný model

1.1. História fyziky častíc

Viac ako 2000 rokov ľudia rozmýšľajú o elementárnych časticiach, z ktorých sa skladá všetka hmota. Veľa dali svetu fyziky Gréci vytvorením bázy základných moderných princípov akými sú zákon zachovania hmoty, atomová teória a pod. Počas storočí, ktoré nasledovali po gréckom období, nenastal veľký pokrok. Avšak s nástupom intenzívneho intelektuálneho náboja renesancie do oblasti fyziky, Kopernik a iní veľkí myslitelia začali odmietať grécke myšlienky za vzniku nových predstáv, založených na empirických metódach. Kopernikove teórie zakončili starú éru vedeckého chápania a začali novú vedeckú revolúciu.

Po Kopernikovej revolúcii bolo zrejme, že vedecké teórie nemôžu byť prijaté bez prísneho testovania. Zvýšila sa komunikácia medzi vedcami a to viedlo k nárastu počtu objavov. Na začiatku 20.storočia vedci verili, že rozumejú najzákladnejším princípom prírody. Atómy boli pevné stavebné bloky prírody, vedci verili newtonovským zákonom pohybu, väčšina problémov fyziky sa zdala byť vyriešená.

Avšak počnúc Einsteinovou teóriou relativity, ktorá nahradila newtonovskú mechaniku, vedci postupne zisťovali, že ich vedomosti sú ďaleko od úplnosti. Začal narastať vplyv kvantovej mechaniky, ktorá celkom zmenila základné chápanie fyziky. V polovici 60-tych rokov si fyzici uvedomili, že ich predošlé chápenie, kde všetká hmota je tvorená elementárnymi protónmi, neutrónmi a elektrónmi bolo nedostatočné na vysvetlenie množstva nových častíc, ktoré boli objavené. Gell-Mannova a Zweigova teória kvarkov vyriešila tento problém. Počas posledných 30 rokov vznikla teória nazvaná Štandardný model častíc a interakcií.

1.2. Štandardný model

Všetky naše doterajšie vedomosti a poznatky o zákonoch mikrosveta sú zhrnuté v teórií nazývanej štandardný model. Usiluje sa opísať všetku hmotu a sily Vesmíru (okrem gravitácie). Jej elegancia spočíva v možnosti opísania stoviek častíc a vysvetlenia zložitých interakcií medzi týmito časticami pomocou niekoľkých elementárnych častíc a interakcií medzi nimi. Podľa tohto modelu sú základnými stavebnými kameňmi hmoty kvarky a leptóny a keďže ku každej častici (hmote) existuje jej odpovedajúca antičastica (antihmota) aj antikvarky a antileptóny. Antičastice sú rovnaké ako odpovedajúce častice vo všetkých aspektoch, líšia sa len opačnými nábojmi. Protón je elektricky kladne nabitý, antiprotón záporne. Majú rovnakú hmotnosť, čiže aj vplyv gravitácie na ne je rovnaký. Okrem častíc hmoty existujú aj častice, ktoré sú nositeľmi sily- sprostredkúvajú interakciu. Sú to napr. fotón, gluón, W+ ,W-, Z bozóny

1.2.1. Kvarky
Poznáme 6 druhov kvarkov, ktoré označujeme symbolmi u (z anglického up), d (down), s (strange), c (charm), t (top), b (bottom). Každý z týchto kvarkov existuje ešte v 3 rôznych stavoch, poeticky nazývaných “farby“. Kvôli tomu, že samostatné kvarky majú zlomkový elektrický náboj, môže kvark existovať len v spojení s iným kvarkom. Spojené kvarky tvoria častice zvané hadróny. Súčet elektrických nábojov jednotlivých kvarkov v hadróne je vždy celé číslo. Zatiaľ čo kvarky sú nositeľmi farebného náboja, hadróny sú farebne neutrálne.
Existujú dve skupiny hadrónov :
Baryóny – sú hadróny tvorené tromi kvarkami (qqq). Napríklad protón tvoria 2 up a 1 down kvark (uud), neutrón je zložený z 1 up a 2 down kvarkov (udd).

Mezóny -  sa skladajú z jedného kvarku () a jedného antikvarku ().

1.2.2. Leptóny
Existuje 6 leptónov, z ktorých 3 majú elektrický náboj a 3 nemajú. Najznámejším nabitým leptónom je elektrón (e). Ďalšie dva nabité leptóny sú mión (µ) a tau-leptón , ktoré sa podobajú elektrónu s väčšou hmotnosťou. Všetky elektricky nabité leptóny majú záporný náboj. Ostatné 3 leptóny sú neutrína, ktoré ľahko prenikajú hmotou (). Nemajú elektrický náboj a majú malú, ak vôbec nejakú, hmotnosť. Ku každému nabitému leptónu existuje jedno neutríno. Leptóny môžu existovať bez prítomnosti iných častíc.
Ťažšie typy leptónov (mión a tau-leptón) sa nenachádzajú bežne v hmote, pretože sa veľmi rýchlo rozpadajú. Jedna zo vzniknutých častíc je vždy zodpovedajúce neutríno. Ostatné častice môžu byť leptón a jeho antineutríno alebo alternatívne kvark a jeho antikvark. Elektróny a neutrína sú jediné stabilné leptóny.

1.2.3. Generácie častíc
Kvarky aj leptóny existujú v 3 rozdielnych skupinách. Každú z týchto skupín voláme generácia hmotných častíc. Generácia je skupina tvorená jedným typom náboja kvarkov a leptónov. Každá generácia je ťažšia ako predchádzajúca. Všetká viditeľná hmota vo Vesmíre je tvorená prvou generáciou hmotných častíc: up a down kvarkov a elektrónov. Druhá a tretia generácia častíc je nestabilná a rozpadá sa na prvú generáciu. To je dôvod toho, že všetka stabilná hmota vo Vesmíre je tvorená prvou generáciou častíc. Druhá a tretia generácia sa vyskytuje len v rannom vesmíre, kozmickom žiarení, urýchlovačoch a reaktoroch.

1.2.4. Štyri interakcie
Vesmír, ktorý poznáme, existuje vďaka interakciám elementárnych častíc, vďaka ich rozpadu, anihilácii a vďaka silám, ktoré medzi nimi pôsobia. Rozoznávame štyri základné interakcie:
gravitačná, elektromagnetická, silná, slabá

1.2.4.1. Gravitačná interakcia
Gravitačná interakcia nehrá v mikrosvete prakticky žiadnu roľu. Jej veľkosť je 10-42 N. Častica, ktorá je nositeľom gravitačnej interakcie sa nazýva gravitón, no doteraz sa nepodarilo jej existenciu experimentálne dokázať.

1.2.4.2. Elektromagnetická interakcia
Elektrický náboj (kladný a záporný) a magnetický pól (severný a južný) sú rôznym aspektom tej istej interakcie – elektromagnetizmu. Opačne nabité objekty, ako elektrón a protón, sa priťahujú, kým častice s rovnakým nábojom sa odpudzujú. Napriel tomu, že atómy majú obyčajne rovnaký počet protónov a elektrónov a sú teda elektricky neutrálne, niečo drží tieto atómy v molekule. Je to efekt nazývaný zvyšková elektromagnetická sila. Nabité časti jedného atómu môžu interagovať s nabitými časťami druhého atómu. To dovoľuje viazanie rôznych atómov. Takže elektromagnetická sila vysvetľuje všetky chemické i biologické procesy. Časticou prenášajúcou elektromagnetickú interakciu je fotón. Má nulovú hmotnosť. V závislosti od energie fotónu hovoríme o gama-lúčoch, svetle, mikrovlnách, rádiových vlnách a pod. Veľkosť elektromagnetickej interakcie je 10-2 N.

1.2.4.3. Silná interakcia
Silnú interakciu takisto ako aj slabú  nepostrehneme, pretože dosah ich pôsobenia nie je väčší ako atómové jadro. Týmto silám však vďačíme za objekty, z ktorých je tvorený svet a za rozpady, ktoré spôsobujú nestabilitu určitých častí hmoty. Pôsobia na najmenšie aj na najväčšie objekty vo Vesmíre.

Pretože silná interakcia viaže kvarky v hadrónoch, jej nositeľom je častica  nazývaný gluón ( z angl.lepič), pretože on "lepí" kvarky dokopy.
Gluóny aj kvarky majú určitý typ náboja, ktorý nie je elektromagnetický; nazýva sa farebný náboj. Hadróny (napr. protóny a neutróny) farebný náboj nemajú, sú farebne neutrálne, tak isto aj leptóny. Z tohto dôvodu, silná sila pôsobí len vo veľmi malom počte interakcií.

Tak ako elektricky nabité častice interagujú vzájomnou výmenou fotónov, farebne nabité častice si vymieňajú gluóny v silných interakciách. Hlavný rozdiel medzi silnou a elektromagnetickou interakciou je, že nositele silnej interakcie (gluóny) majú samy farebný náboj. Fotóny nemajú žiaden elektrický náboj. Sila medzi farebne nabitými časticami je veľmi silná, preto si získala meno silná interakcia. Dva alebo viac kvarkov blízko seba rýchlo uvoľňuje gluóny, vytvárajúc veľmi siné "farebné silové pole", ktoré viaže kvarky dokopy. Existujú tri farebné náboje a tri im zodpovedajúce anti-farebné (komplementárne) náboje. Kvarky menia konštantne svoj farebný náboj tým, že si vymieňajú gluóny s inými kvarkami.

Každý kvark má jeden z troch farebných nábojov a každý antikvark má jeden z troch komplementárnych farebných nábojov. Gluóny nosia farebné/antifarebné páry (tie nemusia byť rovnakej farby, napr: existuje červeno/antimodrý gluón). Zatiaľčo existuje 9 možných kombinácií farebného/antifarebného páru, je vďaka ohľadu na symetriu jedna konfigurácia eliminovaná. Takto gluón môže efektívne nosiť jednu z ôsmich možných farebno/antifarebných kombinácií.

Väznenie kvarkov
Farebne nabité častice nemôžu existovať samostatne.Z toho dôvodu sú farebne nabité kvarky uväznené do skupín (hadrónov) s inými kvarkami, ktoré sú farebne neutrálne. Kým nebola objavená teória silnej interakcie v rámci Štandardného modelu, fyzici nevedeli vysvetliť, prečo sa kvarky spájajú len do baryónov (trojkvarkové objekty) a mezónov (kvark-antikvarkové objekty). Teraz už vieme, že len tieto kombinácie sú farebne neutrálne. Častice ako ud alebo dd, ktoré nemôžu byť kombinované do farebne neutrálneho stavu, neboli nikdy pozorované.

Farebné silové pole :
V danom hadróne si kvarky vymieňajú gluóny. Z toho dôvodu hovoria fyzici o farebnom silovom poli, ktoré sa skladá z gluónov držiacich kvarky pokope. Ak je jeden z kvarkov v danom hadróne odťahovaný od svojich susedov, natiahne sa farebné silové pole medzi týmto kvarkom a jeho susedmi. Odťahovaním kvarku narastá stále viac a viac energia farebného silového poľa. V určitom bode, je pre pole výhodnejšie "roztrhnúť sa" na dva nové kvarky. Takto sa energia poľa zachováva, lebo je premenená na hmotnosť nových kvarkov a pole sa môže opäť stiahnuť a "upokojiť sa". Kvarky nemôžu existovať samostatne, pretože musia udržovať farebné silové pole s ostatnými kvarkami.

Reziduálna silná interakcia
Protóny a neutróny, ako aj všetky hadróny, sú farebne neutrálne objekty. Ale pamätajme, že hadróny sú tvorené niekoľkými farebne nabitými kvarkami, takže farebne nabité kvarky jedného protónu sa môžu "zlepiť" s farebne nabitými kvarkami iného protónu, aj keď sú protóny, ako také, farebne neutrálne. Toto sa nazýva reziduálna silná interakcia a je dosť silná na to, aby prekonala elektromagnetické odpudzovanie sa dvoch protónov.

1.2.4.4. Slabá interakcia
Slabá interakcia zodpovedá za fakt, že sa väčšina ťažkých kvarkov a leptónov rozpadá na ľahšie kvarky a leptóny. Keď sa častica rozpadá, stratí sa a je nahradená dvomi alebo viacerými časticami. Výsledná hmotnosť produkovaných častíc je vždy menšia ako hmotnosť pôvodnej častice. Preto stabilná hmota okolo nás obsahuje iba elektróny a dva najľahšie kvarky. Keď kvark alebo leptón menia svoj typ (napr. mión sa mení na elektrón) hovorí sa, že menia vôňu.Všetky vône sa menia vďaka slabej interakcii. Nositeľmi slabej interakcie sú W+,W- a Z bozóny. W bozóny sú elektricky nabité a Z bozón je neutrálny. Zaujímavým aspektom Štandardného modelu je, že elektromagnetická a slabá interakcia sú spojené do jednej zjednotenej interakcie zvanej elektroslabá. (Viď.tabuľka č.1 v prílohe)

2. Urýchľovače
Naše oči sú prispôsobené k viditeľnému svetlu, ktorého vlnové dĺžky sú v okolí 0,0000005 metra. Avšak vlnová dĺžka viditeľného svetla je veľmi veľká na analyzovanie niečoho menšieho ako bunka. Na pozorovanie objektov s väčším zväčšením musíme použiť vlny s menšími vlnovými dĺžkami. Preto sa na výskum submikroskopických objektov ako sú vírusy používajú elektrónové mikroskopy. Avšak aj ten najlepší elektrónový mikroskop môže ukázať iba rozmazaný obraz atómu. Na to, aby sme videli aj najmenšie častice, musíme  použiť ako sondy častice s čo najmenšou vlnovou dĺžkou. Hybnosť častice a jej vlnová dĺžka sú nepriamo úmerné, preto sa na zvýšenie hybnosti častíc a tým zmenšenie vlnovej dĺžky používajú urýchľovače častíc.
Na štúdium veľmi hmotných nestabilných častíc, ktoré majú iba veľmi krátku existenciu (ako napríklad veľmi masívny t-kvark)je potrebné získanie častíc s veľkou hmotnosťou. Avšak, všetko, čím sme obklopení v ich každodennom svete, sú ľahké častice. Poznáme slávnu Einsteinovu rovnicu E=mc2, kde E je energia, m je hmotnosť a c je rýchlosť svetla. Ľahké častice teda vložíme do urýchľovača, dodáme im veľa kinetickej energie (rýchlosti), a potom ich necháme zraziť sa navzájom. Počas tejto kolízie sa kinetická energia častice spotrebuje na vytvorenie nových hmotných častíc. Vďaka tomuto procesu možno vytvoriť nestabilné častice s veľkými hmotnosťami a študovať ich vlastnosti.
Urýchľovače teda riešia dva problémy:
1)  keďže všetky častice majú vlnové vlastnosti používajú sa urýchľovače na zvýšenie hybnosti častice a súčasne zmenšujú jej vlnovú dĺžku tak, že môžu vniknúť dovnútra atómu.
2)  energia urýchlených častíc môže byť použitá na vytvorenie veľkých hmotností, ktoré
  chceme študovať.
Princípom urýchľovača je, že urýchli časticu pomocou elektromagnetického poľa a vystrelí ju na terčík. V okolí terčíka sú detektory, ktoré zaznamenávajú jednotlivé časti udalosti.
Získať častice je pomerne jednoduché. Elektróny sa získavajú zahrievaním kovov, protóny zase odobratím elektrónu vodíkovému atómu, atď. Urýchľovače urýchlia nabité častice vytvorením veľkých silných elektrických polí, ktoré odpudzujú alebo priťahujú častice.Toto pole sa potom šíri pozdĺž urýchľovača a súčasne „tlačí" častice. V lineárnych urýchľovačoch vzniká pole dôsledkom šírenia sa elektromagnetických (E-M) vĺn. Keď E-M vlna zasiahne zhluk častíc, tie vzadu získajú najväčšie urýchlenie, kým tie vpredu získajú urýchlenie najmenšie.

Urýchľovače možno podľa spôsobu zrážky rozdeliť na dva typy:
Pevný terčík: Nabitá častica, akou je napr. elektrón alebo protón je urýchlená elektrickým poľom a zráža sa s terčíkom. Ten môže byť pevný, kvapalný alebo plynný. Detektor určuje náboj, hybnosť, hmotnosť, atď., vzniknutých častíc.
Kolidujúce zväzky: Dva protibežné zväzky vysokoenergetických častíc  navzájom kolidujú – zrážajú sa. Výhodou tohto zariadenia je, že obidva zväzky majú veľkú kinetickú energiu, takže je pravdepodobnejšie, že pri ich kolízii vzniknú ťažšie častice ako pri experimente s pevným terčíkom pri rovnakej energii.

Podľa tvaru možno urýchĺovače deliť tiež na dva druhy:
Obidva typy urýchľujú častice pomocou vĺn elektrického poľa.

Lineárne akcelerátory (linacs)- častice vchádzajú na jednom konci a výchadzajú na druhom.
Používajú sa v experimentoch s pevným terčíkom, ako zdroje častíc do cyklických urýchľovačov, alebo ako lineárne zrážače.

Synchrotróny: Urýchľovače vybudované v tvare kruhu, v ktorom sa častica neustále pohybuje dookola získavajúc veľa malých nárazov pri každom obehu.
Zväzky častíc cyklických urýchľovačov (synchrotrónov) sa môžu použiťv experimentoch so zrážajúcimi sa zväzkami alebo vyvedené z kruhu v experimentoch s pevným terčíkom.
Častice v cyklických urýchľovačoch sa pohybujú po kruhovej dráhe pretože veľké magnety zakrivujú dráhy častíc tak, aby zostali v urýchľovači.

Výhodou cyklických urýchľovačov oproti lineárnymi je, že častice v cyklických urýchľovačoch (synchrotrónoch) obiehajú veľakrát, dostávajúc množstvo energetických nárazov v každom okruhu. Takto môžu poskytovať častice veľmi vysokých energií bez toho, aby mali závratné dĺžky. Naviac to, že sa častice pohybujú mnohokrát po kružnici, im dáva veľkú šancu zrážať sa na tých miestach, kde sa zväzky križujú. .
Na druhej strane, je ľahšie postaviť lineárne urýchľovače ako cyklické urýchľovače pretože nepotrebujú tak veľa magnetov na zabezpečenie kruhového pohybu častíc. Cyklické urýchľovače tiež potrebujú veľký polomer, aby častice získali dostatočne vysoké energie, takže ich budovanie je finančne náročné.
Druhá vec, ktorú treba brať do úvahy je, že ak je nabitá častica urýchľovaná, vyžaruje energiu. Pri vysokých energiách sú straty pri vyžarovaní väčšie v cyklických ako v lineárnych urýchľovačoch. Navyše radiačné straty sú horšie pre urýchľovanie ľahkých elektrónov ako ťažších protónov. Elektróny a anti-elektróny (pozitróny) môžu byť urýchlené na vysoké energie len v lineárnych urýchľovačoch alebo v cyklických s veľkým polomerom.

 
2.1. Najväčšie svetové urýchľovače

SLAC
 
Standford Linear Accelerator Center, situovaný južne od San Francisca je najdlhším lineárnym urýchľovačom na svete. Urýchľuje elektróny a pozitróny pozdĺž svojej 2-míľovej dĺžky až k rôznym terčíkom, prstencom, či detektorom umiestneným na jeho konci. PEP prstenec bol prerobený pre tzv. B-továreň, ktorá bude študovať niektoré záhady antihmoty pomocou B mezónov. Príbuzná fyzika sa študuje v Cornelly 
s CESR a v Japonsku s KEK. objavili c-kvark (spolu s Brookhavenom) a tau leptón. (Viď obrázok č. 1 v prílohe)

FermiLab
Fermi National Accelerator Laboratory, laboratórium fyziky vysokých energií, pomenované po priekopníkovi fyziky Enrico Fermim sa nachádza 30 miľ západne od Chicaga. Je domovom najsilnejších svetových časticových urýchľovačov, Tevatronu, ktorý bol použitý na objavenie b- a t-kvarku. (Viď obrázok č. 2 v prílohe)

CERN
CERN (Európske laboratórium pre časticovú fyziku) je medzinárodné laboratórium, kde boli objavené W a Z bozóny. CERN je rodiskom WWW. Large Hadron Collider bude hľadať Higgsove bozóny a ďalšie nové elementárne častice a sily. (Viď obrázok č. 3 v prílohe)

Brookhaven
Brookhaven National Laboratory (BNL) sa nachádza na Long Islande, New York. Objavili tam c-kvark, spoločne so SLACom. Hlavný prstenec má polomer 0.6 km.  (Viď obrázok č. 4 v prílohe)

CESR
Cornell Electron-Positron Storage Ring (CESR) v New Yorku je elektrón-pozitrónový reaktor s obvodom 768 metrov, situovaný 12 metrov pod zemou na pôde Cornellovej univerzity. Je schopný produkovať zrážky medzi elektrónmi a ich antičasticami, pozitrónmi, s energiou medzi 9 a 12 GeV. Produkty týchto zrážok sa štúdujú s detekčnou aparatúrou nazvanou CLEO detektor. Prebiehajú tu štúdiá b-kvarku. (Viď obrázok č.5 v prílohe)

DESY
V laboratórium DESY v Hamburgu, Nemecko bol objavený gluón v urýchľovači PETRA. DESY pozostáva z dvoch urýchľovačov: HERA a PETRA. V nich sa zrážajú elektróny a protóny. (Viď obrázok č 6 v prílohe)

KEK
Laboratórium KEK v Japonsku bolo vybudované na experimentálné štúdium elementárnych častíc.12GeV protónový synchtrotrón bol skonštruovaný ako najvýznamnejšie zariadenie. Od roku 1976 zohráva tento synchrotrón významnú úlohu v experimentálných urýchľovacích aktivitách Japonska a to viedlo k založeniu ďalšej časti programu vysokoenergetickej fyziky KEK, 30GeV elektrón-pozitrónového urýchľovača protibežných zväzkov nazvaného TRISTAN. Konštruujú B továreň. (Viď obrázok č.7 v prílohe)

IHEP
Institute of High Energy Physics (IHEP) v Pekingu, Čínska ľudová republika.Študujú tau leptón a c-kvark.

3. Detektory
Po tom, čo urýchľovač dodal časticiam dostatok energie, tieto sa zrážajú buď s terčíkom alebo vzájomne medzi sebou. Každá z týchto kolízií sa nazýva prípad. Našim cieľom je izolovať každý prípad, získať z neho experimentálne údaje a otestovať, či časticové procesy tohto prípadu sú v zhode s teóriou, ktorá sa testuje.

Každý prípad je veľmi komplikovaný, pretože vzniká veľa častíc. Väčšina týchto častíc má takú krátku dobu života, že prejdú iba veľmi malú vzdialenosť kým sa rozpadnú sa na iné častice, takže nezanechajú pozorovateľné dráhy.
Na hľadanie týchto rôznych častíc a rozpadových produktov, vyvinuli fyzici multikomponentné detektory, ktoré testujú rozličné hľadiská prípadu. Každý komponent moderného detektoru je použitý na meranie energie a hybnosti častíc a/alebo na rozlíšenie rôznych typov častíc. Keď tieto všetky komponenty spolupracujú na detekcii prípadu, môžu byť na analýzu vyčlenené jednotlivé častice. Sledovaním každého prípadu, počítače zbierajú a interpretujú veľké množstvo experimentálnych údajov z detektorov a prezentujú extrapolované výsledky fyzikovi.

Typy detektorov
Detektory sú konštruované rôznymi spôsobmi podľa typu zrážky, ktorú analyzujú. Pevný terčík: V experimente s pevným terčíkom letia produkované častice dopredu, takže detektory majú tvar kužeľa a sú uložene "po prúde".
Zrážajúce sa zväzky: Počas takéhoto experimentu sú častice vyžarované všetkými smermi, takže detektor je guľový alebo, ešte častejšie valcový.
Moderné detektory: Moderné detektory pozostávajú z mnohých rôznych častí, ktoré testujú rôzne hľadiská udalosti. Toto množstvo komponentov je upravené tak, že fyzici môžu získať väčšinu experimentálnych údajov o časticiach z daného prípadu. Toto je schématický náčrt typického moderného detektoru. :

Dráhový detektok- vnútorná časť detektoru je vyplnená segmentovaným snímacím zariadením rôzneho typu, takže dráhy nabitých častíc môžu byť veľmi presne určené.
E-M kalorimeter- toto zariadenie meria celkovú energiu e+, e- a fotónov. Tieto častice produkujú spŕšky e+/ e- párov v látke. e- (alebo e+) sú odrazené elektrickým poľom atómov, čo spôsobí, že vyžiaria fotóny. Fotóny opäť produkujú e+/ e- páry, ktoré vyžarujú fotóny atď. Výsledný počet e+/ e- párov je úmerný energií nalietavajúcej častice.
Hadrónový kalorimeter- toto zariadenie meria celkovú energiu hadrónov. Hadróny interagujú s hustou látkou v tejto oblasti, produkujúc spŕšku nabitých častíc, ktorých energia je potom nameraná.
Miónová komora- do tejto komory doletia len mióny a neutrína. Mióny sú detekované, ale slabo interagujúce neutrína uniknú. Prítomnosť neutrín môže byť odvodená z chýbajúcej energie.
Magnet- dráha nabitej častice sa zakrivuje v magnetickom poli. Polomer zakrivenia a smer hovoria o hybnosti a znamienku náboja.
Detektory sa skladajú z rôznych častí preto, že každý komponent testuje špeciálnu oblasť vlastností častíc. Tieto komponenty sú zložené dokopy tak, že všetky častice prejdú rôznymi vrstvami postupne. Častice nebudú pozorovateľné, kým nebudú interagovať s detektorom v merateľnej forme, alebo sa nerozpadnú na detekovateľné častice.(Viď obrázky č.8 a 9)
Dôležitou funkciou detektora je merať náboj a hybnosť častice. Z toho dôvodu, vnútorné časti detektora, zvlášť dráhové zariadenie, sú v silnom magnetickom poli. Znamienka nabitých častíc môžu byť ľahko vyčítané z ich dráh, pretože dráhy kladných a záporných častíc sa v rovnakom magnetickom poli zakrivujú v opačnom smere.

Hybnosti častíc môžu byť vypočítané pretože dráha častíc s väčšou hybnosťou sa zakriví menej ako dráha častice s menšou hybnosťou. Je to preto, lebo častica s väčšou hybnosťou strávi menej času v magnetickom poli alebo má väčšiu zotrvačnosť ako častica s menšou hybnosťou a tak sa menej zakrivuje.

Počítačové rekonštrukcie
Detektory zaznamenávajú milióny informácií počas zrážky. Preto je potrebné nechať počítač spracovať tieto informácie a znázorniť najpravdepodobnejšie dráhy častíc a rozpady, ako aj anomálie z očakávaného správania sa.
 
Toto je počítačová rekonštrukcia protón-antiprotónovej zrážky, ktorá produkuje elektrón-pozitrónový pár ako aj veľa iných častíc. Tento konkrétny prípad, ako aj veľa iných podobných poskytuje dôkaz o Z bozóne, jednom z nositeľov interakcií pri produkcii t-kvarkov.

4. CERN
4.1. Začiatky
S myšlienkou založiť laboratórium prišiel už v roku 1949 na konferencií o vede v Lausanne laureát Nobelovej ceny za fyziku Louis de Broglie. Jeho návrh bol ďalej podporený na 5. generálnej konferencií UNESCO v roku 1950 a po ďaľších dvoch rokoch sa jedenásť európskych štátov dohodlo vytvoriť provizorný Conseil Europeén pour la Recherche Nucleaire (CERN). V roku 1953 bola pre CERN vybraná lokalita neďaleko Ženevy. Na zasadnutí Rady CERN v Paríži v 1953 podpísalo dohodu o založení CERNu dvanásť štátov (Spolková republika Nemecko, Belgicko, Dánsko, Francúzsko, Grécko, Taliansko, Nórsko, Veľká Británia, Švédsko, Holandsko, Švajčiarsko a Juhoslávia ). Platnosť nadobudla však až 29.9.1954 po ratifikácií všetkými zúčastnenými krajinami.
Snaha vybudovať silné medzinárodné laboratórium orientované na základný výskum v oblasti fyziky elementárnych častíc reagovala okrem iného na skutočnosť, že v Brookhavenskom národnom laboratóriu  v USA prebiehala stavba prvého urýchľovača novej generácie, protonového synchrotronu nazývaného COSMOTRON. Ten už od jesene 1953 urýchľoval protóny v tej dobe na rekordnú energiu 3 GeV. Snaha, čo najskôr znížiť náskok Ameriky bezpochýb viedla k rýchlemu budovaniu CERNu. Rada CERN ustanovila v roku 1952 dve pracovné skupiny, ktorých poslaním bolo pripraviť projekty prvých dvoch urýchľovačov protónov: konvenčného synchrocyklotronu (SC) a protónového synchrotronu (PS) na čo najväčšie energie.

4.2. Prvý urýchľovač
Prvým urýchľovačom, ktorý bol v CERNe postavený bol synchrocyklotron (SC) umožňujúci urýchľovať protóny na energieu 600MeV. Do prevádzky bol uvedený na sklonku roku 1957. Napriek tomu, že tento urýchľovač svojou koncepciou patril ku staršej generácií urýchľovačov, bol na ňom v septembri 1958, len niekoľko mesiacov po spustení, pozorovaný prvý prípad rozpadu nabitého pióna na pozitrón a elektrónové neutríno. Výrazne to prispelo k potvrdení správnosti vtedajšej teórie slabých imterakcií.

π+  → e+ + νe

4.3. Protónový synchrotron- srdce CERN
Pôvodný zámer pracovnej skupiny bol postaviť synchrotron na 10 GeV využívajúci vyskúšanú metódu tzv. slabej fokusácie zväzkov. Po návšteve v Brookhavenu, kde ich americkí kolegovia zoznámili s novou metódou tzv. silnej fokusácie, sa rozhodli pre zmenu. Silná fokusácia totiž umožňovala urýchliť protóny na oveľa vyššiu energiu, okolo 30 GeV. Napriek tomu, že táto metóda nebola ešte v praxi odskúšaná a bolo nutné vyriešiť radu techniských problémov, podarilo sa v októbri 1952 Radu CERNu presvedčiť, aby súhlasila. Toto odvážne rozhodnutie malo kľúčový význam pre ďalší rozvoj CERNu. Už 28.novembra 1959 sa na PS podarilo urýchľiť protóny na energiu 24GeV. Po krátkej dobe zvýšil svoju energiu na 28 GeV a po asi ôsmich mesiacoch sa stal najväčším urýchľovačom na svete. Okrem primárneho zväzku protónov, poskytoval PS aj sekundárne zväzky piónov, kaónov, antiprotónov a neutrin, ktoré sa stali základným nástrojom skúmania štruktúry hmoti.

4.4. Victor Weisskopf
Začiatkom 60.rokov sa CERNu podarilo dohnať náskok amerických laboratórií ako v oblasti urýchľovačov tak aj v detekčných zariadeniach. Od 1. augusta 1961 bol za generálneho riaditeľa zvolený americký teoretický fyzik Victor Weisskopf. Práve on podporil dva smery rozvoja laboratória, ktoré sa ukázali byť rozhodujúce pre budúce úspechy. Boli to:

●  Projekt nového typu urýchľovača, na ktorom malo dochádzať ku zrážkam dvoch protibežných zväzkov protónov dodaných existujúcim PS. Projekt dostal meno ISR.(Intersecting Storage Rings)
●  Projekt protónového synchrotronu na energiu 300 GeV, ktorý dostal neskôr meno SPS (Super Proton Synchrotron)

Vroku 1964 Weisskopf spomínané dva projekty doplnil návrhom postaviť dve bublinové komory. Jednu naplnenú vodíkom a druhú ťažkou kvapalinou.
16.októbra 1971 bol uvedený do činnosti ISR. Skladal sa z dvoch rovnakých prstencov s polomerom 300 metrov, ktoré sa pretínali na ôsmich miestach. Maximálna ťažisková energia činila 63 GeV. ISR bol v prevádzke do roku 1984 a za tých trinásť rokov bolo získaných mnoho zaujímavých výsledkov, z nich najdôležitejšie sú :

• Presvedčivý dôkaz rastu totálnych účinných prierezov protón-protónových zrážok, čím sa dokázalo, že protón sa  s rastúcou energiou v istom zmylse “zväčšuje“
• Meranie produkcie elektrón-pozitrónových párov, čo potvrdilo správnosť základnej myšlienky partónového modelu.

4.5. Bublinové a iskrové komory
Ku skúmaniu štruktúry a zákonitostí mikrosveta nestačia len urýchľovače, ale sú potrebné aj zariadenia, ktoré umožňujú zaznamenávať produkty zrážok a analyzovaťich vlastnosti. V päťdesiatych a šesťdesiatych rokoch boli dominantnými nástrojmi na detekciu bublinové a iskrové komory, ktoré poskytovali fotografický záznam prebehnutej zrážky. Zatiaľčo iskrové komory boli stavané “na mieru“ konkrétnemu experimentu, bublinové komory sa používali na rôzne experimenty.

4.5.1. Bublinové komory
Bublinové komory boli vynájdené Donaldom Glaserom v roku 1952. Fungovali na princípe, že pri prechode elektricky nabitých častíc prehriatou kvapalinou dochádza počas niekoľkých milisekúnd k vyparovaniu jadier nachádzajúcich sa v blízkosti ich dráh. Tieto jadrá rastú až na makroskopické bublinky, ktoré sa už dajú fotografovať. Prvé bublinové komory mali tvar valca s dĺžkou 30 cm, boli naplnené kvapalným vodíkom a umiestnené v magnetickom poli. Zo zakrivenia dráh v magnetickom poli potom bolo možné určiť hybnosť častíc. Neskôr boli tieto bublinové komory nahradené väčšími- 80 centimetrovými a po roku 1965 dvojmetrovými vodíkovými bublinovými komorami. Tie sa stali asi na desať rokov jednými z hlavných detekčných zariadení v CERNe.

4.5.2. Iskrové komory
Zakladali sa na princípe, že elektricky nabité častice prechádzajú plynom medzi dvoma elektródami vzdialenými niekoľko milimetrov, medzi ktorými je potenciálny rozdiel a následne v dôsledku ionizácie plynu dochádza k výboju. Výslednú iskru, ktorá trvá zvyčajne niekoľko milisekúnd, je možné odfotiť, optickú informáciu následne spracovať a podobne jako u bublinových komôr tým získať informáciu o hybnosti častíc vznikajúcich při zrážke.
Bublinové komory mali v porovnaní s iskrovými komorami neporovnateľne lepšie priestorové rozlíšenie a podávali celkový obrázok zrážky, ktorý dodnes žiadne iné zariadenie neprekonalo. Nevýhodou naopak bola ich pomalosť, lebo typická frekvencia naberenia snímok bola jedna za sekundu, zatiaľčo iskrové komory boli až stokrát rýchlejšie. Iskrové komory mali tiež o rád lepšie časové rozlíšenie. No skutočnosť, že sa obidve komory opierali o optický záznam, bola v obidvoch prípadoch prekážkou a bránila v štúdiu vzácnych prípadov.

4.6. Drôtové proporcionálne komory
Až približne do konca šesťdesiatich rokov bolo potrebné na detekovanie produktov zrážok prezeranie miliónov snímok z bublinových a iskrových komôr. Tak to bolo aj s automatickými zariadeniami. To bolo veľmi nevhodné na štúdium vzácnych procesov. Situácia sa výrazne zmenila s rozvojom elektroniky, s vývojom a konštrukciou elektronických detektorov s princípom drôtovej proporciálnej komory. Princíp je nasledovný: Medzi dvoma rovinnými katódami, vzdialenými asi 1cm, je umiestnená anóda. Tá sa skladá z množstva paralélnych veľmi tenkých drôtov, vzdialených od seba obyčajne 1 mm. Katóda a anóda sú napojené na napätie niekoľko kilovoltov. Pri prechode nabitej častice plynom, dôjde medzi elektródami ku vzniku spŕšky, ktorá je lokaliovaná na niekoľkých okolitých anódových drôtoch. Každý drôt má svoj zosilňovač, čo umožňuje pomocou odberu signálu určiť jednu súradnicu polohy prechádzanej častice s presnosťou zhruba na danú vzdialenosť drôtu. Pretože každý anódový drôt je schopný spracovať stovky tisíc signálov za sekundu, sú drôtové proporciálne komory veľmi rýchle. Bublinové komory aj napriek vynájdeniu drôtových proporciálnych komôr zohrali ešte kľúčovú úlohu, a to pri dokázaní existencie tzv. neutrálnych prúdov (NC) v roku 1973.

4.7. Super Proton Synchrotron
Stavba tohoto urýchľovača, ktorý bol umiestnený v tuneli s obvodom 7 km a 40m pod povrchom zeme bola schválená vo ferbruári 1971. Pre tento projekt SPS bolo nutné zmeniť aj štatút CERN, lebo sa počítalo len s jedným laboratóriom, zatiaľčo pre SPS bolo treba vybudovať nové laboratórium. Bolo nazvané CERN II. Po dokončení SPS boli obidva laboratória opäť spojené v jedno. 17 júna 1976 sa na SPS podarilo urýchliť protóny až na 400 GeV. SPS sa však najväčším urýchľovačom na svete nestal. Zostal ním protónový synchrotron vo Fermiho národnom laboratóriu v Chicagu. Bola tam dosiahnutá energia 500GeV.

4.8. Čakanie na intermediálne vektorové bozóny
Objav neutrálnych prúdov v bublinovej komore výrazne posilnil dôveru v správnosť teórie elektroslabých interakcií. Prvé meranie tzv. Weinbergovho uhla v SLAC potom dovolilo prvý odhad hmotnosti intermediálnych vektorových bozónov W+, W-a Z. Odhadovaná hmotnosť bola približne 65 – 90 GeV. Vytvoriť časticu s takou veľkou hmotnosťou vyžadovalo hlavne dostatočne veľkú zrážkovú energiu. Potrebné zariadenie v SLAC, na ktorom už k takýmto zrážkam dochádzalo, sice už existovalo, ale dostupná energia bola o rád nižšia ako bolo potrebné na vytvorenie Z bozónu. V CERN preto začali stavať nový urýchľovač LEP (Large Electron Positron Collider). Čoskoro sa však ukázalo, že postaviť nový elektrón-pozitrónový urýchľovač s takou vysokou energiou vyžaduje dlhšiu dobu. Náhradným riešením bolo premeniť práve v tom období dokončený urýchľovač SPS na zrážač protónov s antiprotónmi. Podstatou tohoto riešenia bolo využitie urýchľovacích trubíc a systému magnetov na urýchlenie protichodných zväzkov protónov a antiprotónov, ktoré sa potom v niekoľkých miestach mali preťať. Zražka protónov s antiprotónmi je síce na produkciu IVB menej účinná, ale energia SPS sa napriek tomu javila ako dostačujúca. Hlavným technickým problémom bolo pripraviť dostatočne intenzívny a veľmi dobre fokusovaný zväzok antiprotónov. Problém bol najmä v tom, že antiprotóny vznikajú při zrážkach protónov s protónmi či neutrónmi s veľmi rôznymi hybnosťami. Antiprotóny však nestačí len vytvoriť, treba ich aj nahromadiť potrebné množstvo. Pre obidve tieto činnosti bol v CERNe postavený špeciálny tzv. antiprotónový akumulátor (AA). Projekt bol schválený a už koncom roku 1981 boli na ňom zaznamenané prvé zrážky antiprotónu s protónom. Pre spracovanie a analýzu výsledkov boli postavené detektory: mohutný 2000 ton vážiaci detektor UA1 a oveľa menší, ale v niektorých aspektoch “múdrejší“ detektor UA2. Celý urýchľovací komplex aj obidva detektory pracovali skvele a tak už v lete 1983 bolo všetko jasné: IVB existujú a to s hmotnosťami, ktoré predpovedala teória. Po objavení IVB sa zrážač antiprotónov s protónmi a obidva detektory venovali tiež veľmi intenzívnemu výskumu produkcie vlastností jetov. Boli to prvé experimenty, ktoré jety jasne “videli“. Urýchľovač bol v prevádzke do roku 1991.

4.9. LEP
Postaviť LEP znamenalo predovšetkým vyhĺbiť tunel s obvodom 27 km zhruba 100 m pod zemou, ktorý na niekoľkých miestach pretínal švajčiarsko-francúzsku hranicu a na jednom mieste sa pripájal k starým známym urýchľovačom PS a SPS, ktoré slúžili jako predurýchľovače. Na LEPe sa nachádzali celkovo štyri detektory: DELPHI, L3, ALEPH a OPAL. Stavba urýchľovača prebiehala hladko a tak už 13. augusta 1989 boli na LEPe zaznamenané prvé zrážky elektrónov s pozitrónmi pri celkovej ťažiskovej energií okolo 90 GeV. Dôležitými objavmi uskutočnenými na LEPe bolo dokázanie existencie troch generácií kvarkov a pomerne presné určenie hmotnosti Z bozónu na tisícinu percenta: MZ =91,187±0,002GeV. Ďaľším objavom bolo experimentálne potvrdenie základnej vlastnosti chromodynamiky, tj. skutočnosť, že gluóny, na rozdiel od fotónov, spolu priamo interagujú. V roku 1996 bole energia LEP zvýšená pridávaním ďaľších urýchľovacích modulov na 160GeV. A do roku 2000 dokonca až na 209 GeV. Hlavnou motiváciou tohoto kroku bolo overiť samointerakciu bozónov W+, W-, Z. Okrem podrobného kvantitatívneho preverovania štandardného modelu sa experimenty na LEP venovali aj hľadaniu nových častíc či javov. Išlo hlavne o hľadanie Higgsovho Bozónu a supersymetrických častíc. Napriek intenzívnej snahe neboli na LEP nájdené žiadne prejavy supersymetrie a bola len určená dolná medza hmotnosti najľahších supersymetrických častíc, čo činí 50 GeV. Mimoriadne napínavé bolo hľadanie Higgsovho bozóna. Tomu venovali na LEP asi najviac pozornosti., pretože jeho existencia predstavuje posledný nepreverený článok štandardného modelu. Na jeseň roku 2000 dosiahla energia LEP krátkodobo až 209 GeV a podarilo sa zaznamenať niekoľko prípadov, ktoré mali skoro všetky znaky produkcie Higgsovho bozónu. No bez niekoľkonásobného zvýšenia počtu prípadov nieje možné urobiť jednoznačný záver, ale len stanoviť dolnú medzu hmotnosti Higgsovho bozónu: MH > 115 GeV. V tejto dobe už prebiehajú práce na LHC (Large Hadron Collider), ďaľšom novom urýchľovači, ktorý by mal v tuneli LEP nahradiť LEP samotný. Je preto možné, Higgsov bozón bude nakoniec objavený aspoň v tuneli LEP.

4.10. CERN a spoločnosť
Výskumy uskutočnené v CERNe majú priamy dopad na spoločnosť. Uvediem tri príklady:
• Prvý sa týka využitia drôtových a ďaľších komôr vyvinutých v CERN. Tieto komory, ktoré boli vyvinuté na detekciu častíc vznikajúcich po zrážkach na urýchľovačoch, sa dajú veľmi efektívne využiťaj na zobrazovanie vnútorných častí ľudského tela. V porovnaní s röntgenoskopioumá dve veľké výhody: pre veľmi dobré rozlíšenie stačí mnohonásobne menšia dávka žiarenia a záznam je ukladaný priamo do digitálnej formy, s ktorou je možné rekonštruovať priestorový obraz.
•  Druhým prípadom je zrod svetovej siete WWW. Tá vznikla na začiatku 90. rokov pre potreby rýchlej komunikácie medzi medzinárodnými tímami. Tim Bernres-Lee a jeho spolupracovníci vymysleli protokol http, ktorý takúto komunikáciu umožňoval, vyvinuli jazyk html a napísali tiež programy pre prvý prehliadač a server.
•  Tretí prípad sa týka opäť lekárstva. V CERN sa tejto problematike venovala veľká pozornosť, predovšetkým v oblasti využitia zväzkov protónov a neutrónov, ktoré majú oproti klasickým zväzkom elektrónov a fotónov výhody pri ožarovaní niektorých hĺbkových nádorov.

4.11. CERN dnes a zajtra

CERN je dnes bezpochýb najväčším laboratóriom fyziky častíc na svete. Medzi jeho členov patrí 20 európskych štátov a niektoré mimoeurópske krajiny majú štatút pozorovateľa. Slovenská republika sa stala členom CERNu v júli roku 1993, keď už o rok predtým bola do CERNu prijatá v rámci vtedajšej Československej republiky. V súčasnosti sa v CERN buduje nový urýchľovač LHC s celkovou ťažiskovou energiou 14 TeV.

Spustený bude v polovici roku 2007 a dôležitú rolu pri jeho prevádzke budú hrať urýchľovače PS a SPS. Momentálne prebieha výroba a inštalácia 1700 supravodivých magnetov, ktoré budú zväzky protónov a iontov udržovať na kruhovaj dráhe. Hlavnou motiváciou návrhu LHC bolo hľadanie nových častíc a javov siahajúcich za hranicu šrandardného modelu. Pre experimenti na urýchľovači LHC bolo schválených celkom 5 detektorov. Dva veľké univerzálne detektory ATLAS a CMS a tri menšie: ALICE zameraná na výskum zrážok ťažkých iontov, LHCb bude hľdať odpoveď na otázku podstaty narušenia tzv. CP symetrie a TOTEM bude skúmať difrakčné procesy.

Záver:

Asi pred 2000 rokmi gréci objavili atóm, o ktorom si mysleli, že je nedeliteľný. Považovali ho preto za najmenšiu časticu. Postupným vývojom ľudstva a zdokonaľovaním vedy a techniky však vedci objavili ešte menšiie častice: protóny, elektróny a neutróny. Ani tie si však dlho titul “najmenšie” neudržali. Vystriedali ich kvarky. Tie sa zatiaľ zdajú byť skutočne najmenšie, no nikto nevie. Vedecký pokrok veľmi rýchlo napreduje a možno nám dokončenie najväčšieho cyklotronu v CERNe LHC a rok 2007 prichystajú veľké prekvapenie. Pevne verím, že sa mi podarilo splniť cieľ tohto projektu a pootvorla som vám dvierka do tajomného mikrosveta.