Česká Republika

Česká Republika

Velká Británie

Velká Británie

Amerika

Amerika

Kanada

Kanada

Rusko

Rusko

Francie

Francie

Urychlovač částic.jpg
Urychlovač částic, zkráceně jen urychlovač, je technické zařízení, používané pro dodání kinetické energie nabitým částicím. Nabité částice (ionty nebo elektrony či pozitrony) jsou v urychlovači jednou nebo opakovaně urychleny rozdílem potenciálů elektrického pole. Urychlovače slouží k výzkumu elementárních částic, ale i v technické praxi. Existují dva základní typy urychlovačů: lineární a kruhový. Urychlovač částic způsobuje čelní srážky mezi dvěma svazky částic stejného druhu, buď protony, nebo různými typy iontů, především iontů olova. Při srážce se tyto částice rozptýlí a když mají dostatečnou energii, vznikají přitom další částice (produkty srážky). Na zaznamenání toho, co se děje při srážce částic slouží detektor ionizujícího záření (částicový detektor). Částicové urychlovače se využívají ke zkoumání složení hmoty okolo nás — atomů, elementárních částic, kvarků.
Za typ urychlovače lze do jisté míry považovat i klasickou (CRT) televizní obrazovku. První urychlovače začaly být vyvíjeny na sklonku 20. let 20. století. Během následujícího desetiletí (zhruba do roku 1940) byly objeveny základní principy a postaveny podle nich první urychlovače.
Existují dva základní typy urychlovačů:
Lineární urychlovač využívá k urychlení pouze elektrického pole. Toto pole může být statické, nebo se může měnit (a částice je urychlována během letu urychlovačem na několika místech). Výhodou je relativně jednoduchá konstrukce, nevýhodou rozměry a potřeba vysokého napětí. Nejstarším příkladem tohoto typu je iontová trubice.
Urychlovač částic.jpg
Kruhový urychlovač

V kruhovém urychlovači je dráha urychlovaných částic zakřivena magnetickým polem, takže bez dalšího urychlování by byla kruhová. Částice jsou podobně jako u lineárního urychlovače urychlovány elektrickým polem. Příkladem tohoto typu je cyklotron.

Pohyb po zakřivené dráze není jen technickou komplikací. Problém spočívá zejména v tom, že částice pohybující se po kruhové dráze mají velké zrychlení. Podle teorie relativity a teorie elektromagnetického pole částice, která má nějaké zrychlení kolmé na směr jeho pohybu, vyzařuje elektromagnetické záření .
V kruhovém urychlovači je proto energie dodávaná částicím elektrickým polem snižovaná vlastním vyzařováním těchto částic. Toto vyzařovaní se dá snížit zvětšením poloměru dráhy (dostředivá síla je nepřímo úměrná poloměru dráhy). To je důvodem, proč je potřeba na dosahovaní vyšších energií kruhové urychlovače stále větších rozměrů, největší je LHC.
Urychlovač částic.jpg
Vkládání vakuové nádoby jednoho z detektorů LHC v CERN-u..jpg
Vložení vakuové nádrže na CMS detektoru v LHC Evropského institutu fyziky částic, CERN
Evropská organizace pro jaderný výzkum

vropská organizace pro jaderný výzkum je mezinárodní organizace se sídlem v Ženevě. Je známa též pod zkratkou CERN (z franc. Conseil Européen pour la recherche nucléaire).
Byla zřízena roku 1954. Cílem organizace je spolupráce evropských států v oblasti čistě vědeckého a základního výzkumu, jakož i výzkumu s ním do značné míry souvisejícího. Organizace se nezabývá činností pro vojenské účely, výsledky jejích experimentálních a teoretických prací se zveřejňují nebo jinak zpřístupňují veřejnosti. ČR se účastní její činnosti od roku 1993.

Členské státy

Zakládajícími členy byly Belgie, Dánsko, Francie, Itálie, Jugoslávie (do 1961), Německo, Nizozemsko, Norsko, Řecko, Spojené království, Švédsko a Švýcarsko.
Následovaly další státy: Rakousko (1959), Španělsko (1961-1968 a od 1983), Portugalsko (1986), Finsko (1991), Polsko (1991), Maďarsko (1992), Česko (1993), Slovensko (1993) a Bulharsko (1999).
Izrael, který měl od roku 1991 status pozorovatele, se stal v roce 2011 přidruženým členem, což je mezistupeň k plnému členství.

Status pozorovatele má: Turecko (1961), Rusko (1993), Japonsko (1995), USA (1997) a Indie (2002). Z mezinárodních organizací pak EU a UNESCO.


Charakteristika

Evropská laboratoř pro fyziku částic je nejrozsáhlejší výzkumné centrum částicové fyziky na světě. Byla založena v roce 1954 a od té doby se tato laboratoř, která byla prvním takovým evropským společným dílem, stala zářným příkladem úspěšné mezinárodní spolupráce. Z původních 12 signatářů dohody o založení CERN vzrostl počet členských zemí na 20. Laboratoř leží na francouzsko-švýcarské hranici západně od Ženevy na úpatí pohoří Jura. Se zdejším zařízením pracuje okolo 9500 vědců, což je polovina všech částicových fyziků na světě. Vědci reprezentují 500 univerzit či jiných odborných pracovišť a více než 80 národností.
Zabývá se čistou vědou a hledá odpovědi na nejpřirozenější otázky:
Co je to hmota?
Jak hmota vznikla?
Jak jsou utvářeny složité hmotné objekty jako hvězdy, planety nebo lidští tvorové?
Tím, že laboratoř zkoumá složení hmoty, hraje i důležitou roli v rozvoji technologie budoucnosti. Měření prováděná zdejšími vědci jsou důležitým testovacím polem i pro průmysl, neboť právě částicová fyzika vyžaduje vysokou přesnost provedení všech přístrojů. Díky prvotřídní technické vybavenosti hraje laboratoř důležitou úlohu i ve zlepšování technické vzdělanosti. Současný rozsah programu odborné přípravy a kvalifikované vedení láká do laboratoře mnoho talentovaných mladých vědců a inženýrů. Většina z nich najde uplatnění v průmyslu, kde jsou vysoce ceněny jejich zkušenosti s prací v mnohonárodním prostředí.

Poslání

V současnosti stojí na samém čele lidského hledání, které je staré jako sám člověk. Úkolem laboratoře je porozumět tomu, z jakých součástí je hmota složena a jak tyto součásti spolu intereagují. Jeho zařízení, urychlovače a detektory částic, patří mezi největší a nejsložitější vědecká zařízení na světě. V laboratoři se nachází jedno z nich. Jedná se o částicový detektor nazývaný L3, protože byl třetím detektorem navrženým pro urychlovač LEP (Large Electron-Positron Collider, česky asi Velký srážeč elektronů a pozitronů). L3 je jeden ze čtyř detektorů na obvodu sedmadvacetikilometrového kruhu LEP. Každý z nich je velký jako třípatrový dům a je vybaven komplikovanou elektronikou. LEP a jeho detektory jsou postaveny uvnitř tunelu, který se nachází 50 až 150 m pod zemí.

Jejím úkolem je poskytovat svazky částic s vysokou energií fyzikům, kteří je používají při svých experimentech. Laboratoř vděčí za své výsadní postavení tomu, že využívá největší soustavu propojených urychlovačů na světě. Tyto urychlovače pracují s různými druhy částic potřebných pro všechny typy experimentů. V LEP jsou urychlovány elektrony a pozitrony, které se navzájem srážejí. Na jiném místě částice s vysokou energií nazývané miony otevírají protony a neutrony jako lovec perel perlorodku, když se chce podívat dovnitř. Komplex urychlovačů CERN dokáže dokonce urychlovat i jádra atomů olova, která se pak rozbíjejí na nepohyblivých terčících. Z vlastního centra srážky, v němž po kratičký okamžik panují poměry blízké stavu vesmíru těsně po velkém třesku, se vynoří stovky částic. Výzkumníci zde studují velké počty takových pozoruhodných událostí a snaží se porozumět tomu, jak se za 13 miliard let po velkém třesku vesmír stal takovým, jak jej vidíme dnes kolem sebe.

Částicová fyzika studuje věci, které jsou neuvěřitelně malé. Do šířky vlasu se vejde přibližně milion atomů, ale i něco tak malého jako atom je obrovské ve srovnání s částicemi, které se urychlují a studují zde. Kdybychom si představili atom zvětšený do velikosti fotbalového stadionu, jeho jádro by mělo velikost malého míčku či kuličky. Atomy jsou tedy z 99,99% prázdné. CERN se zabývá částicemi, které vyplňují zbývajících 0,01%. K poznávání tak malých věcí jsou potřeba extrémně silné „mikroskopy“. Těmi jsou pro tuto oblast fyziky urychlovače a detektory částic, jako ty používané zde.

Urychlovače částic

Související informace naleznete v článku Urychlovač částic.
Urychlením získají částice velmi vysoké energie. Jejich následné střílení do terčů nebo vzájemné srážky pomáhají fyzikům rozluštit tajemství sil působící mezi částicemi. Existují urychlovače dvou typů, lineární a kruhové. V CERN se můžeme setkat s oběma. Urychlovače používají silné elektrické pole, jehož prostřednictvím „nahustí“ energii do svazku částic. Magnetické pole svazek přesně zaostřuje a slouží i k udržení částic na kruhové dráze.

Lineární urychlovače předávají energii svazku při jeho postupném pohybu po celé délce. Platí tedy, že čím delší zařízení, tím vyšší konečná energie. V kruhových urychlovačích částice létají znovu a znovu kolem dokola a hromadí tak energii s každým oběhem kruhu. Jak ale rychlost částic roste, většina má tendenci „vyletět“ ven z kruhu podobně jako auto projíždějící ostrou zatáčku na silnici. To je důvod, proč je LEP tak velký. Byl navržen tak, aby zakřivení kruhu bylo tak mírné, jak je to jen možné.

Částice se buď vzájemně srážejí (vstřícné svazky, např. jako v LEP) nebo narážejí na nepohyblivé terče vně urychlovače. Přitom vznikají nové částice. Tak se hmota mění v energii a obráceně podle Einsteinovy známé rovnice E = m.c². E označuje energii, m hmotnost a c je rychlost světla. E = m.c² nám říká, že 1 gram hmoty obsahuje úžasných 20.10¹² kalorií (tj. 20 miliard kilojoulů). Částice studované v CERN jsou ovšem tak maličké, že energie obsažená v jedné urychlené částici v LEP je jenom asi 10-9 kalorie. Důležité je, že při srážkách částic je energie soustředěna ve velmi malém prostoru. Při tak vysoké koncentraci energie se produkují další částice, které můžeme studovat a jež nám poskytují nový pohled na nejniternější tajemství přírody. V tunelu LEP byl po jeho demontáži (jež se uskutečnila v letech 2000-2001) instalován nový urychlovač LHC (Large Hadron Collider, česky Velký srážeč hadronů). Do zkušebního provozu byl uveden v roce 2008 (a po několika denním provozu byl z důvodů poruchy chlazení odstaven až do půlky roku 2009 ). Protože při srážkách v LHC je produkováno více energie než v LEP, i detektory budou muset být větší (jeden z nich, nazývaný ATLAS je veliký asi jako šestipatrová budova). Zdá se paradoxní, že zkoumání něčeho tak neuvěřitelně malého vyžaduje tak velké detektory. Důvodem je to, že částice s vyšší energií vznikající při srážkách mohou pronikat silnější vrstvou hmoty. Proto detektory musí být tak ohromné.

Detektory částic

Související informace naleznete v článku Časticový detektor.
Úkolem detektorů částic, jako jsou L3 nebo ATLAS, je zaznamenat, co se stalo při srážce částic. Detektory se podobají ruským panenkám matrjoškám - skládají se z různých do sebe vložených vrstev. Ke srážkám dochází uprostřed, každá vrstva měří různé vlastnosti nově vzniklých částic. Jedním z detektorů na urychlovači LEP je DELPHI - detekční zařízení, která získávají podrobné údaje o drahách částic v oblasti, kde vyletují z místa srážky. Pak přicházejí zařízení na měření energie, kalorimetry, ve kterých většina částic ukončí svou cestu. Červené skvrnky odpovídají energii, kterou částice přinesly a kterou zde odevzdaly. Vnější vrstva celého „cibulového uspořádání“ je tvořena pásem detektorů zaznamenávajících částice, které dokázaly proniknout až tak daleko od středu. Úkolem magnetu uvnitř detektoru je zakřivovat dráhy nabitých částic ve vnitřních vrstvách, což pomáhá při identifikaci jednotlivých druhů částic.

Význam studia částic

Všechno ve vesmíru je vytvořeno z částic, včetně nás samotných. Díky zdejší práci i jiných laboratoří ve světě zabývajících se částicovou fyzikou nyní víme, že k tomu, abychom vysvětlili složení obyčejné hmoty, potřebujeme pouhé čtyři druhy částic - stavebních kamenů. Tyto částice se nazývají kvark u, kvark d, elektron a elektronové neutrino. Země a všechno na ní, planety i Slunce a všechny hvězdy na obloze jsou podle všeho vytvořeny za stejných čtyř základních součástí. Je to jako stavebnice. Z kvarků u a d se skládají protony a neutrony, které společně vytvářejí atomová jádra. Jádra spolu s elektrony v obalech tvoří atomy, které se dále různě spojují a vytvářejí složitější objekty. Čtvrtým členem rodiny je elektronové neutrino, které interaguje s ostatní hmotou tak slabě, že je dokážeme jen stěží pozorovat.

Základní částice hmoty představují jen polovinu celého příběhu. Na to, aby držely pohromadě, je třeba něco dalšího. „Lepidlo“ má podobu sil, které jsou samy tvořeny částicemi. Částice tvořící sílu se však velmi liší od částic hmoty. Jejich hlavním úkolem je přenášet interakce od jedné částice hmoty ke druhé. Gravitace, nejznámější síla, je ze všech nejslabší. Částice, o které se domníváme, že je jejím nosičem, graviton, nebyla v roce 2009 objevena. Na opačném konci měřítka síly je silná interakce, jejímž nositelem jsou gluony, které drží pohromadě kvarky a vytvářejí tak protony a neutrony v atomovém jádře.

Silná interakce má kuriózní vlastnost: Čím jsou kvarky dále od sebe, tím je působení síly mezi nimi větší. To znamená, že kvarky jsou uvězněny uvnitř protonů či neutronů. Mezi oběma krajními póly co do intenzity se nacházejí další dva typy interakcí: elektromagnetická s nosiči fotony a slabá, jejímiž nosiči jsou částice W a Z. Elektromagnetická interakce udržuje elektrony na orbitách okolo jádra a drží pohromadě atomy v chemických či biochemických molekulách. Slabá interakce pomáhá hvězdám svítit a je také příčinou jednoho z typů radioaktivity (radioaktivity beta). Tyto dvě interakce jsou nyní vysvětlovány pomocí jedné společné teorie, nazývané elektroslabá teorie. To představuje důležitý krok na cestě, která vede k jednomu z hlavních cílů současné fyziky: Najít jednotnou teorii popisující všechny síly v přírodě.

Jednou z nejpřekvapivějších věcí v moderní částicové fyzice je existence dalších dvou rodin částic hmoty. Každá z nich je podobná čtveřici kvark u, kvark d, elektron a elektronové neutrino, až na to, že jsou těžší. Přirozeným způsobem se vyskytují jedině na exotických místech, jako jsou horká centra hvězd, ale jsou také produkovány na urychlovačích v CERN a podobných laboratořích.

Sbírku částic v přírodě doplňuje antihmota, něco jako „zrcadlový obraz“ obyčejné hmoty. Antihmotu předpověděl v roce 1928 britský fyzik Paul Dirac. Brzo poté Američan Carl David Anderson antihmotu skutečně objevil ve srážkách vysokoenergetických částic kosmického záření. Volná antihmota dnes ve vesmíru neexistuje. Těsně po velkém třesku, kdy vesmír vznikl, hmota a antihmota existovaly v rovnováze, tedy že bylo stejně antihmoty, jako hmoty.

Teorie popisu částic hmoty a částic - nosičů síly se nazývá standardní model. Ačkoli už po více než 20 let úspěšně prochází všemi experimentálními testy, není standardní model úplným popisem přírody. Fyzikové v CERN přispívají svou prací k vytvoření dokonalejší představy, jak vesmír funguje.
ikona
Tento článek potřebuje aktualizaci, neboť obsahuje zastaralé informace.
Můžete Wikipedii pomoci tím, že ho vylepšíte, aby odrážel aktuální stav a nedávné události. Historické informace nemažte, raději je převeďte do minulého času a případně přesuňte do části článku věnované dějinám.
Standardní model zanechává stále příliš mnoho nezodpovězených otázek, aby mohl být konečnou teorií částic a sil. Proč mají částice hmotnost? Jsou různé síly v přírodě jenom jiným pohledem na stejnou věc? Skutečně není ve vesmíru žádná antihmota? To standardní model neříká. Nový urychlovač LHC umožní pustit se do hledání odpovědí na tyto a podobné důležité otázky. Výstavba LHC byla započata v roce 2005 a připravovaný program svádí dohromady tisíce vědců z celého světa. Uveden do provozu by měl být v roku 2008.

Pro udržení protonových svazků na dráze v LHC byl vyvinut nový silný supravodivý magnet. Na vývoji detektorů, které budou studovat srážky na LHC a které jsou větší a komplexnější než kdykoli předtím, se už pracuje. I týmy spolupracujících fyziků, kteří tyto detektory konstruují, jsou největší, jaké kdy částicová fyzika poznala. Na tomto projektu spolupracuje více než 4400 vědců z celého světa. Když v 50. letech CERN vznikl, vytvořil se tím standard pro evropskou spolupráci ve vědě. S LHC se CERN stává první skutečně komplexní světovou laboratoří.
CERV member states.png
Čt 3. říjen 2013, 14:00:22 CEST
Michal
Dnes je
 TOPlist
Ulož.to - sdílej snadno data
Name
Email
Comment
Or visit this link or this one