Co přijde po uzavření Tevatronu? Možná první urychlovač muonů na světě

19. 06. 2011

Tevatron Higgsův boson Částicová fyzika LHC

Tevatron je americký urychlovač subatomárních částic, po LHC v Evropě druhý největší na světě. Jeho provoz bude ale letos v září ukončen, americká vláda totiž neprodloužila financování projektu na příští fiskální rok. Úlohu Tevatronu od roku 2008 postupně přebírá silnější Large Hadron Colider (LHC) v CERNu, který se tak postupně stává jediným zařízením schopným detekovat higgsův boson. Na místě Tevatronu nicméně může vyrůst zcela nové zařízení, které by namísto hadronů urychlovalo jiné subatomární částice, muony.

Úkolem Tevatronu je urychlit protony a antiprotony na rychlost blízkou rychlosti světla, která jim dá celkovou energii až jednoho teraelektronvoltu (TeV, odtud také název urychlovače). Při srážkách těchto energeticky nabitých částic vznikají další často nestabilní subatomární vysokoenergetické částice, které se během zlomku sekundy rozpadají na stabilnější. Vědci se při tomto procesu snaží pomocí extrémně citlivých detektorů mezi známými částicemi najít vzácné úkazy, které by mohly znamenat krátkou existenci doposud neznámé částice, například právě higgsova bosonu, který je klíčovou součástí, aktuálně široce uznávaného teoretického standardního modelu částicové fyziky, doposud však vědci nenašli důkaz jeho existence.

Americký Tevatron se v současné podobě používá pro srážky protonů a antiprotonů od roku 2001. Nejde ale o první zařízení, které využívá 6,3 kilometrů dlouhého tunelu nedaleko Chicaga, ve kterém se subatomární částice urychlují. Podobně jako v CERNu dříve fungoval urychlovač LEP (Large Electron-Pozitron Colider), i na místě Tevatronu byl dříve urychlovač a po jeho uzavření by mohl být další. Tentokrát by ale pracoval místo hadronů s muony, částicemi podobnými elektronům, se záporným elektrickým nábojem a stejným spinem jako má elektron, avšak s vyšší masou.

V urychlovačích fyzici běžně srážejí jak protony, tak například elektrony (a jejich antihmotové ekvivalenty antiprotony a pozitrony). Výhodou elektronů je to, že mají oproti protonům 1800x menší masu a tedy s nimi vědci dosáhnou vysokých rychlostí při menším množství vynaložené energie. Problémem ale je, že v magnetickém poli, které udržuje urychlované částice na správné dráze, vyzařují elektrony synchrotronní radiaci, což snižuje energii těchto částic. Protony problém s radiací díky své vyšší mase nemají, jsou ale příliš těžké a pro dosažení vyšších energetických hodnot je nutné vynaložit větší množství energie.

Jedním z řešení je postavit ještě větší hadronový urychlovač pro protony, nebo například obrovský lineární urychlovač pro elektrony (lineární urychlovač nevyžaduje magnetické pole). Existuje ale ještě jedna možnost, a to urychlovat jiné částice, například právě muony, které jsou v sobě kombinují vlastnosti elektronů a protonů. Muony jsou asi 200x masivnější než elektrony, čímž eliminují synchrotronní radiaci, existuje zde však další problém, muony se rozpadají během 2,2 mikrosekundy.

Nicméně řešení existuje a je jednodušší než by se zdálo. Pokud se rychlost objektu blíží rychlosti světla, nastává časové zkreslení a vnějšímu pozorovateli se zdá, že čas běží zrychlenému objektu pomaleji. Čím více se rychlost muonů přiblíží rychlosti světla, tím déle budou tyto subatomární částice existovat. 

Specializovaný tým odborníků v současnosti pracuje na proveditelnosti tohoto projektu. Někteří vědci stále doufají, že by Tevatron mohl ještě nějakou dobu pracovat, rozhodnutí však není na nich. Je však pravděpodobné, že nějaký urychlovač u Chicaga přece jen bude fungovat i v budoucnosti.