Co kde lítá v částicové fyzice

Během příjímacího procesu na doktoráty jsem kvůli pohovoru navštívila několik univerzit a měla šanci mluvit s mnoha fyziky o jejich výzkumu, což byl pro mne neuvěřitelný zážitek. Hlásila jsem se na doktorandský program v experimentální částicové fyzice, která zahrnuje celou řadu témat a experimentů. Následně i náplň doktorandské práce může být velmi rozmanitá. V minulém příspěvku jsem psala o neutrinech a o jednom specifickém experimentu, na kterém jsem pracovala v rámci svého magisterského projektu. Tentokrát bych chtěla napsat právě o tom, co všechno si lze pod studiem experimentální částicové fyziky představit. Výčet to bude jistě neúplný a silně ovlivněný mými zájmy, ale doufám, že i tak zajímavý.

Pro studium nepředstavitelně malých částic jsou (lehce paradoxně) nutné velmi objemné a drahé experimenty. Ty v současné době nejznámější jsou na Velkém Hadronovém Superurychlovači (LHC) v CERNu, o kterém jsem také psala pár článků nazpět. LHC se věnuje mnoha odvětvím částicové fyziky zahrnující například studium silné interakce, tedy síly, která drží pohromadě jednotlivé konstituenty uvnitř protonů a neutronů, nebo studium narušení takzvané CP symetrie, které by mohlo vysvětlit poměr hmoty a antihmoty ve vesmíru. Mezi daty z LHC se také hledají náznaky existence úplně nových částic či jevů, které by mohly potvrdit či vyloučit pravdivost některých teorií (např. teorie supersymetrie či teorie strun) a objasnit povahu temné hmoty a gravitace.

Enormní velikost i množství možností výzkumu na LHC způsobuje, že každý experiment zaměstnává ohromné množství lidí, kteří zajišťují jeho provoz, údržbu, vývoj a zpracování výsledků. Největší jsou skupiny okolo experimentů CMS a ATLAS čítající přes 3000 vědců, inženýrů a studentů. Celé LHC pak vyprodukuje ročně zhruba 30 petabytů dat (což odpovídá více než 6 milionům DVD disků) a bylo za svou existenci podkladem pro více než 60 000 vědeckých článků.

Dalším v současné době rozkvétajícím odvětvím částicové fyziky je výzkum neutrin. Zde jsou skupiny kolem experimentů znatelně menší (v řádu desítek či stovek členů). Na druhou stranu je takových neutrinových experimentů celá řada. Ty se vzájemně liší jak zaměřením, tak i jejich designem.  Může se jednat například o veliké nádoby naplněné vodou jako je tomu v SuperKamikande v Japonsku nebo o sbírku malých germaniových detektorů v tekutém argonu jako v experimentu GERDA pod horou Gran Sasso v Itálii. Jako zdroj neutrin může sloužit nukleární reaktor v blízkosti experimentu, speciálně připravený neutrinový paprsek, Slunce, rozpady izotopů v zemské kůře či výbuch supernovy. Společným znakem všech těchto experimentů je, že se odehrávají hluboko pod zemským povrchem. To je proto, že na povrchu je vše bombardováno různými částicemi z vesmíru (protony, alfa částicemi, elektrony atd.) a interakce neutrin, které jsou velmi vzácné, by se ve změti částic ztratily. Naopak hluboko pod zemský povrch se takové částice neprobojují, a proto je to ideální místo pro studium neutrin.

Řada experimentů se zabývá neutrinovými oscilacemi, tedy tím jak se jeden druh neutrina může časem samovolně přeměnit v neutrino jiného druhu (celkem známe 3 druhy: elektronové, mionové a tau neutrino). Druhým významným typem experimentů jsou ty, které studují bezneutrinový dvojitý beta rozpad. Příkladem je experiment SuperNEMO, který byl předmětem mojí magisterské práce.

V neposlední řadě jsou zde experimenty studující temnou hmotu, která  tvoří kolem 25% veškeré hmoty a energie ve vesmíru. Zbytek tvoří z cca 5% nám známá, běžná hmota a ze 70% temná energie, o které nevíme zhola nic. Různí kandidáti na částice temné hmoty jsou teoreticky navrženi, avšak nebyli nikdy pozorováni. O její objevení se pokouší 3 druhy experimentů. Jak už jsem naznačila výše, jeden způsob jak pozorovat temnou hmotu je v LHC, kde by mohla být vyrobena ve vysokoenergetických srážkách, které tam probíhají. Druhým způsobem je zkoumání temné hmoty ve vesmíru pomocí astronomických teleskopů. Poslední typ experimentů se zakládá na přímém pozorování částic temné hmoty na Zemi, tedy pozorování její interakce s běžnou hmotou přímo v detektoru. Podobně jako u neutrin musí tyto experimenty probíhat v podzemí, aby se odstranilo pozadí kosmického záření. V současné době asi nejslibnějším experimentem tohoto typu je LZ v Jižní Dakotě obsahující 7 tun tekutého xenonu.

Co se mého PhD týká, rozhodla jsem se zabývat i nadále neutriny. Pokud se nic nepokazí tak od září nastupuji na doktorát na Oxford, kde budu pracovat na experimentu s názvem SNO+ v Kanadě. O tom se chystám napsat dopodrobna až někdy příště.