Atmosféra v CERNu připomínala rockový koncert

„Nemohl jsem tam být v lepší dobu,“ vzpomíná Daniel Scheirich z Matematicko-fyzikální fakulty UK na období, které v rámci doktorského studia strávil v CERNu. Byl tam totiž i v roce 2009, kdy byl znovu spuštěn nejvýkonnější urychlovač na světě LHC a byl také u vyhlášení posledního nejvýznamnějšího objevu částicové fyziky – experimentálního potvrzení existence elementární částice Higgsův boson v roce 2012.

Absolvoval jste doktorské studium na University of Michigan, ale téměř celou dobu tohoto studia jste strávil v CERNu. Vaše spojení s touto institucí na hranicích Švýcarska a Francie tedy vzniklo v USA – Univerzita Karlova na něm neměla podíl?

Měla. Už v době magisterských studií jsem jezdil často do CERNu, a nebyl jsem tím nijak výjimečný. Studenti Matfyzu běžně navštěvují meetingy a konference týkající se jejich oboru. Konkrétně v CERNu jsou od samého začátku integrální součástí výzkumu, který je na jejich práci do značné míry závislý, což je ale princip celé světové vědy, tedy že do ní velkou měrou vstupují doktorandi.

Od začátku svého působení v CERNu jste zapojen do experimentu ATLAS a patnáct let pracujete na nejvýkonnějším urychlovači na světě LHC.

Načasování mého doktorátu skutečně nemohlo být lepší. Začal jsem studovat v Americe rok před tím, než se naostro spustil urychlovač LHC (Large Hadron Collider – v doslovném překladu Velký hadronový srážeč – pozn. red.), a právě v momentu, kdy jsem měl kapacitu se stoprocentně věnovat výzkumu, jsem mohl pracovat na LHC v rámci svého doktorátu. Jedním z hlavních počátečních cílů LHC bylo najít Higgsův boson, což je částice, jež byla předpovězena teorií popisující elementární částice a interakce takzvaného standardního modelu. Vždycky je pěkné, když máte nějakou teorii, jež něco předpovídá, a jste schopna experimentem ověřit, zda předpověď je, či není správná.

V čem je částice Higgsův boson tak výjimečná?

Je dost zvláštní, protože se hodně liší od ostatních elementárních částic, které rozdělujeme na dvě základní skupiny. Prvním se souhrnně říká fermiony (podle italského fyzika Enrica Fermiho – pozn. red.), což jsou stavební bloky hmoty, z nichž se tvoří protony, neutrony, atomy a tak dále. Typickým příkladem fermionu je elektron. Dalším příkladem jsou kvarky, což jsou částice vázané v protonech a neutronech, a tak z nich lze vytvořit atom.

A pak máme částice interakcí neboli sil, jež zprostředkovávají mezi zmíněnými stavebními bloky silové působení. Například elektromagnetická síla, která je zprostředkována částicí foton. Jádro a kvarky uvnitř protonů a neutronů jsou drženy zase silnou jadernou silou, která je zprostředkována částicí gluon.

Higgsův boson je vlastně takový třetí typ částic, který by se dal zařadit mezi částice interakcí, protože svým způsobem zprostředkovává silové působení, jenže se od nich trochu odlišuje – má jiné vlastnosti. Do teoretického popisu byl tento boson (kterému se tehdy ještě neříkalo Higgsův) zaveden jako nutnost, jelikož bylo potřeba nějakým způsobem matematicky popsat hmotnost elementárních částic. Teoretický model dokázal popsat všechny vlastnosti Higgsova bosonu kromě jeho hmotnosti.

Hmotnost je zde velice důležitá veličina, protože pokud chcete vytvořit hodně hmotné částice, potřebujete urychlovač s dostatečně velkou energií, kterou v případě Higgsova bosonu dokázal vytvořit až právě LHC. Nicméně teorie, jejímž hlavním autorem je Peter Higgs, vznikla v šedesátých letech dvacátého století – Higgsův článek je z roku 1964.

Peter Higgs tedy předpověděl existenci Higgsova bosonu téměř padesát let předtím, než byl skutečně experimentálně potvrzen? To je skvělé, že u experimentu mohl osobně být a o rok později za svůj objev také získat Nobelovu cenu (Peter Higgs získal Nobelovu cenu za fyziku v roce 2013).

Je nutné zmínit, že nebyl sám, kdo matematický popis hmotnosti elementárních částic zavedl. Podílelo se na něm asi šest lidí, nicméně on byl jediný, kdo explicitně napsal, že „musí existovat taková částice s takovými vlastnostmi…“, která je experimentálně pozorovatelná. Proto se částici říká Higgsův boson, a jde skutečně o spravedlivé pojmenování. Samozřejmě ho před těmi více než padesáti lety nenazýval „Higgsův“, ale říkal: „ten boson“.

Experimentálně bylo možné existenci tohoto bosonu ověřit až díky sestrojení urychlovače LHC, který byl schopen vyvinout tak velkou energii, díky které by vědci dokázali částici odhalit, je to tak?

Přesně tak. Všechny předchozí experimenty Higgsův boson také hledaly – protože nebyla známa jeho hmotnost, dlouho se nevědělo, že tehdejší urychlovače nemají dostatečnou energii na to ho objevit. Vědci ho nedokázali objevit ani na předchozím nejvýkonnějším urychlovači Tevatronu, který měl sedmkrát menší energii než LHC. Přesto i v Tevatronu mohl Higgsův boson vznikat, jenže ne tak často, aby byl viditelný v tom obrovském množství dat, jež tvoří takzvané pozadí.

Takže vy hledáte jednu konkrétní částici mezi množstvím jiných?

Dá se to tak říct. Nedokážeme vytvořit jeden typ částic – nemůžeme si určit, které nám budou vznikat. Náhodně vznikají všechny, které mohou, a my z toho obrovského množství dat statistickou analýzou vyzobáváme a identifikujeme snímky, v nichž se odehrává proces, který nás zajímá. Musíme udělat obrovské množství, doslova miliardy, snímků, které poté statisticky zpracováváme. Proto odhalení takového objevu nějakou dobu trvá. Konkrétně LHC byl spuštěn v roce 2008 – čtyři roky před objevem Higgsova bosonu. Krátce po jeho spuštění ale došlo k závažné poruše, a tak byl na rok vyřazen z provozu. Podruhé byl tedy slavnostně spuštěn v roce 2009 a až od roku 2010 v něm začaly vznikat srážky za těch největších energií. Další dva roky pak trvalo, než se nabrala dostatečná statistika – skutečně veliký soubor snímků, na jejichž základě by bylo možné prokázat, že je tam doopravdy nějaká nová částice.

Vy jste byl v té době v CERNu, dokonce jste se šel na vyhlášení objevu podívat.

Objev Higgsova bosonu byl vyhlášen 4. července 2012. V Melbourne zrovna probíhala velká konference částicové fyziky ICHEP, nicméně objev nebyl vyhlášen tam, ale v CERNu, protože CERN si důsledně zakládá na tom, že jeho nové objevy se nesmí vyhlašovat mimo jeho území. Došlo tedy k zajímavé situaci, kdy v době probíhající největší konference najednou CERN oznámil seminář, který bude probíhat v sídle CERNu, jehož téma se samozřejmě snažili držet v tajnosti. Všem zasvěceným bylo ovšem jasné, že oznámí opravdu objev, poněvadž kdyby šlo jen o seminář, na němž se budou prezentovat průběžné výsledky CERNu, uskutečnili by ho v Melbourne. Takže se všichni přesunuli do CERNu…

Já se chtěl jít na vyhlášení samozřejmě také podívat. Předpokládal jsem, že tam bude nával, proto jsem dorazil půl hodiny před zahájením, ale absolutně jsem neměl šanci se do auditoria dostat. Venku zůstali i lidé, kteří stáli ve frontě od čtyř hodin ráno! Byl to prostě moment, kdy atmosféra na fyzikálním semináři připomínala spíš rockový koncert. Šlo o neuvěřitelné období a míra nadšení byla skutečně úchvatná. Takováto příležitost se vám naskytne, když máte velké štěstí, jednou za život.

Smyslem výzkumů CERNu je zmapovat co nejpodrobněji fungování vesmíru. Znamená to tedy, že Higgsův boson tam někde při vzniku vesmíru byl?

Teorie velkého třesku předpokládá, že vesmír měl na počátku extrémně vysokou hustotu a teplotu. Tudíž i energie, při kterých se částice srážely, byly daleko větší a srovnatelné s těmi, které se odehrávají na LHC, anebo dokonce ještě mnohem větší. Pak je samozřejmě jasné, že v takovémto prostředí musely Higgsovy bosony vznikat. Higgsův boson sám o sobě na nás nemá přímý vliv. Ale v kontextu celé matematické teorie jde o extrémně významný objev, protože potvrzuje naši současnou představu o tom, jak funguje vesmír. Kdybychom odstranili z této teorie všechno, co souvisí s Higgsovým bosonem – takzvaný Higgsův mechanismus – dostaneme vesmír, který je úplně jiný než ten, v němž žijeme. Nemohly by v něm vznikat žádné struktury – atomy, veškerá energie by byla ve formě nějakého záření.

Mají výzkumy v CERNu i praktický dopad?

Je třeba zdůraznit, že přístroje v CERNu primárně slouží k základnímu výzkumu. Ale výsledky přináší i významné vedlejší efekty, jež se uplatňují v nejrůznějších oborech, například v medicíně. Osobně jsem přesvědčen, že jednou najdou praktické využití všechny naše dosavadní objevy. Ale přiznám se vám, že já nedělám vědu ani tak pro její praktické využití, jako spíš pro radost a vnitřní obohacení.

Je radost také tím důvodem, proč své přednášky doprovázíte vlastními obrázky?

Vždycky jsem rád kreslil, je to můj koníček a postupně jsem začal kresby využívat jakožto nástroj k popularizaci fyziky. Myslím, že to funguje velmi dobře. Každý pracuje s tím, co má k dispozici. Někdo umí udělat z přednášky skvělou show, já přidávám obrázky, které výklad oživí.

Nepřednášíte jen pro studenty, ale i pro veřejnost.

Je to tak. Dokonce jsem byl letos spoluautorem a jedním z řečníků na fyzikální The Big Bang Stage – na festivalu Colours of Ostrava, jehož hlavním tvůrcem je kolega z Matfyzu Martin Rybář (na programu se také podílí akademici z ČVUT v Praze – pozn. red.). Začátky The Big Bang Stage okolo roku 2017 byly velice skromné, dokonce jsem tehdy kolegům říkal, že to nemůže fungovat. Přednášky o fyzice na hudebním festivalu?! Ale ukázalo se, že to není pravda.

Jak se tam cítíte?

Dobře. Je to hodně jiné než moje běžné přednášky pro veřejnost, na které chodí vesměs lidé, kteří se o fyziku zajímají, a přichází tudíž cíleně. Na festivalu je alternativ co dělat spousta, a když se návštěvníkům náš program nelíbí, jednoduše se přesunou jinam. Překvapivě ale máme plno, dotazy jsou opravdu k věci a diskuze je vždy velmi podnětná. Je vidět, že i lidi na hudebním festivalu fyzika zajímá a stojí jim za to si u nás na hodinu sednout a poslouchat. Pro mě je to nesmírně zajímavá zkušenost, protože jde o úplně jiné posluchače, než kterým běžně přednáším, a také je jich mnohem víc. A ta atmosféra hudebního festivalu je prostě neskutečná. Jste v plném sále pro dvě stě lidí, a díky tomu najednou přednášíte úplně jinak a asi i líp, což samozřejmě není nijak překvapivé. Každý přednášející vám řekne, že není nic horšího než učebna plná spících lidí, což způsobí, že přednášející je ještě nudnější (smích). Naopak sál plný lidí, které téma zajímá, vás ohromně nabudí, což pak o to víc všechny baví, přednášejícího nevyjímaje.