CERN není jen laboratoř částicové fyziky, ale líheň specialistů

Díky úzké spolupráci CERNu s MFF UK uzavíráme oslavu jeho 70. narozenin rozhovorem s experimentálním částicovým fyzikem Martinem Rybářem, který pracuje na experimentu ATLAS v CERNu a popularizuje vědu, například na festivalu Colours of Ostrava. „Pokud chce být CERN stále špičkovým pracovištěm, a ne druhořadou laboratoří, je nezbytné postavit nový urychlovač. Nejde ale jen o naplnění poptávky nějaké skupinky exotů, kteří hledají temnou hmotu. Jeho realizace požene dopředu vývoj nových technologií, a má tím pádem i velký společenský dopad,“ říká Martin Rybář.

Právě jste se po necelých třech týdnech vrátil z CERNu. Co jste tam dělal?

Můj letní pobyt v CERNu byl celkem specifický, protože se tentokrát netýkal mého výzkumu, ale „odpracovával“ jsem si tam určité směny, jež jsou pro každou zemi, respektive instituci dané země, jejíž vědci v CERNu působí, povinné. Každý, kdo pracuje v CERNu, dělá jednak „svou vědu“, ale vedle toho také musí čas od času zajišťovat jakousi službu kolaboraci – v mém případě například udržovat detektor, na němž naše vědecká skupina pracuje, v chodu. Také se podílíme na aktualizaci softwaru, který data získaná na urychlovači rekonstruuje, připravuje k analýze a podobně.

Takže vedle toho, že na urychlovači „nabíráte svoje data“, střídáte se s kolegy na podpůrném servisu, který udržuje přístroje, jež ke svému výzkumu potřebujete, v provozu.

Přesně tak, bez toho pravidla by to nešlo. Jinak by všichni chtěli dělat jen „fyziku“ a nikdo se nestaral o provoz. Během svého posledního pobytu jsem byl zodpovědný za takzvaný trigger systém, který rozhoduje, které srážky budou uloženy a které ne. Je potřeba redukovat množství z až jedné miliardy srážek za sekundu na několik tisíc. Jednotlivé subsystémy detektoru jsou řízeny z kontrolní místnosti plné monitorů, která připomíná velín NASA. V této místnosti většinou pracují doktorandští studenti, kteří mají omezené znalosti systému. Když nastane něco neočekávaného, volají expertům na telefonu, v tomto případě mně. Byl jsem tak neustále na příjmu, abych pomohl řešit problémy a dohlížel na správné fungování subsystémů detektoru.

Ve „velíně“ v CERNu, kde si Martin Rybář v létě odpracovával povinné směny. 

To musí být docela hektické.

Ale taky je to zábava. Změníte prostředí, přepnete se na směnný provoz a znovu se učíte spoustu nových věcí, protože musíte neustále komunikovat s lidmi okolo, řešíte průběžně přicházející problémy. Je to úplně něco jiného, než když analyzujete data.

Teď už jste zase zpět v Česku. Do jaké míry se vaše vědecká práce na Matfyzu odvíjí od práce v CERNu?

Jsem experimentální částicový fyzik, což znamená, že se snažím zkoumat, z čeho je složen náš vesmír na té nejvíc elementární úrovni. Ke svému zkoumání potřebuji experimenty, přičemž mám to štěstí, že jsem členem kolaborace ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), což je jeden z obřích detektorů na urychlovači LHC, a také název jednoho z obřích detektorů, jež jsou umístěné v největší laboratoři současné částicové fyziky na světě – v CERNu. Na tomto projektu pracuji od své diplomové práce.

Jak si máme ten nejvýkonnější urychlovač na světě, LHC (Large Hadron Collider), představit?

Je to v podstatě takové metro o obvodu dvacet sedm kilometrů nacházející se zhruba sto metrů pod zemí, mezi pohořím Jura ve Francii a Ženevským jezerem ve Švýcarsku. Částicoví fyzici z celého světa na LHC urychlují v devadesáti procentech času protony, které na čtyřech místech sráží proti sobě a úkolem je z energie těchto srážek vytvářet nové částice.

Jenže LHC se vždy na zhruba měsíc v roce přepne, a neurychluje protony, nýbrž jádra olova. A přesně v tu dobu vyrážím do CERNu já.

Urychlujete tedy jádra olova.

Přesně tak. Já a mí kolegové vycházíme z myšlenky, že srážením jader olova vytvoříme materiál, kterému říkáme kvark-gluonové plazma, což je hmota o teplotě asi sto tisíckrát větší, než je v jádru Slunce. Myslíme si, že takovéto podmínky panovaly na počátku existence našeho vesmíru, mikrosekundy po jeho vzniku. Srážením jader olova vytváříme tak v podstatě malé velké třesky, a naše výzkumy tak mají přesah do kosmologie a podobně.

Kdy se urychlovač LHC přepne na urychlovač jader olova?

Probíhá to vždy na podzim, takže na tato měření se do CERNu právě chystám.

„Žádný high-tech ani Silicon si Valley si nepředstavujte,“ směje se fyzik, který pracuje v CERNu už od doktorských studií.

Jak to v CERNu vypadá?

Představte si jeho území zhruba jako areál nějaké velké továrny. Jak jsem říkal, urychlovač LHC má obvod dvacet sedm kilometrů a nachází se zhruba sto metrů pod zemí. Velikost jeho území je tedy výrazně větší než oplocená oblast s kancelářskými budovami a vývojovými halami CERNu.

Proč je LHC pod zemí?

To je otázka, na kterou se vždycky ptám, když o CERNu přednáším. Posluchači se pak zpravidla rozdělí do dvou kategorií, kdy jedni si myslí, že je to proto, aby byl urychlovač odstíněn od civilizace. Druhá skupinka se zase domnívá, že se zabudováním do země urychlovač odstíní od externích zdrojů kosmického záření. Ani jedna odpověď není správná. Když se totiž podíváte na urychlovače v USA, na satelitních snímcích jsou jejich prstence vidět, nenachází se pod zemí. Správná odpověď zní, že ve Švýcarsku je levnější vykopat tunel než vykoupit pozemky na povrchu.

Budovy CERNu si můžeme představit jako takové evropské Silicon Valley?

Právě že vůbec (smích)! Většina peněz, které do CERNu putují vesměs z příspěvků jeho členských zemí, se dává do vědeckých projektů, do stavby urychlovačů a jejich infrastruktury. Kancelářské budovy proto vypadají stále vesměs tak, jak byly v polovině dvacátého století postaveny. Je tam spousta hal, kde se testují magnety nebo nové detektory. Žádný high-tech. Během energetické krize, v důsledku války na Ukrajině, byl CERN nucen tolik šetřit elektřinou, že dokonce vypínal osvětlení v kancelářském areálu. Na provoz přístrojů je totiž potřeba nesmírného množství energie – konkrétně LHC je chlazen na -270 stupňů Celsia. Samotné urychlování částic spotřebovává také ohromné množství energie. Tu dodávají francouzské jaderné elektrárny, na jejichž výkonu se tehdy negativně podílelo dlouhodobé sucho. CERN se proto snažil ušetřit. Pro mě osobně to znamenalo, že jsem tam potmě bloudíval spletitou sítí starých chodeb, sem tam na mě něco probliklo a připadal jsem si jako v nějaké počítačové hře.

Vy jste už coby student stál u významného objevu, respektive jste spoluautorem článku, který je dodnes druhým nejcitovanějším článkem z dat urychlovače LHC v CERNu (po objevu Higgsova bosonu – pozn red.). Jak se vám to podařilo?

Velkou roli v tom určitě hrál fakt, že nás vědců, kteří se věnují srážkám jádra olova bylo tehdy málo, a tak jsem se už jako student prvního ročníku doktorského programu na Matfyzu mohl dostat k hodně zajímavým experimentům. Což ostatně platí dodnes – pořád je nás málo ve srovnání s lidmi, kteří se věnují třeba studiu srážek protonů. Ale tehdy nás bylo fakt málo. Přijel jsem tam s kolegou Martinem Spoustou z MFF UK, s nímž spolupracuju dodnes. Pak tam byl profesor z Columbia University v New Yorku Brian Cole a jeho student Aaron. Byli jsme taková čtyřka a dělali společně takzvanou fyziku jetů – výtrysky částic.

Přišla první data a najednou jsme viděli něco natolik zajímavého, že se rozhodlo o velice rychlém publikování. Lidé uvnitř kolaborace ATLAS k tomu byli skeptičtí. Vložilo se do toho obrovské množství lidí, kteří nás nejen kontrolovali, ale do vlastní analýzy často i přispěli. Pro mě osobně to bylo nesmírně zajímavé, protože publikování článku v CERNu trvá od začátku analýzy běžně rok a půl až dva. A my jsme ho zvládli vydat během dvou týdnů! Každý den probíhalo několik meetingů, vzpomínám si, jak jsem ještě v autě dodělával obrázky do prezentace… Téměř tajně jsme se scházeli s Fabiolou Gianotti, současnou generální ředitelkou CERNu, která tehdy experiment ATLAS vedla. Vůbec mi nedocházelo, čeho jsem součástí.

Tyto fotky už vznikly v prostorech pražského Kampusu Hybernská.  

Kdy jste se začal věnovat popularizaci fyziky?

Můj zájem o vědu se probudil už v dětství a vedl přes astronomii. V Blansku na Moravě, odkud pocházím, jsem měl zajímavého o rok staršího kamaráda – souseda, který se neustále něčemu novému věnoval. Ve čtrnácti letech si postavil dalekohled a já s ním začal pozorovat oblohu. On záhy tento zájem opustil, ale já pokračoval místo něj a už u toho víceméně zůstal. Během střední školy jsem se účastnil Letní astronomické expedice v Úpici, což je takový tábor pro malé přírodovědce. Postupně jsem se tam stal vedoucím a současně začal pracovat jako demonstrátor v brněnské hvězdárně, kde jsem návštěvníkům povídal o noční obloze. V Letní astronomické expedici jsem působil jako vedoucí ještě při studiu na Matfyzu a víc a víc jsem začal o vesmíru přednášet. Navíc mým školitelem byl docent Jiří Dolejší, který se také hodně věnuje popularizaci, a otevíral mi možnosti i v oblasti částicové fyziky.

Vedle toho mě často mile překvapovalo, jak mé kamarády mimo fyziku a vědu zajímá, co vlastně dělám já nebo moji spolužáci. Napadlo nás, že bychom jim o tom mohli udělat přednášku, a tak vznikl projekt Science to Go, tenkrát se to ještě jmenovalo Věda jede na vesnici. Jeho pilotní díl jsme uskutečnili s kolegou a kamarádem Davidem Píšou u něj doma. Koupili sud piva a povídali o fyzice… Postupně se z toho vytvořila platforma přednášek odehrávajících se na různých místech České republiky s cílem dát mladým vědcům prostor mluvit o tom, co dělají.

Co vám to dává?

Nabíjí mě zájem publika. Jsem nadšený a vděčný, že mohu lidem něco předat. Stejně tak si myslím, že je to součást mojí práce. Věda stojí poměrně dost peněz, takže by se mělo lidem vysvětlovat, na co přesně finančně přispívají. Navíc naše fyzika je plná extrémů – urychlovače jsou extrémně velké, výkonné, studené, horké… Dobře se o nich mluví a lidi to zajímá. CERN má podobně jako třeba NASA své místo v popkultuře.

Daří se vám kloubit přednášky pro veřejnost s vědeckou prací?

Letos toho je fakt hodně. Dělal jsem produkci a prakticky vymýšlel program Big Bang Stage na Colours of Ostrava. Podílí se na tom i kolegové z ČVUT v Praze a také Connie Potter z CERNu, které se dlouhodobě daří dostávat vědu a přednášky o ní na velké hudební festivaly. Mně osobně poslední dobou hodně baví míchat dohromady vědu a umění. Máme tak v programu Big Bang Stage například slam poetry, science edition, souboj ilustrátorů s nějakou fyzikální tématikou… Snažím se hledat různé kontexty fyziky, což i mě osobně posouvá dál, když nejsem uzavřen jen v měřeních a analýzách dat.

Jak moc je pro rozvoj částicové fyziky zásadní výstavba nového urychlovače – ještě výkonnějšího, než je dosavadní LHC – a dá se na LHC vymyslet ještě něco nového?

Kdybychom si mysleli, že se na LHC už nic nedá vymyslet, tak ho vypneme (smích). Urychlovač má dva důležité parametry. Jedním je energie částic – čím je větší, tím větší je šance na vznik nějaké exotičtější částice typu Higgsův boson. Pro mě osobně je jedna z největších otevřených otázek částicové fyziky existence temné hmoty. Z astronomických pozorování víme, že vesmír je z velké části tvořen hmotou, kterou nazýváme temná hmota, a vůbec nic o ní nevíme. Nejde o protony, neutrony nebo nějakou hmotu, která by nesvítila. Ale jde o zcela jiné částice, které vůbec neznáme.

Dohlídneme k nim, ale jsou hodně daleko?

Mohou být kolem naší galaxie i jiných galaxií.

Něco jako černý závoj?

Právě že ne. Představte si to jako na pouti, kde vidíte děti lítat na kolotoči, ale nevidíte žádné řetízky, které by vedly od těch dětí k tomu, co se točí uprostřed. Vidíte jenom body a říkáte si, jak je možné, že ty děti někam neodlítnou? Co je tam drží? A něco podobného vidíme my. Vidíme, že galaxie se točí. Vidíme, že se skupiny galaxií točí, ale točí se tak rychle, že kdyby tam byla pouze hmota, o níž víme, že tam je, tak by to odlítlo pryč. Musí tam tudíž být něco dalšího, nějaká další hmota, která se projevuje gravitačně, ale nesvítí – není to ta naše hmota. A ta to drží. Ale vůbec nevíme, co to je.

Urychlovač LHC se snaží tyto částice vytvořit a najít?

Přesně tak. Měl vysvětlit problém temné hmoty. Hmota, které rozumíme, činí pouhých pět procent hmoty ve vesmíru. Temná hmota tvoří dvacet pět procent vesmíru. Pak je tam ještě něco, čemu se říká temná energie, a o tom nevíme už vůbec nic. Občas se mluví o tom, že by to mohlo mít nějakou souvislost s energií vakua, což je ale zase úplně jiný problém…

Vycházíme ze současné teorie, které se říká standardní model a ten popisuje chování částic a sil mezi nimi. I ten má ovšem svoje problémy. Víme tedy, že nejde o finální teorii. A zase přichází různí fyzici s myšlenkami, jak standardní model rozšířit, což typicky vede k předpokladu, že by tam měly být další částice.

A LHC tyto teorie ověřuje. Může ověřit ale jen ty, na které technicky stačí. Proto je důležité pracovat na realizaci ještě výkonnějšího urychlovače.

Ano. Když chcete vytvořit tyto nové částice, potřebujete mít buď větší energii srážejících se částic, což na LHC už nejde – nedokážeme v něm protony urychlit na větší rychlost, a tím pádem větší energii. Můžeme tam ale uskutečnit ještě více srážek.

Což je oblast, kam se ještě může LHC posouvat?

Přesně tak. Čím více srážek, tím víc získáme dat, která nám pak pomocí statistické analýzy umožní říct, s jakou pravděpodobností existuje určitá částice, například již objevený Higgsův boson. Čím víc máme dat, tím pravděpodobněji v nich můžeme objevit procesy, které jsou méně časté a můžeme je pozorovat. To je nyní cílem LHC, jehož provoz je v současné době naplánován do roku 2026. Pak bude následovat tříletá odstávka, během níž dojde k vylepšení všech detektorů i samotného LHC. Díky tomu bychom pak měli získat téměř o řád větší množství srážek, a tím pádem i dat.

Ale samozřejmě se může stát, že nic nového neobjevíme. Protože množství dat není všechno, energie je stále nesmírně důležitá podmínka, což je důvod, proč bychom měli postavit nový urychlovač. Pokud chce CERN být stále špičkovým pracovištěm, a ne druhořadou laboratoří, je nezbytné postavit nový urychlovač. Ano, je to drahé. Ale CERN má v současné době rozpočet jako středně velká evropská univerzita. A pokud se částka nutná pro výstavbu nového urychlovače rozpočítá mezi všechny státy, které na provoz CERNu přispívají, není to zas tak moc.

Výstavba takto kolosálních staveb je často politickou záležitostí, kdy se realizátoři odvolávají na společenskou poptávku. Tím, že popularizujete téma částicové fyziky jim k výstavbě vlastně také připravujete podmínky.

Ano. Jak jsem říkal: Pokud chci, aby to veřejnost platila, musím jí říct, proč to má platit, jaký to má význam. Další závažný argument pro výstavbu nového urychlovače je, že dokáže posunout nejen výzkum částicové fyziky, ale i mnoho dalších oborů lidské činnosti. Budoucí urychlovač je navržen na takové parametry, které dnes nedokážete postavit. Ale protože ho CERN potřebuje, tlačí vývoj ve firmách a technologie dopředu.

I mě osobně toto hledisko motivuje k další práci. Samozřejmě vždycky mám nějakou minimální šanci, že objevím něco nového. Ale mnohem pravděpodobnější je, že se díky mojí práci naučí mí studenti něco nového. Většina z těch, které jsem vedl, se nestala částicovými vědci. Odešli do soukromé sféry, kde ale uplatňují své znalosti částicové fyziky. Mám kamaráda, který využívá software vycházející z CERNu k sestrojování robotů pro medicínské účely. CERN tedy funguje jako taková líheň specialistů pro nejrůznější odvětví. Naučíte se tam myslet, analyzovat data a spoustu dalších dovedností, které pak uplatníte v oborech od financí přes průmysl až po medicínu. Nejde tedy jen o naplnění poptávky nějaké skupinky exotů, kteří hledají temnou hmotu. Realizace nového urychlovače má mnohem větší technologické a tím pádem i společenské dopady.