V současné době se rozhoduje o tom, jak bude vypadat následník současného největšího urychlovače na světě a kde se postaví. Připomeňme, že současným velikánem je LHC v laboratoři CERN. Proslavil se hlavně objevem Higgsova bosonu, kterým dokončil potvrzování Standardního modelu hmoty a interakcí, této současné teorie popisující strukturu hmoty. Po nedávném vylepšení, které umožnilo dosáhnout téměř nominální maximální energie a zásadně zvýšilo frekvenci srážek, se daří významně zpřesňovat hodnoty parametrů této teorie, zvyšovat přesnost jejich předpovědí a zlepšovat možnosti zjistit projevy exotické nové teorie za zmíněným Standardním modelem hmoty a interakcí.

Víme, že některé jevy ve vesmíru, jako je třeba temná hmota nebo temná energie, nedokáže naše současná teorie struktury hmoty popsat. Neobsahuje také kvantovou teorii gravitace. Je tak jasné, že existuje obecnější teorie, která obsahuje i Standardní model hmoty a interakcí, ale dokáže navíc popsat i fyziku v ještě extrémnějších podmínkách. A jedním z důležitých nástrojů, které by nám měly umožnit poznat tuto obecnější teorii, jsou i srážky částic urychlených na stále vyšší energie.

Snaha o stále vyšší energie urychlovaných částic, a tím i o stále větší urychlovače, má tři hlavní důvody. Prvním z nich je, že kvantová fyzika umožňuje při srážce přeměnu kinetické energie urychlených částic na hmotu nově vzniklých částic. Vztah mezi energií a hmotností nové částice je dán známým Einsteinovým vztahem E=mc². Čím větší je energie dostupná při srážce, tím těžší částice můžeme produkovat.

Druhým důvodem je pozorování co nejjemnějších detailů struktury hmoty. V kvantovém světě má každý objekt částicové i vlnové vlastnosti. Důležitou charakteristikou je tak jeho vlnová délka, která zároveň určuje, s jakou přesností lze určit je polohu. Hodnota této vlnové délky je nepřímo úměrná hybnosti, a tedy i energii dané částice. Pokud tak zvyšujeme energii částic svazku, můžeme zkoumat stále menší rozměry objektů. Pomocí urychlovače LHC tak můžeme pozorovat detaily s rozměr menšími, než je rozměr protonu. „Vidíme“ tak i jeho kvarkovou strukturu.

Posledním hlavním důvodem zvyšování energie svazku v případě, že se urychlují těžká jádra. Při srážce se jaderná hmota ohřeje a stlačí. Čím je větší energie urychlených jader, tím větší teploty a hustoty jaderné hmoty lze dosáhnout. Dostáváme tak hmotu, která se vyskytovala na počátku našeho Vesmíru.

Již v době, kdy se spouštěl urychlovač LHC, jsem říkal, že nejhorší situace z hlediska snahy o získání financí pro vybudování ještě většího zařízení, bude výsledek, kdy se podaří objevit „pouze“ Higgsův boson a jeho vlastnosti budou plně odpovídat nejjednodušší verzi Standardního modelu hmoty a interakcí. A zároveň se nepodaří objevit žádné nové částice, které nelze vysvětlit v rámci této teorie a všechny pozorované jevy a procesy budou také plně popsatelné v jejím rámci. A přesně taková situace nastala. I při extrémním zpřesnění Standardního modelu hmoty a interakcí a velmi přesném měření realizovaném pomocí LHC se nepodařilo najít odchylky mezi teorií a experimentem, které by signalizovaly přítomnost a vlastnosti nové fyziky. Fyzikové tak nemohou za politiky přijít s tím, že nový urychlovač objeví nějakou novou částici. Spíše tomu tak nebude. Nový urychlovač by jen dále zásadně zlepšil přesnost našich znalostí Standardního modelu a mohl snad konečně zviditelnit i signatury nové fyziky za ním.

Přesto je velmi důležité ještě větší urychlovač postavit. Podrobné důvody ukazující důležitost takového zařízení pro fundamentální poznání i pro technologický rozvoj naší civilizace jsem popsal už v době spouštění urychlovače LHC, a jen těžko bych na tomto svém textu dnes něco měnil. Začít s přípravou a budováním nového urychlovače je třeba v předstihu. Urychlovač LHC by se měl sice provozovat nejméně do roku 2040 a v letech 2026 až 2028 by mělo proběhnout jeho velmi intenzivní vylepšení. Ale rozhodnutí o vybudování jeho následníka by mělo padnout v nejbližších pár letech.

V současnosti se tak dokončuje projekt takového urychlovače. Půjde opět o kruhový urychlovač a o srážeč, na kterém se urychlují svazky stejných částic proti sobě a těžiště srážky je tak v laboratorní soustavě. Lze tak využít veškerou energii srážky. V případě srážky svazku s pevným terčem se část energie spojená s pohybem těžiště nevyužije, a v případě velmi vysoké energie urychlených částic navíc podíl takto nevyužité energie rychle roste.

Urychlovat lze elektrony a pozitrony nebo protony a jádra. Výhodou srážek elektronů a pozitronů je jejich bodovost. Proton je velmi komplikovaná struktura tří konstituentních kvarků a komplikované kvantové pole silné interakce. Při srážce urychlených protonů se srážejí konstituentní kvarky i virtuální kvarky a gluony kvantového pole silné interakce. V jedné srážce těchto partonů tak lze využít pouze zhruba desetinu energie obsažené v urychlených protonech. Nevýhodou urychlování elektronů je, že tato lehká nabitá částice, na kterou při oběhu po kruhové dráze působí dostředivé zrychlení, vyzařuje elektromagnetické záření označované jako synchrotronové. Jeho intenzita roste rychle s rostoucí energií a dosažitelná energie má svou limitu. Ta je větší pro větší poloměr a obvod urychlovače, kdy je dostředivé zrychlení pro danou energii menší.

Předpokládá se tak postupné využití obou typů urychlovače. Nejdříve by se v nově vybudovaném tunelu postavil srážeč elektronů a pozitronů, který by byl strojem na produkci higgsů, objevených pomocí LHC i Z a W bosonů, objevených na urychlovači SPS. Díky bodovosti elektronů, a tomu, že neinteragují silnou interakcí, by šlo o velmi čisté srážky s minimem pozadí. Ideální nástroj pro studium procesů spojených s elektroslabou interakcí. Potlačení zmíněného synchrotronového záření lze dosáhnout zvětšením poloměru, které vede ke zmenšení dostředivého zrychlené pro danou energii elektronu či pozitronu. Proto by měl nový urychlovač daleko větší poloměr a obvod než stávající urychlovač LHC.

Po vyčerpání hlavního potenciálu srážeče elektronů a pozitronů by se ve stejném tunelu s co největším využitím stávající infrastruktury vybudoval srážeč protonů a jader, Jde o úplně stejný postup, jaký se uplatnil i v případě stávajícího urychlovače v laboratoři CERN. I tam se nejdříve v tunelu s obvodem 26,7 km vybudoval srážeč elektronů a pozitronů LEP, který podrobně prostudoval vlastnosti nově objevených bosonů Z a W a vlastností elektroslabých interakcí. Teprve po ukončení jeho činnosti se ve stejném tunelu vybudoval srážeč protonů a jader LHC, který objevil Higgsův boson. Velmi důležité je, že v případě urychlování na velmi vysoké energie to nelze realizovat pouze jedním urychlovačem. Dipólové magnety totiž nemohou pracovat v příliš širokém rozmezí intenzit magnetického pole. Proto se musí využívat sestava několika kruhových urychlovačů, která urychluje částici postupně na stále vyšší energii. U LHC se tak využívají jako předurychlovače starší synchrotrony PS a SPS. I v případě nového ještě většího urychlovače by se pak urychlovač LHC využil jako předurychlovač pro tento ještě větší stroj.

Laboratoř CERN se tak intenzivně pracuje na projektu urychlovače FCC (Future Circular Collider), nejdříve by šlo o srážeč elektronů a pozitronů FCC-ee, který by se později přebudoval na srážeč protonů a jader (tedy hadronů) FCC-hh. V letech 2014 až 2018 se pracovalo na předběžné koncepci a designu urychlovače. Do roku 2025 by se měla dokončit studie proveditelnosti. Mezi lety 2025 až 2027 by měl být připraven předběžný projekt zařízení (tzv. TDR) a v roce 2028 by měl CERN rozhodnout o realizaci projektu. Tunel by se pak měl začít razit v roce 2032. V roce 2041 by pak ukončil provoz LHC, okolo roku 2045 by se rozběhl FCC-ee a fungoval 15 let, srážeč FCC-hh by pak začal pracovat někdy okolo roku 2070.

Obvod tunelu FCC by měl být 90,7 km (obvod LHC je 26,7 km), dipólové magnety by měly magnetickou indukci 14 – 20 T (u LHC je to 8,3 T) a podle velikosti magnetické indukce by energie dostupná v těžišti pro protonový srážeč měl být mezi 84 – 120 TeV (u LHC je maximum 14 TeV).

Svůj projekt srážeče elektronů a pozitronů, který by se posléze přebudoval na srážeč protonů a jader má také Čína. Na jejím projektu pracuje čínský IHEP (Institute of High Energy Physics). Jednalo by se o CEPC (Chinese Electron Positron Collider), který by měl při srážce v těžišti energii 240 GeV. Posléze by byl přebudován na SPPC (Super Proton-Proton Collider), který by měl obvod do 100 km a i další parametry velmi podobné těm u evropského projektu FCC-hh. V příštím roce 2025 by měl být publikován předběžný projekt zařízení TDR a měla by být podána žádost na vládu o financování projektu. Předpokládá se zahájení výstavby v roce 2027 a urychlovač CEPC by se měl rozběhnout v roce 2037.

Právě diskuze o vybudování nového velkého urychlovače, který bude následníkem urychlovače LHC byla jedním z klíčových témat konference ICHEP 2024 (International Conference on High Energy Physics), která proběhla před více než týdnem v Praze a měla přes tisíc účastníků. Jde o tradiční největší celosvětovou konferenci zaměřenou na částicovou fyziku, která probíhá každé dva roky už více než půl století. V paralelních sekcích byl prezentován stav různých prací na vývoji jednotlivých komponent budoucích urychlovačů a přípravě projektů, ať už se jedná o evropský FCC nebo čínský CEPC.

V plenárních přednáškách pak byl přehled současného stavu v oblasti využívaných a budovaných urychlovačů, a také stav projektu urychlovače FCC. Velmi důležitým bodem programu byla panelová diskuze zaměřená právě na budování nových velkých urychlovačů. Panelisty byly ředitelé čtyř největších světový laboratoří s urychlovači, zaměřenými na částicovou fyziku velmi vysokých energií. Šlo o ředitelku laboratoře CERN Fabiolu Gianotti, ředitelku laboratoře FNAL (Fermilab) Liu Merminga, ředitele čínské laboratoře IHEP Yifang Wanga a ředitele japonské laboratoře KEK Shoji Asai.

Všichni se shodli, že je extrémně důležité takový nový velký srážeč v nejbližších desetiletích vybudovat. Stejně tak všichni zdůrazňují důležitost vzájemné mezinárodní spolupráce na tomto projektu. Je také jasné, že evropský a čínský projekt jsou konkurenční, a že se bude budovat jen jeden z nich. Nemá cenu stavět dva stejné urychlovače.

Z tohoto hlediska je hodně klíčové vyjádření ředitele čínské laboratoře IHEP. Ten prohlásil, že Čína má téměř 20 % obyvatel země a s podílem 20 % na světovém HDP je ekonomickou velmocí. Je tak její povinností toto zařízení vybudovat. Navíc finance na tento projekt nepřekračují částky, které dává čínská vláda na jiné klíčové směry vědeckého a technologického výzkumu. Předpokládá tak, že čínská vláda projekt, který bude podán v roce 2025, schválí. Podle něj existují pouze dva důvody, proč by se nerealizoval. Prvním je, že se ukáže, že by se nedal dokončit před rokem 2040. Druhým pak, když CERN před rozhodnutím čínské vlády jasně ukáže, že má financování projektu a je plně rozhodnut projekt realizovat.

Můj dojem je, že začíná být jasné, že urychlovač nakonec postaví Čína, a i v této oblasti se dostane na špici ve světě. Zásadní je podle mě vůle ve vědecké komunitě i společnosti ke snaze o vědecký a technologický pokrok a poznání. Jestliže čínský ředitel IHEP přijde za vedením státu s projektem, který je na takové úrovni, že Čínu dostane na špici vědy a technologie v daném oboru, tak mu finance na něj dá. A i u obyvatel Číny je ve velké míře povědomí, že právě rozvoj vědy a technologií umožňuje zvyšování jejich životní úrovně, rozvoj ekonomiky a reálnou ochranu i zlepšování jejich životního prostředí. Takže i velká část společnosti se dívá na tento projekt pozitivně. To je důvod, proč Čína zásadně podporuje vědecký a technologický rozvoj, proč se chce dostat na Měsíc (a možná tam bude dříve než USA viz zde) a proč bude mít s největší pravděpodobností do roku 2040 i největší urychlovač na světě.

Naopak, pokud se snažíte prosadit klíčový vědecký projekt v Evropě, je nejdůležitější papírově prokázat, že je udržitelný a minimalizuje emise CO₂. Celá jedna paralelní sekce a jedna souhrnná plenární přednáška byla na konferenci ICHEP 2024 věnována této oblasti. Bohužel se to pro evropské úředníky a politiky stává jedním z nejdůležitějších parametrů pro posuzování možnosti schválení konkrétního vědeckého projektu. Je jasné, že by měla být každá činnost člověka ohleduplná k přírodě a životnímu prostředí. Ovšem velká část požadovaných parametrů nemá s reálnou škodlivostí nic společného a jde o čistě ideologické papírování a úřednické výkaznictví.

Ideologická kampaň vede k tomu, že mladá generace se nesmyslně považuje za tu poslední a ztracenou, a je přesvědčována o nesmyslnosti poznání a znalostí. Když se pak s nimi bavím, tak o dané problematice ví kromě naučených nesmyslných hesel minimum. A už vůbec neví nic o reálných možnostech vytvoření nízkoemisního energetického mixu (viz třeba má diskuze s účastníky stávky za klima). Souhlasím s racionální snahou omezovat emise CO₂, ale pokud je to provázeno nesmyslnou ideologickou kampaní a mimo reálná fakta, tak je něco opravdu špatně. V takto masírované společnosti se tak těžko bude vědecký a technologický rozvoj prosazovat. A ve všech směrech budeme zaostávat nejen za Čínou.

Stejně tak se součástí žádostí o financování vědeckých projektů v EU stává nutnost dokladování o uplatňování genderové (nejen) rovnosti. Zajistit rovný přístup v možnostech zapojení do vědeckého bádání v oblasti částicové fyziky pro všechny členy společnosti je velmi důležité, Lze tak využít veškerý potenciál talentů, který společnost má. A je vidět, že se to daří. Na počátku éry jaderné fyziky na počátku minulého století lze na fotkách z prvních konferencí o jaderné fyzice vidět mezi samými muži pouze jednu ženu Marie Curie-Skłodowskou. Na současné konferenci ICHEP 2024 sice není žen polovina, ale nejsme od ní zas tak daleko. Ovšem jinou věcí je čistě formální a ideologický přístup uplatňovaný v žádostech o financování projektů. Mělo by jít o to, že přijetí návrhu není dáno genderovým složením týmu nebo tím, jak pěkně popíši snahu o genderovou rovnost, ale klíčová je vědecká kvalita projektu.

Nový velký urychlovač je zařízením základního výzkumu a studuje fundamentální přírodní zákonitosti. Jeho výsledky tak budou veřejně publikovány a pokud jej bude budovat Čína, je vysoce pravděpodobné, že bude dříve, než by to bylo v případě, že se bude budovat v laboratoři CERN. Je to dáno i tím, že jeho dokončení lze realizovat až po odstavení LHC. A opravdu nemá smysl nevyužít co nejvíce potenciál LHC a vypínat jej předčasně. V případě čínské realizace mám větší šanci se nového urychlovače a jeho výsledků dožít. Přesto bych byl radši, kdyby Evropa co nejdříve jasně deklarovala výstavbu urychlovače FCC a závazek jeho financování. Jeho přínos totiž není jen ve fundamentálním výzkumu, ale doprovází jej obrovský rozvoj technologií a pobídka pro špičkový průmysl. Což zvedá celkovou technologickou, průmyslovou a tím i ekonomickou a sociální úroveň zúčastněných států. Pokud budu reagovat na důvody, proč má Čína budovat zmíněný urychlovač, tak EU spolu s přidruženými evropskými státy má sice necelou polovinu obyvatel oproti Číně, ale má téměř stejné HDP. Výhodou laboratoře CERN jsou i reálně nižší náklady, využívala by se široce stávající infrastruktura.

Podrobnější popis současného stavu v oblasti velkých urychlovačů, plánech na provozování a vylepšování LHC i projektech jeho následníka je v delším článku na serveru Osel.