Čeští jaderní fyzikové se podílejí na stavbě urychlovačového centra FAIR

Nedaleko německého Darmstadtu se buduje v rámci Evropské výzkumné infrastruktury pro hadronovou fyziku FAIR velký částicový urychlovač, který má ambiciózní plán přinést nové poznatky o struktuře hmoty za vysokých teplot, tlaků a hustot i o jevech souvisejících se vznikem vesmíru.

Zaměří se na antihmotu, jadernou fyziku, fyziku plazmatu a kondenzovaných látek, ale může sloužit i průmyslovému, biologickému a biomedicínskému výzkumu. Projekt realizují hlavní partneři z devíti zemí, celkově však spolupracuje či plánuje aktivity přes 3000 odborníků z více než 50 států – včetně vědců z Ústavu jaderné fyziky AV ČR.



Výzkumné centrum FAIR (neboli Facility for Antiproton and Ion Research), jehož jádrem se stává unikátní urychlovač částic SIS100, navazuje na výzkumné centrum GSI Darmstadt a bude využívat i jeho stávající laboratoře a urychlovače. Česká republika se stala přidruženým členem FAIR na základě rozhodnutí Rady FAIR z 5. prosince 2018. 

Česká účast na jaderných výzkumech v Darmstadtu
Jak připomíná Vladimír Wagner z Ústavu jaderné fyziky AV ČR, čeští vědci spolupracují s GSI Darmstadt už od devadesátých let minulého století, kdy tam začal fungovat velký urychlovač těžkých iontů SIS18, který se nyní stává součástí komplexu urychlovačů FAIR.

Zapojili se mj. do projektu HADES: „Studuje velmi horkou a hustou hmotu pomocí rozpadu částic, které se uvnitř ní rozpadají na elektron-pozitronové páry a ‚cítí‛, jak je ovlivňuje. Elektrony a pozitrony je třeba identifikovat a změřit jejich vlastnosti. Lze využít toho, že jde na rozdíl od ostatních o velmi lehké částice. Jiných částic je však sto tisíckrát víc, takže identifikace není úplně jednoduchá. Ve studiu horké a husté hmoty budou na HADES navazovat i projekty v komplexu FAIR, konkrétně systém detektorů zvaný CBM. Česko je, nikoli sice financemi, ale vědeckým potenciálem, významnou součástí této mezinárodní skupiny,“ vysvětluje Vladimír Wagner.

Profesor Giubellino a vesmír v laboratoři
Ve dnech 8.–9. ledna 2019 přicestoval do Prahy Paolo Giubellino, vědecký ředitel GSI/FAIR.Zdůraznil, že FAIR představuje flexibilní zařízení umožňující mnoho různých typů experimentů a obrovskou škálu měření sahajících od struktury protonu a neutronu až po fyziku atomů či plazmatu, ale i medicínu.


Paolo Giubellino, vědecký ředitel GSI/FAIR

„Ústředním fyzikálním tématem je to, čemu říkáme ‚vesmír v laboratoři‛. Skutečně budeme opakovat několik klíčových procesů, které určují podobu vesmíru kolem nás a jeho formování, a budeme je studovat za kontrolovaných podmínek. Například proces zodpovídající za množství uhlíku a kyslíku – stavebních kamenů života – ve vesmíru. Nebo kdy a kde v průběhu vývoje kosmu vznikalo olovo, platina a další. Při velkém třesku se vytvořilo jen několik velmi lehkých prvků. Všechny ostatní z naší periodické tabulky pak vznikaly při pozdějších dramatických událostech v životě hvězd – při výbuších supernov či při splývání neutronových hvězd,“ konstatuje Paolo Giubellino.

Částicoví fyzikové tak budou v laboratoři napodobovat a zkoumat kupříkladu proces, jímž se spojily kvarky a gluony, aby vytvořily hadrony. Zaměří se na chování protonů a neutronů, které tvoří jádro atomu, za velmi vysokých hustot panujících v neutronových hvězdách, aby podrobněji popsali, jak tyto částice splývají a později vytvářejí těžké prvky.

Energie versus intenzita
Částice se v urychlovačích komplexu FAIR nebudou srážet při extrémně vysokých energiích: „Urychlovače mají dvě hranice: buď u nich můžete stále zvyšovat energii – tímto směrem jde CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum), nebo můžete zvyšovat intenzitu – a to je směr, jímž jsme se vydali my ve FAIR,“ vysvětluje Paolo Giubellino.

Svá slova ilustruje následujícím příkladem: „Když sedím v této místnosti a dívám se na předměty v ní, třeba na stůl, provádím přesně stejné experimenty, jaké děláme v jaderné a částicové fyzice. Mám zde zdroj částic – lampu na stropě, která produkuje fotony. Fotony interagují se stolem a já vidím výsledek této interakce pomocí svého detektoru, jímž jsou mé oči. Prostřednictvím zdroje částic, jejich srážek a detektoru tak poznávám strukturu stolu. Když se ale budu chtít dozvědět ještě víc, mohu postupovat dvěma směry. Za prvé mohu zvýšit energii a místo viditelného světla využít rentgenové záření a pak gama záření. Toto zvyšování energie mi dovolí dívat se na stále větší podrobnosti. Když však bude místnost potemnělá, neuvidím detailně strukturu věcí, které mně obklopují. Takže mohu – a to je druhý směr – zvýšit množství světla a místnost postupně víc a víc osvětlovat. A právě to děláme my – zvyšujeme intenzitu zdroje a díky tomu pozorujeme víc a víc podrobností.“

Experimenty plánované ve FAIR se člení do čtyř hlavních skupin: APPA, CBM, NUSTAR a PANDA.

V hledáčku neutronové hvězdy
Pod zkratkou CBM (Compressed Baryonic Matter) se skrývají experimenty, které prostřednictvím srážek atomových jader při vysokých rychlostech dokážou na kratičký okamžik napodobit podmínky uvnitř superhmotných a velmi hustých objektů, jako jsou například neutronové hvězdy.

Úkolem NUSTAR (neboli Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions) bude tzv. jaderná astrofyzika, především získávání nových informace o jádrech atomů a studium jaderných procesů důležitých pro pochopení astrofyzikálních jevů, včetně struktur a reakcí v nitru hvězd.

Terapie nádorů i materiálový výzkum
Třetím pilířem je APPA (Atomic, Plasma Physics and Applications). Cílí na jevy od atomů přes makroskopické efekty v materiálech nebo tkáních. Nové poznatky najdou rozmanité využití nejen v průmyslu, ale také v boji proti nádorům, objasňuje Paolo Giubellino: „Naše laboratoř GSI Darmstad byla průkopníkem v léčení rakoviny pomocí urychlených jader uhlíku. To už přešlo do klinické praxe. Jednu dobu jsme dokonce léčili pacienty v našich prostorách. Hodně se ale ještě musí udělat ve vztahu k imunologii, imunitním reakcím organismu. A jsou ještě futurističtěji cíle: při terapii nádorů zabíjíte buňky v těle. Dá se však uvažovat též o využití svazku částic jako skalpelu k provedení chirurgického zásahu, aniž se muselo operativně tělo otevírat. Už jsme to vyzkoušeli: loni jsme provedli ablaci srdce u dvanácti prasat bez otevření hrudníku. Dále cílíme do oblasti materiálových věd, na nové způsoby zpracovávání dat…“

I studium pomocí antihmoty dává prostor pro české vědce
A konečně PANDA (čili antiProton ANnihilation at Darmstadt) bude hledat odpověď na otázku, jak nám může antihmota pomoci hlouběji porozumět mj. silné jaderné interakci, což je síla, která drží pohromadě jádra atomů.

Vladimír Wagner doplňuje: „Jde o interakce antiprotonů s materiály, o strukturu protonu a antiprotonu, o polarizaci – jakým způsobem vzniká moment hybnosti, onen spin protonu. To dodnes úplně přesně nevíme a je třeba to studovat.“ S tímto výzkumem mají podle jeho slov velké zkušenosti odborníci z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy a zároveň v České republice umíme vyrábět speciální krystaly pro tyto experimenty. „V Turnově je továrna vyrábějící krystaly využívané právě pro detekci ionizujícího záření. Takže můžeme hodně udělat právě při vývoji a produkci scintilačních detektorů založených na krystalech. Do těchto aktivit jsme také velice intenzivně zapojeni.“

Věda, průmysl i šance pro mladé talenty
Paolo Giubellino i Vladimír Wagner zdůrazňují, že rozsáhlé a dlouhodobé projekty, jako je FAIR, jsou výjimečnou příležitostí nejen pro základní vědu a poznání, ale také pro vývoj techniky a přenos nových poznatků do průmyslu – a ten český se zapojí výrazně. Neméně důležitý je FAIR i pro vzdělávání a rozvíjení talentu mladých lidí, kteří jednou budou hybnou silou vědeckého i ekonomického rozvoje.

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Miroslav Dočkal, Ústav jaderné fyziky AV ČR; FAIR
Reportáž: Studio OAT

Přečtěte si také

• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
• Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta
• Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku
• Obstála ve světě oceli, navíc v Japonsku. Vědkyně rozvíjí unikátní mikroskopii
• Bez jaderných elektráren se v Česku neobejdeme, říká předseda Komise pro energetiku
• Nový mikroskop zobrazuje pohyb molekuly velké jako tisícina vlasu, a to ve 3D