Evropský CERN: Jak se vaří v kuchyni bohů

Experimenty s Higgsovým bosonem, tedy základní částicí ve standardním modelu částicové fyziky, pokusy s antihmotou a mnoho dalšího již řadu let vynáší Evropskou organizaci pro jaderný výzkum neboli CERN na titulní strany časopisů i předních vědeckých médií. Nejedná se však pouze o rozsáhlý komplex, jehož součást tvoří největší částicový urychlovač světa: Aby mohli vědci analyzovat data naměřená při jeho fungování, museli vytvořit také vlastní infrastrukturu, jejíž výpočetní výkon jen těžko nachází srovnání. 

Setkání zakladatelů

O vzniku organizace, která posléze dostala název CERN (z francouzského „Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“), se mezi 29. červnem a 1. červencem 1953 radili zástupci 12 států. Jednalo se převážně o západoevropské země, z nichž se posléze stali zakládající členové, ale nechyběla mezi nimi ani tehdejší Jugoslávie. 

Smyslem CERNu byl od počátku ryze civilní vědecký výzkum a nejprve se bádalo s využitím menších urychlovačů. Náročnost pozdějších experimentů však vědce přiměla budovat nové zázemí a zdokonalovat to stávající. Původní urychlovače se tedy neodstavovaly, ale slouží dodnes: Nejstarší dosud funkční byl uveden do provozu v roce 1959. Zájem o částicovou fyziku projevily v průběhu let také další země, a proto má nyní k technologii přístup 23 států, včetně České republiky – jediným mimoevropským je Izrael. 

Co si člověk neudělá…

Z CERNu se tak stal tavicí tyglík vědců, inženýrů a odborníků obecně. To se velmi hodilo, protože aby v jeho útrobách mohly probíhat průlomové pokusy, bylo zapotřebí si vyrábět vlastní vybavení. Na světě je totiž jen málo firem, které by dokázaly zkonstruovat dostatečně odolné přístroje, jež by zvládaly extrémně vysoké teploty a mimo jiné fungovaly i ve vakuu. CERN si proto často musí pomoct sám, a pokud potřebuje nový urychlovač, detektor či měřič, obvykle jej vyvíjejí i vyrábějí „domácí“ inženýři a technici. Dá-li se však práce tzv. outsourcovat neboli zajistit zvnějšku, dostane zakázku třeba i plzeňská Škoda: Z jejích dílen tak pochází například vnější stínění do detektoru ATLAS. 

Zřejmě nejznámější zařízení CERNu představuje velký hadronový urychlovač neboli LHC, z anglického „Large Hadron Collider“, který je největší a nejsilnější svého druhu na Zemi. Jedná se o gigantický podpovrchový tunel o celkové délce téměř 27 km a rekordní byla i jeho výstavba a cena, jež se zastavila v přepočtu na 230 miliardách korun. Navzdory všeobecným předpokladům navíc není kulatý: Pro co nejhladší průběh experimentů je totiž lepší, mají-li magnety směrující tok částic v tunelu pomyslné kontrolní body, kde lze proudění korigovat. Čistě z praktických důvodů je proto LHC osmiúhelníkový. Překvapivě také do země není uložen vodorovně: Táhne se od úpatí francouzsko-švýcarského pohoří Jura asi 60 m pod povrchem k Ženevskému jezeru, pod nímž se kvůli spodním vodám musel vést mnohem hlouběji – některé jeho části leží víc než 150 m pod zemí. 

Francie bez internetu

Ani komplikovaná poloha urychlovače však nebrání, aby CERN jeho prostřednictvím trhal světové rekordy: Například v roce 2012 se díky srážce dvou jader olova podařilo dosáhnout nejvyšší člověkem vyvolané teploty vůbec – měření se zastavilo na hranici pěti bilionů stupňů Celsia, což zhruba odpovídá teplotě vesmíru těsně po Velkém třesku. Aby vědci mohli srážky zkoumat, mají speciálně uzpůsobená místa pro kontakt částic, která jsou obložena snímacími plochami výkonově srovnatelnými zhruba s dvěma tisíci digitálních zrcadlovek. Datový výstup zařízení je obrovský a technické zázemí si s ním musí poradit i v případě, že bude docházet až ke 40 milionům kolizí za sekundu. 

Získaná data je potřeba uložit a zpracovat, o což se stará vlastní datové centrum CERNu, sestávající z 11 tisíc serverů. Jde nejen o důležitý prostředek k provádění experimentů, ale zároveň o významný internetový uzel, bez nějž by se k síti sítí nepřipojili lidé v Ženevě ani v části jižní Francie. Ovšem zatímco výpadek internetu kvůli poruše by byl relativně neškodný, některé části datacentra hlídající průběh experimentů se za žádných okolností vypnout nesmějí. Také proto je jistí dieselové agregátory coby záložní zdroje energie. 

Český příspěvek

„Každý rok vyprodukuje CERN zhruba pětatřicet petabytů surových dat, která zachycují neopakovatelné události po srážkách částic,“ vysvětluje Jarka Schovancová, česká inženýrka pracující v datacentru. Například během experimentů urychlovače ATLAS zachytí detektor přibližně 40 milionů „událostí“ za sekundu. Naměřená data poté projdou filtrem a výsledná výstupní hodnota oproštěná o opakující se jevy činí zhruba 1 200 událostí za sekundu. Teprve pak se data uloží, aby je mohla zpracovat nejen pracoviště přímo v CERNu, ale i 170 dalších ústavů, univerzit a podobných institucí ve 42 zemích světa – včetně České republiky. 

Čeští studenti a výzkumníci z oboru fyziky, techniky nebo také informačních technologií mají do CERNu dveře otevřené. V poměru k příspěvku, který naše země do společné kasy platí, se jich však hlásí poměrně málo: Česko přispívá zhruba 220 miliony korun ročně, což činí necelé 1 % celkového rozpočtu centra. 

Kolik stojí metr tunelu

Dalo by se říct, že kromě technologicky unikátních a velikostně jedinečných součástí urychlovačů – mezi něž patří například jedny z největších magnetů světa, vážící stejně jako Eiffelova věž – se v podzemí pod areálem „ukrývá“ také hodně peněz. Třeba kritická část detektoru ALICE, tedy vnitřní trubice, kudy proudí částice, je ze vzácného beryllia: Extrémně lehký prvek zaručuje, že nově vzniklé částice obíhají urychlovačem po nejlepší možné dráze. Nicméně metr tunelu stál v přepočtu 23,5 milionu korun. Levné není ani ostatní zařízení kolem urychlovačů, případně likvidace vysloužilých částí, neboť komponenty mohou být po letech používání radioaktivní. Pokud je nelze znovu zapojit do systému nebo bezpečně umístit do muzea, zachází se s nimi stejně jako s radioaktivním odpadem. 

Hlavní řídicí velín CERNu tvoří rozlehlá hala se čtyřmi samostatnými „ostrůvky“, kde se každý stará o svůj zadaný úkol, od produkce částic přes jejich urychlení až po finální dodání do experimentálních laboratoří. Kromě řady obrazovek a počítačů zahrnuje místnost i speciální povrch jako obklad, který brání odrazům zvuku. Na pracovišti tudíž nepanuje velký hluk, ani když je plné lidí. Vybavení místnosti navíc podléhá přísným ergonomickým normám, a to nejen kvůli pohodlí zaměstnanců, nýbrž i s ohledem na bezpečnost. Pracovník provozu totiž musí z pochopitelných důvodů nepřetržitě a bez problémů vidět na všechny důležité obrazovky.

Urychlovač na pružinách

Kromě samotného řízení experimentů je důležitá také schopnost vědců výzkum ukončit – například pokud se částice nechovají, jak je potřeba. I v tomto ohledu je však bezpečnostní systém CERNu dvakrát jištěný: Zařízení zabudované v urychlovačích částice automaticky hlídá a v případě nutnosti je odstraní. „Z hlediska bezpečnostních opatření fungujeme podobně jako jaderná elektrárna,“ popisuje fyzička Ina Chalupková. 

TIP: Monumentální srážeč částic LHC v evropském CERNu vyřadila obyčejná kuna

Kreativitě a všestrannosti zabezpečení se meze takřka nekladou – i proto se v CERNu nachází třeba urychlovač hned ve dvojitém tunelu, přičemž ten vnitřní, kde probíhají experimenty, stojí na pružinách. „Když se tunel například zaplaví vodou, bude prostě zaplavený vodou, ale nikoho neohrozí. Oprava nám sice potrvá pár let, ale zvládneme ji. Na podobné problémy se specializují Japonci, kteří se třeba po zemětřesení dokážou vzpamatovat už za tři dny,“ dodává Chalupková.