LHC, Velký hadronový urychlovač v CERNu bude mimo provoz do roku 2030

Velký hadronový urychlovač, největší částicový urychlovač na světě, byl odstaven kvůli plánované čtyřleté modernizaci, která ho učiní desetkrát výkonnějším. Stavební inženýři již pilně pracují, aby LHC udělali urychlovač s „vysokou svítivostí“, čímž by se výrazně zvýšila frekvence srážek částic v zařízení. (Pozn. High Luminosity“ je v tomto kontextu míra počtu potenciálních srážek za jednotku času a plochy. Vyjadřuje, jak „intenzivní“ je paprsek částic a jak často mohou vznikat interakce.) Modernizace umožní produkci více než 15 milionů Higgsových bosonů ročně, studium Higgsovy samospojitosti (self‑coupling, jak interaguje sám se sebou) – klíčové pro pochopení raného vesmíru, vyhledávání extrémně vzácných procesů a potenciálních signálů nové fyziky a výrazné zlepšení přesnosti měření všech známých částic a interakcí.

Urychlovač částic byl vypnut v pondělí 29. června 2026 a má se znovu spustit v roce 2030 jako Velký hadronový urychlovač s vysokou svítivostí (HiLumi LHC) s vylepšeními, která mu umožní srážet dohromady zhruba desetkrát více částic než jeho původní konstrukce. Vyšší výkonnost by mohla pomoci učinit nové objevy v základní fyzice a osvětlit například povahu temné hmoty, antihmoty a raného vesmíru.

17 let úspěšné práce

Od první úspěšné srážky protonů v roce 2009 umožňuje LHC fyzikům testovat teorie o fyzice částic a standardním modelu subatomárního světa. Nejdůležitější byl objev Higgsova bosonu v roce 2012, který pomohl vysvětlit, jak elementární částice získávají hmotnost. Co vlastně objev dokázal: 1) Existenci Higgsova pole – teorie předpokládala, že celý vesmír je vyplněn Higgsovým polem a objev bosonu je důkazem, že toto pole skutečně existuje, boson je jeho kvantem. 2) Mechanismus vzniku hmotnosti – Higgsův mechanismus vysvětluje, proč mají některé částice hmotnost a jiné ne. Objev bosonu potvrdil, že částice získávají hmotnost interakcí s Higgsovým polem. 3) Konzistenci Standardního modelu – Higgsův boson byl poslední chybějící částicí Standardního modelu. Jeho nalezení ukázalo, že model je v základních rysech správný, i když ne úplný. 4) Vztah mezi elektroslabou interakcí a symetrickým narušením – objev potvrdil mechanismus, který umožňuje, aby elektromagnetická síla byla dlouhodosahová, zatímco slabá interakce krátkodosahová. To je klíčové pro pochopení struktury jaderných procesů. 5) Parametry samotného Higgsova pole – naměřená hmotnost bosonu (~125 GeV) umožnila zpřesnit tvar Higgsova potenciálu, sílu vazeb na ostatní částice a stabilitu vakua vesmíru. Higgsův boson zároveň ukázal, kde Standardní model nestačí. Nevysvětluje temnou hmotu, neobsahuje gravitaci, ani neobjasňuje asymetrii hmoty a antihmoty. Proto se dnes hledají odchylky v jeho vlastnostech – právě tam by se mohla objevit „nová fyzika“. A právě s tím by modernizace mohla pomoci.

Třetí plánované odstavení

Urychlovač leží v hloubce asi 100 m pod zemí ve 27kilometrovém okruhu na pomezí Francie a Švýcarska poblíž Ženevy. Současné odstavení je třetí dlouhodobou plánovanou pauzou v jeho provozu. Během prvního, dvouletého odstavení začínajícího v roce 2013, bylo upevněno spojení mezi supravodivými magnety, což umožnilo zvýšit energii srážejících se protonových paprsků. Druhá pauza, od roku 2018 do roku 2022, zahrnovala řadu modernizací, výměn a preventivní údržby.

V současném období klidu, nazvaném Dlouhé odstavení 3 (LS3), nainstalují specialisté vylepšení, která zvýší svítivost urychlovače desetinásobně. To zvýší počet srážek částic zhruba na trojnásobek ve srovnání se stávajícím nastavením. Jakmile bude finální verze urychlovače částic spuštěna, má fungovat až do konce své provozní životnosti ve 40. letech 21. století a v následujících letech bude nahrazena novým urychlovačem částic s vyšší energií. „Je to skutečně příležitost prozkoumat vesmír způsobem, jakým jsme to dosud nedělali,“ řekl Mark Thomson, generální ředitel CERN (Evropské organizace pro jaderný výzkum).

Miliony Higgsových bosonů

Modernizace znamená, že experimenty přinesou mnohem více dat, což vědcům umožní podrobněji studovat Higgsův boson a zvýšit pravděpodobnost pozorování vzácných událostí. Očekává se například, že LHC HiLumi během své zhruba desetileté životnosti vyprodukuje asi 380 milionů Higgsových bosonů, oproti 55 milionům, které dosud vyprodukoval. Data by mohla vědcům pomoci vyřešit problémy se Standardním modelem, který v současné době nezahrnuje temnou hmotu ani temnou energii, což jsou primární formy hmoty a energie ve vesmíru. „LS3 představuje obrovský a složitý logistický a inženýrský projekt,“ uvedl ve svém prohlášení Jean-Philippe Tock, vedoucí koordinačního týmu LS3. „Jen v LHC bude odstraněno 1,2 km magnetů a komponent a nahrazeno novým zařízením a v celém komplexu jsou plánovány desítky projektů, do kterých se zapojí tisíce inženýrů, fyziků, techniků a podpůrného personálu.“ I když LHC během odstávky nebude srážet žádné částice, vědci budou i nadále analyzovat data shromážděná během experimentů v předchozím provozním období.

Primárním účelem LHC je výzkum v oblasti základní fyziky, ale některé získané technologie se mohou uplatnit v každodenním životě. Například některé přístroje a techniky původně vyvinuté v CERNu se nyní používají v lékařském zobrazování, v senzorech či při restaurování uměleckých děl.

Nejdůležitější technologické inovace

Nové fokusující kvadrupólové magnety (Nb₃Sn) umístěné u experimentů ATLAS a CMS, které umožní mnohem silnější zaostření svazku před srážkou. Jejich magnetické pole bude až 12 T, tj. přibližně o 50 % více, než dosáhnou současné NbTi magnety.

Crab cavities – „naklánění“ svazků. Instalují se supravodivé rezonátory, které „nakloní“ svazky částic tak, aby se maximálně překrývaly. Zvyšují efektivní počet srážek na průsečík. U experimentů ATLAS a CMS bude instalováno celkem 16 těchto zařízení.

Pokročilá svazková optika, která zajistí dynamické řízení: fokusování, průsečíkový úhel, separaci svazků. Cílem je udržet konstantní svítivost po většinu fyzikálního běhu.

Nové kolimátory a ochrana stroje. Ze 118 stávajících kolimátorů jich bude 60 nahrazeno a 15 až 20 nových přidáno. Použitím nových materiálů se zmenší elektromagnetické rušení. Budou vylepšeny také aktivní ochranné systémy pro rychlé odklonění svazku při poruše.

Kryogenika a napájení. Provoz magnetů bude probíhat při teplotě 1,9 K. V přenosových linkách se použijí vysokoteplotní supravodiče.

Rozsáhlé stavební úpravy budou zahrnovat nové podzemní prostory u bodů 1 (ATLAS) a 5 (CMS): šachty hluboké 80 m, servisní haly, 300 m tunelů pro napájecí systémy, čtyři 50m tunely propojující infrastrukturu s LHC.

Již začaly plnorozměrové testy na 95m testovacím stanovišti, které simuluje budoucí konfiguraci HL‑LHC. Probíhá chlazení na 1,9 K a testování kompletního magnetického systému.

Harmonogram

2011–2015: návrh a počátek vývoje technologií.

2018–2023: stavební práce a první instalace.

2026–2030: Long Shutdown 3 – hlavní instalace nových komponent.

~2030: spuštění HL‑LHC.

Film o HiLumi LHC: HL-LHC media kit – Home | CERN

Zdroj: CERN bids farewell to the LHC and enters Long Shutdown 3 – Home | CERN