O jeho sesterském projektu LHC bylo již napsáno mnoho. Pod zkratkou ILC (Mezinárodní lineární kolider, International Linear Collider) se však ukrývá projekt neméně zajímavý, i když teprve ve fázi plánování a vývoje. Jeho úkolem bude obsáhnout i ty oblasti subjaderného výzkumu, kde jsou možnosti kruhových urychlovačů omezeny.
|
CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostaven v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. Fermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V současné době je zde největší urychlovač světa – Tevatron. K nejvýznamnějším objevům patří objev charmonia (částice J/Psí) kvarku b (1977), kvarku t (1995) a tau neutrina (2000). V současnosti se Fermilab zabývá výzkumem t kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, zkoumáním platnosti CPT invaraiance a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty. DESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FEL. |
Při urychlování nabitých částic po zakřivené dráze na rychlosti blízké rychlosti světla částice emitují tzv. synchrotronní záření. Od určité rychlosti dosažené částicí se při jakékoliv snaze o další urychlení dodaná energie vyzáří. Energie, kterou tím částice ztrácejí, je přímo úměrná čtvrté mocnině jejich rychlosti, nepřímo úměrná čtvrté mocnině jejich hmotnosti a kvadrátu poloměru dráhy.
To se stalo limitujícím faktorem urychlovače LEP, v jehož tunelech je nyní situován LHC. "Mezeru v poznávání", která tak ve fyzice vznikla, by měl vyplnit právě urychlovač ILC. Na druhou stranu elektrony a pozitrony patří do rodiny leptonů, což mimo jiné znamená, že se jedná o částice bez vnitřní struktury. Tento fakt bude dělat následnou analýzu dat mnohem snazší a rychlejší, neboť zde nebude obsaženo velké množství šumu a pozadí.
Koncept ILC je jednoduchý. Jedná se o dva protilehlé lineární urychlovače s detektorem umístěným v místě srážky. Počítá se, že částice budou při srážce dosahovat energií od 250 GeV do 500 GeV. Výsledná energie srážky se tedy bude pohybovat mezi 500 GeV a 1000 GeV. Vše závisí na délce ILC, která se zase odvíjí od toho, jaká klidová hmotnost Higgsova bosonu se určí na LHC. Momentální koncept počítá spíše s třiceti kilometry, což odpovídá 500 GeV + 500 GeV.
 |
| Základní schéma ILC. |
Elektrony uvolněné pomocí laserového paprsku z galium arsenidového terčíku budou urychlovány v pomocném lineárním urychlovači na energii přibližně 5 GeV. Po té poputují do skladovacího prstence. Díky ztrátě energie přeměnou v synchrotronní záření dojde ke zmenšení objemu shluku částic, hustota jeho náboje naopak vzroste. Po další kompresi a urychlení na 15 GeV nakonec shluk poputuje do hlavního urychlovače, kde získá finální energii a nakonec se srazí s protijdoucím shlukem pozitronů.
Pozitrony budou získávány srážkami gama paprsků (vyzáří je elektrony odkloněné ze své dráhy při energii přibližně 150 GeV) s rotujícím terčíkem ze slitiny titanu. Srážkou vznikne množství elektron-pozitronových párů. Pozitrony budou odděleny pomocí magnetického pole a urychleny v protilehlém urychlovači stejným způsobem jako elektrony.
Urychlovač ILC bude též schopen plnit funkci jako tzv. fotonový kolider, kde se těsně před interakční místo posvítí na fokusované shluky částic intenzivním laserovým paprskem. Elektrony předají skoro všechnu svou energii a hybnost fotonům pohybujícím se v původním směru elektronů.
Urychlování částic je prováděno technologií SCRF (Super Conducting Radio Frequency) – základní stavební jednotkou jsou supravodivé urychlovací dutiny vyrobené z niobu. Niob se při ochlazení na teplotu 9,2 K stává supravodičem. Elektromagnetické pole sloužící k urychlení částic je generované v klystronech. a mělo by dosáhnout až 35 MV/m. V dutinách je možné ho udržet po dlouhou dobu téměř beze ztrát. Na výstavbu urychlovače jich bude potřeba 16 000 a na jejich výrobu se použije přibližně 500 tun niobu. Každá dutina bude složena z devíti komor a dlouhá přibližně jeden metr. Momentálně probíhají testy a výběr nejvhodnějšího designu. Stejnou technologii urychlení elektronů v supravodivých rezonančních dutinách bude využívat laser na volných elektronech XFEL, který se začne v letošním roce stavět v německém DESY. Délka urychlovací části laseru XFEL bude 3,4 km a provoz by měl být zahájen v roce 2013. Urychlovací část laseru XFEL je zmenšeninou budoucího urychlovače ILC.
 |
| Urychlovací devítikomorová dutina vyvíjená v DESY. Celková délka dutiny je přibližně 1 metr, urychlovací pole má hodnotu 35 MV/m. Zdroj: DESY. |
Urychlovač ILC bude mít dva hlavní detektory z důvodu porovnání výsledků a vyloučení detektorových vad. Existují 4 návrhy detektorů s vysokými rozlišovacími schopnostmi. Jedná se o SiD (Silicon Detektor), LDC (Large Detector Concept), GLD (Global Large Detector) a "Čtvrtý koncept". Detektor SiD je založen na polovodičových detektorech od detekce drah po kalorimetrii. V poslední době spolupráce GLD a LDC vyústila v návrh GLDC (Global Large Detektor Concept) sestávající z velkého plynného dráhového detektoru a křemíkového pixlového detektoru. Při průchodu částice ionizují plyn a zanechávají za sebou stopu, která se působením elektrického pole přesouvá na sběrné vodiče drátové komory. Čtvrtý detektor se od předchozích liší v implementaci tzv. kompenzační kalorimetrie, kde se vyvažuje odezva kalorimetru na různé částice.
 |
| Detektor GLD. |
 |
| Simulace srážky Z bosonu a Higgsovy částice v SiD detektoru vedoucí na čtyři výtrysky. Zdroj: software JAS3. |
V možnostech LHC je určit hmotnost Higgsova bosonu a způsob, jakým interaguje s ostatními částicemi. Protony jsou však částice s vnitřní strukturou, ve výstupních datech experimentu bude tedy obsaženo množství informací týkajících se nezajímavých fyzikálních procesů. ILC je v tomto ohledu mnohem preciznější. Dovolí například vědcům ověřit standardní model pomocí měření síly, s jakou Higgsův boson interaguje. Důležité je určit tzv. vazebnou konstantu interakce Higgsova bosonu.. Navíc se předpokládá využití ILC k hlubšímu zkoumání supersymetrických částic, k jejichž objevu možná na LHC dojde. Tyto výsledky by mohly pomoci s objasněním původu temné hmoty.
O konečném místě stavby urychlovače zatím nebylo definitivně rozhodnuto. Uvažuje se o CERNu v Ženevě; Fermilabu v Illinois a o Japonsku. Jako nejpravděpodobnější se dnes jeví jeho umístění ve Fermilabu.
 |
LHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu laboratoří CERN v tunelu po urychlovači LEP II. Předpokládané uvedení do zkušebního provozu je v roce 2007, první experimenty by měly být prováděny v roce 2008.
Kolider – urychlovač, ve kterém jsou dva urychlené svazky částic nasměrovány proti sobě. Jiným užívaným systémem je namíření svazku na nepohyblivý terč.
Synchrotronní záření – záření generované zpravidla elektrony rotujícími kolem magnetických silokřivek. Jde o relativistické záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině oběžné dráhy, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum.
LEP – Large Electron - Positron collider. Bývalý urychlovač elektronů a pozitronů se vstřícnými svazky. Dnes je v tunelu po urychlovači LEP postaven urychlovač LHC.
Leptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité).
Pozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932.
Elektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT).
Higgsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice zde zajišťují nenulovou hmotnost intermediálních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanismus nazýváme Higgsův mechanismus a je aplikovatelný i na jiné částice.
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkostruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.
Foton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = hf, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění.
Klystron – zařízení využívané jako zesilovač mikrovlnných a radiových frekvencí. Energii získávají vlny ze svazku elektronů emitovaných z tepelné katody. Přístroj vynalezli bratři Russell a Sigurd Varian v roce 1937.
Standardní model – jedná se o standardní model elementárních částic (leptonů a kvarků), které interagují prostřednictvím elektromagnetické, slabé a silné interakce. Interakčními částicemi jsou fotony, intermediální bosony Z, W+ a W− a gluony. Součástí teorie jsou dosud neobjevené Higgsovy bosony způsobující narušení symetrie v teorii.
SUSY – SUperSYmmetry, symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla podle standardního modelu projevovat při energiích částic nad 1019 GeV. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existoval superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou "ino" pro bosony a předponou "s" pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron.
