Sedmadvacet kilometrů nám začíná být málo
Pod francouzsko-švýcarskou hranicí poblíž Ženevy vede téměř kruhový tunel o obvodu 26,7 kilometru. Uvnitř něj se protony pohybují v opačných směrech téměř rychlostí světla a na několika místech do sebe narážejí. Je to Large Hadron Collider, největší a nejvýkonnější urychlovač částic, jaký lidstvo postavilo.
Právě tady fyzici v roce 2012 potvrdili existenci Higgsova bosonu a dál tu zkoumají strukturu hmoty při podmínkách, které jinde na Zemi neumíme vytvořit. Jenže částicová fyzika má jeden poněkud nepříjemný zvyk. Čím hlouběji se chcete podívat, tím větší stroj často potřebujete.
A tak dva fyzici, James Beacham a Frank Zimmermann, položili otázku, která na první pohled zní skoro směšně: Co kdyby nám Země jednoduše přestala stačit? Jejich odpovědí je urychlovač vedoucí kolem celého Měsíce.
Jedenáct tisíc kilometrů tunelu
Koncept dostal jednoduché jméno: Circular Collider on the Moon, zkráceně CCM. Jeho obvod by činil přibližně 11 000 kilometrů, což odpovídá velké kružnici kolem Měsíce. Proti dnešnímu urychlovači u CERNu by tedy byl přibližně čtyřsetkrát delší. Nejde přitom jen o soutěž v tom, kdo postaví větší tunel.
Velikost kruhového urychlovače zásadně ovlivňuje energii, na kterou lze nabité částice urychlit. Čím vyšší energii mají, tím obtížnější je pomocí magnetů udržet jejich dráhu zakřivenou. Větší kruh dovoluje zatočit částice mírněji a dosáhnout výrazně vyšších energií.
Autoři studie spočítali, že při použití optimisticky předpokládaných dipólových magnetů o síle 20 tesla by lunární collider mohl dosáhnout energie proton-protonových srážek kolem 14 petaelektronvoltů, tedy 14 PeV. To je přibližně tisíckrát více než u současného LHC. Rozdíl mezi nimi by byl asi jako mezi velmi rychlým autem a strojem, který už začíná mít jiné problémy než rychlostní limit na dálnici.
Proč fyzici pořád chtějí víc energie?
Urychlovač částic není obří mikroskop v doslovném smyslu, ale přirovnání není úplně špatné. Při srážce dvou vysokoenergetických protonů se jejich energie může přeměnit na nové částice. Einsteinovo známé E=mc2E = mc^2 tu není abstraktní rovnice z učebnice – je to pracovní princip experimentu.
Čím více energie při srážce máme, tím těžší částice můžeme vytvořit a tím jemnější procesy můžeme zkoumat.
LHC nám pomohl dokončit jeden z velkých dílků Standardního modelu částicové fyziky objevem Higgsova bosonu. Standardní model je mimořádně úspěšný, jenže zároveň víme, že nemůže být úplným popisem vesmíru.
Nevysvětluje například temnou hmotu. Nezahrnuje gravitaci stejným způsobem jako ostatní základní interakce. A nedává nám uspokojivou odpověď na některé další otázky o tom, proč má vesmír právě takové vlastnosti, jaké pozorujeme.
Fyzici proto hledají částice a jevy, které se za hranicí Standardního modelu mohou skrývat. Jenže příroda zatím nové částice neukázala tak ochotně, jak někteří očekávali. Jednou z možností je, že se prostě nacházejí při energiích, kam naše současné stroje nedosáhnou. A jestliže 27 kilometrů nestačí, můžeme postavit sto. A když ani sto nestačí? Pak začíná být Měsíc překvapivě zajímavý.
Na Zemi by takový kruh narazil skoro na všechno
Představme si 11 000 kilometrů dlouhý kruhový tunel na Zemi. Nešlo by jen o stavební projekt. Vedl by přes státy, hranice, pohoří, moře, města, seismicky aktivní oblasti a různá geologická prostředí. Bylo by nutné řešit vlastnictví půdy, stavební povolení, ochranu přírody, politické dohody a infrastrukturu v měřítku, které nemá obdoby.
Autoři studie si právě proto pohráli s několika hypotetickými místy, kam by se podobný kruh na Zemi mohl vejít. Výsledek není příliš povzbudivý. Na planetě plné oceánů, kontinentů a lidí je překvapivě těžké najít jedenáct tisíc kilometrů ničím nerušené trasy. Měsíc má proti tomu jednu velkou výhodu. Je téměř prázdný.
Měsíc není jen obří stavební parcela
Absence měst a státních hranic je jen začátek. Měsíc nemá atmosféru v pozemském smyslu, což je pro částicový urychlovač zajímavé kvůli vakuu. Samotný paprsek částic totiž musí cestovat vakuovou trubicí, aby nenarážel do molekul plynu.
To ovšem neznamená, že by stačilo položit trubku na povrch a využít okolní vakuum. Urychlovač má mnohem složitější požadavky a povrch Měsíce je velmi nehostinné prostředí.
Teplota mezi lunárním dnem a nocí prudce kolísá, povrch bombarduje kosmické záření a mikrometeority a jemný lunární prach dokáže technologii pořádně potrápit. Proto Beacham a Zimmermann neuvažují o gigantické trubce položené na povrchu jako obruč kolem míče.
Collider by pravděpodobně vedl desítky až stovky metrů pod povrchem. Tam by byl lépe chráněn před radiací, dopady drobných těles i extrémními výkyvy teplot. A najednou začíná projekt připomínat nikoli obří vědecký přístroj, ale podzemní infrastrukturu planetárního měřítka.
Nestačí vykopat tunel. Potřebujete stovky tisíc magnetů
Jedenáct tisíc kilometrů urychlovače znamená nepředstavitelné množství techniky. Studie pracovala s řádově stovkami tisíc supravodivých dipólových magnetů, které by držely protonové svazky na jejich zakřivené dráze. A právě magnety jsou jednou z největších podmínek celé myšlenky.
Optimistický výkon 14 PeV předpokládá pole kolem 20 tesla. To je výrazně víc než u dipólových magnetů dnešního LHC a vyžadovalo by technologii vysokoteplotních supravodičů ve skutečně průmyslovém měřítku.
K tomu připočtěme vakuový systém, kryogeniku, detektory, řídicí elektroniku, servisní infrastrukturu a celý řetězec menších urychlovačů, který by protony připravil před jejich vstupem do hlavního kruhu.
Proto je důležité slovo koncept. Nikdo dnes nemá připravené bagry, které by začaly kopat kolem lunárního rovníku. Autoři se snažili zjistit, zda takový stroj odporuje fyzikálním a technickým možnostem v principu. A překvapivá odpověď zní: úplný nesmysl to není.
Jen jeho účet za elektřinu by byl něco z jiné civilizace
Urychlovače jsou energeticky náročná zařízení už na Zemi. Lunární megastroj by tento problém posunul o několik řádů dál. Autoři odhadovali požadovaný příkon kolem 10 terawattů. To už není elektrárna. To je energetická infrastruktura srovnatelná s významnou částí současné spotřeby celé lidské civilizace.
Na Měsíci ale máme něco, čeho je tam opravdu dost: sluneční záření. Studie proto rozebírá možnosti gigantického systému solárních panelů. Jednou z představ je pás obepínající část Měsíce tak, aby byla alespoň některá jeho část vždy osvětlena Sluncem a mohla dodávat energii. Už jen tato podpůrná infrastruktura by patřila mezi největší stavby, jaké kdy lidstvo vytvořilo. A pořád jsme ještě nespustili jediný proton.
Proč vozit všechno ze Země, když Měsíc obsahuje materiál?
Tak obrovský projekt by byl prakticky nemyslitelný, kdybychom každý kilogram konstrukce museli vystřelit ze Země raketou. Proto studie řeší i využití místních surovin.
Lunární regolit obsahuje kyslík vázaný v minerálech a řadu prvků využitelných pro stavbu infrastruktury. Autoři uvažovali o tom, že značná část základních stavebních materiálů, tunelových konstrukcí nebo některých technologických komponent by mohla být jednou vyráběna přímo na Měsíci.
To předpokládá úplně jinou úroveň lunárního průmyslu, než jakou máme dnes. Nejdřív by tedy musela vzniknout infrastruktura schopná na Měsíci těžit, zpracovávat materiály, vyrábět díly, produkovat energii a dlouhodobě podporovat lidskou nebo velmi pokročilou robotickou přítomnost.
Teprve potom začne dávat smysl ptát se, zda na tomto průmyslovém základě postavit urychlovač. CCM tedy není projekt dalšího desetiletí. Je to návrh pro civilizaci, která už na Měsíci umí dělat podstatně víc než přistát, odebrat vzorky a odletět domů.
A co bychom tam vlastně našli?
To je možná nejhezčí otázka celého projektu. Nevíme. Kdybychom přesně věděli, jaké částice při 14 PeV objevíme, nebylo by nutné stavět stroj, který je má hledat. Mohly by se objevit dosud neznámé těžké částice. Mohli bychom získat nové stopy k povaze temné hmoty. Mohla by se ukázat struktura hmoty, kterou dnešní experimenty nevidí.
A také je možné, že bychom nenašli nic z toho, co současné teorie předpokládají. I takový výsledek by byl významný. Fyzika se totiž neposouvá jen tím, že objeví novou částici. Posouvá se také tím, že vyloučí obrovský prostor možných teorií a ukáže, kde příroda není. U stroje tisíckrát energetičtějšího než LHC bychom se dostali do oblasti, kterou jsme experimentálně nikdy neprozkoumali.
Nejdřív ale přijde několik menších obrů
Ani autoři nepředpokládají, že příštím urychlovačem po LHC bude rovnou kruh kolem Měsíce. Na Zemi se diskutují mnohem realističtější následovníci současného zařízení. CERN například dlouhodobě připravuje koncepci Future Circular Collideru, který by měl mít tunel dlouhý zhruba devadesát kilometrů. Další velké projekty zvažuje Čína a jiné týmy studují i odlišné technologie urychlovačů.
Lunární collider je tedy několik generací dál. Sami Beacham a Zimmermann jej označují v podstatě za stroj pro vzdálenou budoucnost, který by mohl následovat až po další generaci pozemských zařízení.
A právě proto je na něm něco půvabného. Neřeší otázku: Co jsme schopni postavit příští rok? Ptá se: Jaký stroj by dával smysl ve chvíli, kdy už budeme technologicky mnohem dál?
Měsíc by se změnil v součást fyzikálního přístroje
Dnes používáme Měsíc především jako objekt výzkumu. Zkoumáme jeho horniny, historii, led v polárních oblastech a možnosti budoucích základen. Circular Collider on the Moon obrací perspektivu. Měsíc by už nebyl jen tím, co vědci pozorují. Stal by se součástí experimentu.
Jeho velikost by určovala poloměr urychlovače. Jeho geologie trasu tunelu. Jeho regolit by poskytoval část materiálu. Sluneční světlo dopadající na jeho povrch by napájelo stroj. Celé nebeské těleso by se změnilo v nosnou konstrukci jednoho obrovského fyzikálního zařízení.
Je to představa tak gigantická, že působí skoro absurdně. Jenže před sto lety by podobně absurdně zněla věta, že jednou vybudujeme pod Evropou 27 kilometrů dlouhý prsten supravodivých magnetů, urychlíme v něm protony téměř na rychlost světla a díky jejich srážkám objevíme částici předpovězenou rovnicemi o půl století dříve.
Dnes tento stroj skutečně existuje. A fyzici už přemýšlejí, co bude následovat, až nám začne být malý i on. Možná další tunel v Evropě. Možná mnohem větší urychlovač na Zemi. A možná jednou stroj dlouhý 11 000 kilometrů, jehož největší součástkou nebude magnet ani detektor. Bude jí samotný Měsíc.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], New Journal of Physics – A very high energy hadron collider on the Moon [2], CERN Document Server – A very high energy hadron collider on the Moon [3], arXiv – A very high energy hadron collider on the Moon [4]. img ai generated
