Díky urychlovači pohlédneme 13 miliard let nazpět, hlásí český vědec z Dubny, kde působí už půlstoletí

Od roku 2013 je Richard Lednický členem výkonného výboru projektu urychlovače NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility) a v letech 2017–2020 vedl jeho ředitelství.

Do Dubny v Rusku byla loni dopravena vodní cestou z Itálie hlavní součást jednoho ze dvou detektorů srážek částic na tomto novém urychlovači, unikátní supravodivý magnet o hmotnosti 125 tun. Ten zaznamená výsledky nejsložitějších fyzikálních experimentů, během kterých se vědci pomyslně vrátí 13 miliard let a uvidí, jak vznikal vesmír. Urychlovač by měl být poprvé spuštěn na konci roku 2022, zatím půjde jen o zkoušku. Nyní je do projektu NICA zapojeno 700 fyziků ze 40 výzkumných ústavů.

V SÚJV od roku 2006 působím jako zástupce ředitele ústavu. Byť se nepřestávám věnovat vlastní vědě, v posledních letech jsem zde vystřídal několik administrativních pozic.

Po příchodu do SÚJV jsem se věnoval čistě řešení vědeckých problémů. S ústavem jsem se blíže seznámil v září 1967, kdy jsem byl vyslán spolu s dalšími čtyřmi studenty ČVUT k absolvování 5. ročníku studia a přípravě diplomové práce na pobočce Moskevské státní univerzity v Dubně. Moje práce se zabývala studiem produkce rezonancí s pomocí 40cm vodíkové komory na synchrofázotronu, urychlovači protonů na tehdy – při jeho spuštění v roce 1957 – rekordní energii 10 GeV (gigaelektronvolt).

Po ukončení studia jsem pokračoval v práci na analýze dat z vodíkových komor Laboratoře vysokých energií SÚJV, včetně dat z dvoumetrové vodíkové komory Ludmila umístěné na serpuchovském urychlovači protonů s tehdy rekordní energií 70 GeV.

Kromě administrativy je to práce ve vědecko-technických výborech SÚJV, Laboratoře fyziky vysokých energií SÚJV a práce ve výkonných výborech experimentů DIRAC v CERNu (Evropské centrum pro jaderný výzkum ve švýcarské Ženevě – pozn. red.) či STAR v Brookhaven National Laboratory (BNL) ve Spojených státech. Účastním se také přípravy fyzikálního programu v rámci projektu NICA.

S kolegy z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR pracuji na analýze dat z experimentu DIRAC, který je zaměřen na studium tzv. mesoatomů a prověrku chirální poruchové teorie. Dále spolupracuji s kolegy v Ústavu jaderné fyziky AV ČR a světovými laboratořemi na experimentálních a teoretických problémech měření časoprostorových charakteristik produkce částic a jejich silné interakce.

Kupříkladu svého času nejpřesnější změření struktury nukleonů s pomocí rozptylu mionů generovaných na SPS (Super Proton Synchrotron) v CERNu a potvrzení předpovědí kvantové chromodynamiky. Rovněž třeba formulace teoretických základů tzv. korelační femtoskopie a korelační měření silné interakce různých typů částic, které je jinak těžko uskutečnitelné – mj. změření silné interakce mezi antiprotony a první přímý důkaz identičnosti silné interakce ve světě a antisvětě.

Projekt NICA realizuje mezinárodní mezivládní organizace SÚJV v Dubně sestávající z 18 členských (včetně ČR) a šesti asociovaných zemí.

Projekt se realizuje v několika etapách: začal modernizací Nuklotronu (prvního supravodivého urychlovače těžkých iontů) a experimenty na budovaném detektoru BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron), pokračuje stavbou předurychlovače (Booster) s vakuem nutným k dosažení vysoké intenzity těžkých iontů a stavbou srážeče (Collider) těžkých iontů a polarizovaných částic, jejichž srážky se budou detekovat dvěma velkými detektory: MPD (Multi Purpose Detector) a SPD (Spin Physics Detector).

Technické spuštění předurychlovače se uskutečnilo na konci minulého roku a spuštění tzv. bázové konfigurace srážeče s omezenou intenzitou srážek (luminozitou) je plánováno na konec roku 2022, plné konfigurace připravené k náboru dat v roce 2025. Na detektoru MPD probíhá v současné době instalace velkého supravodivého magnetu.

Součástí projektu NICA je také aplikovaný výzkum. Jedná se především o tři inovační projekty: ozařování elektronických obvodů ionty s atomovými čísly a energiemi typickými pro kosmické záření, což umožní vývoj revoluční radiačně odolné elektroniky potřebné pro satelity a vesmírné expedice.

Dále studium vlivu ozařování těmito ionty na živé organismy – první experimenty s opicemi ukazují na kognitivní problémy, bez jejichž překonání bude cesta člověka na Mars stěží uskutečnitelná. A rovněž formování svazků pro částicovou terapii s pomocí originální technologie dubněnských supravodivých magnetů.

Dubna je světově proslulá objevy supertěžkých prvků (dubnium, flerovium, moscovium), jejichž rostoucí poločasy rozpadu ukazují na existenci tzv. ostrova stability. Pro syntézu prvků z ostrova stability jsou třeba izotopy s co největším počtem neutronů. Tyto izotopy jsou produkovány na výkonných reaktorech v USA a terčový materiál pro experimenty v Dubně z něj vyrábí společnost TVEL korporace Rosatom.

S Rosatomem připravujeme také projekt impulsního reaktoru na bázi neptunia, který by měl koncem 30. let zaměnit existující reaktor na bázi plutonia. V SÚJV se navíc s účastí pracovníků AV ČR a ČVUT realizuje projekt Energie zaměřený na vývoj reaktorů řízených urychlovačem a na využití energie transmutace jaderných odpadů.

Současné špičkové projekty jsou nemyslitelné bez široké mezinárodní spolupráce.

Z českých zapojených firem lze zmínit Vakuum Praha, které má zásluhu na zabezpečení vysokých nároků na vakuum ve všech částech urychlovačového komplexu NICA, a firmu Vítkovice Heavy Machinery, která provedla konečné vysoce přesné opracování železné části (vážící přes 700 tun) magnetu pro MPD.

Zjednodušeně řečeno to znamená, že při srážení částic bude vznikat hmota s podobnou charakteristikou jako měla hmota krátce po velkém třesku. Vědci sami se v čase nevrátí, ale napodobí podmínky, které panovaly během vzniku vesmíru.

Fázový přechod mezi excitovaným plazmatem a detekovanými částicemi je podobný fázovému přechodu, ke kterému došlo po velkém třesku, který proběhl při prakticky stejném počtu částic a antičástic spojitě s nulovým latentním teplem. Teoretické modelové výpočty ukazují, že je možné změnit charakter tohoto přechodu, až bude růst počet částic oproti antičásticím. Toho se dá podle výpočtů dosáhnout snižováním energie srážky.

Změnu charakteru fázového přechodu poznáme podle toho, že se začnou objevovat anomálně silné fluktuace charakteristik excitované hmoty. Tyto fluktuace jsou pro nás indikátorem a zároveň nám přináší velmi obtížný problém v důsledku krátké existence excitované hmoty. Abychom z experimentů získali nějaké směrodatné výsledky, potřebujeme udělat opravdu velký počet srážek. S tím může pomoci NICA.

V mém případě byl zájem o vědu zformován skvělými učiteli chemie, fyziky a matematiky na ZŠ a zejména gymnáziu v Novém Bohumíně, které dnes nese jméno Františka Živného, tehdejšího ředitele a učitele matematiky a fyziky.

Živný byl také aktivním organizátorem matematických a fyzikálních olympiád a věnoval mi v tomto směru hodně času i mimo učební hodiny. Myslím, že účast v matematických, fyzikálních a chemických olympiádách a další pokračování ve studiu na prestižní jaderné fakultě ČVUT předurčily moji budoucí vědeckou kariéru.

V této souvislosti považuji za záslužné, že SÚJV a CERN společně organizují školy pro učitele fyziky, kteří tak mají možnost vidět, jak se dělá současná špičková věda a zapálit pak pro ni své studenty.